《數(shù)字圖像處理教程（OPENCV版）》 課件 Ch01 緒論、Ch02 數(shù)字圖像的基本概念和運(yùn)算

數(shù)字圖像處理教程第1章緒論數(shù)字圖像與模擬圖像

2024/5/621.1數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成2024/5/63實(shí)際場(chǎng)景在適當(dāng)光源照射下產(chǎn)生反射光波或者物體本身發(fā)射電磁波傳感器接收到反射光波或物體本身發(fā)射的電磁波，并將接收到的信號(hào)數(shù)字化后輸出給圖像處理設(shè)備圖像處理設(shè)備指配置適當(dāng)軟件、硬件的處理設(shè)備，該設(shè)備可根據(jù)指定用途將圖像顯示、存儲(chǔ)或者經(jīng)后期算法處理達(dá)到特定目的1.2電磁波譜與可見(jiàn)光數(shù)字圖像處理主要圖像源是電磁波譜電磁波大致分類(lèi)如下：無(wú)線電波、微波、紅外波段、可見(jiàn)光波段、紫外波段、X射線波段以及伽馬射線等可見(jiàn)光波段人眼可見(jiàn)，呈現(xiàn)色彩，可見(jiàn)光波段波長(zhǎng)由長(zhǎng)變短依次分為：紅橙黃綠藍(lán)青紫光學(xué)傳感器獲得的非可見(jiàn)光波段信號(hào)無(wú)色彩，需要將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為圖像灰度或者賦予色彩，將信號(hào)用圖像這種直觀的方式表示2024/5/641.2電磁波譜與可見(jiàn)光無(wú)線電波波段成像主要用于醫(yī)學(xué)和天文學(xué)在天文觀測(cè)中星星和氣體的排放會(huì)發(fā)送無(wú)線電波，這種能量最低的射線可以顯示電子和氫氣的分布。醫(yī)學(xué)中無(wú)線電波波段用于核磁共振成像（MRI），該技術(shù)是病人放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，并讓無(wú)線電短脈沖通過(guò)病人的身體，脈沖引發(fā)人體組織產(chǎn)生響應(yīng)脈沖，根據(jù)接收到的響應(yīng)脈沖強(qiáng)度繪制出的二維剖面圖像2024/5/651.2電磁波譜與可見(jiàn)光微波是頻率在300MHz~300GHz，用于天文觀測(cè)、生物組織成像、遙感等，自動(dòng)駕駛中所用的雷達(dá)波成像就是微波成像與無(wú)線電波相比，微波具有頻率高、頻帶寬、信息容量大、波長(zhǎng)短、方向性好等特點(diǎn)微波可以穿透冰層，受云雨影響小，能夠穿透煙霧，因而可以探測(cè)植被、沙漠、冰層的下方，這使得微波遙感圖像在多云多雨地區(qū)、災(zāi)后生態(tài)環(huán)境較差地區(qū)、森林火災(zāi)地區(qū)具有突出的優(yōu)勢(shì)2024/5/661.2電磁波譜與可見(jiàn)光紅外波成像無(wú)需外部光或熱源就可獲得完整的熱排放量被動(dòng)影像，用于天文、夜間輔助駕駛、安防監(jiān)控、交通監(jiān)控、軍事設(shè)備全天候全視系統(tǒng)、遙感、生物檢測(cè)、地質(zhì)勘探波長(zhǎng)由高到低依次可細(xì)分為遠(yuǎn)紅外波、長(zhǎng)波紅外波、中波紅外波、短波紅外波和近紅外波紅外熱成像位于長(zhǎng)波、中波二個(gè)波段，在這個(gè)波段的感測(cè)器不需要外部光或熱源就可獲得完整的熱排放量被動(dòng)影像短波紅外波成像與可見(jiàn)光類(lèi)似，用于被動(dòng)獲取目標(biāo)信息。短波紅外波用于遙感成像和地面災(zāi)害檢測(cè)、礦物質(zhì)勘測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等2024/5/671.2電磁波譜與可見(jiàn)光光波段圖像是最常見(jiàn)的，無(wú)需處理人眼就可直接看到彩色圖像，這一波段的成像應(yīng)用領(lǐng)域之廣遠(yuǎn)超其它波段，廣泛應(yīng)用于遙感、天文、工業(yè)檢測(cè)、娛樂(lè)等各個(gè)方面2024/5/681.2電磁波譜與可見(jiàn)光紫外線波長(zhǎng)100nm~400nm，應(yīng)用包括平板印刷術(shù)、工業(yè)檢測(cè)、顯微鏡方法、激光、生物成像和天文觀測(cè)等2024/5/691.2電磁波譜與可見(jiàn)光X射線最早用于成像的電磁波輻射源之一。醫(yī)學(xué)中的血管造影用的就是X射線成像，將顯影劑注入血管里，因?yàn)閄光無(wú)法穿透顯影劑，這樣可以消除骨骼和軟組織影像，使血管清晰顯，血管造影正是利用這一特性，通過(guò)顯影劑在X光下所顯示的影像來(lái)診斷血管病變。如冠狀動(dòng)脈造影圖。CT就是X射線斷層掃描X射線圖像還被廣泛用于工業(yè)檢測(cè)和天文研究。x射線波段在天文中用于觀測(cè)星際氣體。在安防領(lǐng)域X射線也有很多應(yīng)用，例如地鐵、車(chē)站的行李安檢機(jī)用的就是X射線2024/5/6101.2電磁波譜與可見(jiàn)光伽馬射線頻率最高該波段成像的主要用于核醫(yī)學(xué)和天文觀測(cè)在核醫(yī)學(xué)中將放射性同位素注射到人體內(nèi)，當(dāng)這種物質(zhì)衰變時(shí)會(huì)釋放出伽馬射線，然后用伽馬射線檢測(cè)儀收集到的放射線來(lái)產(chǎn)生圖像，主要用于骨骼病變的定位伽馬射線成像在天文觀測(cè)中常用，伽馬射線風(fēng)暴代表了黑洞或中子星的誕生2024/5/6111.3電磁波傳感器2024/5/6121.3電磁波傳感器

2024/5/6131.4視覺(jué)系統(tǒng)特性2024/5/614視網(wǎng)膜中包含大約視錐細(xì)胞（cones)、視桿細(xì)胞（rod）視錐細(xì)胞可以感知色彩，對(duì)紅、綠、藍(lán)光最敏感視桿細(xì)胞僅能分辨明暗不能感知色彩視桿細(xì)胞比視錐細(xì)胞數(shù)量多，因此人眼對(duì)亮度比對(duì)色彩更敏感弱光環(huán)境下僅視桿細(xì)胞起作用，視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法在暗環(huán)境中辨別色彩視錐細(xì)胞有三種，分別對(duì)波長(zhǎng)在570nm紅光、波長(zhǎng)535nm綠光、波長(zhǎng)445nm藍(lán)光最敏感。三種視錐細(xì)胞有部分重疊的頻率響應(yīng)曲線，但響應(yīng)強(qiáng)度有所不同，它們共同決定了色彩感覺(jué)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)相同強(qiáng)度、不同波長(zhǎng)的光敏感度不同，其中對(duì)綠光最敏感，對(duì)藍(lán)光最不敏感2024/5/6151.4.1視覺(jué)適應(yīng)性分為暗適應(yīng)、明適應(yīng)和色適應(yīng)暗適應(yīng)是由視桿細(xì)胞代替視錐細(xì)胞的過(guò)程。一般10~30秒明適應(yīng)反之。由于視錐細(xì)胞恢復(fù)工作遠(yuǎn)比視桿細(xì)胞快，因此明適應(yīng)幾秒內(nèi)就可完成色適應(yīng)指視覺(jué)系統(tǒng)隨著觀測(cè)光譜分布變化，對(duì)顏色刺激靈敏度發(fā)生變化的特性長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)很鮮艷的物體后感覺(jué)色彩沒(méi)那么鮮艷了，長(zhǎng)時(shí)間看色彩灰暗的物體后感覺(jué)色彩變鮮艷了，強(qiáng)藍(lán)光刺激后再看紅色物體，感覺(jué)是綠色等2024/5/6161.4.2視覺(jué)惰性對(duì)亮度變化反應(yīng)滯后的特性稱(chēng)為視覺(jué)惰性光強(qiáng)度突然劇烈變化時(shí)，不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺(jué)，有個(gè)短暫的過(guò)渡時(shí)間，隨著時(shí)間增長(zhǎng)主觀亮度感覺(jué)由小到大，達(dá)到最大值后又降低到正常值光消失時(shí)亮度感覺(jué)并不立即消失，而是近似指數(shù)衰減逐漸消失，視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)消失的光維持大約0.05~0.1秒的感覺(jué)。視頻就是利用了這個(gè)特性當(dāng)光閃爍頻率高于46Hz時(shí)，由于視覺(jué)惰性人眼無(wú)法覺(jué)察出閃爍，看到的是穩(wěn)定的光源，電腦顯示器、電視掃描利用此特性，以不低于50Hz的頻率掃描刷新屏幕。2024/5/6171.4.3同時(shí)對(duì)比效應(yīng)與馬赫帶效應(yīng)同時(shí)對(duì)比效應(yīng)：對(duì)某個(gè)區(qū)域的亮度感覺(jué)不僅取決于該區(qū)域亮度值本身，還與該區(qū)域周?chē)牧炼扔嘘P(guān)馬赫帶效應(yīng)：在明暗交界處會(huì)感覺(jué)亮處更亮、暗處更暗馬赫帶效應(yīng)表明視覺(jué)系統(tǒng)有增強(qiáng)邊緣對(duì)比度的機(jī)制2024/5/6181.4.4視覺(jué)分辨率在亮度合適情況下視覺(jué)分辨率達(dá)到最大相對(duì)對(duì)比度=物體亮度與背景亮度的差值/背景亮度。該比值越小，表示物體亮度與背景亮度越接近，此時(shí)分辨率下降運(yùn)動(dòng)速度越快視覺(jué)分辨率越低2024/5/6191.4.4視覺(jué)分辨率視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)亮度的分辨力比對(duì)色彩分辨率更強(qiáng)，對(duì)不同色彩的分辨能力不同視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)不同色彩的分辨能力不同，例如對(duì)波長(zhǎng)380nm~430nm的光基本感覺(jué)不出色彩差別，對(duì)655nm~740nm的光也是如此，但在480nm~640nm波段即使波長(zhǎng)只有1nm變化也能辨別出色彩差異視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)亮度光強(qiáng)變化的響應(yīng)是非線性。亮度掩蔽特性當(dāng)光強(qiáng)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)感知不到亮度變化，只有當(dāng)光強(qiáng)變化超過(guò)一定閾值時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)才能感覺(jué)到變化2024/5/6201.4.5視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)只有接近視覺(jué)中心才能看到物體的細(xì)節(jié)，越偏離視覺(jué)中心對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力越差視覺(jué)系統(tǒng)利用知識(shí)經(jīng)驗(yàn)填補(bǔ)降低的分辨能力，有時(shí)這種填補(bǔ)造成錯(cuò)覺(jué)2024/5/6211.5數(shù)字圖像處理應(yīng)用2024/5/6221.5數(shù)字圖像處理應(yīng)用物理、天文等研究領(lǐng)域生物檢測(cè)工業(yè)檢測(cè)遙感、軍事安檢智能交通2024/5/623OPENCVOPENCV安裝用編譯好的OPENCV直接安裝（簡(jiǎn)單，推薦）

/projects/opencvlibrary/files/

或者/releases/

選擇OPENCV版本下載

進(jìn)入版本對(duì)應(yīng)目錄，查看編譯用的visualstudio版本，如果文件名為OPENCV-版本號(hào)-vc14-vc15.exe，說(shuō)明編譯好的OPENCV支持visualstudio2014、2015登錄到https:///vs/older-downloads/下載對(duì)應(yīng)的visualstudiocommunity并安裝安裝下載的OPENCV，不妨設(shè)安裝在c:\OPENCV目錄下用OPENCV源代碼自己編譯安裝見(jiàn)https:///4.x/dd/d6e/tutorial_windows_visual_studio_opencv.html2024/5/624OPENCV在visualstudio中的配置設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境變量路徑Windows左下角“開(kāi)始”—“設(shè)置”—“系統(tǒng)”—“關(guān)于”—“高級(jí)系統(tǒng)設(shè)置”中，點(diǎn)擊“環(huán)境變量…”選擇“系統(tǒng)變量”，點(diǎn)擊“新建”，新建變量“OPENCV”,路徑為OPENCV安裝路徑下的bin目錄，例如C:\opencv\build\x64\vc14\bin打開(kāi)visualstudio，創(chuàng)建新項(xiàng)目在visualstudio中選擇x64版本修改項(xiàng)目屬性C/C++>General

選項(xiàng)中，在AdditionalIncludeDirectories項(xiàng)中將OPENCV的安裝目錄下的include加上，例如C:\opencv\build\includelinker>General

選項(xiàng)中，

AdditionalLibraryDirectories項(xiàng)中添加OPECV鏈接庫(kù)目錄，例如

C:\opencv\build\x64\vc14\lib

在linker>Input的AdditionalDependencies中，添加文件名opencv＿world數(shù)字.lib（如果生成release版），添加文件名opencv＿world數(shù)字d.lib（如果生成debug版）。其中數(shù)字與版本有關(guān)2024/5/625數(shù)字圖像處理教程第2章數(shù)字圖像的基本概念和運(yùn)算2024/5/6262.1圖像成像模型2024/5/6272.1圖像成像模型

2024/5/6282.2圖像中的基本概念2024/5/6292.2.1采樣和量化

模擬量難以存儲(chǔ)，例如膠卷照片、老電影拷貝首先對(duì)空間坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化，稱(chēng)之為采樣對(duì)所對(duì)應(yīng)的圖像值進(jìn)行數(shù)字化，稱(chēng)之為量化2024/5/6302.2.2數(shù)字圖像表示

2024/5/6312.2.3空間分辨率與灰度級(jí)分辨率

2024/5/6322.3像素間的基本關(guān)系2024/5/6332.3.1相鄰像素

2024/5/6342.3.2連通性、區(qū)域和邊界

2024/5/6352.3.2連通性、區(qū)域和邊界連通分量（區(qū)域）與連通性有關(guān)邊界與連通性有關(guān)2024/5/636

2024/5/637

2024/5/6382.4數(shù)字圖像的基本操作2024/5/6392.4.1圖像間算術(shù)操作

圖像算術(shù)操作是二幅圖像中相同坐標(biāo)的一對(duì)像素之間運(yùn)算

常用的圖像算術(shù)操作有圖像加、減、乘、除等

算術(shù)操作要求參與運(yùn)算的圖像尺寸相同，圖像深度相同，圖像

通道數(shù)相同，即二幅都是灰度圖像或者都是彩色圖像圖像

矩陣相同位置的元素進(jìn)行算術(shù)操作2024/5/6402.4.1圖像間算術(shù)操作

2024/5/641

單張圖片32張相同場(chǎng)景圖片平均的結(jié)果2.4.1圖像間算術(shù)操作

2024/5/642

注射介質(zhì)前注射介質(zhì)后前兩張圖相減2.4.1圖像間算術(shù)操作

圖像乘法和除法通常用于校正陰影2024/5/6432.4.2圖像邏輯運(yùn)算

邏輯運(yùn)算是將一幅或二幅圖像通過(guò)對(duì)應(yīng)像素間的邏輯與、或、非等運(yùn)算獲得輸出圖像邏輯與運(yùn)算主要用于提取圖像中感興趣區(qū)域的內(nèi)容并屏蔽其它區(qū)域。參與圖像中至少一幅為二值圖像邏輯或、異或運(yùn)算通常在二幅二值圖像間進(jìn)行，結(jié)果仍是二值圖像邏輯非運(yùn)算只需一副圖像，對(duì)圖像中各個(gè)像素值取反2024/5/6442.4.3圖像空間幾何變換

2024/5/6452.4.3圖像空間幾何變換

2024/5/6462.4.3圖像空間幾何變換

2024/5/6472.4.3圖像空間幾何變換