数字图像处理第一章绪论课件

1、数字图像处理(第一 章)绪论 2019/10/31 Digital Image Processing 2 基于以下两个原因： 1) 改进图像（照片）的质量，使人能更好地解释 （看清楚）图像; 2) 通过处理图像（包括图像获取、存储、传输、 表示等），让机器能够理解图像。 为什么我们需要研究数字图象处理？ 2019/10/31 Digital Image Processing 3 . 一幅图像可以用一个二维函数 f(x,y)来表示： 其中： (x,y) - 代表图像平面中一个点的坐标. f - 表示该点 (x,y)的图像亮度或灰度值 . 数字图像 将上述的坐标点和亮度（灰度）值离散化后获得的图像

2、 称之为数字图像，且一般情况下： f,x 和 y 均为有限值. . 像素 数字图像中的一个点称之为像素 . 数字图象处理 被认为是从一幅图像到另一幅图像的处理，是一个重要的 研究领域 1.1 什么是数字图像 ? 2019/10/31 Digital Image Processing 4 1.2 数字图像处理的起源 . 最早的应用可以追朔到上个世纪20年代的报刊业 2019/10/31 Digital Image Processing 5 Digital Image Processing, 2nd ed. w ww.im a ge pro ce s sin g b oo k.co m ? 200

3、2 R. C. G onzalez 1) 2）医学领域 - CAT or CT (计算机断层扫描技术， 1970s，通过X射线 产生图像 2019/10/31 Digital Image Processing 6 1.改进图像质量，以便人能更好地理解它。如：图像增强， 图像恢复等。 2.处理图像以及从图像中提取某些有用的信息以便机器识别 和理解。如：图像分析、图像识别等。 1.3 数字图像处理的目标 2019/10/31 Digital Image Processing 7 .低层次处理:直接针对像素处理，如：去噪、增强对比度等 通常是从图像到图像的过程，主要用于改进图像的质量; .中层次处理

4、: 从图像中提取某些属性，如：分割图像、提取图像 的轮廓等。 .高层次处理: 识别图像中的目标以便机器自动分析图像。 数字图像处理与计算机视觉之间并不存在明显的差别。 计算机视觉: 基于视觉的机器理解或使用计算机来模拟人类视觉。 图像识别就是属于这一范畴。 1.4 数字图像处理的三个层次 2019/10/31 Digital Image Processing 8 . 数字化一幅图像 ( 将连续图像转化为数字图像) . 增强一幅图像 ( 使一幅图像能更好地适应于某个特定的应用) . 恢复一幅图像 ( 让一幅被损坏的图像尽可能恢复到原貌) . 压缩一幅图像 ( 用更少的字节数来存储它 ) . 分割

5、一幅图像 ( 将一幅图像从背景中提出来并分成若干个目标 ) . 识别一幅图像 ( 让机器说出图像的目标或物体是什么 ) 1.5 数字图像处理系统能做些什么？ 2019/10/31 Digital Image Processing 9 x F(x,y) Y X . 采样 ( 如图中的网格) . 量化 1.5.1 数字化一幅图像 它是数字图象处理系统工作的第一步 2019/10/31 Digital Image Processing 10 . 原始图像 增强后的图像 1.5.2 增强一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 11 当图像损坏了，我们可以恢复它

6、 裂痕部分 撕破了 1.5.3 恢复一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 12 皱折 原始图像 恢复后的图像 恢复一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 13 破损部分 原始图像 恢复后的图像 恢复一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 14 原始图像 257kb 压缩后的图像 147kb 冗余信息 1.5.4 压缩一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 15 原始图像 分割后的图像 1.5.5 分割一幅图像 2019/10/

7、31 Digital Image Processing 16 原始图像 分割后的图像 分割一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 17 分割一幅图像( 咖啡豆分离) 2019/10/31 Digital Image Processing 18 以汽车车牌号码自动识别为例 1.5.6 识别一幅图像 2019/10/31 Digital Image Processing 19 . 二者之间的差异可用下图表示： 数字图像处理系统 图像1 图像2 计算机图形系统 数据 图像3 图像1与图像2 一般情况下是不同的图像: 图像2是由图像1经过处理 后获得的; 图像

8、3是通过数据转换后产生的，他也许是一幅虚拟的图像, 某些例子 如下： 1.6 数字图像处理与计算机图形学 2019/10/31 Digital Image Processing 20 一个简单的例子是让计算机系统绘制一个圆，通过输入圆心坐标(x,y) 和半径R即可产生圆。 (x,y) R 表达二者差异性的例子 2019/10/31 Digital Image Processing 21 现在，数字图象处理技术与计算机图形技术经常结合在一起，应 用于同一个系统中，如：基于人脸照片的三维人脸生成系统 - 基于图像的三维几何建模 三维建模时，有时从照片（图像中）获取对象的几何信息会使 建模变得更容易

9、 - 基于图像的渲染 对三维几何模型进行渲染时，直接从照片（图像中）提取色彩、 纹理等信息更为简单 一个实际例子（来自我的研究生课题）：三维人脸与表情生成 系统 数字图像处理技术与计算机图形技术相结合 2019/10/31 Digital Image Processing 22 . 从通用人脸三维几何模型到特定人脸几何模型 三角形网格模型 定义特征点 输入某人的两张照片输入某人的两张照片 交互式操作后产 生 生 特定人脸三维几 何 何 模型，大小吻合 第二次变换 实例 2019/10/31 Digital Image Processing 23 . ? ? ? ? ? ? ? ? zcycxc

10、cw zbybxbbv zayaxaau 3210 3210 3210 ?),(),(, , wvuzyxzyx? 在本系统中，将人脸视为弹性体，通过建立弹性变换方程 来计算其特征点的位置。 渲染后 真正的三维人脸 细微变换 从通用人脸模型到特定人脸模型 2019/10/31 Digital Image Processing 24 . 人脸面部表情动画系统 与建立人脸模型一样，也可以通过弹性变换生成人脸 面部表情动画 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )1 ()1 ( 216 5 )1)(1 ( )1 ()1 ( 2042 35 2 2 22 2 2 2 2 2 b y b

11、y a x ba cb b y a x cv b y ab xy a x ab abc u 另一个实例 2019/10/31 Digital Image Processing 25 眨眼睛的动画模拟 2019/10/31 Digital Image Processing 26 张嘴巴的动画模拟 2019/10/31 Digital Image Processing 27 摄像或扫描 原始图像 数字化 图象预处理 图 像 增 强 图像处理 图 像 恢 复 图 像 压 缩 图 像 识 别 图 像 分 析 处理后的图像 处理后的图像 控制信号 受控设备 1.7 典型图像处理系统的组成典型图像处理系统

12、的组成 2019/10/31 Digital Image Processing 28 1.8 数字图像处理系统的基本要素 图像采集: 数码相机、扫描仪或视频摄像机; 图像存储: 各类存储装置，如：硬盘、光盘等; 图像处理: 计算机系统及相关软件 图像显示: 显示器及各种硬拷贝设备 2019/10/31 Digital Image Processing 29 可广泛地应用于工业、医疗、商业、教育、娱乐等各个领域 (1) 工业监控系统 如：温度控制系统 基于火焰颜色而自动调节温度 1.9 数字图像处理系统的应用 2019/10/31 Digital Image Processing 30 (2)

13、指纹识别 2019/10/31 Digital Image Processing 31 指纹图像分析 2019/10/31 Digital Image Processing 32 . 指纹图像分析 2019/10/31 Digital Image Processing 33 . 公安部门借助于指纹识别系统破获案件 . 个人身份认证 将指纹信息存储与身份证中 . 入口管理 - 重要会议入口检查 - 多入口大型公园应用 指纹系统的应用 2019/10/31 Digital Image Processing 34 基于车牌自动识别的交通管理系统： - 利用摄像头获取车牌图像 - 图像增强处理 Adj

14、usting the distribution of the gray level in an image - Segmentation Segmenting letters or digitals in the plate - Recognition Telling what the letters or digitals are (3) 交通管理 2019/10/31 Digital Image Processing 35 . It can be widely used to the following aspects . Charge automatically on freeway -

15、 Auto-record the car license plate - Distinguish the type of car - Recognize the plate - Connecting the credit card system automatically (4) Traffic Control 2019/10/31 Digital Image Processing 36 . Park management Automatically record the car license plate and recognize it and control passing-bar to

16、 switch on or off. . Monitor the driver with over-speed on freeway automatically record the car license plate with over-speed and recognize it. (5) Traffic Control 2019/10/31 Digital Image Processing 37 An example - Human face beautifying (6) Entertainment 2019/10/31 Digital Image Processing 38 2019

17、/10/31 Digital Image Processing 39 2019/10/31 Digital Image Processing 40 (1) The electromagnetic spectrum arranged according to energy per photon. (2) X-ray and Visual bands of spectrum are the most familiar images in actual application, such as X-ray in medical inspection and so on. 1.10 Some exam

18、ples of Using DIP Based on EM spectrum 2019/10/31 Digital Image Processing 41 (3) Gamma-Ray Imaging Nuclear medicine: Inject a patient with a radioactive isotope that can emit gamma-ray. It is used in locating sites of bone pathology,such as infection or tumors. PET - Positron Emission Tomograph 201

19、9/10/31 Digital Image Processing 42 2019/10/31 Digital Image Processing 43 (4) X-ray Imaging Be widely used in Medical diagnostics, Industry, Astronomy and so on. When X-rays penetrate an objects, there is a different amount of absorption for different parts in the object , so an image is generated

20、in the film to be sensitive to X-ray energy. 2019/10/31 Digital Image Processing 44 2019/10/31 Digital Image Processing 45 (5) Imaging in the Ultraviolet Band Applications of ultraviolet “light” include lithography,industrial inspection, microscopy,lasers,biological imaging,and astronomical observat

21、ions. i) Ultraviolet light is used in fluorescence microscopy. ii) Fluorescence microscopy is an excellent method for studying material that can be made to fluorescene. 2019/10/31 Digital Image Processing 46 (6) Imaging in the Visible and Infrared Bands The visual band of the electromagnetic spectru

22、m is the most familiar in our activities. So their applications are also the widest compared with other bands. And infrared band is often viewed visual light. Here we show some applications of the visual light in light Microscopy,astronomy,remote sensing,industry,and law enforcement. i) Some example

23、s of images obtained with a light microscope. 2019/10/31 Digital Image Processing 47 These examples range from pharmaceuticals and micro- inspection to materials characterization. 2019/10/31 Digital Image Processing 48 ii) Some applications are from remote sensing. Here shows the so-called thematic

24、bands in NASAs LANDSAT satellite. 2019/10/31 Digital Image Processing 49 We obtained some images including features such as building, roads,vegetation,and a major river (the Potomac) going through the city in Washington D.C according to the Table 1.1. 2019/10/31 Digital Image Processing 50 iii) Weat

25、her observation and prediction also are major applications of multi-spectral imaging from satellites. 2019/10/31 Digital Image Processing 51 iv) An application of infrared imaging from the Nighttime Lights of the World data set, which provides a global inventory of human settlements. 2019/10/31 Digi

26、tal Image Processing 52 v) The applications in automated visual inspection of manufactured goods. (a) A circuit board. (b) Packaged pills. (c) Bottles. (d) Bubbles in clear-plastic product. (e) Cereal. (f) Image of intraocular implant. 2019/10/31 Digital Image Processing 53 vi) Some other applicatio

27、ns of the visual spectrum. 2019/10/31 Digital Image Processing 54 (7) Imaging in the Microwave Band A typical application in the microwave band is radar. 2019/10/31 Digital Image Processing 55 (8) Imaging in the Radio Band The major applications in the radio band are in medicine and astronomy. In me

28、dicine radio waves are used in magnetic resonance imaging (MRI). 2019/10/31 Digital Image Processing 56 Comparison with other bands 2019/10/31 Digital Image Processing 57 (9) Examples in which Other Imaging Modalities Are Used Acoustic imaging, electron microscopy and synthetic imaging are also impo

29、rtant besides imaging in the electromagnetic spectrum. Imaging using “sound” finds application in geological exploration, industry, and medicine. 2019/10/31 Digital Image Processing 58 The best known applications of the ultrasound imaging are in medicine, especially in obstetrics. 2019/10/31 Digital

30、 Image Processing 59 A transmission electron microscope (TEM) works much like a slide projector. A scanning electron microscope (SEM) scans the electron beam and records the interaction of beam and the sample at each location. Electron microscopes are capable of very high magnification. 2019/10/31 D

31、igital Image Processing 60 Lastly, images generated by computers. 2019/10/31 Digital Image Processing 61 For an image we must digitize it so that it can be processed by computers. For an image, we usually use the intensity function f(x,y) to represent it. (x,y) - the location of a point in the image

32、; f (x,y) - the intensity of the point (x,y); It is obvious that 0 f(x,y) ? 1.11 How to digitize an image 2019/10/31 Digital Image Processing 62 A simple model is f(x,y)= i(x,y)r(x,y) i(x,y) - intensity of the incident light 0 i (x,y) r(x,y) - the coefficient of the reflection, depend on the object

33、light casts 0 r(x,y) 1 ? 2019/10/31 Digital Image Processing 63 Take a picture as an example. f (x,y) Y X 2019/10/31 Digital Image Processing 64 Sampling - Digitize the spatial coordinates ( pixel ) Quantizing - Digitize the intensity function f (x,y) An image processed by sampling and quantizing is

34、 called the digital image. It is also the procedure from a continuous image to a discrete one. Uniform sampling - If all sampled points are equal spaces Uniform quantizing - If all grey-level intervals are the same ( From the darkest to the brightest ) 2019/10/31 Digital Image Processing 65 Suppose

35、there are N pixels along horizontal direction X and M pixels along vertical direction Y . and there are L gray levels, a digital image cab be represented by the following matrix. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ) 1, 1() 1 , 1()0 , 1( . . ) 1, 1 (.) 1 , 1 ()0 , 1 ( ) 1, 0(.) 1 , 0()0 , 0( ),( MNfNfNf Mfff Mfff yxf 2019/10/31 Digital Image Processing 66 For any point (x,y) in the digital image ?1,.1 , 0?Nx?1,.1 , 0?My ?1,.1 , 0),(?Lyxf Usually, 2 n N ? 2 m M ? and 2 k L ? So the number, b, of bits required to store a digital image: kNMb? 2019/10/31