第1讲-图像技术基础

1、数字图像处理数字图像处理 主讲教师 吴凡数字图像处理数字图像处理 教材 图像处理和分析技术第二版 章毓晋，高等教育出版社数字图像处理数字图像处理 提纲 图像技术基础 图像增强技术 图像变换技术 图像编码技术 图像分割技术 目标表达和描述技术第一章第一章 图像技术基础图像技术基础数字图像处理简介图像与像素像素间的联系图像坐标变换采样和量化1. 数字图像处理简介数字图像处理简介什么是图像几个当今热点的研究方向图像处理的应用图像工程相关学科数字图像处理系统概要图像处理主要研究内容图像处理特点什么是图像图像（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

2、眼并进而产生视知觉的实体图像和信息：图像和信息：人类从外界（客观世界）获得的信息约有75%来自视觉系统 数字图像处理：数字图像处理：信息化的发展，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）其它视频方面的研究与需求几个当今热点的研究方向几个当今热点的研究方向图像处理的应用 生物医学 、遥感 、工业 、军事、电信、公安等领域有着广泛的应用。生物医学：生物医学：显微镜图像分析,利用电磁波谱成像分析系统诊断病情。如CT及核磁共振、超声波、 X射线成像分

3、析等。遥感遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、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。图像处理的应用 工业生产：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。军事：军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、 声纳图像处理，导弹制导，军事仿真，无人驾驶飞行等。图像处理的应用 通信：通信：图像传真，可视电话，卫星通讯，数字电视等。公安：公安：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。图像处理的应用 气象预报：气象预报：获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号 风云2号图像处理的应用 图像工程图像工程图

4、像工程根据抽象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。相关学科 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模型、光照及想象中的摄像机的成像几何，生成一幅图像。模式识别 模式识别是对表征事物或现象的各种形式的信息进行处理和分析以对事物或现象进行描述、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。相关学科计算机图形学是从非图像行使的数据描述生成图像，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的类别。计算机视觉主要强

5、调用计算机实现人的视觉功能。数字图像处理系统概要对象物光光源摄像单元A/D转换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，具有代表性的产品分别有扫描仪和数码相机。1 图像采集模块图像采集模块采集装置都包括下面两个部件 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 )c.CCD与CMOS比较CCD每曝光一

6、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 旁的放大器进行放大，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（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号 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。数字图像处理系统概要数字图像处理系统概要2 图像显示模块图像显示模块 a.显示设备：扫描仪、CRT显示器,LCD,LED b.图像输出 半调输出(halftoning): 在每个像素位置打印一个其尺寸反比于改像素灰度的黑点

7、，即在亮的图像区域打印的点小，而在暗的图像区域打印的点大。 利用人眼的集成特性，得到比较连续平滑的灰度图像。 抖动技术(dithering)：对原始图像加一个随机的小噪声，以帮助消除量化不足而导致的图像中出现的虚假轮廓现象。 通过变动图像的幅度值来改善量化过粗图像的显示质量。数字图像处理系统概要3 图像存储模块图像存储模块 常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等 在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备。 图像格式 BMP: 位图，是Windows操作系统中的标准图像文件格式。 包含图像信息丰富，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

8、，可存储单幅和多幅图像。但最多只能存储256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、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。 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。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。按传输图像种类分为 静止图像通信，如电报、传真等 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

9、图像处理模块三部分组成。数字图像处理系统概要图像处理主要研究内容 1 图像的采集和数字化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。 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、有利于特征提取、加强对图像信息的理解。图像变换算法很多，傅立叶变换、沃尔什变换、DCT等。2 图像变换图像变换图像处理主要研究内容3 图像增强图像增强 改善图像视觉效果, 加强图像有用信息，消弱干扰和噪声。4 图像恢复和重建图像恢复和重建把退化、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。5 图像编码和压缩图像

10、编码和压缩 简化图像的表示，压缩图像的数据，以便于存储和传输。图像处理主要研究内容6 图像分割图像分割 将一幅图像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9 图像隐藏图像隐藏 是指媒体信息的相互隐藏。 1）数字水印 2）图像的信息伪装图像处理主要研究内容 8 图像识别图像识别 对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。图像处理特点 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。 模

11、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。 再现性好再现性好 数字图像均用数组或数组集合表示，并在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。 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。图像处理特点 通用性、灵活性强通用性、灵活性强 不管是可视图像,还是X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。 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。 3. 图像和像素图像和像素图像和数字图像像素和表示图像和数字图像图像和

12、数字图像图像图像类型类型广义图片，动画，绘图，文字/档，.狭义单幅 序列图象，.静止 运动图象（视频），.2-D 3-D，彩色，立体对，多光谱,多视场图象，. 灰度 深度，纹理图象，. 模拟图像 模拟图像可用连续函数来描述。 其特点：光照位置和光照强度均为连续变化的。数字图像 离散化的图像，像素是其最小的单位),(yxFI 图像和数字图像图像和像素 数字图像实例 ORCOI(r,c)YXf(x,y)屏幕显示使用图像计算使用像素（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：空间位置和灰度。像素越多，图像的分辨率越高，图像的细节

13、就越多像素和表示 像素和表示 图像表示图像表示/像素表示像素表示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像素*表示像素就是通过空间位置和灰度像素和表示 图像表示图像表示/像素表示像素表示 矩阵矩阵 矢量 MNMMNNfffffffff212222111211FNfffF21NifffMiiii , 2, 1,T21fM: 行数 N: 列数像素和表示 黑白图像黑白图像 指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为二

14、值图像。2值图像的像素值为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描述的图像，没有彩色信息。 100220250180501202001500I像素和表示 灰度图像描述示例像素和表示 彩色图像彩色图像 彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RBG是由不同的级来描述的。 00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B像素和表示 4. 像素间联系像素间联系像素邻域像素间的距离像素邻域 象素的邻域象素的邻域4-邻域N4(p)： 对角邻域ND(p)：8-邻域N

15、8(p)：rrprrsspsssrsrprsrs如果q在p的邻域中，p和q是邻接连接连接（adjacency, 邻接）vs. (connectivity, 连接)邻接仅考虑象素间的空间关系 两个象素是否连接：(1) 是否接触（邻接）(2) 灰度值是否满足某个特定的相似准 则（同在一个灰度值集合中取值）像素邻域 连通连通 两个像素p和q间有一系列连接的像素连接是连通的一种特例通路通路由一系列依次连接的象素组成从具有坐标(x, y)的象素p到具有坐标(s, t)的象素q的一条通路由一系列具有坐标(x0, y0)，(x1, y1)，(xn, yn)的独立象素组成。这里(x0, y0) = (x, y

16、)，(xn, yn) = (s, t)，且(xi, yi)与(xi-1, yi-1)邻接，其中1 i n，n为通路长度 4-连通，8-连通 4-通路，8-通路 像素邻域 像素间距离 距离量度函数距离量度函数3个象素p，q，r，坐标(x, y)，(s, t)，(u, v)(1) 两个象素之间的距离总是正的(2) 距离与起终点的选择无关(3)最短距离是沿直线的)0),(qpqpD当且仅当),(),(pqDqpD),(),(),(rqDqpDrpD0),(qpD距离量度函数距离量度函数 (1) 欧氏（Euclidean）距离 (2) 城区（city-block）距离 (3) 棋盘（chessboar

17、d）距离2/1 22E)()(),(tysxqpD ),(4tysxqpD) , ( max),(8tysxqpD像素间距离 结果准确，运算量大运算量小，有一定误差像素间距离 距离量度函数距离量度函数距离计算示例距离计算示例DE = 5 D4 = 7 D8 = 4像素间距离 用距离定义邻域用距离定义邻域考虑在空间点 (xp, yp)的象素 p4-邻域N4(p)8-邻域N8(p)1),( )(44rpDrpN1),( )(88rpDrpN5. 图像坐标变换图像坐标变换平移变换尺度变换旋转变换级联设点P0(x0, y0,z0)进行平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐标轴方向的平移量分别为x, y

18、, 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可用如下矩阵变换表示 zzzyyyxxx000变换矩阵变换矩阵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,

19、z)之间的关系用矩阵形式可以表示为 尺度变换 变换矩阵变换矩阵S11000010000cossin00sincos1000zyxzyx1)绕x轴旋转角度110000cossin00sincos000111000zyxzyx110000cos0sin00100sin0cos1000zyxzyx2) 绕x轴旋转角度3) 绕y轴旋转角度旋转变换 变换矩阵变换矩阵R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)(

20、6. 采样和量化采样和量化图像的数字化采样量化 量化参数与数字化图像间的关系 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。像素的位置和灰度是像素的属性。 图像数字化 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轴两个方向上进行。采样采样 一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，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，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。采样采样量化量化将像素的明暗信息（灰度）离散化为整数值的过程称为量化。若连续灰度值为z，对于zizzi+1的z值，都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。考虑到人眼的识别能力，目前非特殊用途的