数字图像处理

数字图像处理计算机学院吕建平1/12/20231第一章引言

“数字图像处理〞是一门选修课，同学们对此有先试听而后选择的习惯，此外，每逢新课，大家都关心这门课：

i.

讲什么内容；

ii.

学了有什么用；

iii.

需要哪些根底知识。考虑到这些因素，希望通过“数字图像处理〞引言的讲述，使同学们对数字图像处理技术有一个概貌性了解，引起大家学习这门课的兴趣。1/12/20232第一章

引言

1.

图像图像是自然界景物的客观反映。图像的种类很多，但就人眼中图像的形成以及人眼对亮度的适应和鉴别能力而言，可以用统一的一个数学表达式来表示图像：图像模型，即图像的亮度函数：f〔x，y〕其中：〔x，y〕是图像的位置坐标。即：一幅图像中任一点的亮度值是位置变量〔x，y〕的函数，位置不同，亮度亦不同。1/12/20233

第一章引言图1.1自然景物像图1.2胸部X光片图像1/12/20234

第一章引言图1.3红外热像仪检测的手1/12/20235

第一章引言2．数字图像即指在位置坐标〔x，y〕和亮度f〔x，y〕上都已离散化了的图像。3．数字图像处理的含义数字图像处理始于二十世纪六十年代，其含义就是用数字电子计算机对图像进行加工处理，以得到某些预期的效果或从图像中提取有用的信息。1/12/20236

第一章引言数字图像处理的特点1．具有数字信号处理技术共有的特点。如：〔1〕处理精度高〔2〕重现性能好〔3〕灵活性高2．数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。3．数字图像处理技术适用面宽。原始模拟图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像、超声波图像或红外图像。1/12/20237

第一章引言4．数字图像处理技术综合性强。5．数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些缺乏之处，如:〔1〕数字图像处理的信息大多是二维或二维以上的多维信息，数据量巨大。〔2〕数字图像信号占用的频带较宽。〔3〕处理费时。1/12/20238第一章引言数字图像处理技术有：1)

图像信号数字化和图像变换2)

图像的增强和复原3)

图像的编码4)

图像的分割与表示5)

图像的识别和理解1/12/20239第一章

引言

4．数字图像处理系统的构成:

大容量存储器数字计算机输出设备操作台

输入设备

1/12/202310图1.4数字图像处理系统结构图1/12/202311第一章

引言

图像处理软件图1.5图像处理软件系统的层次结构1/12/202312第一章

引言

5．数字图像处理的应用始于六十年代中期，四十多年来，大容量、高速计算机〔物质根底〕，空间遥感技术〔推动力〕推动了数字图像处理技术的蓬勃开展。其主要应用领域有：〔1〕

空间遥感技术〔2〕

生物医学〔CTComputedTomography〕〔3〕

数字图像通信〔4〕

工业监视和计算机视觉〔5〕

文化艺术1/12/202313第一章

引言

(a)原始细胞图像(b)增强后的细胞图像

细胞图像增强实例1/12/202314第一章

引言

图a原始合成图像图b分类结果遥感图像自动分类1/12/202315第一章

引言

车牌识别1/12/202316第一章

引言

总之，数字图像处理技术开展迅速，应用广泛，前景美好。国防科技大学王绍霖教授在其所著的?数字图像处理?一书中曾给出这样的评价“数字图像处理是一新兴学科，从它的应用，可以看出它的新颖、广泛和复杂性，它是各门学科的综合，是当今高科技领域里的一朵鲜花〞。1/12/202317第一章

引言

6．本课程要求具备线性代数矢量及矩阵运算数字信号处理付氏变换等知识微机原理软件技术根底等。1/12/202318教材内容简介“十一五〞国家级规划教材电气与电子信息类规划教材强调现代数字图像处理理论与应用的紧密结合。在阐述根本原理的根底上，力图通过习题、实验和计算机软件工具实现图像处理的根本方法。课程信箱：友情提醒：本课件仅供选课同学参考。1/12/202319全书共分10章１.概述数字图像的开展简史、根本的图像处理系统2.图像数字化与显示3.图像变换4.图像增强5.图像编码与压缩6.图像复原7.图像分割8.彩色图像处理9.数学形态学及其应用10.数字图像处理的应用图像处理软件、图像的数字水印、图像分析系统、图像数据库与基于内容的检索、图像存档与通信系统等内容。1/12/202320第一章

引言

7．参考书目1)

期刊ComputerVision，GraphicsandImageProcessingPatternRecognition图像识别与自动化2〕书籍王绍霖著?数字图像处理?国防科技大学出版社，1996年陈廷标等?数字图像处理?人民邮电出版社，1990年赵荣椿等?数字图像处理导论?西北工业大学出版社，1995年［美］KennethR.Castleman著，朱志刚等译?数字图像处理?电子工业出版社2002年2月1/12/202321教学要求1.完成思考题2.完成局部数字图像处理实验3.阅读有关参考文献4.能解决实际图像处理问题1/12/202322第一章

引言

说明：选修课意在启迪思维，开阔视野，拓宽同学们的知识面，所以仅靠课堂教学是不够的，希望大家课后多阅读有关资料，上机实习，从而对数字图像处理有一个深入的了解。1/12/202323图像工程示意图

1/12/202324图像分析功能模块

1/12/202325第二章图像信号数字化

就人类的视觉系统而言，人眼中的图像形成及对亮度适应和鉴别的能力说明，图像〔Image〕一词与光强度函数f〔x，y，t，λ〕有关。〔x，y〕点处的f〔x，y，t，λ〕的幅值即为该点图像的光强度〔亮度〕。在单色图中，通常称之为灰度。xytλ横纵时间波长〔感光胶片〕1/12/202326§2－1图像模型

光是能量的一种形式，故有：0<f〔x，y〕<∞在我们每天的视觉活动中所感受到的图像一般都是由物体的反射光所构成，因此，f〔x，y〕可看成是由两个分量组成，即：f〔x，y〕=i〔x，y〕r〔x，y〕其中：0<i〔x，y〕<∞光源确定0≤r〔x，y〕≤1景物中物体的表面特性决定1/12/202327§2－1图像模型

如前所述，单色图像中，把坐标〔x，y〕点上的亮度f〔x，y〕称为该点的灰度或灰度级L。其范围：Lmin≤L≤Lmax实际中，将其规格化为[0，L]，归一化为[0，1]。1/12/202328§2－2数字图像表示的形式和特点

数字图像实质上就是用计算机对图像进行采样、量化及编码分别实现图像在空间〔位置〕上和幅度〔灰度〕上的离散化。f(0,0)f(0,1)f(0,2)····f(0,N-1)f(1,0)f(1,1)f(1,2)···f(1,N-1)F〔x，y〕≈·······························································································f(N-1,0)f(N-1,1)··f(N-1,N-1)阵中每个元素称为像素〔pictureelement，简称pixel〕1/12/202329什么是图像？定义为二维函数f(x,y),其中，x,y是空间坐标，f(x,y)是点〔x,y〕的幅值。灰度图像是一个二维灰度〔或亮度〕函数f(x,y)。彩色图像由三个〔如RGB,HSV〕二维灰度〔或亮度〕函数f(x,y)组成。1/12/202330什么是数字图像？图像像素组成的二维排列，可以用矩阵表示：对于单色〔灰度〕图像而言，每个像素的灰度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，0表示黑、255表示白，其它值表示处于黑白之间的灰度。彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255那么代表相应的基色在该像素中取得最大值。1/12/202331数字图像的像素表示什么是像素？数字图像由二维的元素组成，每一个元素具有一个特定的位置〔x,y〕和幅值f(x,y),这些元素就称为像素。1/12/202332§2－2数字图像表示的形式和特点理论上，图像矩阵可任意，但实际处理中，往往为方阵，且有N=2n。又灰度级L也取：L=2m所以一幅图像存储容量为：N×N×m图像信息的特点为：信息量大；占用频带宽；相关性大；人的主观因素影响。1/12/202333数字图像的表示1/12/202334数字图像的根本文件格式每一种图像文件均有一个文件头，在文件头之后才是图像数据。文件头的内容一般包括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、文件大小等内容。各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。常用的图像文件存储格式主要有BMP文件、JPG文件、PCX文件、TIFF文件以及GIF文件等。1/12/202335数字图像的表示1/12/202336BMP图像文件格式1/12/202337BMP格式----1、位图文件头这个结构的长度是固定的，为14个字节〔WORD为无符号16位二进制整数,DWORD为无符号32位二进制整数〕。1/12/202338BMP格式----2、位图信息头1/12/202339BMP格式----2、位图信息头说明图象数据压缩的类型,其值可以是下述值之一：

BI_RGB：没有压缩；

BI_RLE8：每个象素8比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成(重复象素计数和颜色索引),针对16色图；

BI_RLE4：每个象素4比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成，针对256色图；

BI_BITFIELDS：每个象素的比特由指定的掩码决定。1/12/202340BMP格式----3、调色板1/12/202341BMP格式----4、实际的图像数据1/12/202342§2－3图像的采样和量化怎样才能由光学图像转换为数字图像呢？

三步曲：光-电转换；采样与保持；量化和编码

1．光-电转换作用：把随空间位置变化的灰度信号转换成随时间变化的电流或电压信号。工作原理：以飞点扫描器为例说明。注意：转换后的电流或电压信号变化的频率：高：图像细节；低：图像背景。1/12/202343§2－3图像的采样和量化2．采样和保持作用：简而言之，采样器即为一开关。fs(t)=f(t)S(t)其中：开关函数S(t)的极限为一单位脉冲系列δT〔t〕。采样中，假设采样间隔相等，为均匀采样，否那么为非均匀采样。S(t)f(t)fs(t)1/12/202344§2－3图像的采样和量化采样的关键是采样点能否具有代表性，即能否尽可能准确地描绘出原图像的轮廓。为保证做到这一点，有两个前提条件：1)连续信号f(t)的频谱有限即|f|>fm时,F(f)＝0其中fm为f(t)的最高频率分量〔保证内插函数形式有限〕2)

采样周期T≤1/(2fm)〔防止交叠误差〕只有这样，fs(t)的频谱函数Fs(f)便是F(f)的周期复制品〔仅差一常数〕，因而它包含了f(t)的全部信息。1/12/202345§2－3图像的采样和量化采样定理：一个连续函数f(t)，当其频谱有限及采样周期T≤1/2fm，那么f(t)唯一地由其在均匀间隔上的采样值f(nt)所决定。

为了对采样值进行量化，尚需保持。保持有全保持和局部保持之分。P20Fig2-7采样

保持

f(t)f1(t)f0(t)1/12/202346§2－3图像的采样和量化

3.量化与编码采样使图像信号在空间位置上离散化，而量化那么使其在幅值上离散化。所谓量化电平，就是用有限个离散电平来表示实际连续电平，这些离散电平称为量化电平。有公式：当时，.式中:K=0,±1,±2,±3,…±m；:量化电平1/12/202347§2－3图像的采样和量化

〔a〕连续图像〔b〕数字化结果图2.1图像的数字化过程1/12/202348§2－3图像的采样和量化〔c〕像素〔d〕灰度级图2.2图像的数字化过程1/12/202349§2－3图像的采样和量化

1/12/202350§2－3图像的采样和量化

1/12/202351图像量化实例(a)256级灰度图象(b)子图(c)子图对应的量化数据1/12/202352§2－3图像的采样和量化

至此,数字化三步曲已告结束.反观之,采样点数和灰度级数为多少方好?灰度级固定:采样点:多少,棋盘效应.采样点固定:灰度级:粗细,虚假轮廓.经验数据:用于小型图像处理系统处理和显示:

512x512,128或256x256,641/12/202353§2－4非均匀采样和量化

采样：背景少采，细节多采，但必须指明非均匀采样区域之边界，不适宜于细节过多的图像。换言之，在灰度级变化锋利的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样。量化：灰度级急剧变化，不必分的过细，余下的可用于灰度级变化平稳的区域。锥形量化：在整个灰度级范围内，某个范围的灰度级频繁出现，而另外一些灰度级出现较少，那么将这个范围内的灰度级量化较细，而把其它范围内的灰度级量化较粗。1/12/202354§2－4非均匀采样和量化1/12/202355§2－4非均匀采样和量化1/12/202356图像的采样与数字图像的质量1/12/202357图像的采样与数字图像的质量1/12/202358图像的采样与数字图像的质量133x9066x45