数字图像处理绪论

数字图像处理绪论第1页/共70页课程简介 教学目的：学习数字图像处理技术所需要的基本知识教学特点：双语教学、上机实验学时分配：课堂讲授20学时、上机4学时考核方式：。期末考试（笔试、半开卷）成绩占总成绩的70%，平时成绩（出勤、平时作业）占总成绩的30%计算机学院刘咏梅第2页/共70页1.MilanSonka等.ImageProcessing,AnalysisandMachineVision(英文原版教材).人民邮电出版社，2002

2.冈萨雷斯.数字图像处理(第二版).电子工业出版社,2003计算机学院刘咏梅教材和主要参考书第3页/共70页数字图像处理的基础知识和相关学科

数学：线性代数，随机过程计算机科学：数据结构，软件编程电子学：数字信号处理，电路原理人工智能和模式识别技术心理学：视觉心理学计算机学院刘咏梅第4页/共70页主要学习内容：第一章绪论第二章数字图像处理的基本知识

（数字图像及其性质）第三章图像预处理方法

（图像增强和图像修复）第四章

图像分割第五章

彩色图像处理第六章图像理解初步知识计算机学院刘咏梅第5页/共70页联系信息：

所属单位：计算机科学与技术学院可信与智能感知团队电子邮件：liuyongmei@

讲授课程：数字图像处理（本科生）、MATLAB与科学计算（本科生）、随机过程（硕士研究生）研究方向：图像处理与模式识别、遥感图像处理与分析计算机学院刘咏梅第6页/共70页第7页/共70页第8页/共70页Chapter1IntroductionWhatisdigitalimageprocessingMaincontents(orfundamentalsteps)ofdigitalimageprocessingApplicationareasofdigitalimageprocessingRelateddisciplinesandfieldsThebriefdevelopmenthistoryofimageprocessingGlossary(importantconceptsrelated)计算机学院刘咏梅第9页/共70页Digitalimageprocessingisconcernedwiththemanipulationandanalysisofpicturesorimagesbycomputers.Theterm,computervision,isusedinabroadsensetoincludeimagetransformation,imagecoding,enhancement,restoration,segmentationandunderstanding,aswellastheanalysisofthethree-dimensionaltime-varyingscences.Whatisdigitalimageprocessing?计算机学院刘咏梅什么是数字图像处理？数字图像处理是利用计算机对图像信息进行加工处理，以满足人的视觉、心理和实际应用的需求。第10页/共70页Whyweusedigitalimageprocessing?计算机学院刘咏梅Visionallowsustoobtainabout75%information.Digitalimageisakindofimagerepresentationwhichcanbestoredandprocessedbyacomputer.Digitalimageshavealotofadvantages.我们为什么要用到数字图像处理技术？图像是人类信息获取的重要手段相对于模拟图像，数字图像用离散的数值表示亮度信息分辨率逐步提高、充分利用现代通讯和信息传输技术、可以长期保存不失真第11页/共70页数字图像简介图像：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。数字图像：是一种可以由计算机进行存储和处理的图像表示方式，一般以二维数组的形式表示图像。数字图像的类型：单幅

序列图象，...静止

运动图象（视频）,...2-D3-D灰度彩色、纹理图象,...计算机学院刘咏梅第12页/共70页数字图像的表示2-D数组 f(x,y)

x，y：2-D空间X-Y中坐标点的位置；

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，一般为整数； 性质F:可对应不同物理量， 例如，灰度图象中用灰度表示。计算机学院刘咏梅第13页/共70页图像表示举例计算机学院刘咏梅第14页/共70页数字图像处理技术的特点计算机学院刘咏梅易于控制处理效果图像数据量庞大处理精度高再现性好处理费时处理的多样性综合性强System第15页/共70页数字图像处理的主要方法计算机学院刘咏梅数字图像处理方法大致可分为两大类：空域法和变换域法。1.空域法这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这－二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有下面两大类：（1）邻域处理法

其中包括：梯度运算、拉普拉斯算子运算、平滑算子运算和卷积运算。（2）点处理法

灰度处理，面积、周长、体积、重心运算等等。2.变换域法数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。第16页/共70页Chapter1IntroductionWhatisdigitalimageprocessingMaincontents(orfundamentalsteps)ofdigitalimageprocessingApplicationareasofdigitalimageprocessingRelateddisciplinesandfieldsThebriefdevelopmenthistoryofimageprocessingGlossary(importantconceptsrelated)计算机学院刘咏梅第17页/共70页图像处理的基本内容/图像处理应用的基本步骤AnillustrationchartofimageprocessingapplicationsinputpreprocessingImageaquisitionsegmentationRepresentation&descriptionKnowledgebase------------------------------------(imagetransform,imagecompression,imageencoding)Recognition&understandingresult注：一般来说，中层和高层的图像处理技术称为图像分析与理解计算机学院刘咏梅图像获取预处理分割表示和描述识别和理解第18页/共70页图像处理、图像分析与理解图像理解图像分析图像处理像素目标符号高层低层操作对象中层语义低高抽象程度大小数据量计算机学院刘咏梅第19页/共70页数字图像处理的目的：对图象的增强以改善图象视觉质量对退化图象进行恢复以消除各种干扰的影响根据对场景的多个投影来重建该场景的图象对图象进行编码以减少表达图象的数据量，从而有利于存储和传输对图像进行变换，以方便运算和其他处理，例如傅里叶变换、离散余弦变换等计算机学院刘咏梅第20页/共70页⑴ImageacquisitionHowtoacquireadigitalimageimagingsensor&digitizerAcamera,avedio,ascanner…

计算机学院刘咏梅图像获取第21页/共70页图像获取的装置为采集数字图象，需要两种装置（器件）：

(1) 对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它能产生与所接受到的电磁能量成正比的（模拟）电信号；

(2) 数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。计算机学院刘咏梅第22页/共70页计算机学院刘咏梅⑵ImagepreprocessingThekeyintentofimagepreprocessingEnhancingcontrast,removingnoise,isolatingspecialregions…Imageenhancementandimagerestoration图像预处理的目的是改善图像质量对比度增强、去除噪声、隔离特定区域图像预处理分为图像增强和图像修复技术图像预处理第23页/共70页Anexampleofimageenhancement

(contrastenhancement)计算机学院刘咏梅imageenhancementstudieshowtoenhancethequalityofanimageinacommonsense.图像增强实例第24页/共70页计算机学院刘咏梅Anexampleofimagerestoration

(Relativemotionbetweencameraandscene

)Imagerestorationcanrestoretheimageswhenknowingthereasonsofimagedegradation.图像修复实例第25页/共70页⑶ImagesegmentationPartitiontheimageintoconstituentregionsVeryformidabletaskAgoodfoundationforthelaterprocessingsuchasobjectrecognition.将一幅图像分解为若干互不相交的区域非常难的一项任务为后续处理提供保障

计算机学院刘咏梅图像分割第26页/共70页ThepossiblesegmentationmethodsThresholding(Histogram)Edge-basedmethodsRegion-basedmethods……OptimalthresholdingCannyedgedetectionwatershedsK-meansclusteringN-cutSuperpixel……计算机学院刘咏梅三大类图像分割方法具体分割方法第27页/共70页⑷ImagerepresentationanddescriptionAsuitablerepresentationmethodfortheregionsFeatureextractionandfeatureselectionColor,shape,texture,spatialrelations…对图像区域进行表示特征提取和特征选择颜色特征、形状特征、纹理特征、空间关系特征计算机学院刘咏梅图像表示和描述第28页/共70页

计算机学院刘咏梅⑸

Imagerecognitionandunderstanding

FinalgoalofsomeimageprocessingapplicationsAssignalabelorsomemeaningtoaobjectregionPatternrecognitiontechniques图像处理应用的最后阶段对物体区域赋予特定的标记模式识别技术图像识别和理解第29页/共70页Chapter1IntroductionWhatisdigitalimageprocessingMaincontents(orfundamentalsteps)ofdigitalimageprocessingApplicationareasofdigitalimageprocessingRelateddisciplinesandfieldsThebriefdevelopmenthistoryofimageprocessingGlossary(importantconceptsrelated)计算机学院刘咏梅第30页/共70页数字图像处理的应用领域计算机学院刘咏梅第31页/共70页Applicationsofdigitalimageprocessing计算机学院刘咏梅第32页/共70页遥感应用在遥感应用中，我们可以看到大量的与图像处理密切相关的技术。从世界上出现第一幅照片(1839年）、意大利人乘飞机拍摄了第一张照片(1909年）、前苏联（1957年）及美国（1958年）发射第一颗人造地球卫星等都为遥感技术的发展奠定了坚实的基础。1962年国际上正式使用遥感一词（RemoteSensing）。此后，美国相继发射多颗陆地资源探测卫星（1972年，LANDSAT-I—四个波段，地面分辨率59m×79m；1975年，LANDSAT-Ⅱ；1978年，LANDSAT-Ⅲ，分辨率40m×40m；1982年，LANDSAT-Ⅳ，分辨率30m×30m，在这颗卫星上配置了GPS系统（GlobalPositioningSystem），定位精度在地心坐标系中为土10m。遥感图像处理的用处越来越大，效率及分辨率也越来越高。如：土地测绘、资源调查、气象监测，环境污染监测、农作物估产、军事侦察等。当前，在遥感图像处理中主要解决数据量大和处理速度慢的矛盾。计算机学院刘咏梅第33页/共70页Remotesensing计算机学院刘咏梅在遥感技术中的应用地球测绘天气预报作物估产1第34页/共70页计算机学院刘咏梅军事侦察导弹末制导军事侦察Remotesensing2在遥感技术中的应用第35页/共70页医学应用图像处理在医学界的应用非常广泛，无论是在临床诊断还是病理研究都大量采用图像处理技术。它的直观、无创伤、安全方便的忧点受到普遍的欢迎与接受。其主要应用如X射线照片的分析，血球计数与染色体分类等。目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术，如超声波诊断等都用到图像处理技术。计算机图像处理在医学上应用最成功的例子就是X射线CT（X-rayComputedTomography）。1968-1972年英国的EMI公司的Hounsfeld研制了头部CT，1975年又研制了全身CT。其中主要研制者Hounsfeld（英）和Commack(美）获得了1979年的诺贝尔生理医学奖。类似的设备目前已有多种，如核磁共振（NMRI，NuclearMagneticResonanceImaging），电阻抗断层图像技术（EIT，ElectricalImpedanceTomography）和阻抗成像（ImpedanceImaging），这是一种利用人体组织的电特性（阻抗、导纳、介电常数）形成人体内部图像的技术。计算机学院刘咏梅第36页/共70页计算机学院刘咏梅Medicine在医学中的应用病理分析仪CT图像X光片第37页/共70页生物特征识别应用生物识别技术是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。生物识别系统是对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字形式代码，并进一步将这些代码组合而成的特征模板。在进行身份认证时，识别系统获取某人的生物特征并与数据库中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。在目前的研究与应用领域中，生物特征识别主要关系到计算机视觉、图象处理与模式识别、计算机听觉、语音处理、多传感器技术、虚拟现实、计算机图形学、可视化技术等其他相关技术。已被用于生物特征识别的特征类别有掌纹、指纹、人脸、虹膜、签字、声音、步态等。我国研发的人脸识别系统在国际标准人脸测试库上达到了99.8%的识别率，而国际算法的最好结果为97.6%。目前，人脸识别已经在考勤系统、边检站自动通关系统等领域得到了广泛应用。我国正在研发人脸识别网上在线支付系统，预计2015年下半年推出使用，只需扫脸就可以实现快捷支付。计算机学院刘咏梅第38页/共70页计算机学院刘咏梅Biologicalfeaturerecognition指纹掌纹虹膜语音笔迹人脸生物特征识别第39页/共70页计算机学院刘咏梅Industrialautomation工业自动化机器人车牌识别纸币鉴定1第40页/共70页计算机学院刘咏梅2Industrialautomation棉花分拣无损探伤工业自动化第41页/共70页文化艺术①电视广播：单色电视广播1925年在英国实现。1936年BBC开始电视广播。目前出现的彩色电视有三种制式，即NTSC（美国、日本等）、PAL（中国、西欧、非洲等）和SECAM（法国、俄罗斯等）。②可视电话和会议电视：1964年美国国际博览会展出了Picture-phoneMOD-I可视电话系统，带宽为1MHz，目前的可视电话/会议电视均采用数字压缩技术，也出现了相应的国际标准。如：图像编码标准H.261、H.263等，会议电视的H.230标准，在专用通信网中用PCM一次群传输，速率为2048kb/s。桌面型系统遵循H.323标准。③传真：是把文字、图表、照片等静止图像通过光电扫描的方式变成电信号加以传送的设备。经过多年发展，传真技术不断进步，现在已有仅数秒钟就可传送一幅A4文件的传真机，分辨率高达16点／毫米。④图文电视和可视图文：图文电视（Teletext）和可视图文（Videotext）是提供可视图形文字信息的通信方式，图文电视是单向传送信息，它是在电视信号消隐期发送图文信息，用户可用电视机和专用终端收看该信息；可视图文是双向工作方式，用户可用电话向信息中心提出服务内容或从数据库中选择信息。计算机学院刘咏梅第42页/共70页

计算机学院刘咏梅Cultureandart图像合成3D电影室内设计文化艺术第43页/共70页Chapter1IntroductionWhatisdigitalimageprocessingMaincontents(orfundamentalsteps)ofdigitalimageprocessingApplicationareasofdigitalimageprocessingRelateddisciplinesandfieldsThebriefdevelopmenthistoryofimageprocessingGlossary(importantconceptsrelated)计算机学院刘咏梅第44页/共70页计算机学院刘咏梅Related

disciplinesandfieldsMathematicsDigitalsignalprocessingComputergraphicsPatternrecognitionArtificialintelligenceElectronicsPsychophysiology图像处理与图像处理相关的学科数学人工智能模式识别心理生理学计算机图形学电子学数字信号处理第45页/共70页计算机学院刘咏梅DigitalimageprocessingDigitalsignalprocessingThetraditionalsignalprocessingtechnologiesprocesstheonedimensionalsignals.Imagesaretwodimensionalsignals.Sowecanregardtheimageprocessingasanextensionofthetraditionalsignalprocessing.

数字图像处理与数字信号处理的区别和联系？数字图像处理

数字信号处理传统的信号处理技术一般处理一维信号。图像可以看做是二维信号。因此，我们可以把图像处理看做是传统信号处理技术的扩展。第46页/共70页计算机学院刘咏梅数字图像处理计算机图形学计算机图形学研究物体和景物的数字建模，可看做是一个从无到有的过程。而数字图像处理正相反，它研究如何从图像本身抽取到相关信息，以理解和识别图像。

数字图像处理与计算机图形学的区别和联系？DigitalimageprocessingComputergraphicsComputergraphicsresearchesinthedigitalmodelingofthescenesandtheobjectsinthem.Itcanbeseenasaprocessfromnothingtosomethingwhileimageprocessingisviseversa.Imageprocessingstudieshowtoextracttherelatedinformationfromtheimageitselfforimageunderstandingandrecognition.第47页/共70页计算机学院刘咏梅DigitalimageprocessingComputervision数字图像处理和计算机视觉Imageprocessingisapartofresearchcontentincomputervision.Theaimofcomputervisionistoduplicatetheabilityofhumanvisionusingmachines.Itcanberegardedasaresearchfieldofartificialintelligence.Socomputervisionalsocanbecalledmachinevision.第48页/共70页Chapter1IntroductionWhatisdigitalimageprocessingMaincontents(orfundamentalsteps)ofdigitalimageprocessingApplicationareasofdigitalimageprocessingRelateddisciplinesandfieldsThebriefdevelopmenthistoryofimageprocessingGlossary(importantconceptsrelated)计算机学院刘咏梅第49页/共70页Introductionofimageprocessinghistory

(1)In1921/fromLondontoNewYork/transportthenewspicturesbythemarinecables(2)Thecomputertechniquesprovidedthesupportsforthedevelopmentofimageprocessinginthefollowingseveraldecades.计算机学院刘咏梅1本图片引自《数字图像处理》冈萨雷斯第50页/共70页Introductionofimageprocessinghistory

(3)In1964/JPL(JetPropulsionLab)/successfullyprocesstheremotesensingpicturesofthemoon(4)In1969/NASA/moonexplorationplan/promotethedevelopmentofimageprocessing计算机学院刘咏梅2本图片引自《数字图像处理》冈萨雷斯第51页/共70页Introductionofimageprocessinghistory

(5)Inthelate1960’stheimageprocessinghadalreadybecomeanindependentnewdiscipline.(6)Thetheoremsoftheimageprocessingweregreatlygrowinginthe1970’s.(7)Nowtheapplicationsofimageprocessingareextendedtoallthefieldsofdailylife.Buttherearestillmanyopenproblemsinit.计算机学院刘咏梅3第52页/共70页Chapter1IntroductionWhatisdigitalimageprocessingMaincontents(orfundamentalsteps)ofdigitalimageprocessingApplicationareasofdigitalimageprocessingRelateddisciplinesandfieldsThebriefdevelopmenthistoryofimageprocessingGlossary(importantconceptsrelated)计算机学院刘咏梅第53页/共70页Glossary计算机学院刘咏梅Scene场景Image图像Digitalimage数字图像Digitalimageprocessing数字图像处理Pixels像素Gray-level灰度级

Spatialresolution空间分辨率Imagedigitizing图像数字化Sampling采样Quantization量化12345678910第54页/共70页SceneSceneissomethingseenbyaviewer,orwhattheviewerisseeing.Sceneisahigh-levelsemanticconceptdescriptionforanimage.(e.g.road,coast,forest,city,…)计算机学院刘咏梅场景是一个观察者所看到的东西。场景是对图像的一种高层的语义概念描述，如道路、海岸、森林、城市等场景。场景本图片引自标注图像库Corel5K第55页/共70页ImageImageistherepresentationofvisualscenes.Imagecanbeclassifiedintoanalogimageanddigitalone.计算机学院刘咏梅图像是对视觉景物的描述。图像可以分为模拟图像和数字图像。图像本图片引自标注图像库Corel5K第56页/共70页DigitalimageDigitalimageisakindofimagerepresentationwhichcanbestoredandprocessedbyacomputer.Adigitalimageisusuallyrepresentedbyatwodimentionalmatrix.计算机学院刘咏梅数字图像是一种可以由计算机进行存储和处理的图像表示方式。数字图像一般以二维数组的形式表示图像。数字图像本图片引自标注图像库Corel5K第57页/共70页DigitalimageprocessingDigitalimageprocessingisthemanipulationandanalysisofthedigitalimagesbycomputers.Digitalimageprocessingisthemethodsandtechnologiesofnoiseremoval,enhancement,restoration,segmentationandfeatureextractionforthedigitalimages.计算机学院刘咏梅数字图像处理是利用计算机对数字图像进行处理和分析。数字图像处理是对图像进行去噪、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术的总称。数字图像处理第58页/共70页PixelPixelisthesmallestunitofadigitalimage.Theword‘pixel’isconstructedbythefollowingwords:‘picture’and‘element’.计算机学院刘咏梅像素是数字图像的基本单位。像素“pixel”是由picture(图像)和element(元素)这两个英文单词的字母连接组成。像素第59页/共70页Gray-levelGray-levelrepresentsthebrightnessorintensityofthepositionwherethepixelis.Themethodoflineargray-leveltransformationsisusedtoenhancethecontrastofthepicture.

计算机学院刘咏梅灰度级描述了像素点所在位置的亮度级别。利用线性灰度级变换方法可以提高图象对比度。灰度级第60页/共70页SpatialresolutionSpatialresolutionrepresentsthefinenessofspatialcoordinatediscretenessthatcanbedistinguishedinanimage.Spatialresolutionisusuallyutilizedtodescribehowmanypixelsareemployedtocompriseadigitalimage.

计算机学院刘咏梅空间分辨率描述了图像空间坐标的细化程度。空间分辨率通常指一幅图像中包含多少个像素点。空间分辨率第61页/共70页ImagedigitizingImagedigitizingisaprocessofthetransitionfromanalogimagestodigitalones.Imagedigitizingisusuallyrepresentedbyadiscretesetofitspointsforananalogimage.

计算机学院刘咏梅图像数字化是将模拟图像转化为数字图像的过程。图像数字化通常将模拟图像表示为一组离散点的集合。图像数字化本图片引自《数字图像处理》冈萨雷斯第62页/共70页SamplingSamplingistheprocessofthediscretionforthespatialcoordinatesofanimage.Acontinuousimagefunctioncanbec