《數(shù)字圖像處理》

引言1.1概述1.2圖像處理的內(nèi)容1.3圖像處理的特點(diǎn)1.4圖像的數(shù)據(jù)格式1.5視覺(jué)現(xiàn)象1.6顏色與顏色空間1.7圖像處理系統(tǒng)框圖

人類離不開(kāi)圖像，計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)滲透到各個(gè)科技領(lǐng)域，百聞不如一見(jiàn)。畫(huà)面比文字更形象生動(dòng)，人類70%信息來(lái)自視覺(jué)。

21世紀(jì)，信息技術(shù)、生命科學(xué)、航空航天為重要發(fā)展方向。圖像技術(shù)在其中起著重要的作用。1.1概述一、圖像的重要性圖像處理識(shí)別的過(guò)程：人類：一幅圖像——

圖上有字——

中文字含義計(jì)算機(jī)：采集——

分析——

識(shí)別（判斷）信息獲取預(yù)處理特征提取和選擇分類決策分類器設(shè)計(jì)訓(xùn)練過(guò)程模式識(shí)別系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.1概述二、圖像處理是交叉邊緣學(xué)科

是計(jì)算機(jī)、傳感器、信息技術(shù)、信號(hào)處理、人工智能、模式識(shí)別、應(yīng)用對(duì)象等的交叉學(xué)科和技術(shù)。1.1概述三、圖像處理分類模擬(光學(xué))圖像處理――實(shí)時(shí)光學(xué)（實(shí)時(shí)，速度快）但只是有限處理）

如：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、哈哈鏡、透鏡、膠片合成照相、凸透鏡－－實(shí)時(shí)FFT變換1.1概述圖像信息實(shí)質(zhì)上是人的視覺(jué)系統(tǒng)或成像系統(tǒng)，對(duì)物體輻射、反射或者透射光的反應(yīng)。二維圖像信息可以看成是二維光學(xué)空間序列，因此也可以用光學(xué)系統(tǒng)處理。光學(xué)圖像處理優(yōu)點(diǎn)：速度快、信息量大、分辨率高、經(jīng)濟(jì)缺點(diǎn)：精度低、操作麻煩、不靈活、穩(wěn)定性差、系統(tǒng)笨重體積大1、光學(xué)圖像處理優(yōu)缺點(diǎn)光學(xué)圖像處理放置圖像f(x,y)傅里葉變換F(u,v)2、光學(xué)傅里葉變換光學(xué)圖像處理

根據(jù)惠更斯——菲涅爾光學(xué)衍射原理，會(huì)聚透鏡具有二維傅里葉變換的本領(lǐng)。為波長(zhǎng)其中2、光學(xué)傅里葉變換光學(xué)圖像處理例1單縫衍射光學(xué)圖像處理實(shí)例：不同縫寬的單縫衍射光學(xué)圖像處理光學(xué)圖像處理實(shí)例：不同波段的單縫衍射3、圖像信息的光學(xué)處理光學(xué)圖像處理1)空間濾波公式2)空間濾波原理光學(xué)圖像處理

在P2平面內(nèi)得到傅里葉頻譜圖像F(u,v)，若在P2內(nèi)設(shè)置一塊振幅分布為H(u,v)得透明片，那么經(jīng)過(guò)透明片的圖像頻譜為F(u,v)H(u,v)，再經(jīng)過(guò)L2后，在P3中得到濾波后的圖像g(x,y)。3、圖像信息的光學(xué)處理光學(xué)圖像處理4、空間濾波舉例光學(xué)圖像處理4、空間濾波舉例光學(xué)圖像處理4、空間濾波舉例三、圖像處理分類數(shù)字圖像處理隨著計(jì)算機(jī)處理速度和數(shù)據(jù)量增加發(fā)展起來(lái)的。第

階段：科學(xué)計(jì)算，有限個(gè)原始數(shù)據(jù)；第

階段：數(shù)據(jù)管理應(yīng)用；第

階段：數(shù)字圖像處理。如一幅spot星衛(wèi)片

8000×8000×7(波段)=64M×7(數(shù)據(jù)量之大)

1.1概述四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

我國(guó)發(fā)射的多顆衛(wèi)星，多數(shù)用于對(duì)地觀測(cè)和偵察。微機(jī)普及－－圖像民用、普及、計(jì)算機(jī)成熟是圖像技術(shù)普及應(yīng)用基礎(chǔ)。數(shù)字圖象處理技術(shù)已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，以下舉幾個(gè)例子1.1概述(1)遙感圖像應(yīng)用 農(nóng)業(yè)普查、森林覆蓋計(jì)算、水利工程等的客觀估計(jì)計(jì)算、森林火災(zāi)監(jiān)護(hù)－－客觀反映火災(zāi)情況、面積。四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

1.1概述

QuickBird示例影像:

北京頤和園高分辨率衛(wèi)星影像，拍攝時(shí)間為2003年9月。

(1)遙感圖像應(yīng)用

水體界線的確定，在近紅外圖像上，水體呈黑色。(1)遙感圖像應(yīng)用

(2)導(dǎo)彈末制導(dǎo)圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈的精確未制導(dǎo)，使其精確打擊目標(biāo)。如：機(jī)場(chǎng)、橋梁等。四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

1.1概述(3)生物特征識(shí)別軍事、公安中的人臉、指紋、掌紋識(shí)別等。四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

1.1概述(4)醫(yī)學(xué)應(yīng)用

CT、MR1、PET、B超、DSA、血管造影、紅外乳腺、顯微病理、電子顯微鏡、遠(yuǎn)程醫(yī)療圖像、皮膚圖像、X線、γ刀與χ刀腦外科等等離不開(kāi)圖像。四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

1.1概述全自動(dòng)細(xì)胞DNA定量分析檢測(cè)系統(tǒng)(4)醫(yī)學(xué)應(yīng)用(5)工業(yè)圖像

X線控探傷（軸）、X線檢察、三維測(cè)量（定位、形狀測(cè)量）、機(jī)器人視覺(jué)、商檢。四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

1.1概述

模擬CT斷層圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際CT圖像

實(shí)驗(yàn)結(jié)果CT圖像中缺陷的快速定位方法(5)工業(yè)圖像(6)民用數(shù)碼相機(jī)、照片掃描管理等。四、數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用

1.1概述一、圖像的定義客觀對(duì)象（物體）一種仿真的或模擬的描述，一種生動(dòng)的圖形表述。圖像指廣義的概念：

Image

Image是Object之一子集

可見(jiàn)不可見(jiàn)數(shù)學(xué)函數(shù)光學(xué)畫(huà)面照片可測(cè)量的物理量溫度壓力等曲線

1.2圖像處理的內(nèi)容二、數(shù)字圖像數(shù)學(xué)模型：

抽象為數(shù)字矩陣：f：代表該像素彩色或灰度值；腳碼代表象素的坐標(biāo)位置。一幅數(shù)字圖像可描述為如下模型：(pictureelement=pixel)1.2圖像處理的內(nèi)容

由模擬照片到數(shù)字圖像的過(guò)程。采樣：將圖像分成離散的（橫豎均勻的）網(wǎng)格點(diǎn)。量化：將圖像上各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的黑白及彩色程度做數(shù)字量化，如：256級(jí)，由0到255，亮度從黑到白變化，人眼僅能分辨50左右級(jí)灰度。人眼分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前儀器設(shè)備分辨率，但圖像質(zhì)量最終判別依據(jù)是人。幾何：80點(diǎn)/mm，黑白：12bit－－4096層(人眼僅看40多層)三、數(shù)字化1.2圖像處理的內(nèi)容

經(jīng)過(guò)一系列操作得到所需結(jié)果。①點(diǎn)處理：與原始數(shù)據(jù)②局域處理：與原始數(shù)據(jù)及其鄰域③全局處理：與原始數(shù)據(jù)及全圖四、處理1.2圖像處理的內(nèi)容①圖像預(yù)處理——改善像質(zhì)，以便于目視判讀。校正技術(shù)：對(duì)形狀變形的圖像進(jìn)行幾何校正、輻射校正。增強(qiáng)技術(shù)：去除干擾，突出主要特征，包括：平滑與銳化?；謴?fù)技術(shù)：忠實(shí)原圖，去除干擾，恢復(fù)原圖像，實(shí)用中往往干擾復(fù)雜，模型不清，難能準(zhǔn)確恢復(fù)。②圖像分析（測(cè)量）（analysis）：密度（灰度）、平面幾何參數(shù)，三維參數(shù)測(cè)量技術(shù)。③圖像識(shí)別（recognition）：模式識(shí)別與景物分析1.2圖像處理的內(nèi)容四、處理處理包括如下幾個(gè)方面：五、圖形學(xué)與圖像處理

廣義上講密切相關(guān)。二者之間許多基礎(chǔ)是相同的，只不過(guò)研究角度不同，服務(wù)對(duì)象不同，產(chǎn)生社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益不同。imagedescriptionprocessingrecognition判別

Graphics繪畫(huà)

1.2圖像處理的內(nèi)容·再現(xiàn)性好：

數(shù)字圖像可多次拷貝，不失真，不退化?！ぞ雀撸翰蓸恿炕欢?，多次處理可保精度?！?/p>

適用面寬：可處理抽象數(shù)據(jù)、可做非線性處理（光學(xué)只作線性處理）

1.3圖像處理的特點(diǎn)

從數(shù)據(jù)組織角度來(lái)談圖像數(shù)據(jù)基本格式，而不是從人的感受角度來(lái)談。1.4圖像的數(shù)據(jù)格式一、四類用緊湊程度不同的表達(dá)方式1.4圖像的數(shù)據(jù)格式①灰度、彩色圖像灰度級(jí)：0-255，1字節(jié)/pixel彩色：

RGB224=16M真色彩

0-2550-2550-2553字節(jié)/pixel

彩色R(紅)叫一個(gè)波段，對(duì)單一波彩可看作灰度圖像。

關(guān)于各種標(biāo)準(zhǔn)圖像格式：Tiff、BMP、TAG、GIF、DXF、JPG等不介紹。二值圖像：黑或白1bit/pixel

皮膚腫瘤彩色圖像二值化后的目標(biāo)圖像1.4圖像的數(shù)據(jù)格式一、四類用緊湊程度不同的表達(dá)方式③連續(xù)曲線僅保留黑的連續(xù)點(diǎn)坐標(biāo)。

④多邊形

vector僅保留直線端點(diǎn)。存貯數(shù)據(jù)量由①－④逐漸降低。1.4圖像的數(shù)據(jù)格式一、四類用緊湊程度不同的表達(dá)方式·點(diǎn)序列：存儲(chǔ)各點(diǎn)（X,Y）坐標(biāo)?！c(diǎn)序列增量：起點(diǎn)（X,Y） 增量

·編碼鏈增量用3bits表示0～7·差分編碼鏈2bits2bits34210X765二、連續(xù)曲線的進(jìn)一步說(shuō)明1.4圖像的數(shù)據(jù)格式

客觀存在是不變的，而人的感覺(jué)是與周圍環(huán)境有關(guān)的，人感覺(jué)是會(huì)變的。1.5視覺(jué)現(xiàn)象①人眼對(duì)亮度的適應(yīng)能力人眼的適應(yīng)亮度范圍很寬1010(最大與最小之差)光強(qiáng)度量用勒克斯：Lux0.02LuxCCD黑白太陽(yáng)光度:白天10000Lux

同時(shí)識(shí)別亮度范圍很有限的：（適應(yīng)的范圍寬，同時(shí)識(shí)別范圍窄）。如從亮屋到黑屋什么都看不見(jiàn)（需適應(yīng)20～30秒），從黑屋到白屋適應(yīng)較快（僅需1～2秒）。光強(qiáng)客觀是存在的，主觀感覺(jué)是以光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系（正比）的。1.5視覺(jué)現(xiàn)象

人眼對(duì)亮度有適應(yīng)能力，因此很難判別亮度絕對(duì)值。即使相同亮度，但若背景亮度不同，人眼的主觀感覺(jué)的亮度亦不一致。②同時(shí)對(duì)比度1.5視覺(jué)現(xiàn)象

人眼剛能分辨光強(qiáng)出差別ΔI與背景光強(qiáng)I的關(guān)系ΔI/I。在相當(dāng)范圍內(nèi)為0.02（50層），但當(dāng)Ｉ很大或很小時(shí)比值加大。

分析：256級(jí)灰度，8bits，計(jì)算機(jī)處理方便

8bits→6bits眼睛感覺(jué)不到。

③對(duì)比靈敏度1.5視覺(jué)現(xiàn)象空間二相鄰視覺(jué)信號(hào)，人能辨別出二者存在的能力稱視覺(jué)系統(tǒng)的分辨率。清晰3-5對(duì)/度。

>20周/度，不能識(shí)別?；蛘哒f(shuō)一個(gè)毫弧度57.3/1000～1/20④分辨率1.5視覺(jué)現(xiàn)象

人眼在觀察均勻黑區(qū)與白區(qū)形成邊界時(shí)，與實(shí)際情況不一致，即在亮度變化部位附近有暗區(qū)更暗，亮區(qū)更亮的感覺(jué)。這一更黑和更亮的帶叫Mach帶。主觀感覺(jué)相當(dāng)于增加了一個(gè)分量，相當(dāng)于原圖進(jìn)行了二階導(dǎo)數(shù)操作。⑤Mach帶(馬赫帶現(xiàn)象)1.5視覺(jué)現(xiàn)象人帶有主觀經(jīng)驗(yàn)性錯(cuò)覺(jué)。

⑥空間錯(cuò)覺(jué)1.5視覺(jué)現(xiàn)象⑦主觀輪廓1.5視覺(jué)現(xiàn)象1.6顏色與顏色空間1.6.1顏色光波：光是一種按波長(zhǎng)輻射的電磁波。（如圖，可見(jiàn)光譜）顏色視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)光的感知 視網(wǎng)膜上錐狀光敏細(xì)胞：光強(qiáng)與顏色。視網(wǎng)膜上桿狀光敏細(xì)胞：光強(qiáng)。顏色度量：色調(diào)、飽和度、亮度光的物理性質(zhì)：波長(zhǎng)（光速，頻率）和幅度人眼對(duì)色彩的感覺(jué)：色調(diào)、飽和度和亮度色調(diào)——波長(zhǎng)亮度——幅度飽和度——色光的純度色調(diào)hue:

色調(diào)hue:人眼感覺(jué)到物體反射或發(fā)射光波的波長(zhǎng)。色調(diào)就是顏色的分類。如七色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫在色譜中，色調(diào)連續(xù)變化。色調(diào)飽和度saturation飽和度saturation：指顏色的純正程度。與亮度有關(guān)：某一色調(diào)參入白光，色調(diào)不變但飽和度降低與參入其它顏色的光有關(guān)：飽和度與色調(diào)都會(huì)改變。不完全飽和完全飽和不完全飽和亮度：人眼感受到的顏色光的強(qiáng)度同一種色塊，在不同強(qiáng)度的白光照射下，反射的光波波長(zhǎng)一樣（色調(diào)相同），但人眼感覺(jué)到的顏色不同。某一顏色的光，量度很弱，趨于黑色，反之，趨于白色。顏色相加與相減相加：發(fā)光物體發(fā)出某些波長(zhǎng)的光波，這些波長(zhǎng)的光波疊加在一起。相減：白光照在某種顏色的物體上。部分波長(zhǎng)的光波被吸收，剩下波長(zhǎng)的光波進(jìn)入人的眼睛。1.6.2顏色空間彩色空間： 色度圖（國(guó)際亮度委員會(huì)InternationalCommitteeonIllumination,CIE）表明定義顏色至少需要3個(gè)參數(shù)。用3元組(x,y,z)表達(dá)一個(gè)顏色和在3維空間定義一個(gè)點(diǎn)相似，稱為彩色空間。常見(jiàn)顏色空間：

RGB:顯示器信號(hào)

HSI：人眼識(shí)別

CMY：彩色印刷

YUV(YCbCr)：電視信號(hào)

RGB顏色空間計(jì)算機(jī)顯示器用紅R、綠G、藍(lán)B光的組合產(chǎn)生顏色，(R,G,B)的值唯一地確定在顯示器上的顯示顏色，如（180，70，250）產(chǎn)生一個(gè)偏綠的藍(lán)色三種顏色構(gòu)成了三維空間坐標(biāo)--RGB顏色空間RGB色彩空間電子槍控制電路熒光面電子束像素發(fā)光點(diǎn)

CRT結(jié)構(gòu)示意圖

CRT的顏色產(chǎn)生HSI(Hue,Saturation,Intensity)顏色空間HSI能減少彩色圖像處理的復(fù)雜性。 合