数字图像处理(第一章)课件

第一章绪论2023/4/21DigitalImageProcessing基于以下两个原因：改进图像（照片）的质量，使人能更好地解释（看清楚）图像;通过处理图像（包括图像获取、存储、传输、表示等），让机器能够理解图像。为什么我们需要研究数字图象处理？2023/4/22DigitalImageProcessing.一幅图像可以用一个二维函数f(x,y)来表示：其中：(x,y)----代表图像平面中一个点的坐标.f----表示该点(x,y)的图像亮度或灰度值.数字图像将上述的坐标点和亮度（灰度）值离散化后获得的图像称之为数字图像，且一般情况下：f,x和y均为有限值..像素数字图像中的一个点称之为像素.数字图象处理被认为是从一幅图像到另一幅图像的处理，是一个重要的研究领域

1.1什么是数字图像?2023/4/23DigitalImageProcessing其实它们还不是真正意义上的数字图像处理，只是一种图像编码、传输以及解码打印而已。到了上世纪六十年代，由于计算机和程序设计的发明，真正意义上的数字图像处理开始了。两件重大的事情推动了数字图像处理技术的发展：1）太空计划---人类首次月球探险(美国,1964);2）医学领域---CATorCT(计算机断层扫描技术，1970s，通过X射线来产生图像2023/4/25DigitalImageProcessing

1.改进图像质量，以便人能更好地理解它。如：图像增强，图像恢复等。2.处理图像以及从图像中提取某些有用的信息以便机器识别和理解。如：图像分析、图像识别等。

1.3数字图像处理的目标2023/4/26DigitalImageProcessing

.低层次处理:直接针对像素处理，如：去噪、增强对比度等通常是从图像到图像的过程，主要用于改进图像的质量;

.中层次处理:从图像中提取某些属性，如：分割图像、提取图像的轮廓等。

.高层次处理:识别图像中的目标以便机器自动分析图像。数字图像处理与计算机视觉之间并不存在明显的差别。计算机视觉:基于视觉的机器理解或使用计算机来模拟人类视觉。图像识别就是属于这一范畴。1.4数字图像处理的三个层次2023/4/27DigitalImageProcessingxF(x,y)YX.采样(如图中的网格).量化1.5.1数字化一幅图像它是数字图象处理系统工作的第一步2023/4/29DigitalImageProcessing.原始图像增强后的图像1.5.2增强一幅图像2023/4/210DigitalImageProcessing

当图像损坏了，我们可以恢复它裂痕部分撕破了1.5.3恢复一幅图像2023/4/211DigitalImageProcessing

破损部分

原始图像恢复后的图像恢复一幅图像2023/4/213DigitalImageProcessing

原始图像257kb压缩后的图像147kb

冗余信息1.5.4压缩一幅图像2023/4/214DigitalImageProcessing

原始图像

分割后的图像1.5.5分割一幅图像2023/4/215DigitalImageProcessing

分割一幅图像(咖啡豆分离)2023/4/217DigitalImageProcessing

以汽车车牌号码自动识别为例1.5.6识别一幅图像2023/4/218DigitalImageProcessing.二者之间的差异可用下图表示：

数字图像处理系统图像1图像2计算机图形系统数据图像3图像1与图像2一般情况下是不同的图像:图像2是由图像1经过处理后获得的;图像3是通过数据转换后产生的，他也许是一幅虚拟的图像,某些例子如下：1.6数字图像处理与计算机图形学2023/4/219DigitalImageProcessing现在，数字图象处理技术与计算机图形技术经常结合在一起，应用于同一个系统中，如：基于人脸照片的三维人脸生成系统

----基于图像的三维几何建模三维建模时，有时从照片（图像中）获取对象的几何信息会使建模变得更容易----基于图像的渲染对三维几何模型进行渲染时，直接从照片（图像中）提取色彩、纹理等信息更为简单一个实际例子（来自我的研究生课题）：三维人脸与表情生成系统数字图像处理技术与计算机图形技术相结合2023/4/221DigitalImageProcessing.从通用人脸三维几何模型到特定人脸几何模型定义特征点输入某人的两张照片交互式操作后产生特定人脸三维几何模型，大小吻合第二次变换实例2023/4/222DigitalImageProcessing.

在本系统中，将人脸视为弹性体，通过建立弹性变换方程来计算其特征点的位置。

渲染后真正的三维人脸细微变换从通用人脸模型到特定人脸模型2023/4/223DigitalImageProcessing眨眼睛的动画模拟2023/4/225DigitalImageProcessing张嘴巴的动画模拟

2023/4/226DigitalImageProcessing

可广泛地应用于工业、医疗、商业、教育、娱乐等各个领域(1)工业监控系统

如：温度控制系统

基于火焰颜色而自动调节温度

1.9数字图像处理系统的应用2023/4/229DigitalImageProcessing(2)指纹识别2023/4/230DigitalImageProcessing指纹图像分析2023/4/231DigitalImageProcessing.指纹图像分析2023/4/232DigitalImageProcessing.公安部门借助于指纹识别系统破获案件.个人身份认证

将指纹信息存储与身份证中.入口管理---重要会议入口检查

---多入口大型公园应用指纹系统的应用2023/4/233DigitalImageProcessing

基于车牌自动识别的交通管理系统：---利用摄像头获取车牌图像---图像增强处理Adjustingthedistributionofthegraylevelinanimage---SegmentationSegmentinglettersordigitalsintheplate---RecognitionTellingwhatthelettersordigitalsare(3)交通管理2023/4/234DigitalImageProcessing.Itcanbewidelyusedtothefollowingaspects

..Chargeautomaticallyonfreeway---Auto-recordthecarlicenseplate---Distinguishthetypeofcar---Recognizetheplate---Connectingthecreditcardsystemautomatically(4)TrafficControl2023/4/235DigitalImageProcessing..ParkmanagementAutomaticallyrecordthecarlicenseplateandrecognizeitandcontrolpassing-bartoswitchonoroff.

..Monitorthedriverwithover-speedonfreewayautomaticallyrecordthecarlicenseplatewithover-speedandrecognizeit.(5)TrafficControl2023/4/236DigitalImageProcessingAnexample---Humanfacebeautifying(6)Entertainment2023/4/237DigitalImageProcessing2023/4/238DigitalImageProcessing2023/4/239DigitalImageProcessingTheelectromagneticspectrumarrangedaccordingtoenergyperphoton.

(2)X-rayandVisualbandsofspectrumarethemostfamiliarimagesinactualapplication,suchasX-rayinmedicalinspectionandsoon.1.10SomeexamplesofUsingDIPBasedonEMspectrum2023/4/240DigitalImageProcessing(3)Gamma-RayImaging

Nuclearmedicine:Injectapatientwitharadioactiveisotopethatcanemitgamma-ray.Itisusedinlocatingsitesofbonepathology,suchasinfectionortumors.PET---PositronEmissionTomograph2023/4/241DigitalImageProcessing2023/4/242DigitalImageProcessing(4)X-rayImagingBewidelyusedinMedicaldiagnostics,Industry,Astronomyandsoon.WhenX-rayspenetrateanobjects,thereisadifferentamountofabsorptionfordifferentpartsintheobject,soanimageisgeneratedinthefilmtobesensitivetoX-rayenergy.2023/4/243DigitalImageProcessing2023/4/244DigitalImageProcessing(5)

ImagingintheUltravioletBandApplicationsofultraviolet“light”includelithography,industrialinspection,microscopy,lasers,biologicalimaging,andastronomicalobservations.i)Ultravioletlightisusedinfluorescencemicroscopy.ii)Fluorescencemicroscopyisanexcellentmethodforstudyingmaterialthatcanbemadetofluorescene.

2023/4/245DigitalImageProcessing(6)ImagingintheVisibleandInfraredBandsThevisualbandoftheelectromagneticspectrumisthemostfamiliarinouractivities.Sotheirapplicationsarealsothewidestcomparedwithotherbands.Andinfraredbandisoftenviewedvisuallight.HereweshowsomeapplicationsofthevisuallightinlightMicroscopy,astronomy,remotesensing,industry,andlawenforcement.i)Someexamplesofimagesobtainedwithalightmicroscope.

2023/4/246DigitalImageProcessingTheseexamplesrangefrompharmaceuticalsandmicro-inspectiontomaterialscharacterization.

2023/4/247DigitalImageProcessingii)Someapplicationsarefromremotesensing.Hereshowstheso-calledthematicbandsinNASA’sLANDSATsatellite.2023/4/248DigitalImageProcessingWeobtainedsomeimagesincludingfeaturessuchasbuilding,roads,vegetation,andamajorriver(thePotomac)goingthroughthecityinWashingtonD.CaccordingtotheTable1.1.2023/4/249DigitalImageProcessingDigitalImageProcessingiii)Weatherobservationandpredictionalsoaremajorapplicationsofmulti-spectralimagingfromsatellites.2023/4/250DigitalImageProcessingiv)AnapplicationofinfraredimagingfromtheNighttimeLightsoftheWorlddataset,whichprovidesaglobalinventoryofhumansettlements.2023/4/251DigitalImageProcessingv)Theapplicationsinautomatedvisualinspectionofmanufacturedgoods.(a)Acircuitboard.(b)Packagedpills.(c)Bottles.(d)Bubblesinclear-plasticproduct.(e)Cereal.(f)Imageofintraocularimplant.

2023/4/252DigitalImageProcessingvi)Someotherapplicationsofthevisualspectrum.2023/4/253DigitalImageProcessing(7)ImagingintheMicrowaveBandAtypicalapplicationinthemicrowavebandisradar.2023/4/254DigitalImageProcessing(8)ImagingintheRadioBandThemajorapplicationsintheradiobandareinmedicineandastronomy.Inmedicineradiowavesareusedinmagneticresonanceimaging(MRI).2023/4/255DigitalImageProcessingComparisonwithotherbands2023/4/256DigitalImageProcessing(9)ExamplesinwhichOtherImagingModalitiesAreUsedDigitalImageProcessingAcousticimaging,electronmicroscopyandsyntheticimagingarealsoimportantbesidesimagingintheelectromagneticspectrum.Imagingusing“sound”findsapplicationingeologicalexploration,industry,andmedicine.2023/4/257DigitalImageProcessingThebestknownapplicationsoftheultrasoundimagingareinmedicine,especiallyinobstetrics.2023/4/258DigitalImageProcessingAtransmissionelectronmicroscope(TEM)worksmuchlikeaslideprojector.Ascanningelectronmicroscope(SEM)scanstheelectronbeamandrecordstheinteractionofbeamandthesampleateachlocation.Electronmicroscopesarecapableofveryhighmagnification.2023/4/259DigitalImageProcessingLastly,imagesgeneratedbycomputers.2023/4/260DigitalImageProcessingForanimagewemustdigitizeitsothatitcanbeprocessedbycomputers.Foranimage,weusuallyusetheintensityfunctionf(x,y)torepresentit.

(x,y)---thelocationofapointintheimage;f(x,y)---theintensityofthepoint(x,y);Itisobviousthat0<f(x,y)<

1.11Howtodigitizeanimage2023/4/261DigitalImageProcessingAsimplemodelisf(x,y)=i(x,y)r(x,y)

i(x,y)---intensityoftheincidentlight0<i(x,y)<r(x,y)---thecoefficientofthereflection,dependontheobjectlightcasts

0<r(x,y)<1

2023/4/262DigitalImageProcessingTakeapictureasanexample.

f(x,y)YX2023/4/263DigitalImageProcessingSampling---Digitizethespatialcoordinates(pixel)Quantizing---Digitizetheintensityfunctionf(x,y)Animageprocessedbysamplingandquantizingiscalledthedigitalimage.

Itisalsotheprocedurefromacontinuousimagetoadiscreteone.Uniformsampling---IfallsampledpointsareequalspacesUniformquantizing---Ifallgrey-levelintervalsarethesame(Fromthedarkesttothebrightest)

2023/4/264DigitalImageProcessingSupposethereareNpixelsalonghorizontaldirectionXandMpixelsalongverticaldirectionY.andthereareLgraylevels,adigitalimagecabberepresentedbythefollowingmatrix.2023/4/265DigitalImageProcessingForanypoint(x,y)inthedigitalimageUsually,

andSothenumber,b,ofbitsrequiredtostoreadigitalimage:

2023/4/266DigitalImageProcessingAsforthequalit