數(shù)字圖象處理

DigitalImageProcessing

課本和主要參考書:1.岡薩雷斯，數(shù)字圖像處理（第二版），電子工業(yè)出版社，20192.余松煜等編著，數(shù)字圖像處理，上海交通大學(xué)出版社，20193.章毓晉,圖象工程(上冊)圖象處理,清華大學(xué)出版社,20194.章毓晉,圖象工程(中冊)圖象分析,清華大學(xué)出版社,20195.

MilanSonka等著，Imageprocessing,analysisandcomputer

vision”SecondEdition)，人民郵電出版社原版影印，20196.R.C.Gonzalez,R.E.Woods,DigitalImageProcessingSecondEdition,PrenticeHall,Inc.,2019劉杰平,Email:2023/7/291第1部分緒論

1.1 圖象基本概念

1.2 圖象工程簡介

1.3 圖象處理系統(tǒng)

1.4 主要內(nèi)容和方法2023/7/2921.1 圖象基本概念

1.1.1 圖象和數(shù)字圖象

1.1.2 圖象的表達

2023/7/2931.1.1圖象和數(shù)字圖象圖象： 用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進而產(chǎn)生視知覺的實體 圖象（廣義/抽象）

圖像（狹義/具體）圖象和信息： 人類從外界（客觀世界）獲得的信息約有75%來自視覺系統(tǒng)

2023/7/2941.1.1圖象和數(shù)字圖象圖象類型 {廣義} 圖片，動畫，繪圖，文字/檔，... {狹義}

單幅

序列圖象，...

靜止

運動圖象（視頻），... 2-D3-D，彩色，立體對， 多光譜,多視場圖象，...2023/7/2951.1.2圖象的表達圖象表示

2-D數(shù)組 f(x,y)

x，y：2-D空間XY中坐標(biāo)點的位置

f：代表圖象在(x,y)的性質(zhì)F的數(shù)值

f，x，y的值可以是任意實數(shù)

性質(zhì)F:可對應(yīng)不同物理量

灰度圖象里用灰度表示2023/7/2961.1.2圖象的表達圖象表示矩陣

矢量

2023/7/2971.1.2圖象的表達2023/7/2981.2 圖象工程簡介

1.2.1 圖象技術(shù)和圖象工程

1.2.2 圖象工程的三個層次

1.2.3 圖象工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域

1.2.4 圖象工程的技術(shù)應(yīng)用

2023/7/2991.2.1圖象技術(shù)和圖象工程圖象技術(shù) 圖象技術(shù)在廣義上是各種與圖象有關(guān)的技術(shù)的總稱

主要功能/作用包括： 對圖象的各種加工（見下） 基于加工結(jié)果的判斷決策和行為規(guī)劃 為此進行的軟硬件設(shè)計及制作

2023/7/29101.2.2圖象工程的三個層次圖象工程：不同層次圖象技術(shù)的有機結(jié)合及應(yīng)用圖象工程三層次：圖象處理(低層)

圖象圖象,象素級上進行處理,數(shù)據(jù)量大,如圖象增強技術(shù)等圖象分析(中層)

圖象非圖形式的標(biāo)識,描述,如圖象分割技術(shù),特征提取等圖象理解(高層)

符號運算,模式分析2023/7/29111.2.2圖象工程的三個層次2023/7/29121.2.3圖象工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域2023/7/29131.2.3圖象工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域主要相關(guān)學(xué)科：

圖形學(xué)：原指用圖形、圖表、繪圖等形式表 達數(shù)據(jù)信息的科學(xué)，而計算機圖形學(xué) 研究的就是如何利用計算機技術(shù)來產(chǎn)生這些形式 圖象模式識別：試圖把圖象分解成可用符號 較抽象地描述的類別

計算機視覺：主要強調(diào)用計算機實現(xiàn)人的視覺功能，目前的研究內(nèi)容主要與圖象理解相結(jié)合

2023/7/29141.2.4圖象工程的技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域示例(1) 視頻通信：可視電話，電視會議，按需電視，遠程教育；(2) 文字檔案：文字識別，過期檔案復(fù)原，郵件分撿，支票，簽名 辮偽，辦公自動化；(3) 生物醫(yī)學(xué)：紅白學(xué)球計數(shù)，染色體分析、X光、CT、MRI、 PET圖象分析，醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬規(guī)劃，遠程醫(yī)療；(4) 遙感測繪：巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，無人駕駛飛機飛行，精確制導(dǎo)，礦 藏勘探，資源探測，氣象預(yù)報，自然災(zāi)害監(jiān)測；(5) 工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)檢測，工業(yè)探傷，自動生產(chǎn)流水線監(jiān)控，移動 機器人，無損探測，金相分析，印刷板質(zhì)量檢驗， 精細印刷品缺陷檢測；(6) 軍事公安：雷達圖象分析、巡航導(dǎo)彈路徑規(guī)劃/制導(dǎo)，罪犯臉 形合成、識別，指紋、印章的鑒定識別；(7) 交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。2023/7/29151.3 圖象處理系統(tǒng)2023/7/29161.4 主要內(nèi)容和處理方法主要內(nèi)容：１、圖像增強２、圖像恢復(fù)３、圖像壓縮編碼４、圖像分割５、目標(biāo)表達和描述2023/7/2917OriginalimageEnhancedimage1圖像增強：改善圖像的主觀質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)因人而異。內(nèi)容包括灰度變換增強、直方圖修正、空間濾波和頻率濾波（平滑和銳化）等。2023/7/2918Imagecorruptedbynoise(0.1)2圖像恢復(fù):也稱為圖像復(fù)原,當(dāng)造成圖像退化（圖像質(zhì)量下降）的原因已知時，復(fù)原技術(shù)可以對圖像進行校正。圖像復(fù)原最關(guān)鍵的是對每種退化都需要有一個合理的模型。Resultusingfilter2023/7/29193圖像壓縮編碼：是基于圖像信息量大、冗余信息多的特點實現(xiàn)圖像的壓縮。圖像編碼分為有失真編碼和無失真編碼兩大類（有損壓縮和無損壓縮）。內(nèi)容包括簡單編碼方法、預(yù)測編碼方法、變換編碼方法等。JPEG

0.5bpp

JPEG2000

0.5bpp壓縮了48倍2023/7/2920Originalimage Segmentation4圖像分割：圖像分割是按圖像的灰度、顏色或幾何性質(zhì)等測度把一些物體或區(qū)域加以分離的過程。通過圖像分割找出感興趣的物體或區(qū)域，以便于進一步分類、分析和識別處理。是圖像分析的基礎(chǔ)。2023/7/2921５目標(biāo)表達和描述

目標(biāo)表達：將分割出的物體或區(qū)域（目標(biāo)）采用一種不同于原始圖像的表達形式來表示。具體分為邊界表達（外部表達法）和區(qū)域表達（內(nèi)部表達法）。圖像描述：用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)語言來表示區(qū)域間的關(guān)系（聯(lián)系和區(qū)別），得出一種簡練的表達方式，稱為描述。常用的有邊界描述符、區(qū)域描述符、結(jié)構(gòu)描述符等。除此以外，圖像匹配（Matching）和圖像識別（Recognition）等也是圖像處理與分析的研究內(nèi)容。但不在本課程中介紹。

2023/7/2922圖像處理的基本方法空間域處理變換域處理傅里葉變換（DFT）離散余弦變換（DCT）離散小波變換（DWT）新的變換Curvelet2023/7/2923第二部分圖像采集2023/7/29241.圖象數(shù)學(xué)表示

(1)連續(xù)圖象-標(biāo)量表示灰度圖象(包括二值圖象)—表示一幅圖象或圖象中空間位置為的一象素(圖象基本單元),該象素的灰度.多光譜圖象,為波長,如彩色圖象運動圖象,圖象序列,視頻

2023/7/2925(2)數(shù)字圖象

標(biāo)量表示,其中,取整數(shù)值矩陣表示--行列矩陣

向量表示(按行堆疊)-列向量2023/7/29262.簡單的圖象成象模型

反射光型亮度(灰度)函數(shù)

其中,

入射分量與入射到目標(biāo)的光量有關(guān)

反射分量與目標(biāo)光反射特性有關(guān)與,成正比2023/7/29273.圖象采樣和量化

(1)空間采樣(空間坐標(biāo)離散化)

均勻采樣一般,或為取樣間隔,滿足二維取樣定理(完全重構(gòu))

空間分辨率-圖象中可分辯的最小細節(jié),與有關(guān)2023/7/29282023/7/2929

圖像空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果2023/7/2930(2)灰度值量化

均勻量化

比特(bits)量化,灰度級()

一般,8比特量化,256級灰度(0,1,2,…,255)

1比特量化,黑白圖象

灰度級分辨率(幅度分辨率)-可分辨的灰度的最小變化

數(shù)字圖象的數(shù)據(jù)量比特

(3)非均勻采樣和非均勻量化

2023/7/2933

幅度分辨率變化所產(chǎn)生的效果2023/7/2934

空間和幅度分辨率同時變化所產(chǎn)生的效果2023/7/2936第3部分象素空間關(guān)系

3.1 象素間聯(lián)系

3.2 基本坐標(biāo)變換

3.3 幾何失真校正2023/7/29373.1 象素間聯(lián)系

空間排列規(guī)律

3.1.1 象素的鄰域

3.1.2 象素間的鄰接， 連接和連通

3.1.3 象素間的距離2023/7/29383.1.1象素的鄰域象素的鄰域

4-鄰域——N4(p)：

坐標(biāo)表示 對角鄰域——ND(p)：

8-鄰域——N8(p)：2023/7/29393.1.2象素間的鄰接，連接和連通連接和連通

（adjacency,鄰接）vs.(connectivity,連接)

鄰接僅考慮象素間的空間關(guān)系 兩個象素是否連接：

(1)是否接觸（鄰接）

(2)灰度值是否滿足某個特定的相似準(zhǔn)則（同在一個灰度值集合中取值）設(shè)V表示連接的灰度值集合，如V={8,9,…,16}；2023/7/29403.1.2象素間的鄰接，連接和連通3種連接

(1)4-連接：

2個象素p和r在V中取值且r在N4(p)中

(2)8-連接：

2個象素p和r在V中取值且r在N8(p)中2023/7/29413.1.2象素間的鄰接，連接和連通3種連接

(3)m-連接（混合連接）：

2個象素

p和

r在V中取值 且滿足下列條件之一

①r在N4(p)中 ②r在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(r)是空集 （這個集合是由p和r的在V中取值的

4-連接象素組成的）2023/7/29423.1.2象素間的鄰接，連接和連通3種連接

混合連接的應(yīng)用：消除8-連接可能產(chǎn)生的歧義性原始圖8-連接m-連接

2023/7/29433.1.2象素間的鄰接，連接和連通連通

連接是連通的一種特例通路

由一系列依次連接的象素組成 從具有坐標(biāo)(x,y)的象素p到具有坐標(biāo)(s,t)的象素q的一條通路由一系列具有坐標(biāo)(x0,y0)，(x1,y1)，…，(xn,yn)的獨立象素組成。這里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)與(xi-1,yi-1)連接，其中1≤i

≤

n，n為通路長度。稱P和q聯(lián)通

4-連通，8-連通

4-通路，8-通路2023/7/29443.1.2象素間的鄰接，連接和連通象素集合的鄰接和連通

對2個圖象子集S和T來說，如果S中的一個或一些象素與T中的一個或一些象素鄰接，則可以說2個圖象子集S和T是鄰接的

連通組元：S中與p連通的像素的集合（包括p）稱為一個連通組元。2023/7/29453.1.3象素間的距離距離量度函數(shù) （三個條件）

3個象素p，q，r，坐標(biāo)(x,y)，(s,t)，(u,v)

(1)

兩個象素之間的距離總是正的

(2)

距離與起終點的選擇無關(guān)

(3)

最短距離是沿直線的2023/7/29463.1.3象素間的距離距離量度函數(shù)

(1)歐氏（Euclidean）距離

(2)城區(qū)（city-block）距離

(3)棋盤（chessboard）距離2023/7/29473.1.3象素間的距離距離量度函數(shù)

等距離輪廓圖案D4距離 D8距離2023/7/29483.1.3象素間的距離用距離定義鄰域 考慮在空間點(xp,yp)的象素p 4-鄰域——N4(p) 8-鄰域——N8(p)2023/7/29493.2 基本坐標(biāo)變換

3.2.1 圖象坐標(biāo)變換

3.2.2 坐標(biāo)變換討論2023/7/2950坐標(biāo)變換---空間變換,幾何運算

一般表達式

如常用的仿射變換矩陣表達形式(齊次坐標(biāo)公式)

3.2.1 圖象坐標(biāo)變換2023/7/2951

典型仿射變換

幾個常用的簡單變換平移---

縮放---

繞原點旋轉(zhuǎn)---3.2.1 圖象坐標(biāo)變換2023/7/2952

級聯(lián)---構(gòu)造復(fù)雜的變換

如繞點旋轉(zhuǎn)

應(yīng)用:幾何失真校正,圖象配準(zhǔn),拼接,幾何變形等

3.2.1 圖