Matlab图像处理与应用(第章)

1、参考教材：1.数字图像处理及MATLAB实现余成波编著 重庆大学出版社 TN911.732.MATLAB7.0在数字图像处理的应用罗军辉 冯平等编著 机械工业出版社 TP391.413.MATLAB图像处理与应用董长虹主编 赖志国 余啸海编著 国防工业出版社 TP391.75第1章 图像与计算机图像处理1.1 图像1.1.1 图像一、概念图像：是自然界景物的客观反映，是人类认识世界和人类本身的重要源泉。例：照片、绘画、影视画面；光学成像；汉字；图形；脑电图、心电图等。图：是物体反射或透射光的分布，它是客观存在的。像：是人的视角系统所接收的图在人脑中所形成的印象或认识。总之，凡是人类视觉上能感觉

2、到的信息，都可以称为图像。二、图像包含的几个重要内容1视频（动态图像、活动图像、运动图像）：它是一组图像在时间轴上的有序排列，是二维图像在一维时间域上构成的序列图像。如：NTSC制式电视30帧/秒，PAL制式是25帧/秒，电影则是24帧/秒。2图形：是图像的一种抽象，反映图像的几何特征，例：点、线、面等。图形不直接描述图像中的每一点，而是描述产生这些点的过程和方法，被称为矢量图形。3动画：属于动态图像的一种。它与视频的区别在于视频的采集来源于自然的真实图像，而动画则是利用计算机产生出来的图像或图形，是合成动态图像。动画包括二维动画、三维动画、真实感三维动画等多种形式。4符号与文字：符号可以表示

3、许多信息。符号包括各种描述量、数据语言等。其中最重要的是数值、文字等有结构的符号组。符号是表示某种含义的，它与使用者的知识有关，是比图形更高层次的抽象。需具备特定的知识方能解释特定的符号和特定的文本（如语言）。符号是用特定值表示的，如ASCII码中文国标码等。文本媒体是用得很多的一种符号媒体形式，它由具有上下文关系的字符串组成，与字符的结构有关。图像的共同特点：图像是二维或三维空间信息。1.1.2 图像信息的重要性1图像是一种空间信息，它展现在人们面前，具体地表明了事物的形态、位置和色彩等，以便人们进行观察、测量和识别。 2图像比起声音、文字信息有其突出的长处，那就是图像的直观性，它能原封不动

4、地将客观事物的原型展现在眼前，供不同目的、不同能力和水平的人们去观察和理解。3人们的视觉系统有着瞬间获取图像、分析图像和理解图像的能力，在人们的生活、生产活动中，依赖于图像信息的状况比比皆是。4图像的信息量大：据统计，通过视觉获取的信息占人们获取所有信息的75左右1.2 图像技术及图像的分类1.2.1 图像技术一、概念图像技术：在广义上是各种与图像有关的技术的总称。目前，人们主要讨论的是数字图像即主要应用的是计算机图像技术。这包括利用计算机和其它电子设备进行和完成的一系列工作。例：图像的采集、获取、编码、存储和传输；图像的合成、绘制和生成、图像的显示和输出；图像的变换、增强、恢复（复原）；图像

5、的重建、分割、目标的检测、表达和描述、特征的提取和测量多幅图像或序列图像的校正、配准3-D景物的重建复原图像数据库的建立、索引和抽取图像的分类、表示和识别图像模型的建立和匹配图像和场景的解释和理解，以及基于它们的判断决策和行为规划等另外，图像技术还可以包括为完成上述功能所进行的硬件和软件设计等方面的技术。二、图像工程的3个层次：图1.21图像处理：是比较低层的操作，他主要在图像像素级上进行处理，处理的数据量非常大。着重强调在图像之间进行的交换。2图像分析：进入中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转化成比较简洁的对目标的描述。主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息从

6、而建立对图像的描述。3图像理解：主要是高层操作，操作对象基本上从描述中抽象出来的符号，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各自目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导和规划行动。1.2.2 图像的分类按性质特征来分，图像大致可分为如下几种情况：1灰度分类：(1)二值图像：如：图文传真、文字、图表、工程图纸等(2)多灰度图像：按应用的不同，有各种不同的灰度层次。如：计算机打印机或传真中有灰度层次的图像，一般为16、25灰度级，医学图像一般为1024灰度级（10bit）工业电视、可视

7、电话为64灰度级（6bit）气象数字图像为7灰度级广播电视图像为256灰度级（8bit）2色彩分类：(1)单色图像：指只具有某一谱段的图像，一般为黑白灰度图(2)彩色图像：包括真彩色、合成彩色、伪彩色、假彩色等，可用不同的彩色空间来描述，如RGB，YUV等。3运动分类：(1)静态图像：包括静止图像、凝固图像(动态图像中的一帧)。每幅图像本身都是一幅静止图像。(2)动态图像：实际上是由一幅幅静止图像按时间排列组成的。动态图像的快慢以帧率量度，帧率反映了画面运动的连续性。4按时空分布分类：(1)二维图像：即平面图像，其数学表示为f(x,y)，f为光强，x，y为二维空间坐标。(2)三维图像：即立体图

8、像，其数学表示为f(x,y,z)，f为光强，x，y，z为三维空间坐标。1.3 图像系统的构成1.3.1 图像系统的线性模型为了简单起见，实际中通常把传输或处理图像信号的系统近似为二维线性移不变系统。用这种系统模型来分析和设计被证明是有效的。这种系统的频率响应是该系统的脉冲响应的傅立叶变换。设对二维函数所作的运算L.满足以下两式Lf1(x,y)+f2(x,y)=Lf1(x,y)+Lf2(x,y)Laf(x,y)=aLf(x,y)式中，若a为任意常数，则称此运算为二维线性运算。由它所描述的系统为二维线性系统。当二维线性系统的输入为单位脉冲函数(x,y) 时，系统输出便称为脉冲响应，用h(x,y)表

9、示。故有L(x,y)=h(x,y)。1.3.2 图像处理系统的构成实际的图像处理系统是一个非常复杂，既包括硬件又包括软件的系统，随着具体应用目标的不同，其构成也是大不相同的。P6图1.3所示为图像处理系统的基本结构，系统主要是由照明用光源、摄像单元、A/D转换器、图像存储器及计算机等要素构成。其工作过程如下：对象物反射的光在摄像单元被转换成电信号（模拟信号），再由A/D转换器把其转化成数字信号，然后被存储在图像存储器中，有待计算机做进一步的处理。*1.4 图像质量的评价1.5 数字图像处理的基本概念1.5.1 基本处理过程数字图像信息可看成是一个二维数组f(i,j)，对它处理的基本过程如同电视

10、光栅扫描过程，按照由左到右，由上到下的顺序进行（P14图1.8(a)），并在扫描过程中逐点对各像素进行帧处理。这样的扫描过程称为顺向扫描。与此相对的就是由下到上，由右到左的逆向扫描（P14图1.8(b)），也是一种常见的处理过程。这种如同光栅扫描的过程仅仅是图像处理中最基本的处理过程。1.5.2 基本运算形式在扫描过程中，用计算机对各像素进行的处理有各种方式，在此称它为运算形式。下面介绍几种基本的运算形式。(1)点运算在对图像各像素进行处理时，只输入该像素本身灰度的运算方式称为点运算。P14图1.9中，输入图像F上某像素的灰度f(i,j)，现采用点运算方式作某种p处理，得到输出图像G上该像素的

11、灰度为g(i,j)，即：g(i,j)p(f(i,j)对图像作点运算时各像素间不发生关系，各像素的处理是独立进行的。(2)邻域运算在对图像各像素进行处理时，不仅输入该像素本身灰度，还要输入以该像素为中心的某局部区域（即邻域）的一些像素进行运算的方式，称为邻域运算。邻域运算的概念可用P15图1.10所示。将输入图像F作邻域运算方式的q处理，得到输出图像G。为了表达简便，将处理的像素f(i,j)写作f0，该像素的处理结果写作g0。设像素f1，f2，f8组成像素f0的邻域；q处理为g0（f0+f1+f2+f8）/9，此时对输入图像各像素所进行的处理就是邻域运算。由于邻域运算能将周围邻域内的诸像素状况反

12、映在处理结果中，因而便于实现多种处理内容。(3)并行运算并行运算指的是对图像上各像素同时进行相同处理的运算方式。这种运算方式处理速度快，但只能用于处理结果与处理顺序无关的场合。点运算处理可采用并行运算方式。对于邻域运算的处理能否采用并行方式则不能一概而论。(4)串行运算串行运算指的是在图像上按照规定的顺序逐个对像素进行处理的运算形式。凡是对像素的处理在邻域像素的基础上进行的处理方法，都必须采用串行运算形式，并同时规定处理顺序。点运算可以采用串行运算。(5)迭代运算反复多次进行相同处理的运算，称为迭代运算。迭代运算常用于一次运算不能达到处理目的的情况。(6)窗口运算窗口运算是指对图像特定的矩形区

13、域进行某种运算的形式。一般，矩形区域由矩形左上角S点的坐标(a,b)和矩形所包含的行数m和列数n确定（见P16图1.12）。矩形区域可以是图像中存在某对象物的位置，也可以是图像中具有代表性特征的区域。(7)模板运算对图像中特定形状的区域进行某种运算的方式称为模板运算。这里的模板就是指特定形状的区域，它常常是与图像中存在的对象有相同特征的一个局部的子图像，因此模板实际上就是一个二维数组。P16图1.13(a)中是一幅对象物为洋葱的图像，而模板（P16图1.13(b)）就是一个与对象物完全一样的子图像。通过对图像上各像素的模板运算，可以找到图像上与模板特征相同的对象物的存在位置。(8)帧运算通常一

14、幅完整的图像被称为一帧。在两幅或多幅图像之间进行运算产生一幅新图像的处理称之为帧运算。帧运算可看成是一种图像合成处理。运算时，将两幅或多幅图像中的对应点用位逻辑运算或算术运算方法进行合成。1.6 数字图像处理的基本内容和特点1.6.1 基本内容(1)图像输入图像处理的第一步，是获取处理对象的可见模拟图像，并将其转换为计算机能接受的数字图像，再输入计算机。如果对象物的信息是不可见的，则首先进行所谓“信息的可视化”或“可见光图像生成”等处理，这样的过程称为图像的输入。(2)图像存储与检索为了保存、处理或者传递图像信息，需要将原图像或经过处理的图像信息在计算机中按某种规律存储，必要时可以方便地找到它

15、们，即进行图像的检索。(3)图像增强图像增强是一种将输入图像变换成便于获取所需信息的状态的各种处理的总称，也可理解为一种改善图像品质的处理内容。例如：噪声减弱、对比度改善、变形修正、模糊消除等都属于图像增强的内容。(4)图像特征提取通过图像信息去测量、识别或理解其中的对象物，依赖于一些能表征对象物的图像特征，如：线、边缘、区域、形状、颜色、纹理等等。通过各种处理方法，将包含图像信息中的必要的特征显露出来，并加以量化的处理称之为图像的特征提取。(5)图像识别与理解图像识别可以简单地理解为利用提取的图像特征对事物进行分类处理，如：根据颜色特征将新鲜的桃子按成熟度进行分级，按形状特征对杏仁分类等等。

16、图像理解是利用图像信息实现模拟人的视觉系统理解客观事物。如：对图像中的田间景物作出解释，成为田间自动作业机的向导。图像识别实际上可看做是一种简单的、仅仅涉及分类的图像理解，而图像理解则是包含更高层次的、达到某些智能化程度的处理。两者间的关系密切，有时也很难严格区分。图像识别和图像理解已成为在计算机图像处理的基础上发展起来的一门新兴学科。但从广义角度来看，它们仍然属于图像处理的范畴。(6)图像输出用计算机再现输入的、输出的以及中间处理结果的图像内容即称为图像输出，是人们考察处理结果、获取处理结果所必需的。图像处理内容除上述6个基本方面以外，还有图像复原、图像编码、图像重构、图像传送等等。1.6.2 数字图像处理的特点数字图像处理与模拟图像处理、人的视觉处理相比有以下特点：(1)再现性只要输入图像和处理方法不变，数字图像的处理结果是不会变的，能很好地再现，即重复性好。不存在人们视觉处理的随意性，也不存在模拟图像（如：照片）处理中图像质量的不一致。(2)定量性数字图像处理很容易得到定量的结果，这是其他处理方式无法比拟的优点。(3)适应性数字图像处理既适用于可见光图像，又适用于其他波谱图像；既可处理静态图像又可处理动态图像；处理对象可小到显微图像，大到航空乃至卫星照片，涉及各行各业。(4)灵活性对同一幅图像，只要处理程序稍作改变，就可得到不同的处理结果。(5)精度高数字图像处理