數(shù)字圖像處理

DigitalImageProcessing聯(lián)系方式研究方向：虛擬現(xiàn)實、圖形圖像個人郵箱lindazsj@163.com公共郵箱teachlearn@163.com

psw:teacher（課件、學(xué)習(xí)資料）辦公地點：弘毅樓C-501虛擬現(xiàn)實實驗室現(xiàn)在的狀態(tài)第3頁第1章緒論噢噢噢噢

大三了!&%?^o…——快畢業(yè)了——考研？

——工作？故事一個喝父母血的人農(nóng)民陳幫順有三個兒子，只有大兒子陳小良考上了大學(xué)。為了供小良完成學(xué)業(yè)，年近50的陳幫順和體弱的老伴不得不賣血換錢，連續(xù)4年，賣出的血量能裝滿兩個汽油桶。然而，明知父母艱辛的陳小良自從讀大學(xué)后4年都沒回家，整日沉迷于網(wǎng)吧，荒廢了學(xué)業(yè)，直到被學(xué)校退學(xué)。第4頁第1章緒論你在哪里這個事情在2002年5月30日在中央電視臺的“聊天”節(jié)目播出，在節(jié)目現(xiàn)場當(dāng)陳幫順含淚呼喚兒子時，觀眾無不為之動容，而作為當(dāng)事人的小良竟然對事后千辛萬苦找到他的央視記者說：“我爸在電視臺這么說我，他有病，他是一個殘酷無情的人?！钡降渍l是那個殘酷無情的人？！學(xué)會感恩，為自己負(fù)責(zé)任，也為家人負(fù)責(zé)第5頁第1章緒論你在做什么第6頁第1章緒論千里之行，始于足下進入課程第7頁第1章緒論課程介紹課程名稱數(shù)字圖像處理：DigitalImageProcessing計算機圖像處理：ComputerImageProcessing圖形圖像處理（范圍大，一般作為研究方向）教材《圖像處理和分析教程》章毓晉.人民郵電出版社，

2009年11月第1版第8頁第1章緒論課程介紹主要參考書《DigitalImageProcessing,SecondEdition》RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods,2002《數(shù)字圖像處理（第二版）》岡薩雷斯等著，阮秋琦等譯.電子工業(yè)出版社，2007課程介紹先修課程（教材P18）數(shù)學(xué)：線性代數(shù)，概率論計算機科學(xué)：軟件編程（C++，Matlab）電子學(xué)：信號處理，電路原理圖像技術(shù)數(shù)學(xué)、計算機的應(yīng)用領(lǐng)域圖像信號可看作1-D信號的推廣第9頁第1章緒論第10頁第1章緒論課程介紹課程安排專業(yè)必修課（側(cè)重實用）課堂授課：32學(xué)時實驗編程：16學(xué)時（VC++，OpenCV）考核方式平時成績（30%）：

考勤（提問）+作業(yè)+實驗報告期末考試（70%）：閉卷第11頁第1章緒論課程介紹學(xué)習(xí)要求一本教材一支筆（課上筆記）一個作業(yè)本（課下習(xí)題）一個電子文件夾（ppt；實驗資料；編程）學(xué)習(xí)熱情克服畏難情緒第12頁第12頁思考什么是圖像什么是數(shù)字圖像什么是數(shù)字圖像處理學(xué)DIP有什么用第1章緒論第13頁第1章緒論一幅圖像勝過千言萬語！第14頁第1章緒論視覺重要？古語百聞不如一見一目了然眼見為實，耳聽為虛人類信息的主要傳遞手段視覺，聽覺，味覺，觸覺等視覺占75％以上人機交互目前主要方法：字符、圖形計算機接收信息手段單一（鍵盤，鼠標(biāo)）多通道（視覺、聽覺、力觸覺……）第15頁第1章緒論圖像處理應(yīng)用兩大應(yīng)用需求對圖像信息的改進機器自動理解：使計算機具有視覺提取人臉，為進行人臉識別第16頁第1章緒論圖像處理應(yīng)用航空航天登月、火星照片處理1969-1972年，6次登月成功第17頁第1章緒論圖像處理應(yīng)用軍事公安導(dǎo)彈制導(dǎo)偵察照片的處理指紋識別、人臉識別車牌自動識別第18頁第1章緒論圖像處理應(yīng)用第19頁第1章緒論工業(yè)及實際應(yīng)用需求圖像處理應(yīng)用第20頁第20頁圖像處理應(yīng)用第1章緒論第21頁第21頁圖像處理應(yīng)用第1章緒論第22頁第1章緒論圖像處理應(yīng)用文化藝術(shù)電視畫面的數(shù)字編輯動畫制作游戲紡織工藝品設(shè)計發(fā)型設(shè)計文物資料圖片的修復(fù)其他第23頁第23頁課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.掌握圖像、數(shù)字圖像、數(shù)字圖像處理等基本概念及DIP各術(shù)語的含義2.掌握典型的DIP方法，建立解決DIP問題的基本思路和框架3.學(xué)會應(yīng)用OpenCV（或Matlab）開發(fā)DIP相關(guān)工程第1章緒論實驗軟件演示第24頁第1章緒論第1章緒論1.1 圖像及應(yīng)用1.2 圖像工程概述1.3 圖像表示和顯示1.4 圖像存儲與格式第25頁第1章緒論第1章緒論本章教學(xué)重點和要求重點（1）圖像和像素的表示（2）不同類型的圖像要求（1）了解不同波段的圖像（2）理解圖像工程的三個層次（3）掌握幾種常見的圖像文件格式1.1圖像及應(yīng)用圖像：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?？梢钥醋魇菍ξ矬w或場景的一種表現(xiàn)形式圖像（廣義/抽象）

圖像（狹義/具體）第26頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用人類的感知只限于電磁波譜的視覺波段成像機器則可以覆蓋幾乎所有電磁波段，從伽馬射線到無線電波?？梢姽庾V的波長范圍：400～700nm第27頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用不同波段的圖像1、宇宙

射線圖像2、X射線圖像3、紫外線圖像4、可見光圖像5、紅外線圖像6、無線電波圖像7、交流電波圖像第28頁第1章緒論4.不同光照圖像1.

射線成像PET(PositronEmissionTomography)，正電子發(fā)射斷層掃描第29頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用

(左圖)伽馬射線骨骼掃描圖像，用于定位診斷位置(感染、癌變)(右圖)顯示在頭部和肺部有癌變（白點部位）1.

射線成像PET(PositronEmissionTomography)，正電子發(fā)射斷層掃描PET原理：給病人注射放射性同位素，同位素衰變時發(fā)射出正電子。當(dāng)正負(fù)電子相遇時，兩者消失，產(chǎn)生兩束伽馬射線。用伽馬射線檢測器收集到放射線，然后利用斷層技術(shù)的基本原理重建斷層圖像。第30頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用1.

射線成像：天文學(xué)第31頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用(左圖)由物體自然輻射得到的天鵝星座環(huán)氣體云圖像(右圖)核反應(yīng)堆中電子真空管發(fā)出的伽馬輻射圖像2.X射線成像1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，獲諾貝爾物理學(xué)獎主要用于醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)和天文學(xué)中第32頁第1章緒論(a)SARS胸片

(b)常人胸部X射線圖像1.1圖像及應(yīng)用1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎：利用X射線發(fā)明CAT（ComputerizedAxialtomography,計算機化X射線軸向分層造影）技術(shù)，簡稱CT（計算機斷層掃描)3D圖像：不同角度的大量切片組合在一起

（右為腦CT圖）第33頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用3.紫外線成像第34頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用（左）普通谷物（右）被真菌感染了的谷物4.可見光成像電磁波譜中可見光波段在所有波段中是我們最熟悉的，這一波段成像應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它波段。應(yīng)用：光顯微鏡、天文學(xué)、遙感、工業(yè)和法律強制實施上的應(yīng)用光顯微鏡：從藥物到材料特性的顯微檢測。第35頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用4.可見光成像第36頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用可見光顯微鏡圖像示例(a)紫杉酚(抗癌劑，250倍)(b)膽固醇(40倍)(c)微處理器(60倍)(d)鎳氫化物薄片(600倍)(e)音頻CD表面（1750倍）(f)有機超導(dǎo)(450倍)5.紅外線成像第37頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用北美洲夜景紅外衛(wèi)星圖像5.紅外線成像第38頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用全球夜景紅外衛(wèi)星圖像第39頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用6.無線電波成像用于MRI（MagneticResonanceImaging，磁共振成像）人的MRI圖像(膝蓋和頸椎)1.1圖像及應(yīng)用圖像類型：

{廣義}

圖片，動畫，繪圖，文字/檔，... {狹義}

單幅

序列圖像，... 靜止

運動圖像（視頻），... 2-D

3-D，彩色，立體對， 多光譜，多視場圖像，...

灰度

深度，紋理圖像，...第40頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用不同類型的圖像1、3-D圖像（2D疊加） 6、深度圖像2、彩色圖像 7、紋理圖像

3、多光譜圖像 8、投影重建圖像

4、立體圖像（雙目）9、合成圖像

5、序列圖像第41頁第1章緒論彩色圖像及其三個分量圖第42頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用3.多光譜圖像：航空航天飛機遙感、衛(wèi)星遙感雷達、衛(wèi)星、攝像機等遙感探測所使用的電磁波波段是從紫外線、可見光、紅外線到微波的光譜段第43頁第1章緒論1.1圖像及應(yīng)用航空航天氣象預(yù)報安德魯颶風(fēng)的多光譜圖像第44頁第1章緒論第1章緒論1.1 圖像及應(yīng)用1.2 圖像工程概述1.3 圖像表示和顯示1.4 圖像存儲與格式第45頁第1章緒論1.2圖像工程概述圖像工程：不同層次圖像技術(shù)的有機結(jié)合及應(yīng)用圖像工程三層次：圖像處理（圖像—>圖像）圖像分析（圖像—>數(shù)據(jù)）圖像理解（圖像—>解釋）

第46頁第1章緒論1.2圖像工程概述數(shù)字圖像處理圖像處理：輸入輸出都是圖像，涉及基本操作，如降低噪聲的圖像預(yù)處理、對比度增強和圖像銳化（圖像）圖像分析：圖像分割及目標(biāo)的描述，輸出是目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)（特征）圖像理解：目標(biāo)物體及相互關(guān)系的理解，輸出是更抽象的數(shù)據(jù)（語義）本課程內(nèi)容：圖像處理和分析例：P20習(xí)題1.3第47頁第1章緒論1.2圖像工程概述圖像工程的三個層次圖像處理、圖像分析和圖像理解

第48頁第1章緒論1.2圖像工程概述相關(guān)學(xué)科計算機 圖形學(xué)、模式識別、計算機視覺

第49頁第1章緒論1.2圖像工程概述DIP學(xué)科發(fā)展史-最早可追溯到20世紀(jì)20年代電報打印機-20世紀(jì)60年代以后才逐漸發(fā)展起來（被電子計算機的誕生和發(fā)展帶動）DIP學(xué)科特點：

-廣：多學(xué)科交叉，內(nèi)容繁雜

-新：仍然處于研究ing（變化中）

-深：研究性強，部分內(nèi)容有難度本課程強調(diào)基礎(chǔ)應(yīng)用。

第50頁第1章緒論第1章緒論1.1 圖像及應(yīng)用1.2 圖像工程概述1.3 圖像表示和顯示1.4 圖像存儲與格式1.3圖像表示和顯示圖像：二維函數(shù)f(x,y)2-D數(shù)組

x，

y：2-D空間XY中坐標(biāo)點的位置

f：代表圖像在點(x,y)的某種性質(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。 灰度圖像里用灰度表示第51頁第1章緒論1.3圖像表示和顯示數(shù)字圖像數(shù)字化：對x，y和f在整數(shù)空間進行離散化數(shù)字圖像（DigitalImage）坐標(biāo)x,y和幅值

f均為有限的離散數(shù)值的圖像數(shù)字圖像中f，x，y的取值范圍是_________。第52頁第1章緒論整數(shù)集合1.3圖像表示和顯示屏幕坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系第53頁第1章緒論1.3圖像表示和顯示圖像的基本單元稱為圖像元素，簡稱像素。數(shù)字圖像是由像素(pixel)組成的，

每個像素都具有特定的位置和幅值。第54頁第1章緒論1.3圖像表示和顯示像素也可用f(x,y)來表示此時，(x,y)表示某個像素的空間位置，

而f則表示該像素的灰度數(shù)值。圖像的矩陣表示

圖像的矢量表示

第55頁第1章緒論1.3圖像表示和顯示圖像顯示 將圖像數(shù)據(jù)以2-D圖形式（亮度模式的空間排列，在空間(x,y)處顯示對應(yīng)f的亮度）展示出來。 可以顯示圖像的設(shè)備有許多種： 電視顯示器 陰極射線管（CRT）、LCD

各種打印設(shè)備第56頁第1章緒論第57頁第1章緒論第1章緒論1.1 圖像及應(yīng)用1.2 圖像工程概述1.3 圖像表示和顯示1.4 圖像存儲與格式1.4圖像存儲與格式圖像存儲：同一般數(shù)據(jù)的存儲器件圖像文件格式

(1)

BMP格式：Windows系統(tǒng)用的位圖文件

(2)

GIF格式：可存放多幅圖像（動畫）

(3)

TIF(F)格式：獨立于OS和FS，便于交換

(4)

JPEG格式：壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第58頁第1章緒論1.4圖像存儲與格式1.BMP（BitMap）位圖文件

第59頁第1章緒論文件頭位圖信息（調(diào)色板）圖像數(shù)據(jù)(位圖陣列)文件類型、大小、位圖陣列的起始位置等圖像分辨率、每個像素的位數(shù)原始圖像中每個像素的值，從左下角開始，從左到右，從下到上依次排列掃描1.4圖像存儲與格式1.BMP（BitMap）位圖文件擴展名.bmp位圖文件頭（表頭）：54個字節(jié)位圖信息（調(diào)色板）：每個像素的位數(shù)

1:二值圖4:16色8:256色24:真彩色位圖陣列（即圖像數(shù)據(jù)）

存儲每個像素的值

第6