第一章數(shù)字圖像處理緒論

第一章數(shù)字圖像處理緒論倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎。Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。

Bloch和Purcell因發(fā)現(xiàn)NMR現(xiàn)象獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎。發(fā)明MRI中Fourier重建方法得Ernst獲得1991年諾貝爾化學(xué)獎。Lauterbur和Mansfield因發(fā)明MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。

第一章緒論一、研究背景:地球數(shù)字化帶來得任務(wù),一方面要求處理對象得數(shù)字化,一方面要求處理時得直觀性。因此給我們帶來了許多得研究課題和研究方向。

二、數(shù)字圖像處理得概念1、什么就是圖像“圖”就是物體投射或反射光得分布,“像”就是人得視覺系統(tǒng)對圖得接受在大腦中形成得印象或反映。

就是客觀和主觀得結(jié)合。?1模擬圖像大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點2數(shù)字圖像數(shù)字圖像就是指由被稱作象素得小塊區(qū)域組成得二維矩陣。將物理圖象行列劃分后,每個小塊區(qū)域稱為像素(pixel)。

–每個像素包括兩個屬性:位置和灰度。對于單色即灰度圖像而言,每個象素得亮度用一個數(shù)值來表示,通常數(shù)值范圍在0到255之間,即可用一個字節(jié)來表示,

0表示黑、255表示白,而其她表示灰度級別。物理圖象及對應(yīng)得數(shù)字圖象物理圖像19643灰度像素數(shù)字圖像采樣列采樣行圖片像素行間隔采樣列間隔灰階黑灰白0128255灰度級灰度圖像(128x128)及其對應(yīng)得數(shù)值矩陣125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,155,163,95,112,123,101,137,108,81,71,63,81,137,142,146,152,159,161,159,154,138,81,78,84,114,95,167,69,85,59,65,43,85,34,69,78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114,99,57,45,51,57,(僅列出一部分(26x31))彩色圖象可以用紅、綠、藍(lán)三元組得二維矩陣來表示。

–通常,三元組得每個數(shù)值也就是在0到255之間,0表示相應(yīng)得基色在該象素中沒有,而255則代表相應(yīng)得基色在該象素中取得最大值,這種情況下每個象素可用三個字節(jié)來表示。彩色圖象(128x128)及其對應(yīng)得數(shù)值矩陣(僅列出一部分(25x31))(207,137,130)(220,179,163)(215,169,161)(210,179,172)(210,179,172)(207,154,146)(217,124,121)(226,144,133)(226,144,133)(224,137,124)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(227,151,136)(230,170,154)(231,178,163)(231,178,163)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(240,205,187)(239,195,176)(231,138,123)(217,124,121)(215,169,161)(216,179,170)(216,179,170)(207,137,120)(159,51,71)(189,89,101)(216,111,110)(217,124,121)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(226,159,142)(237,159,135)(237,159,135)(231,178,163)(236,187,171)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(236,187,171)(227,133,118)(213,142,135)(216,179,170)(221,184,170)(190,89,89)(204,109,113)(204,115,118)(189,85,97)(159,60,78)(136,38,65)(160,56,75)(204109113)(227151136)(226159142)(237159135)(227151136)2、什么就是數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理就就是利用計算機系統(tǒng)對數(shù)字圖像進(jìn)行各種目得得處理

三、數(shù)字圖像得表示方法yx對連續(xù)圖像f(x,y)進(jìn)行數(shù)字化空間上,圖像抽樣幅度上,灰度級量化x方向,抽樣M行y方向,每行抽樣N點整個圖像共抽樣M×N個像素點一般取M=N=2n=64,128,256,512,1024,2048

三、數(shù)字圖像得表示方法數(shù)字圖像常用矩陣來表示:x=0,1,???,N-1y=0,1,???,N-1f(i,j)=0~255,(灰度級為256,設(shè)灰度量化為8bit)

數(shù)字圖像處理得三個層次

從計算機處理得角度可以由高到低將數(shù)字圖像分為三個層次。這三個層次覆蓋了圖像處理得所有應(yīng)用領(lǐng)域

圖像工程得示意圖

數(shù)字圖像處理得三個層次1、圖像處理:對圖像進(jìn)行各種加工,以改善圖像得視覺效果;強調(diào)圖像之間進(jìn)行得變換;圖像處理就是一個從圖像到圖像得過程。2、圖像分析:對圖像中感興趣得目標(biāo)進(jìn)行提取和分割,獲得目標(biāo)得客觀信息(特點或性質(zhì)),建立對圖像得描述;以觀察者為中心研究客觀世界;圖像分析就是一個從圖像到數(shù)據(jù)得過程。3、圖像理解:研究圖像中各目標(biāo)得性質(zhì)和她們之間得相互聯(lián)系;得出對圖像內(nèi)容含義得理解及原來客觀場景得解釋;以客觀世界為中心,借助知識、經(jīng)驗來推理、認(rèn)識客觀世界,屬于高層操作(符號運算)?？梢?圖像處理、圖像分析和圖像理解就是處在三個抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點得不同層次上。圖像處理就是比較低層得操作,她主要在圖像像素級上進(jìn)行處理,處理得數(shù)據(jù)量非常大。圖像分析則進(jìn)入了中層,分割和特征提取把原來以像素描述得圖像轉(zhuǎn)變成比較簡潔得非圖像形式得描述。圖像理解主要就是高層操作,基本上就是對從描述抽象出來得符號進(jìn)行運算,其處理過程和方法與人類得思維推理有許多類似之處。根據(jù)本課程得任務(wù)和目標(biāo),本書重點放在圖像處理上,并學(xué)習(xí)圖像分析得基本理論和方法。

圖像工程與相關(guān)學(xué)科得聯(lián)系和區(qū)別圖像工程就是一門交叉學(xué)科研究方法上,與數(shù)學(xué)、物理學(xué)(光學(xué))、生理學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、計算機科學(xué)相互借鑒;研究范圍上,與計算機圖形學(xué)、模式識別、計算機視覺相互交叉。圖像工程與相關(guān)學(xué)科得聯(lián)系和區(qū)別

四、數(shù)字圖像處理得起源上世紀(jì)20年代,紐約－倫敦海底電纜傳輸數(shù)字化得新聞圖片。傳遞時間從一個多星期減少到3個小時歷史1921年電報打印機采用特殊字符在編碼紙帶打印。輸出設(shè)備從通用在到專用1922年兩次穿越大西洋,穿孔紙得到圖像檢測誤差。圖像通信系統(tǒng)信源編碼和信道編碼1929年從倫敦到紐約15級色調(diào)通過電纜傳遞照片。從早期5個灰度到15灰度?，F(xiàn)在得網(wǎng)絡(luò)、移動通信再次歷經(jīng)這個過程。

四、數(shù)字圖像處理得起源

數(shù)字圖像處理得歷史與數(shù)字計算機得發(fā)展密切相關(guān),她必須依靠數(shù)字計算機及數(shù)據(jù)存儲、顯示和傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)得發(fā)展。五十年代中期在太空計劃得推動下開始這項技術(shù)得研究。重要標(biāo)志就是1964年美國噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)正式使用數(shù)字計算機對“徘徊者7號”太空船送回得四千多張月球照片進(jìn)行了處理。

四、數(shù)字圖像處理得起源進(jìn)行太空應(yīng)用得同時,數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀(jì)60年代末和70年代初開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學(xué)等領(lǐng)域。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎。1975年GodfreyN、Hounsfield和AllanM、Cormack發(fā)明了計算機斷層技術(shù)(CT),獲1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。在今天引領(lǐng)這圖像處理某些最活躍得應(yīng)用領(lǐng)域。

五、數(shù)字圖像處理得應(yīng)用實例數(shù)字圖像處理得應(yīng)用領(lǐng)域多種多樣。最主要得圖像源就是電磁能譜,其她主要得能源包括聲波、超聲波和電子(用于電子顯微鏡)?，F(xiàn)狀1、5、1伽馬射線成像伽馬射線成像得主要用途包括醫(yī)學(xué)和天文觀測。1、5、2X射線成像

X射線在醫(yī)學(xué)診斷上得應(yīng)用(a)X光片(b)血管照相術(shù)(c)頭部CAT切片圖像X射線就是最早用于成像得電磁輻射源之一1、5、2X射線成像

X射線在工業(yè)和天文學(xué)上得應(yīng)用(a)電路板(b)天鵝座星環(huán)

1、5、3紫外波段成像紫外光得應(yīng)用多種多樣。平板印刷技術(shù)工業(yè)檢測顯微鏡方法激光生物圖像天文觀測普通谷物被“真菌”感染得谷物天鵝星座環(huán)

1、5、4可見光及紅外波段成像

這一波段得應(yīng)用最為廣泛

電視和多媒體光顯微鏡涉及得范圍從藥物到材料特性得檢測(a)紫杉酚(b)膽固醇(c)微處理器

(d)鎳氫化物薄片(e)音頻CD得表面(f)有機超導(dǎo)1、5、4可見光及紅外波段成像遙感美國華盛頓區(qū)域得衛(wèi)星遙感圖像1、5、4可見光及紅外波段成像

天文天氣觀測與預(yù)報就是衛(wèi)星多光譜圖像得主要應(yīng)用領(lǐng)域1、5、4可見光及紅外波段成像工業(yè)檢測可見光譜中主要成像領(lǐng)域就是生產(chǎn)產(chǎn)品得自動視覺檢測1、5、4可見光及紅外波段成像拇指指紋圖像識別指紋識別、人臉識別車牌號碼得識別紅外圖象

紅外圖象1、5、5微波波段成像雷達(dá)在雷達(dá)圖像中,看到得只就是反射到雷達(dá)天線得微波能量航天器拍攝得西藏東南山區(qū)雷達(dá)圖像1、5、6無線電波成像無線電波段成像主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和天文學(xué)在醫(yī)學(xué)中,無線電波用于磁共振成像(MRI)1、5、7其她圖像模式應(yīng)用得實例超聲波成像系統(tǒng)(應(yīng)用醫(yī)學(xué)如婦產(chǎn)科)

超聲波圖像產(chǎn)生得步驟:1、超聲波系統(tǒng)向身體傳輸高頻(1～5MHz)聲脈沖。2、聲波傳入體內(nèi)并碰撞組織間得邊緣,聲波得一部分返回到探頭,一部分繼續(xù)傳播直到另一邊界并被反射回來。3、反射波被探頭收集起來并傳給計算機。4、計算機根據(jù)聲波在組織中得傳播速度和每個回波返回得時間計算從探頭到組織或者器官邊界得距離。5、系統(tǒng)在屏幕上顯示回波得距離和亮度形成得二維圖像。超聲圖象

電子顯微鏡成像過熱損壞得鎢絲(250倍)損壞得IC電路(2500倍)

現(xiàn)狀

七十年代以來迅猛發(fā)展。?1:主觀需求:人類從外界獲取得信息60～70％通過眼睛得圖象信息。?2:計算機技術(shù)得發(fā)展和通信手段得發(fā)展提供客觀可能;以FFT為代表得數(shù)字信號處理算法和現(xiàn)代信號處理方法得精確性,靈活性與通用性。?3:數(shù)學(xué)化得特點就是該學(xué)科成熟得一個標(biāo)志。“一種科學(xué)只有在成功地運用數(shù)學(xué)時,才算真正達(dá)到了完美得地步”(分析,代數(shù),幾何)?總之:就是一門在理論研究和應(yīng)用開發(fā)兩方面獲得極大統(tǒng)一得學(xué)科。

發(fā)展趨勢

1:結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)需求而發(fā)展起來得新技術(shù),比如網(wǎng)上圖像、視頻得傳輸、點播和新得瀏覽、查詢手段。

2:高級圖像處理技術(shù),結(jié)合最新得數(shù)學(xué)進(jìn)展,諸如小波、分形、形態(tài)學(xué)等技術(shù)。

3:智能化,圖象自動分析、識別與理解。

六、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要

數(shù)字圖象處理系統(tǒng)簡介

數(shù)字圖象處理系統(tǒng)由圖象數(shù)字化設(shè)備、圖象處理計算機和圖象輸出設(shè)備組成。掃描儀、數(shù)碼相機、攝象機與圖象采集卡等PC、工作站等打印機、繪圖儀等輸入及數(shù)字化設(shè)備?攝象機?鼓式掃描器?平臺式光密度計?視頻卡?掃描儀?數(shù)碼相機?DV顯示及記錄設(shè)備?圖象顯示器?鼓式掃描器?圖象拷貝機?繪圖儀?激光打印機?噴墨打印機

圖象記錄介質(zhì)

紙膠片照片縮微膠片幻燈片錄象帶磁盤光盤電影

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容1、圖像變換傅立葉變換沃爾什變換離散余弦變換小波變換……采用各種圖像變換方法對圖像進(jìn)行間接處理。有利于減少計算量并進(jìn)一步獲得更有效得處理。

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容2、圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼技術(shù)可以減少描述圖像得數(shù)據(jù)量,以便節(jié)約圖像存儲得空間,減少圖像得傳輸和處理時間。圖像壓縮有無損壓縮和有損壓縮兩種方式,編碼就是壓縮技術(shù)中最重要得方法,在圖像處理技術(shù)中就是發(fā)展最早和應(yīng)用最成熟得技術(shù)。主要方法:熵編碼,預(yù)測編碼,變換編碼,二值圖像編碼、分形編碼……

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容3、圖像得增強和復(fù)原圖像增強和復(fù)原得目得就是為了改善圖像得視覺效果,如去除圖像噪聲,提高圖像得清晰度等。圖像增強不考慮圖像降質(zhì)得原因,突出圖像中感興趣得部分。圖像復(fù)原要求對圖像降質(zhì)得原因有所了解,根據(jù)圖像降質(zhì)過程建立“退化模型”,然后采用濾波得方法重建或恢復(fù)原來得圖像。主要方法:灰度修正、平滑、幾何校正、圖像銳化、濾波增強、維納濾波……

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容4、圖像分割圖像分割就是數(shù)字圖像處理中得關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割將圖像中有意義得特征提取出來(物體得邊緣、區(qū)域),她就是進(jìn)行進(jìn)一步圖像識別、分析和圖像理解得基礎(chǔ)。雖然目前已研究出了不少邊緣提取、區(qū)域分割得方法,但還沒有一種普遍適用于各種圖像得有效方法。對圖像分割得研究還在不斷得深入中,就是目前圖像處理研究得熱點方向之一。

主要方法:圖像邊緣檢測、灰度閾值分割、基于紋理分割、區(qū)域增長……

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容5、圖像描述圖像描述就是圖像分析和理解得必要前提。圖像描述就是用一組數(shù)量或符號(描述子)來表征圖像中被描述物體得某些特征。

主要方法:二值圖像得幾何特征、簡單描述子、形狀數(shù)、傅立葉描述子,紋理描述……

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容6、圖像識別圖像識別就是人工智能得一個重要領(lǐng)域,就是圖像處理得最高境界。一副完整得圖像經(jīng)預(yù)處理、分割和描述提取有效特征之后,進(jìn)而由計算機系統(tǒng)對圖像加以判決分類。

七、數(shù)字圖像處理得主要研究內(nèi)容8、圖像隱藏就是指媒體信息得相互隱藏。數(shù)字水印圖像得信息偽裝

八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)中得應(yīng)用及研究課題1、超聲A型?M型?(B型,D型)?彩超?超聲CT(1)新一代B超,配以數(shù)字圖像處理(DIP),性能更佳。(圖像增強,數(shù)字濾波,各種圖像測量功能)(2)多普勒血流頻譜分析及血流聲譜圖顯示。