刑事圖像處理技術(shù)

第一節(jié)、概述數(shù)字圖像處理的起源數(shù)字圖像處理根本概念數(shù)字圖像處理的主要方法數(shù)字圖像最早的應(yīng)用之一是在報(bào)業(yè)，20世紀(jì)20年代的海底電纜使得倫敦與紐約之間圖片的傳輸從過(guò)去的一個(gè)多星期縮短到3個(gè)小時(shí)以內(nèi)。但這還不是數(shù)字圖像處理，因?yàn)闆](méi)有計(jì)算機(jī)的介入。20世紀(jì)60年代，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室〔JetPropulsionLaboratory，JPL〕運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理了由漫游者7號(hào)發(fā)回的月球外表照片存在的畸變。這張照片也是美國(guó)太空船拍攝的首張?jiān)虑蛘掌?。二、?shù)字圖像處理的根本概念二、數(shù)字圖像處理的根本概念圖像的本質(zhì)數(shù)字圖像的獲取數(shù)字圖像的類型數(shù)字圖像的文件格式圖像通道灰度值方圖1、圖像的本質(zhì)關(guān)于圖像，有不同的定義：

需要指出的是，上述對(duì)圖像定義的范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人眼能看到的東西。它還包含了許多人眼無(wú)法直接接受到的圖像信息，例如紅外圖像、x光圖像和超聲波圖像等，這些圖像均客觀地存在著且已在實(shí)際中普遍使用，但人的眼睛無(wú)法看到它們。大多數(shù)圖像是它所表示的對(duì)象信息的一個(gè)濃縮和概括，換言之，一幅圖像所包含的信息要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于原對(duì)象。因此，一幅圖像是該對(duì)象的一個(gè)不完全、不精確，但在某種意義上恰當(dāng)?shù)谋硎尽＝柚诩系母拍?，可根?jù)圖像的生成方法或存在形式將其做如下劃分：What’sthat?2、數(shù)字圖像的獲取

采樣是將模擬圖像在空間離散化的過(guò)程。其過(guò)程包括：測(cè)量一幅圖像每個(gè)位置的灰度值，傳感元件將光亮度轉(zhuǎn)化為電壓值，對(duì)圖像信號(hào)的定義域離散化。采樣〔抽樣〕均勻采樣〔抽樣〕定理假設(shè)信號(hào)頻率有限且不大于fm，那么用不低于2fm的頻率加以采樣時(shí)，原信號(hào)可以由采樣后的信號(hào)完全重建。其中2fm稱為奈奎斯特〔Nyquist〕采樣頻率。此定理也叫奈奎斯特采樣定理〔也有文獻(xiàn)稱作香農(nóng)〔Shannon〕采樣定理〕。離散化圖像的描述量化量化是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬圖像信號(hào)的值域〔灰度〕進(jìn)行離散化的操作〔或過(guò)程〕。通常的做法是將灰度值量化為2n個(gè)區(qū)間。量化會(huì)導(dǎo)致數(shù)字圖像與原模擬圖像之間無(wú)法防止的差異，這稱作量化誤差。量化的級(jí)別越多，量化誤差就越小。圖像的采樣和量化3、數(shù)字圖像的類型數(shù)字圖像大致可分為二值圖像、灰度圖像、彩色圖像和多光譜圖像等幾類。二值圖像只能從0或1中取值，在顯示時(shí)，它對(duì)應(yīng)于黑和白兩種狀態(tài)。文字稿、線條圖、指紋圖等?？梢杂眠@種方式存儲(chǔ)，其特點(diǎn)是占用的空間小。灰度圖像對(duì)應(yīng)于人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦谐Ｒ?jiàn)的黑白照片，表現(xiàn)為黑和白的不同濃淡層次，它可以用下式表示：0≤f〔i,j〕≤2n-1式中的n是灰度量化的位數(shù)，取決于圖像數(shù)字化設(shè)備的能力，例如灰度被量化為8位時(shí)像素值將在0—255間。彩色圖像又經(jīng)常分為真彩色圖像和索引色彩色圖像。前者常由RGB三個(gè)通道的8位灰度圖像組成〔共24位〕，后者一般是由256種顏色組成。前者的視覺(jué)效果比較逼真〔此即“真彩色〞的由來(lái)〕，但占用空間較大；后者的色彩過(guò)渡欠自然，但所需的存儲(chǔ)空間小。當(dāng)然也有類似于真彩色圖像但位深度較小〔比方5位〕的彩色圖像，但在實(shí)際使用中較少見(jiàn)。真彩色圖像索引色彩色圖像如果一幅圖像由多種光譜成分組成時(shí)，可以用下式表示：0≤fk〔i,j〕≤2n-1其中k值大于4。很多遙感圖像都是多光譜圖像。4、數(shù)字圖像的文件格式數(shù)字圖像以一定格式的文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸，圖像文件格式有很多，有壓縮的和非壓縮的。比較常用的有BMP，JPEG，TIFF，GIF等。BMP格式BMP格式是WINDOWS系統(tǒng)通用的圖片格式，文件名后綴為.Bmp，絕大多數(shù)數(shù)碼照片處理軟件都支持這種文件格式。它以一種點(diǎn)陣方式來(lái)貯存照片，是一種非壓縮或無(wú)損壓縮的圖像文件格式，只支持單色、16色、256色和真彩色等四種圖像。由于是非壓縮或無(wú)損壓縮的，所以文件往往很大，傳輸不太方便，通常用在對(duì)圖像質(zhì)量要求非常高的場(chǎng)合。TIFF格式TIFF圖象格式(擴(kuò)展名為tif，全名是TaggedImageFileFormat)是AldusCorporation于1986年設(shè)計(jì)的是一種非失真的壓縮格式(最高也只能做到2至3倍的壓縮比)，它能保持原有圖象的顏色及層次，但占用空間很大，故TIFF常被應(yīng)用于較專業(yè)的用途如書(shū)籍出版海報(bào)等，很少應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)上。其另外一個(gè)特點(diǎn)是可以在一個(gè)文件中存儲(chǔ)多幅圖像。JPEG格式JPEG圖象格式(擴(kuò)展名為jpg，全名是JointPhotographicExpertsGroup〕是一種失真式的圖象壓縮方式。它的壓縮比率通常在10:1到40:1之間，在壓縮圖象的過(guò)程中圖象中重復(fù)或不重要的資料會(huì)被喪失因此圖象會(huì)有失真。不過(guò)由于它可使圖象占用空間大幅減小，故很適合應(yīng)用于網(wǎng)上傳輸。JPEG格式壓縮的主要是高頻信息，對(duì)色彩的信息保存較好，它可以支持24bits真彩色所以也普遍應(yīng)用于需要連續(xù)色調(diào)的圖象。JPEG的最新版本是JPEG2000，它采用了小波變換，壓縮比更高，而圖像細(xì)節(jié)的損失更小。GIF格式GIF圖象格式(擴(kuò)展名是gif)在壓縮的過(guò)程中圖像的像素資料不會(huì)被喪失，然而喪失的卻是圖像的色彩，即一局部本來(lái)不同的顏色被壓縮成了同一種顏色。這是因?yàn)镚IF格式最多只能儲(chǔ)存256色(8bits)，這種格式通常用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)上使用，如制作網(wǎng)頁(yè)等。除此之外，還有其他的一些文件格式，如PDF、PCX、TGA、PNG、PSD等格式。5、圖像通道通道的概念主要是針對(duì)彩色和多光譜圖像而言。因?yàn)檫@些圖像是由多個(gè)獨(dú)立的主色圖像組成，每一個(gè)主色圖像稱為一個(gè)通道，它記錄了相應(yīng)主色的亮度信息〔即相當(dāng)于一個(gè)灰度圖像〕。比方最常見(jiàn)的RGB彩色圖像就是由紅〔R〕、綠〔G〕、藍(lán)〔B〕三個(gè)通道組成。5、圖像通道顏色可以用不同的模型進(jìn)行表示，除了最常用的RGB模式外，還有Lab、YIQ、HSI、CMYK、YCbCr等多種模式。同一圖像用不同色彩模式表示時(shí)，其通道的內(nèi)容也會(huì)有一定差異。

RGB模式HSI模型YIQ模型CIELab模型YCbCr模型除存放圖像顏色信息的通道外，還可以有另一種性質(zhì)的通道，這就是Alpha通道。這種通道由用戶自己建立，用來(lái)存放用戶的操作內(nèi)容，例如存放區(qū)域分割信息(蒙版)、存放與彩色圖像對(duì)應(yīng)的灰度圖像、存放選擇區(qū)域邊界以及用于通道計(jì)算等。它們與主色通道一起構(gòu)成一幅圖像，但Alpha通道不是組成圖像的必要條件，沒(méi)有Alpha通道的圖像照樣是完整的圖像。目前只有少數(shù)的圖像處理軟件支持Alpha通道，其中包括最常用的Photoshop。Photoshop圖像通道調(diào)色板

6、灰度直方圖灰度直方圖簡(jiǎn)稱直方圖，是灰度級(jí)的函數(shù)，描述的是灰度圖像中具有該灰度級(jí)的像素的個(gè)數(shù)。其橫坐標(biāo)是灰度級(jí)，縱坐標(biāo)是該灰度出現(xiàn)的頻率(或像素的個(gè)數(shù))。

6、灰度直方圖直方圖表達(dá)了圖像的統(tǒng)計(jì)特性，在圖像處理中具有重要的作用。有些圖像增強(qiáng)的操作就是直接針對(duì)直方圖進(jìn)行的。同時(shí)，直方圖給出一個(gè)簡(jiǎn)單可見(jiàn)的指示，用來(lái)判斷一幅圖像是否合理地利用了全部可能的灰度級(jí)范圍，這在進(jìn)行圖像數(shù)字化時(shí)很有用。三、數(shù)字圖像處理的主要方法1、空域處理

點(diǎn)運(yùn)算實(shí)際上就是對(duì)圖像的每個(gè)像素值按一定的映射關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，得到一幅新圖像的過(guò)程。假設(shè)原圖象為A(x,y),經(jīng)點(diǎn)運(yùn)算處理后得到的圖像為B(x,y)，那么B(x,y)=f[A(x,y)]圖像處理中進(jìn)行的數(shù)學(xué)變換都是點(diǎn)運(yùn)算。對(duì)于一幅輸入圖像，經(jīng)過(guò)點(diǎn)運(yùn)算將產(chǎn)生一幅輸出圖像，后者的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值僅由相應(yīng)輸入像素點(diǎn)的值決定。點(diǎn)運(yùn)算鄰域運(yùn)算鄰域處理(有時(shí)稱為區(qū)處理，模板處理等)指的是以某一像素為中心從圖像中取出一個(gè)小區(qū)域，然后用該小區(qū)域的像素經(jīng)某種運(yùn)算變換得到該中心像素的新值。由于中心像素周圍的鄰域像素在二維方向上提供了圖像在該范圍內(nèi)的亮度變化信息，因此這樣的處理實(shí)際上就是對(duì)這種局部亮度變化作調(diào)整。鄰域運(yùn)算鄰域處理與點(diǎn)處理的區(qū)別在于：點(diǎn)處理只使用圖像中的一個(gè)像素值經(jīng)某一變換后求出該像素的新值，而鄰域處理那么需要用一個(gè)像素組來(lái)決定中心像素的值。鄰域處理等價(jià)于某種空間濾波處理?？臻g濾波在圖像處理中有很多應(yīng)用，例如圖像的特征提取、圖像的銳化與平滑、圖像的模糊以及消除圖像小的隨機(jī)噪聲等。幾何變換處理幾何變換處理目的是改變圖像中各物體之間的空間關(guān)系。這種運(yùn)算可以看成是將(各)物體在圖像內(nèi)移動(dòng)和變形。幾何變換處理需要兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程。首先，需要一個(gè)算法來(lái)定義空間變換本身，用它描述每個(gè)像素如何從其初始位置“移動(dòng)〞到終止位置，即每個(gè)像素的“運(yùn)動(dòng)〞；同時(shí)，還需要一個(gè)用于灰度插值的算法?？臻g變換與灰度插值幾何變換處理常用來(lái)對(duì)圖像的變形進(jìn)行校正，或者對(duì)記錄同一對(duì)象的不同圖像進(jìn)行配準(zhǔn)等。很多影視作品中常利用它來(lái)到達(dá)影像變形的目的。圖像代數(shù)與邏輯運(yùn)算圖像代數(shù)運(yùn)算是指將兩幅圖像通過(guò)對(duì)應(yīng)像素之間的加、減、乘、除運(yùn)算得到輸出〔結(jié)果〕圖像的方法。在加、乘法運(yùn)算時(shí)可以是兩幅以上的圖像同時(shí)參與運(yùn)算。定義如下：C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)；C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)C(x,y)=A(x,y)×B(x,y)；C(x,y)=A(x,y)÷B(x,y)加法運(yùn)算多幅去噪處理之前處理之后據(jù)理論分析，對(duì)M幅含噪聲圖像進(jìn)行疊加平均，其噪聲水平可以降到原來(lái)的。減法運(yùn)算去除指紋圖像的不規(guī)那么背景干擾

不均勻照明的校正乘法運(yùn)算乘法運(yùn)算在數(shù)字圖像處理中可用來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行掩模〔mask〕處理。掩模一般是一個(gè)二值化的模板。對(duì)應(yīng)于被掩蔽的局部的值為0，非掩蔽局部那么為1。與這樣的一個(gè)掩模圖像相乘的結(jié)果是原圖像上的一局部被屏蔽了。除法運(yùn)算圖象除法的可以用來(lái)校正由于照明或傳感器的非均勻性造成的圖象灰度陰影。在多光譜圖像分析時(shí)，有時(shí)也會(huì)用到圖像之間的除法運(yùn)算。圖像邏輯運(yùn)算及其應(yīng)用常見(jiàn)的圖像邏輯運(yùn)算有與、或、非等，其主要針對(duì)二值圖像，在圖像理解與分析領(lǐng)域比較有用，數(shù)字圖像處理中一類很重要的方法——數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，就是以此為根底的。運(yùn)用這種方法也可以為圖像提供模板，與其他運(yùn)算方法結(jié)合起來(lái)獲得某種特殊效果。2、變換域處理圖像的變換域處理往往是在無(wú)法通過(guò)空域處理現(xiàn)實(shí)某種效果或?qū)崿F(xiàn)過(guò)程比較繁復(fù)的情況下采用，變換的目的是使處理更加方便。比方利用傅立葉變換可以從頻譜分析的角度認(rèn)識(shí)和處理圖像；利用離散余弦變換可以將圖像的能量集中在少數(shù)的變換系數(shù)上，從而減少圖像的存儲(chǔ)空間等等。第二節(jié)、數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容圖像增強(qiáng)圖像恢復(fù)圖像壓縮與編碼圖像分析與理解圖像處理的三個(gè)層次一、圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理的根本內(nèi)容之一，其目的在于突出圖像上感興趣的內(nèi)容，使得從視覺(jué)效果上看，某些特定信息得到增強(qiáng)，變得明顯，而處理效果的評(píng)價(jià)也主要以人的主觀感受為主要依據(jù)。需要指出的是，圖像增強(qiáng)處理只是突出了某些信息，增強(qiáng)了對(duì)某些信息的辨識(shí)能力，其他信息那么可能受到壓縮。一、圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)處理根據(jù)處理過(guò)程所在空間的不同可以分為空域增強(qiáng)和頻率域增強(qiáng)，前者主要的處理手段有灰度變換〔通過(guò)點(diǎn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)〕和空間濾波〔通過(guò)鄰域運(yùn)算實(shí)現(xiàn)〕，后者那么是先將圖像通過(guò)諸如傅立葉變換的數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)換到頻率域加以針對(duì)頻率的處理，然后再進(jìn)行反變換。一、圖像增強(qiáng)根據(jù)處理對(duì)象的不同，圖像增強(qiáng)還可以分為灰度圖像增強(qiáng)和彩色圖像增強(qiáng)。其中彩色圖像的增強(qiáng)除了基于色度學(xué)原理的顏色模型變換以外，絕大多數(shù)的處理方法與灰度圖像相同，因?yàn)椴噬珗D像實(shí)際上是由多個(gè)通道的灰度圖像組成的，分別將各個(gè)通道進(jìn)行處理之后，彩色圖像的處理也就完成了。二、圖像恢復(fù)圖像退化模型圖像恢復(fù)的方法非常多，其中包括逆濾波、維納濾波等線性方法，以及最大熵、Lucy-Richardson算法等非線性方法。圖像恢復(fù)實(shí)例〔最大熵〕三、圖像壓縮編碼

1、壓縮圖像的必要性

2、圖像壓縮的可能性圖像存在以下信息冗余：

編碼冗余像素間冗余心理視覺(jué)冗余3、圖像壓縮的方法從對(duì)信息保持程度的角度，壓縮編碼可分為無(wú)損壓縮和有損壓縮。從其實(shí)現(xiàn)的機(jī)理分類，又可分為字典法(行程編碼)、統(tǒng)計(jì)編碼〔哈夫曼編碼〕、預(yù)測(cè)編碼方法、變換編碼方法等。四、圖像分析與理解圖像分析與理解屬于相對(duì)較高層次的圖像處理，它主要研究如何幫助機(jī)器通過(guò)圖像認(rèn)識(shí)客觀對(duì)象。主要程序是：分割→描述→識(shí)別，決策，…第三節(jié)、常用圖像處理軟件常用圖像處理軟件的種類Photoshop及其功能簡(jiǎn)介一、常用圖像處理軟件的種類通用軟件

專業(yè)處理軟件

特定領(lǐng)域?qū)Ｓ密浖?/p>

1、通用圖像處理軟件從專業(yè)的角度看，通用的圖像處理軟件具有的處理功能面比較窄，比方不具備圖像恢復(fù)、頻域處理等根本功能，不過(guò)一些由第三方開(kāi)發(fā)的Plug-in〔插件〕在一定程度上彌補(bǔ)了這一缺陷。2、專業(yè)的圖像處理軟件3、特定領(lǐng)域的圖像處理軟件這類軟件主要根據(jù)特定研究領(lǐng)域的特點(diǎn)而“量身定做〞，比方專為天文研究設(shè)計(jì)的Registax、Winstar、Starcalc，為生物研究設(shè)計(jì)的ImageMaster2DPlatinumViewer、LabImage等等。也有一些專門(mén)為刑偵、司法鑒定設(shè)計(jì)的軟件如Poliview，名捕，恒銳等等。二、Photoshop及其功能簡(jiǎn)介此局部?jī)?nèi)容由教師課堂通過(guò)上機(jī)演示介紹，包括：Photoshop的點(diǎn)運(yùn)算功能Photoshop的鄰域運(yùn)算功能Photoshop的代數(shù)運(yùn)算功能Photoshop的幾何變換功能Photoshop的顏色處理功能Photoshop的圖像分割功能改善圖像視覺(jué)效果，挖掘圖像隱含信息，提高圖像證據(jù)價(jià)值刑事現(xiàn)場(chǎng)和物證信息的重組和再