图像工程-上册图像处理课件第一章绪论

1、数字图像处理Digital Image Processing第一章 绪论数字图像处理（Digital Image Processing, DIP)的基本概念与界定的范围DIP的发展及应用实例DIP的基本步骤及内容（课程结构）数字图象处理系统简介医学图像发展概况对数字图像处理方法研究的兴趣源于两个主要应用领域：一是为方便人们分析而对图像信息进行改善；二是为机器自动感知图像而对图像数据进行处理、存储、传送和表示。什么是DIP 图像的概念：图：光的折射或者反射光的分布像：人的视觉系统对图的感知这里图像是比较广义的，例如照片、绘图、视像等等。图像的表示方法： 一副（静态）图像可以表示成一个二维函数：f

2、(x,y)(x,y) 为空间或平面坐标，f的幅度称亮度、强度或灰度级。 当（x,y)及f值都是有限离散量时，称为数字图像。 当静态图像为彩色时，还应有波长的信息，即加入波长变量：f(x,y,); 如果是动态图像，还要有时间信息：f(x,y,t);简单示例：DIP可以简单地指通过数字计算机来处理一副数字图像。一副数字图像中的一个元素称为图像元素或象素（Pixels)。人眼所看到的图像限于电磁波谱中的可见光部分。DIP可以覆盖整个电磁波谱（从超声到无线电波）成的像、电子显微图像和计算机产生的图像等，大大超过人的视觉能力范围，扩大了DIP的应用领域。 相关学科：暨DIP与图像分析（理解）、计算机视觉

3、、计算机图形学的区别和联系区别：计算视觉主要目标是用计算机来模仿人的视觉，并做出推断和采取行动，是人工智能的一个分支。图像分析介于DIP和计算机视觉之间（三者之间没有截然分开的界限），计算机图形学主要是根据特定的模型来由计算机来产生图形图像。DIP定义计算机处理图像通常分为三个层次：低级、中级、高级本课程界定DIP在如下范围：输入输出是图像；同时包括从图像中提取属性，并直到单个对象的辨识。因此涵盖狭窄的DIP定义图像分析两部分。更详细的说明如下：DIP的起源、发展及应用实例1. DIP的第一个应用发生在报纸行业。1920s早期，Bartlane电缆图片传送系统使得穿越大西洋的伦敦和纽约之间的一

4、副图片的传递时间由原来的几个星期减少到三个小时。（一端编码，一端重构）通过打印字符模拟中间色调打印出来的灰度图像（5级灰度）基于图片再生技术用穿孔纸带打印的图像2. 真正的DIP极大地依赖于数字计算机及相关技术，如存储、显示和传送等技术的发展。而真正的现代计算机是1940s由John Von Neumann提出两个重要的概念才开始的：1）内存；2）条件分支。第一台真正可以执行图像处理任务的足够强大的计算机出现在1960s早期，此时DIP的发展也得益于这时的空间计划。由旅行者7号于1964年7月31号在东部白天时间上午9：09发回的第一张美国航天器拍摄（着陆前17分钟的月球表面图像，网状标记表示

5、经过了几何校正。3. DIP的空间应用取得不断进展时，于1960s末和1970s开始用于医学图像、地球遥感探测和天文学等尖端科学领域。CAT (Computerized axial Tomography，简称CT）（Prof. Hounsfield and Cormack)是DIP在医学诊断领域最重要的应用之一。4. 从1960s至今，DIP已经取得了很大的发展，应用范围更加广阔。计算机程序用于增强对比度，或者将图像强度编码成彩色以便于解释X射线和用于工业、医学及生物科学领域的其他图像，地理学者用相同的技术从航空和卫星图像中研究污染模式。图像增强和复原过程用于处理不可修复物体的有损图像或者造价

6、昂贵而不可复现的实验结果。在考古学领域，使用图像处理方法已成功复原了模糊的图片，这些图片那些丢失或损坏了的稀有物品的唯一现存记录。在物理学和相关领域，计算机技术通常增强如高能等离子和电子显微镜方法等得到的实验图像。同时，DIP还成功应用在天文学、核医学、法律实施、国防及工业等领域中。5. 在DIP的第二类主要应用领域，即机器感知问题（利用的信息主要有：统计矩、Fourier变换系数、多维距离测度等）上，典型的有：自动字符识别、由于生产线及检测的工业机器视觉、军事识别、指纹的自动处理、X射线和血样分类处理、用于天气预报和环境鉴定的航空与卫星图像的机等器处理。随着计算机性价比的不断提高，和万维网及

7、互联网通信带宽的扩展，为DIP的持续发展创造了前所未有的机会。其中一些应用领域在下面以图像来源（电磁波谱图像、显微图像、合成图像等）为类别举例进行说明。其中每一个实例都要用到以后的某种DIP技术进行处理。DIP应用领域举例根据光子能量分布排列的电磁波谱电磁波谱（electromagnetic spectrum)来源于电磁波谱辐射的图像是人们最熟悉的，特别是在X射线和可见光谱带的图像。电磁波可以看成是不同以各种波长在传递的正弦波，也可以看出是无质量的粒子束。每一束能量即称为一个光子。电磁波谱可以按每光子的能量或波长来进行分组。A. Gamma-Ray imaging其主要用途包括核医学核天文观测

8、。PET：positron emission tomographyGamma射线成像：a)骨骼扫描b)骨骼PET图像；c)天鹅座星环(Cygnus Loop)；d)来自反应堆电子管的Gamma辐射；B. X-Ray Imaging上：胸部X射线下：大动脉（aortic)血管造影（angiogram)X-Ray是最早用于成像的电磁辐射之一，最熟悉的X-Ray应用领域是医学诊断，但其还被广泛应用于其他领域，如天文学。C. Imaging in the Ultraviolet Band 紫外线的应用范围较广，包括平版印刷术（lithography)、工业检测、显微镜、激光、生物成像、航天观察等。其中

9、，紫外荧光显微技术是今年来发展最迅速的显微技术之一。a) 正常的谷物b)得了黑穗病的谷物c) 天鹅座星环D. 可见光及红外波段成像由于电磁波谱可见光波段是所有波段中我们最熟悉的，因此，在这一波段的成像应用领域远远超过其他波段就不足为期了。红外波段常用于与可见光相结合成像。光学显微镜成像的几个例子：紫衫酚（抗癌药物），放大250倍；b) 胆固醇，放大40倍；c) 微处理器，放大60倍；d) 氧化镍薄片；e) 音轨CD表面，放大1750倍；f) 有机超导体，放大450倍由NOAA（国家海洋与大气管理局）的 GEOS拍摄的飓风Andrew的多谱图像E. 微波成像其主要应用是雷达，雷达的最大优势是其不

10、受气候、光照等的影响，可以在任何时间、任何环境下使用。在许多情况下，雷达是探测地表不可接近地区的唯一方法。Tibet东南部山脉的太空雷达图像（NASA提供）F. 无线电波成像MRI：magnetic resonance imagingMRI图像：a) 膝盖；b) 脊柱；G: 其他成像模式主要如：声音成像、电子显微镜和合成图像。声音分低频段（几百赫兹）(地质勘探）、超声波（百万赫兹）（医学超声等）利用声波低频段得到的地震模型的横断面图像超声波图像电子显微图像TEM: transmission Electron microscope；SEM: scanning electronmicroscope

11、DIP的基本步骤及内容（课程结构）DIP的几个重要阶段医学图像发展概况现代医学图像已趋于完全数字化，或者说数字图像技术是现代医学影像技术发展的基础。1. 伦琴（Rontgen）开创了人体图像的先河Rontgen指环图 人类第一张X 线图像经过百年的发展，应用X 线机可观察人体内部的骨骼、肺结核病变等，通过造影技术，可以观察心脏、血管及消化道等管状器官。X 线机是临床医院必备的医疗设备。随着相关科技的发展，X线投影成像技术，一直在不断地改进和发展。2. CT技术与三维医学成像20世纪6070年代，随着美国阿波罗登月计划的结束，大批科学家、工程技术人员将研究方向转移到生物医学工程领域，促进了该学科

12、领域技术水平的迅速发展，出现了人类观察自身内部结构的新的里程碑X 射线断层成像技术（X ray computed tomography, CT）。First GenerationOne detectorTranslation-rotationParallel-beam(From G. Wang)Second GenerationMultiple detectorsTranslation-rotationSmall fan-beam(From G. Wang)Third & Fourth Generations(From Picker)(From Siemens)3. PET功能医学成像及其他的成像模式80年代相继出现了基于现代物理技术和数字图像处理技术的新的医学成像技术设备，如数字减影血管造影(Digital subtraction angigraphy, DSA)，磁共振成像技术（Magnetic resonance imaging, MRI）、发射型断层成像技术（Emission computed tomography,ECT），包括单光子发射型断层成像技术（Single photon emission computed tomography,SPECT）和正