第四章数字图像处理技术

1、人类离不开图像，计算机图像技术渗透人类离不开图像，计算机图像技术渗透到各个科技领域，百闻不如一见。画面到各个科技领域，百闻不如一见。画面比文字更形象生动，人类比文字更形象生动，人类70%70%以上信息以上信息来自视觉。来自视觉。“One picture is worth more than ten thousand words”学好图像处理能干什么？学好图像处理能干什么？图像处理在整个信号处理里面就业形势最好图像处理在整个信号处理里面就业形势最好模式识别目前大部分都是基于图像的模式识别模式识别目前大部分都是基于图像的模式识别图像处理是计算机视觉和视频处理的基础图像处理是计算机视觉和视频处理的基

2、础医学图像是一个比较热门的方向医学图像是一个比较热门的方向图像处理对编程的要求较高，可以去软件公司图像处理对编程的要求较高，可以去软件公司主要大公司：主要大公司：n图像和视频搜索：微软、图像和视频搜索：微软、google、yahoo和百度和百度n医学图像：医学图像：Simens、GE、飞利浦和柯达、飞利浦和柯达n所有与图像（静止或者运动图像）有关的公司都是选择。比如数码相所有与图像（静止或者运动图像）有关的公司都是选择。比如数码相机、显微镜成像、超声成像、工业机器人控制、显示器、电视、遥感机、显微镜成像、超声成像、工业机器人控制、显示器、电视、遥感等等等等什么是数字图像什么是数字图像?将一幅二

3、维的图像通过有限个离散点来表示就成为了数字图像，将一幅二维的图像通过有限个离散点来表示就成为了数字图像，其中的每个点称为图像元素，即像素其中的每个点称为图像元素，即像素。像素值往往用来表示像素的灰度级、颜色、高度值、透明度等等。像素值往往用来表示像素的灰度级、颜色、高度值、透明度等等。什么是数字图像什么是数字图像?注意：注意：“digitization” 表示数字图像是现实中图像的近似值。表示数字图像是现实中图像的近似值。在图像处理软件中，使用放大工具，对图像的局部进行观察时。在图像处理软件中，使用放大工具，对图像的局部进行观察时。1 pixel什么是数字图像什么是数字图像?一般的，图像格式包

4、括一般的，图像格式包括:n每像素每像素1个样值个样值 (B&W or Grayscale)n每像素每像素3个样值个样值 (Red, Green, and Blue)n每像素每像素4个样值个样值(Red, Green, Blue, and “Alpha”, a.k.a. Opacity)什么是数字图像什么是数字图像?如何获取数字图像？如何获取数字图像？图像感知的要素图像感知的要素: “场景场景”+“照射光源照射光源”+获取图像的传感器获取图像的传感器(1)“场景场景”(2)“照射光源照射光源”(3)获取图像的传感器获取图像的传感器(1)单个传感器获取图像单个传感器获取图像(类似电视显示图

5、像的逆过程类似电视显示图像的逆过程)(2)用带状传感器获取图像用带状传感器获取图像(最典型的是现在广泛使用的扫描仪最典型的是现在广泛使用的扫描仪)(3)用传感器阵列获取图像用传感器阵列获取图像(最典型的是照相机最典型的是照相机)图像数字化关键技术图像数字化关键技术采样采样图像数字化关键技术图像数字化关键技术量化量化图像数字化关键技术图像数字化关键技术量化量化图像数字化关键技术图像数字化关键技术编码编码数字系统只能识别数字系统只能识别0和和1，怎样才能表示更多的数码、符号和字母呢？用，怎样才能表示更多的数码、符号和字母呢？用编码可以解决此问题。编码可以解决此问题。用文字、符号或数码表示特定对象的

6、过程称为编码。在数字电路中用二用文字、符号或数码表示特定对象的过程称为编码。在数字电路中用二进制代码表示有关的信号称为二进制编码。进制代码表示有关的信号称为二进制编码。n例如：用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号等信息称为例如：用一定位数的二进制数来表示十进制数码、字母、符号等信息称为编编码码。这一定位数的二进制数就称为代码。这一定位数的二进制数就称为代码。对于对于N个信息，要用几位的二进制数才能满足编码呢？个信息，要用几位的二进制数才能满足编码呢？ 2n N 使用编码技术可以大大减少数字电路系统中信号传输线的条数，同时便使用编码技术可以大大减少数字电路系统中信号传输线的条数，同时

7、便于信号的接收和处理。于信号的接收和处理。例如：一个由例如：一个由8个开关组成的键盘，个开关组成的键盘， 直接接入：需要直接接入：需要8条条信号传输线；信号传输线； 编码器：只需要编码器：只需要3条条数据线。数据线。（每组输入状态对应一组（每组输入状态对应一组3位二进制代位二进制代码）码）图像数字化关键技术图像数字化关键技术编码编码熵编码熵编码nHuffman编码，算术编码，游程编码编码，算术编码，游程编码变换编码变换编码nK-L，DCT，子带编码，子带编码预测编码与帧间压缩方法预测编码与帧间压缩方法n预测编码机理预测编码机理n运动估值与运动补偿运动估值与运动补偿小波变换编码小波变换编码n小波

8、变换在图像压缩编码中的应用小波变换在图像压缩编码中的应用基于区域和对象的编码基于区域和对象的编码n形状编码，纹理编码，基于对象的分析综合编码形状编码，纹理编码，基于对象的分析综合编码分级视频编码分级视频编码分形编码分形编码根据实施编码所在的数据域划分根据实施编码所在的数据域划分n空间域编码空间域编码n变换域编码变换域编码n其它编码方法其它编码方法空间编码：空间编码：nPCM编码编码nDPCM编码编码nDelta调制调制n行程编码行程编码n帧间编码帧间编码n等值线编码等值线编码变换域编码：变换域编码：nK-L变换编码变换编码nDCT变换编码变换编码n子带编码子带编码n自适应变换域编码自适应变换域

9、编码n其它变换编码其它变换编码其它方法：其它方法：n矢量量化矢量量化n自适应矢量量化自适应矢量量化n基于模型的编码基于模型的编码n视频网络编码视频网络编码n分形编码分形编码n小波编码小波编码n混合编码混合编码图像数字化关键技术图像数字化关键技术编码编码图像编码示例图像编码示例-DCT变换变换DCT正变换正变换量化器量化器熵编码器熵编码器码表说明码表说明码表说明码表说明编码器编码器8*8块块源图像数源图像数据据基于基于DCT编码的简化框图编码的简化框图压缩后的图压缩后的图像数据像数据DCT变换的应用：变换的应用：JPEGDCT逆变换逆变换量化器量化器码表说明码表说明码表说明码表说明恢复的图像数恢

10、复的图像数据据解码器解码器熵解码器熵解码器压缩的图像压缩的图像数据数据基于基于DCT解码器的框图解码器的框图8*8块块DCT变换的应用：变换的应用：JPEG数字图像表示数字图像表示数字图像的数字表示是矩阵数字图像的数字表示是矩阵:MxN digital images in compact matrix formnImage element ， picture element ， pixel，or pelnSometimes we use traditional matrix notation to denote a digital image and its elements) 1, 1()

11、1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11,01 ,00,0NMMMNNaaaaaaaaaA数字图像表示数字图像表示图像的数字化的参数及数据量计算图像的数字化的参数及数据量计算图像数字化的参数图像数字化的参数:1.采样参数采样参数(空间分辨率空间分辨率): 图像的长图像的长M和宽和宽N2. 量化参数量化参数(灰度级，灰度级分辨率灰度级，灰度级分辨率): 3.数字图像的数据量计算数字图像的数据量计算(单位单位:bit):kL

12、2kNMb数字图像的存储数字图像的存储数字图像处理的两个主要任务：数字图像处理的两个主要任务：n如何利用计算机来改进图像的品质以便于人类视觉如何利用计算机来改进图像的品质以便于人类视觉分析；分析；n对图像数据进行存储、传输和表示，便于计算机自对图像数据进行存储、传输和表示，便于计算机自动化处理动化处理。图像处理的范畴是一个受争论的话题，因此也产生了图像处理的范畴是一个受争论的话题，因此也产生了其他的领域比如图像分析和计算机视觉等等。其他的领域比如图像分析和计算机视觉等等。图像处理和计算机图形学的结合日益紧密，后者长期图像处理和计算机图形学的结合日益紧密，后者长期受到计算机游戏的推动受到计算机游

13、戏的推动数字图像处理数字图像处理数字图像处理的历史数字图像处理的历史20世纪世纪20年代年代: 最早的应用之一是报纸业最早的应用之一是报纸业nBartlane 电缆图片传输系统；电缆图片传输系统；n通过海底电缆将图像从伦敦传往纽约；通过海底电缆将图像从伦敦传往纽约；n为了使用电缆传输，图像需要首先编码，并在接收端通过电为了使用电缆传输，图像需要首先编码，并在接收端通过电报打印机进行重构。报打印机进行重构。早期的数字图像早期的数字图像数字图像处理的历史数字图像处理的历史20世纪世纪20年代中期到末期年代中期到末期: 改进改进Bartlane 系统后，图像质量得系统后，图像质量得到了提高到了提高n

14、打印过程采用了新的光学还原技术打印过程采用了新的光学还原技术n增加了图像的灰度等级增加了图像的灰度等级改进后的数字图像改进后的数字图像早期早期15级色调的数字图像级色调的数字图像数字图像处理的历史数字图像处理的历史20世纪世纪60年代年代: 由于信息技术的快速发展，出现了一批数字图像由于信息技术的快速发展，出现了一批数字图像处理处理n1964: “旅行者旅行者7号号”拍摄的图像通过计拍摄的图像通过计算机进行处理并提算机进行处理并提高了图像质量；高了图像质量；n此技术也在阿波此技术也在阿波罗载人登月飞行罗载人登月飞行等空间探测器中等空间探测器中得到应用得到应用。由由“旅行者旅行者7号号”登陆前拍

15、摄的图像登陆前拍摄的图像数字图像处理的历史数字图像处理的历史20世纪世纪70年代年代: 数字图像处理开始应用于医学领域数字图像处理开始应用于医学领域n1979: Godfrey N. Hounsfield先生以及先生以及Allan M. Cormack 教授由于发明了教授由于发明了“断层（断层（CT）技术技术” ，共同获得共同获得了诺贝尔医学奖，其背后的思想是计算机轴向断层技术了诺贝尔医学奖，其背后的思想是计算机轴向断层技术(Computerised Axial Tomography (CAT)数字图像处理的历史数字图像处理的历史20世纪世纪70年代末年代末:随着人工智能的兴起和发展，开始随着

16、人工智能的兴起和发展，开始计算机视觉的研究，由计算机视觉的研究，由2D图象中获取图象中获取3D空间信息空间信息数字图像处理的历史数字图像处理的历史20世纪世纪80年代至今：数字图像处理技术呈爆炸性发展，年代至今：数字图像处理技术呈爆炸性发展，如今已在大量领域担负着大量的工作：如今已在大量领域担负着大量的工作：n图像增强图像增强/恢复恢复n艺术级效果艺术级效果n医学可视化医学可视化n工业检验工业检验n法律执行法律执行n人机交互人机交互举例：举例： 图像增强图像增强DIP技术最常见的用处是：提高质量，消除噪音等等技术最常见的用处是：提高质量，消除噪音等等举例：举例： Hubble 望远镜望远镜19

17、90年发射的年发射的“哈勃哈勃”号太空望远号太空望远镜能够拍摄超远距离的物体，但是镜能够拍摄超远距离的物体，但是由于镜子出现误差，拍摄到的图像由于镜子出现误差，拍摄到的图像就失去了价值，而借助于图像处理就失去了价值，而借助于图像处理技术便可以修复。技术便可以修复。举例：艺术效果举例：艺术效果艺术效果是指通过特艺术效果是指通过特效或者图像合成等方法，效或者图像合成等方法，使得图像具有更强的视使得图像具有更强的视觉效果。觉效果。举例：医学举例：医学通过通过MRI（核磁共振）扫描到的犬类心脏切片，我们可以找出其（核磁共振）扫描到的犬类心脏切片，我们可以找出其中各种组织的边界线中各种组织的边界线:n灰

18、度图表示组织密度灰度图表示组织密度n使用合适的滤波器来增强边缘使用合适的滤波器来增强边缘取自狗心脏的原始MRI图像边缘检测图像举例：GIS地理信息系统（地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS)，数字图像处理技术广泛用于：数字图像处理技术广泛用于：n气象学气象学n地形分类地形分类n操作卫星图像操作卫星图像举例：举例：GIS全球夜间灯光数据集全球夜间灯光数据集n可以提供全球人类可以提供全球人类居住区的汇总情况。居住区的汇总情况。 n不难想象这些数据不难想象这些数据需要进行分析和处需要进行分析和处理。理。从图像可以看出用电量区别，也基本从图像可以看出用电量

19、区别，也基本可以看出贫富区别可以看出贫富区别。举例：举例：GIS遥感图像：遥感图像：n农业普查；森林覆盖计算；水利工程等的客观估计计算；森林农业普查；森林覆盖计算；水利工程等的客观估计计算；森林火灾监护客观反映火灾情况、面积火灾监护客观反映火灾情况、面积举例：工业检验举例：工业检验操作人员需要花费大量的精力，却又慢又不可靠；操作人员需要花费大量的精力，却又慢又不可靠；使用机器代替；使用机器代替；工业可视化系统广泛应用于各类产业工业可视化系统广泛应用于各类产业 举例：印刷电路板检测举例：印刷电路板检测印刷电路板检测印刷电路板检测(Printed Circuit Board inspection,

20、 PCB)n使用机器检测零件是否完整以及焊接是否合格使用机器检测零件是否完整以及焊接是否合格n常规成像和常规成像和X光成像相结合光成像相结合举例：法律执行举例：法律执行图像处理技术被法律执行者广泛采用图像处理技术被法律执行者广泛采用n高速相机或者自动收费系统用于牌照识别高速相机或者自动收费系统用于牌照识别n指纹识别指纹识别n闭路电视闭路电视(Close Circuit Television, CCTV)中图像的增强中图像的增强举例：举例：HCI使得人机交互（使得人机交互（Human Computer Interaction）变得更加自然变得更加自然n面部识别面部识别n手势识别手势识别数字图像处

21、理的关键步骤数字图像处理的关键步骤图像采集图像采集图像图像复原复原形态学处理形态学处理分割分割表示表示&描述描述图像增强图像增强对象识别对象识别问题域问题域彩色图像处理彩色图像处理图像压缩图像压缩数字图像处理的关键步骤：图像采集数字图像处理的关键步骤：图像采集图像采集图像采集图像图像复原复原形态学处理形态学处理分割分割表示表示&描述描述图像增强图像增强对象识别对象识别问题域问题域彩色图像处理彩色图像处理图像压缩图像压缩数字图像处理的关键步骤：图像增强数字图像处理的关键步骤：图像增强图像采集图像采集图像图像复原复原形态学处理形态学处理分割分割表示表示&描述描述图像增强图像

22、增强对象识别对象识别问题域问题域彩色图像处理彩色图像处理图像压缩图像压缩数字图像处理的关键步骤：图像复原数字图像处理的关键步骤：图像复原图像采集图像采集图像图像复原复原形态学处理形态学处理分割分割表示表示&描述描述图像增强图像增强对象识别对象识别问题域问题域彩色图像处理彩色图像处理图像压缩图像压缩数字图像处理的关键步骤：形态学处理数字图像处理的关键步骤：形态学处理图像采集图像采集图像图像复原复原形态学处理形态学处理分割分割表示表示&描述描述图像增强图像增强对象识别对象识别问题域问题域彩色图像处理彩色图像处理图像压缩图像压缩数字图像处理的关键步骤：分割数字图像处理的关键步骤：分割图像采集图像采集图像图像复原复原形态学处理形态学处理分割分割表示表示&描述描述图像增强图像增强对象识别对象识别问题域问题域彩色图像处理彩色图像处理图像压缩图像压缩数字图像处理的关键步骤：对象识别数字图像处理的关键步骤：对