第一章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月教材

教材RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods.

DigitalImageProcessing(SecondEdition)，PrenticeHall，2003.RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods著，阮秋琦、阮宇智等譯.數(shù)字圖像處理（第二版），電子工業(yè)出版社，2003年。第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月參考書

參考書RafaelC.Gonzalez,等著，阮秋琦，等譯.數(shù)字圖像處理（Matlab版），電子工業(yè)出版社，2005年。KennethR.Castleman著，朱志剛、林學(xué)訚、石定機(jī)等譯.數(shù)字圖像處理，電子工業(yè)出版社，2002年。章毓晉.圖象工程上冊—圖象處理和分析，清華大學(xué)出版社，2003年。阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué)，電子工業(yè)出版社，2004年。第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月上課主要內(nèi)容1. 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)2. 空間域圖像增強(qiáng)3. 彩色圖像處理4. 傅立葉變換基礎(chǔ)5. 頻率域圖像增強(qiáng)6. 圖像復(fù)原7. 圖像分割8. 圖像壓縮9. 特征表示與描述10. 對象識別與解釋第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月課程目的與要求掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、原理和方法初步運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題為圖像處理及相關(guān)領(lǐng)域的研究打下基礎(chǔ)圖像處理計(jì)算機(jī)視覺基于內(nèi)容的圖像、視頻檢索人臉識別、指紋識別、掌紋識別、虹膜識別圖像分類、圖像和視頻的語義概念檢測、……第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月成績出勤+作業(yè)30%，考試成績70%考試閉卷完成（基本概念、原理和算法）第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一章

數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)概述

概念：圖像、數(shù)字圖像、像素?cái)?shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的部件基礎(chǔ)知識圖像的采樣和量化數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的質(zhì)量像素間的一些基本關(guān)系第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是圖像？定義為二維函數(shù)f(x,y)，其中，x,y是空間坐標(biāo)，f(x,y)是點(diǎn)（x,y）的幅值灰度圖像是一個(gè)二維灰度（或亮度）函數(shù)f(x,y)彩色圖像由三個(gè)（如RGB）二維灰度（或亮度）函數(shù)f(x,y)組成yy xx第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是數(shù)字圖像？

像素組成的二維排列，可以用矩陣表示對于單色（灰度）圖像而言，每個(gè)像素的亮度用一個(gè)數(shù)值來表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，0表示黑、255表示白，其它值表示處于黑白之間的灰度

彩色圖像可以用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來表示。通常，三元組的每個(gè)數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該像素中沒有，而255則代表相應(yīng)的基色在該像素中取得最大值第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）原圖像（b）圖(a)的R分量（c）圖(a)的G分量（d）圖(a)的B分量RGB彩色圖像及其各分量圖像第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像的像素表示什么是像素？

數(shù)字圖像由二維的元素組成，每一個(gè)元素具有一個(gè)特定的位置（x,y）和幅值f(x,y)，這些元素就稱為像素yxxy第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像的像素表示xy(0,0)yx(1,1)普通圖像坐標(biāo)系Matlab圖像坐標(biāo)系f(x,y)f(x,y)第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像的像素表示Lena圖像Matlab中坐標(biāo)及灰度值第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理的概念數(shù)字圖像處理(DigitalImageProcessing)

是通過計(jì)算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域傳統(tǒng)領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)、空間應(yīng)用、地理學(xué)、生物學(xué)、軍事……最新領(lǐng)域

數(shù)碼相機(jī)(DC)、數(shù)碼攝像機(jī)(DV)指紋識別、人臉識別互聯(lián)網(wǎng)、視頻、多媒體基于內(nèi)容的圖像檢索、視頻檢索、多媒體檢索游戲、電影特技、虛擬現(xiàn)實(shí)、電子商務(wù)等

數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域無處不在

第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：圖像增強(qiáng)——直方圖均衡化第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：人臉識別第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例3：圖像復(fù)原第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例4：醫(yī)學(xué)圖像處理—銳化第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例5：影視圖像處理

—由黑白圖像轉(zhuǎn)換的偽彩色圖像第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例6：視頻字幕識別第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像處理系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)圖

像

數(shù)

字

化

設(shè)

備第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像處理系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成

圖像數(shù)字化設(shè)備：包括數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、帶照相和/或攝像功能的手機(jī)等

圖像處理設(shè)備：包括計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)

圖像輸出設(shè)備：包括打印機(jī)，也可以輸出到Internet上的其它設(shè)備第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像輸入輸出設(shè)備第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)圖像的采樣和量化數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的質(zhì)量像素間的一些基本關(guān)系

第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的采樣和量化大多數(shù)傳感器的輸出是連續(xù)電壓波形為了產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像，需要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式這包括兩種處理：采樣和量化采樣：圖像空間坐標(biāo)的數(shù)字化量化：圖像幅值（灰度值）的數(shù)字化第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像采樣

圖像空間坐標(biāo)(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣確定水平和垂直方向上的像素個(gè)數(shù)N、M第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的量化圖像幅值的數(shù)字化被稱為圖像的量化，如量化到256個(gè)灰度級rk第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量

(a)(b)(c)

(d)

(e)(f)

采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響示例

第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）（b）（c）（d）（e）（f）空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）（b）（c）（d）（e）（f）灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例

圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的采樣和量化非統(tǒng)一的圖像的采樣

在灰度級變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)圖像的采樣和量化數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的質(zhì)量像素間的一些基本關(guān)系第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像的表示二維離散亮度函數(shù)——f(x,y)x，y說明圖像像素的空間坐標(biāo)函數(shù)值f代表了在點(diǎn)(x,y)處像素的灰度值二維矩陣——A[m,n]

m,n說明圖像的高和寬。矩陣元素a(i,j)的值，表示圖像在第i行，第j列的像素的灰度值；i,j表示幾何位置第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像的表示

圖像描述信息

如圖像高度和寬度等信息圖像數(shù)據(jù)

順序存放的連續(xù)數(shù)據(jù)第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

圖像的采樣和量化數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的質(zhì)量像素間的一些基本關(guān)系第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的質(zhì)量：1、層次灰度級：表示像素明暗程度的整數(shù)量

例如：像素的取值范圍為0-255，就稱該圖像為256個(gè)灰度級的圖像層次：表示圖像實(shí)際擁有的灰度級的數(shù)量例如：具有32種不同取值的圖像，可稱該圖像具有32個(gè)層次

圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多，視覺效果就越好第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的質(zhì)量：1、層次256個(gè)層次的圖像64個(gè)層次的圖像16個(gè)層次的圖像第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的質(zhì)量：2、對比度對比度：是指一幅圖像中灰度反差的大小

對比度=最大亮度/最小亮度第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的質(zhì)量：3、清晰度與清晰度相關(guān)的主要因素

亮度對比度尺寸大小細(xì)微層次

顏色飽和度第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月影響清晰度因素——1、亮度第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月影響清晰度因素——2、對比度第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月影響清晰度因素——3、尺寸大小第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月影響清晰度因素——4、細(xì)微層次第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月影響清晰度因素——5、顏色飽和度第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)圖像的采樣和量化數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的質(zhì)量像素間的一些基本關(guān)系第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素間的一些基本關(guān)系相鄰像素

4鄰域；D鄰域；8鄰域連通性4連通；8連通；m連通距離鄰域處理方法是圖像增強(qiáng)和復(fù)原過程的核心第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月相鄰像素——4鄰域4鄰域：像素p(x,y)的4鄰域是：

(x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1)用N4(p)表示像素p的4鄰域

第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月相鄰像素——D鄰域D鄰域定義：像素p(x,y)的D鄰域是：對角上的點(diǎn) (x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1)用ND(p)表示像素p的D鄰域第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月相鄰像素——8鄰域8鄰域定義：像素p(x,y)的8鄰域是：4鄰域的點(diǎn)＋D鄰域的點(diǎn)用N8(p)表示像素p的8鄰域N8(p)=N4(p)+ND(p)第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素間的連通性連通性是描述區(qū)域和邊界的重要概念

兩個(gè)像素連通的兩個(gè)必要條件是：（1）兩個(gè)像素的位置相鄰（2）兩個(gè)像素的灰度值滿足特定的相似性準(zhǔn)則（或者相等）4連通、8連通的定義第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素的連通性——4連通對于具有值V的像素p和q，如果q在集合N4(p)中，則稱這兩個(gè)像素是4連通的第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素的連通性——8連通對于具有值V的像素p和q，如果q在集合N8(p)中，則稱這兩個(gè)像素是8連通的第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素的連通性——通路通路的定義

一條從具有坐標(biāo)(x,y)的像素p,到具有坐標(biāo)(s,t)的像素q的通路，是具有坐標(biāo)(x0,y0),(x1,y1),...,(xn,yn)的不同像素的序列。其中，(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是鄰接的，1≤i≤n，n是路徑的長度。如果(x0,y0)=(xn,yn),則該通路是閉合通路第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素的連通性——距離像素之間距離的定義歐氏距離定義D4距離（城市距離）定義D8距離（棋盤距離）定義第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月像素之間距離的定義對于像素p、q和z，分別具有坐標(biāo)(x,y)，(s,t)和(u,v)，如果(1) D(p,q)≥0(當(dāng)且僅當(dāng)p=q，D(p,q)=0),(2) D(p,q)=D(q,p)(3) D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)則稱D是距離函數(shù)或度量第61頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月歐氏距離定義像素p(x,y)和q(s,t)間的歐氏距離定義如下：對于這個(gè)距離計(jì)算法，具有與(x,y)距離小于等于某個(gè)值r的