图像技术基础概要学习教案

1、图像技术基础图像技术基础(jch)概要概要第一页，共60页。数字图像处理数字图像处理第1页/共60页第二页，共60页。数字图像处理数字图像处理第2页/共60页第三页，共60页。第一章第一章 图像图像(t xin)技术基础技术基础第3页/共60页第四页，共60页。1. 数字图像处理简介数字图像处理简介(jin ji)第4页/共60页第五页，共60页。什么(shn me)是图像图像（image)：用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体图像和信息：人类从外界(wiji)（客观世界）获得的信息约有75%来自视觉系统 数字图像处理：信息化的发展

2、，一方面要求处理对象的数字化，一方面要求处理时的直观性-数字图像处理第5页/共60页第六页，共60页。1）因特网上的图像检索 2）图像的传输 3）图像的安全技术 4）图像的处理技术 5）图像的自动识别 6）基于图像的检测手段 7）其它(qt)视频方面的研究与需求几个当今热点的研究几个当今热点的研究(ynji)方向方向第6页/共60页第七页，共60页。图像处理(t xin ch l)的应用 生物医学 、遥感 、工业 、军事、电信(dinxn)、公安等领域有着广泛的应用。生物医学：显微镜图像生物医学：显微镜图像(t xin)分析分析,利用电磁波谱利用电磁波谱成像分析系统诊断病情。如成像分析系统诊断

3、病情。如CT及核磁共振、超声波、及核磁共振、超声波、 X射线成像分析等。射线成像分析等。第7页/共60页第八页，共60页。遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害(zrnzihi)监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等等。解译、找矿，环境污染检测等等。图像处理(t xin ch l)的应用 第8页/共60页第九页，共60页。工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研制等。零件，装配

4、质量检查），工业机器人研制等。军事：航空及卫星侦察照片军事：航空及卫星侦察照片(zhopin)的测绘、判读，雷的测绘、判读，雷达、达、 声纳图像处理，导弹制导，军事仿真，无人驾驶飞行声纳图像处理，导弹制导，军事仿真，无人驾驶飞行等。等。图像处理(t xin ch l)的应用 第9页/共60页第十页，共60页。通信：图像传真通信：图像传真(chunzhn)，可视电话，卫星通讯，数字电视等。，可视电话，卫星通讯，数字电视等。公安公安(gng n)：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。鉴别分析等。图像处理(t xin ch l)的应用 第

5、10页/共60页第十一页，共60页。气象预报：获取气象预报：获取(huq)气象云图进行测绘、判读等。气象云图进行测绘、判读等。风云风云1号号 风云风云2号号图像处理(t xin ch l)的应用 第11页/共60页第十二页，共60页。图像图像(t xin)(t xin)工程工程图像工程根据抽象(chuxing)程度不同可分为三个层次：狭义图像处理、图像分析和图像理解。第12页/共60页第十三页，共60页。相关(xinggun)学科 计算机图形学 用计算机将由概念所表示的物体（不是实物）图像进行处理和显示。侧重于根据给定的物体描述(mio sh)模型、光照及想象中的摄像机的成像几何，生成一幅图像

6、。模式识别 模式识别是对表征事物(shw)或现象的各种形式的信息进行处理和分析以对事物(shw)或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程。计算机视觉 计算机视觉的目的是发展出能够理解自然景物的系统。在机器人领域中，计算机视觉为机器人提供眼睛的功能。第13页/共60页第十四页，共60页。相关(xinggun)学科计算机图形学是从非图像行使的数据描述(mio sh)生成图像，其实就是和图像分析对调。模式识别是把图像分解成可用符号较抽象地描述(mio sh)的类别。计算机视觉主要强调用计算机实现人的视觉功能。第14页/共60页第十五页，共60页。数字图像处理系统(xtng)概要对象物光光源(gungy

7、un)摄像单元A/D转换(zhunhun)单元图像存储单元计算机数字图像处理系统由硬件和软件组成采集显示存储通信主机图像处理软件第15页/共60页第十六页，共60页。a.CCD（Charge Coupled Device ）工作原理：将光能量转换为电荷，并将转换得到的电荷进行存储。 CCD传感器分为线阵式和阵列式两种，具有(jyu)代表性的产品分别有扫描仪和数码相机。1 图像采集图像采集(cij)模块模块采集装置都包括下面(xi mian)两个部件 光敏感器件 模/数转换装置数字图像处理系统概要b.CMOS传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor

8、)第16页/共60页第十七页，共60页。c.CCD与CMOS比较CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大(fngd)器进行放大(fngd)，再串联 ADC 输出。相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC（放大(fngd)兼类比数字信号转换器），讯号直接放大(fngd)并转换成数字信号 CMOS速度快,CCD耗电量大，噪音对CMOS的影响会较CCD大，不过CMOS在消噪方面取得不错的发展。数字图像处理系统(xtng)概要第17页/共60页第十八页，共60页。数字图像处理系统(xtng

9、)概要2 图像图像(t xin)显示模块显示模块 a.显示设备：扫描仪、显示设备：扫描仪、CRT显示器显示器,LCD,LED b.图像图像(t xin)输出输出 半调输出半调输出(halftoning): 在每个像素位置在每个像素位置打印一个其尺寸反比于改像素灰度的黑打印一个其尺寸反比于改像素灰度的黑点，即在亮的图像点，即在亮的图像(t xin)区域打印的区域打印的点小，而在暗的图像点小，而在暗的图像(t xin)区域打印区域打印的点大。的点大。 利用人眼的集成特性，得到比较连利用人眼的集成特性，得到比较连续平滑的灰度图像续平滑的灰度图像(t xin)。 抖动技术抖动技术(dithering)

10、：对原始图像：对原始图像(t xin)加一个随机的小噪声，以帮助消加一个随机的小噪声，以帮助消除量化不足而导致的图像除量化不足而导致的图像(t xin)中出中出现的虚假轮廓现象。现的虚假轮廓现象。 通过变动图像通过变动图像(t xin)的幅度值来的幅度值来改善量化过粗图像改善量化过粗图像(t xin)的显示质量的显示质量。第18页/共60页第十九页，共60页。数字图像处理系统(xtng)概要3图像存储模块图像存储模块常用硬盘、软盘、常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等盘、活动硬盘、光盘、磁带等 在海量图像存储备份在海量图像存储备份(bi fn)系统中，采用磁盘阵列、磁带库、光系统中，采

11、用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备。盘塔等存储设备。图像格式图像格式 BMP: 位图，是位图，是Windows操作系统中的标准图像文件格式。操作系统中的标准图像文件格式。 包包含图像信息丰富，有压缩和非压缩两种。含图像信息丰富，有压缩和非压缩两种。 GIF: 为了交换图片而产生，特点是压缩比较高，可存储单幅和多为了交换图片而产生，特点是压缩比较高，可存储单幅和多幅图像。但最多只能存储幅图像。但最多只能存储256色图像。色图像。 TIFF:独立于操作系统和文件系统的格式，特点是图像格式复杂、独立于操作系统和文件系统的格式，特点是图像格式复杂、存储的图像细微层次的信息多，图像质量得以提高。有压缩

12、和存储的图像细微层次的信息多，图像质量得以提高。有压缩和非压缩两种。非压缩两种。 JPEG:用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，获取得极高用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，获取得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，用较少的磁盘空的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，用较少的磁盘空间得到较好的图像质量。间得到较好的图像质量。第19页/共60页第二十页，共60页。4 图像通信模块图像通信模块图像通信就是把图像传送到远方终端。图像通信就是把图像传送到远方终端。按传输按传输(chun sh)图像种类分为图像种类分为 静止图像通信，如电报、传真等静止图像通信，如电报、传真等 活动图像

13、通信，如电视、可视电话等。活动图像通信，如电视、可视电话等。5 主机主机以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像处理系统型图像处理系统6 图像处理和分析模块图像处理和分析模块由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。分组成。数字图像处理系统(xtng)概要第20页/共60页第二十一页，共60页。图像处理主要(zhyo)研究内容 1 图像的采集和数字化 如何将一幅光学图像表示成一组数字，既不失真又便于计算机分析处理(chl)。 主要包括图像的采样与量化。图像变换目的在于：处理问题简化、有利于特征提

14、取、加强对图像信息的理解(lji)。图像变换算法很多，傅立叶变换、沃尔什变换、DCT等。2 图像变换图像变换第21页/共60页第二十二页，共60页。图像处理主要(zhyo)研究内容3 图像(t xin)增强 改善图像(t xin)视觉效果, 加强图像(t xin)有用信息，消弱干扰和噪声。4 图像恢复(huf)和重建把退化、模糊的图像复原。包括图像辐射和几何校正等内容。模糊的原因有许多种，最常见的有运动模糊，散焦模糊等等。第22页/共60页第二十三页，共60页。5 图像编码和压缩 简化图像的表示(biosh)，压缩图像的数据，以便于存储和传输。图像处理主要(zhyo)研究内容6 图像(t xi

15、n)分割 将一幅图像(t xin)的区域根据分析对象进行分割,提取感兴趣 的目标。 7 图像特征提取与描述图像特征提取与描述 图像特征提取与描述的各种方法。 图像特征包括： 直接特征和间接特征第23页/共60页第二十四页，共60页。9 图像隐藏(yncng) 是指媒体信息的相互隐藏(yncng)。 1）数字水印 2）图像的信息伪装图像处理主要研究(ynji)内容 8 图像识别 对图像中的不同对象进行(jnxng)分类、描述和解译。第24页/共60页第二十五页，共60页。图像处理(t xin ch l)特点 精度高精度高 对于一幅图像，数字化时不管是用多少比特表示，只对于一幅图像，数字化时不管是

16、用多少比特表示，只需改变计算机程序的参数，处理方法不变。所以不管对多需改变计算机程序的参数，处理方法不变。所以不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能的。高精度的数字图像进行处理都是可能的。 模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对装置进行大幅度改进。须对装置进行大幅度改进。 再现性好再现性好 数字图像均用数组或数组集合表示，并在计算机内部数字图像均用数组或数组集合表示，并在计算机内部进行处理，这样进行处理，这样(zhyng)数据就不会丢失或遭破坏，保数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。持了完好的再现性。 模拟图像处理过程中，就会

17、因为各种干扰因素而无法模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。保持图像的再现性。第25页/共60页第二十六页，共60页。图像处理(t xin ch l)特点 通用性、灵活性强通用性、灵活性强 不管不管(bgun)是可视图像是可视图像,还是还是X光图像、热红外图像、光图像、热红外图像、超声波图像等不可见光图像，尽管生成体系中的设备规模和超声波图像等不可见光图像，尽管生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当把这些图像数字化后，都可进行同样处精度各不相同，但当把这些图像数字化后，都可进行同样处理，即具有通用性。理，即具有通用性。 另外，计算机可对图像进行各种各样的处理，所以灵

18、活另外，计算机可对图像进行各种各样的处理，所以灵活性很高。性很高。 第26页/共60页第二十七页，共60页。3. 图像图像(t xin)和像素和像素第27页/共60页第二十八页，共60页。图像图像(t xin)和数字图和数字图像像(t xin)图像类型广义图片，动画，绘图，文字/档，.狭义单幅 序列图象(t xin)，.静止 运动图象(t xin)（视频），.2-D 3-D，彩色，立体对，多光谱,多视场图象(t xin)，. 灰度 深度，纹理图象(t xin)，. 第28页/共60页第二十九页，共60页。模拟图像 模拟图像可用连续函数来描述(mio sh)。 其特点：光照位置和光照强度均为连续

19、变化的。数字图像 离散化的图像，像素是其最小的单位),(yxFI 图像(t xin)和数字图像(t xin)第29页/共60页第三十页，共60页。图像(t xin)和像素 数字图像实例(shl) ORCOI(r,c)YXf(x,y)屏幕显示使用(shyng)图像计算使用第30页/共60页第三十一页，共60页。像素（picture element, pixel)数字图像可分解为许多单元，每个基本单元叫做图像元素像素或像元的属性：空间(kngjin)位置和灰度。像素越多，图像的分辨率越高，图像的细节就越多像素(xin s)和表示 第31页/共60页第三十二页，共60页。像素(xin s)和表示 第

20、32页/共60页第三十三页，共60页。图像表示/像素表示2-D数组f (x, y)x ， y：2-D空间XY中像素的位置f：代表(dibio)图象在(x, y)的性质F 的数值f，x，y 的值可以是任意实数性质F : 可对应不同物理量 灰度图象里用灰度表示*表示图像就需要表示其各个(gg)像素*表示像素就是通过空间位置和灰度像素(xin s)和表示 第33页/共60页第三十四页，共60页。图像表示(biosh)/像素表示(biosh) 矩阵 矢量 MNMMNNfffffffff212222111211FNfffF21NifffMiiii , 2, 1,T21fM: 行数 N: 列数像素(xin

21、 s)和表示 第34页/共60页第三十五页，共60页。 黑白图像黑白图像(t xin) 指图像指图像(t xin)的每个像素只能是黑或的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为二值图者白，没有中间的过渡，故又称为二值图像像(t xin)。2值图像值图像(t xin)的像的像素值为素值为0、1。 011100001I灰度图像灰度图像 是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有描述的图像，没有(mi yu)彩色信息。彩色信息。 100220250180501202001500I像素(xin s)和表示 第35页/共60页第三十六页，共60页

22、。灰度图像(t xin)描述示例像素(xin s)和表示 第36页/共60页第三十七页，共60页。彩色图像彩色图像 彩色图像是指每个像素的信息由彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构三原色构成的图像，其中成的图像，其中RBG是由不同是由不同(b tn)的级的级来描述的。来描述的。 00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B像素(xin s)和表示 第37页/共60页第三十八页，共60页。4. 像素像素(xin s)间联系间联系第38页/共60页第三十九页，共60页。像素(xin s)邻域 rrprrssps

23、ssrsrprsrs如果(rgu)q在p的邻域中，p和q是邻接第39页/共60页第四十页，共60页。像素(xin s)邻域 第40页/共60页第四十一页，共60页。像素(xin s)邻域 第41页/共60页第四十二页，共60页。像素(xin s)间距离 )0),(qpqpD当且仅当),(),(pqDqpD),(),(),(rqDqpDrpD0),(qpD第42页/共60页第四十三页，共60页。2/1 22E)()(),(tysxqpD ),(4tysxqpD) , ( max),(8tysxqpD像素(xin s)间距离 结果(ji gu)准确，运算量大运算量小，有一定误差第43页/共60页第

24、四十四页，共60页。像素(xin s)间距离 第44页/共60页第四十五页，共60页。像素(xin s)间距离 1),( )(44rpDrpN1),( )(88rpDrpN第45页/共60页第四十六页，共60页。5. 图像图像(t xin)坐标变换坐标变换第46页/共60页第四十七页，共60页。设点P0(x0, y0,z0)进行(jnxng)平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐标轴方向的平移量分别为x, y, z 。则点P(x,y,z)的坐标为 平移变换平移变换 110001000100011000zyxzyxzyx利用齐次坐标，变换前后图像上的象素点之间的关系(gun x)可用如下矩阵变换

25、表示 zzzyyyxxx000变换变换(binhun)矩阵矩阵T*图像坐标变换的矩阵表示：v = Avv 原坐标的适量v 变换后坐标的矢量第47页/共60页第四十八页，共60页。110000000000001000zyxfzfxfxzyx将图像沿坐标轴方向进行比例缩放， 从而获得一幅新图像。如果在x轴和y轴方向变换比率相同，则称为全比例缩放，否则，图像的尺度变换会改变原始图像像素(xin s)间的相对位置，产生几何畸变。设尺度因子为f，尺度变换前后两点P0(x0, y0,z0)、P(x,y,z)之间的关系用矩阵形式可以表示为 尺度(chd)变换 变换变换(binhun)矩阵矩阵S第48页/共6

26、0页第四十九页，共60页。11000010000cossin00sincos1000zyxzyx1)绕x轴旋转(xunzhun)角度110000cossin00sincos000111000zyxzyx110000cos0sin00100sin0cos1000zyxzyx2) 绕x轴旋转(xunzhun)角度3) 绕y轴旋转(xunzhun)角度旋转变换 变换变换(binhun)矩阵矩阵R第49页/共60页第五十页，共60页。级联 对一个坐标为 v 的点进行平移、放缩、旋转等基本变换后所完成的变换。可以(ky)证明，级联的矩阵等于基本变换的矩阵按顺序依次相乘所得组合矩阵。可表示为：用单个变换矩

27、阵的方法可对点矩阵v 变换 这些矩阵的运算次序一般不可互换AvTvSRv)( 第50页/共60页第五十一页，共60页。6. 采样采样(ci yn)和量化和量化第51页/共60页第五十二页，共60页。 图像的数字化：将模拟图像离散化后得到用数字表示的图像。 把图像分割成如图所示一个个小区域（像元或像素），并将各小区域的灰度用整数表示，形成一幅数字图像。它包括采样（sampling)和量化(quantization)两个过程。像素的位置(wi zhi)和灰度是像素的属性。 图像(t xin)数字化 第52页/共60页第五十三页，共60页。将空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作称为采样。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在x轴和y轴两个(lin )方向上进行。采样采样(ci yn)(ci yn)第53页/共60页第五十四页，共60页。 一般来说，采样间隔越大，所得图像(t xin)像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应；采样间隔越小，所得图像(t xin)像素数越多，空间分辨率高，图像(t xin)质量好，但数据量大。采样采样(ci y