图像基础技术处理 1

数字图像处理李俊山DigitalImageProcessing

李俊山编著.《数字图像处理（第5版）》一张照片胜过千言万语。画面比文字更形象生动。

百闻不如一见。“Onepictureisworthmorethantenthousandwords”浮雕效果青春年华、田园美景下面途中的每个圆盘在动吗？

这里的每一幅图片（图像），如果不能直视，要用多少文字的描述，您才能想象出亲眼看到这样的效果呢？实验心理学家赤瑞特拉（Treicher）做过的两个著名的心理实验之一结论是：人类获取信息83%来自视觉信息！

数字图像处理，已经成为智能科学与技术、数字媒体技术、虚拟现实等本科专业的骨干和核心专业课程。课程教材

课程教学方法：

以课堂讲授为主；

通过对图像处理原理及算法的分析和处理结果（效果）的图示/演示，加深大家对各种图像处理方法及实现算法的理解；

通过代表性的图像处理算法的matlab编程及实验验证，使学生初步地掌握图像处理编程及算法验证方法，提高应用性教学效果。

课程考核采用过程性评价与考核方式。

过程性评价的“过程”是相对于“结果”而言的。

过程性评价不是只关注过程而不关注结果的评价，更不是单纯地观察学生的表现。

过程性评价重点考核学生的综合能力，包括：专业能力，学习能力（听课效果、知识面、自学能力、获取信息的能力、思维能力等）、语言表达能力、实践能力、创新能力。

学校建议的过程性评价形式包括：

主要包括：学生考勤、课堂表现（包括课堂纪律、听课表现等）、平时作业、综合性大作业（包括课外阅读、专题学术论文、专题调研报告、案例分析等）、团队作业、课程论文、课程设计、实验（实训）报告、教学实践活动、阶段性测试、期终测验等。

学校要求每门课过程性评价方式不少于5种。具体的考核方式

（1）课堂考勤与课堂表现（旷课-5、迟到-2、请假-1）10%。

（2）课程作业15%。

（3）课程实验（5个实验，缺1次扣5分）25%。（4）期末闭卷考试占50%。第一章绪论《数字图像处理》

1、数字图像与数字图像处理

2、数字图像处理系统的组成

3、数字图像处理技术研究的基本内容

4、数字图像处理技术的应用领域

5、图像处理技术涉及的学科领域6、Matlab及其应用基础主要内容1.1数字图像与数字图像处理

1.1数字图像与数字图像处理1、图像、模拟图像和数字图像

（1）理解图像（图+像=图像）

“图”是物体反射或者透射电磁波的分布。

“像”是人的视觉系统，对接收的图信息在大脑中形成的印象或认识。

图像即是“图”和“像”两者的结合。1.1数字图像与数字图像处理1、图像、模拟图像和数字图像

（2）图像的概念

图像是用各种观测系统，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的视觉系统而产生的视知觉实体。1.1数字图像与数字图像处理1、图像、模拟图像和数字图像

（3）图像的分类模拟图像：二维空间和亮度值都是连续(值)的图像。比如，利用胶片定影后的影像胶卷冲洗后，得到的照片/图像。

数字图像：二维空间和亮度值都是用有限数字数值表示的图像。比如，利用数码相继拍摄的图像。2、数字图像处理

（1）数字图像处理的概念

数字图像处理是指对数字图像信息进行加工，以改善图像的视觉效果和提高图像的实用性；或对数字图像进行压缩编码以减少所需的存储空间的技术。

数字图像处理也称为计算机图像处理，泛指利用计算机技术对数字图像进行某些数学运算和各种加工处理。{数字的含义：图像的像点和每个像点的亮度值可以用二进制数字表示}

1.1数字图像与数字图像处理2、数字图像处理

（2）数字图像处理的基本特征

系统的输入和输出都是图像。1.1数字图像与数字图像处理图像处理系统图像1图像22、数字图像处理

（2）数字图像处理的基本特征

系统的输入和输出都是图像。比如：1.1数字图像与数字图像处理图像处理系统（加噪）2、数字图像处理

（2）数字图像处理的基本特征

系统的输入和输出都是图像。比如：1.1数字图像与数字图像处理图像处理系统（图像合成）2、数字图像处理

（2）数字图像处理的基本特征

系统的输入和输出都是图像。比如：1.1数字图像与数字图像处理图像处理系统(求图像最大、最小、平均灰度值)

显然，这种比较严格的图像处理定义，显现出了一定的狭义性，使得这一基本的图像处理问题，已经不符合图像处理的定义了。3、数字图像分析

随着科学技术的发展和进步，数字图像处理技术开始应用于解决机器感知问题。

在这种情况下，数字图像处理的目的不再是单纯的改善图像的视觉效果和提高图像的实用性，而是把注意力集中于以更适合于计算和处理的形式和从图像中提取信息的过程。

图像分析

1.1数字图像与数字图像处理3、数字图像分析

（1）图像分析的概念

通过对图像中不同对象进行分割（把图像分为不同区域或目标物），进而对图像中目标进行检测、测量、识别、解释和描述的技术。

1.1数字图像与数字图像处理3、数字图像分析

（2）图像分析方法

一般是利用数学模型，并结合图像处理的技术来分析底层特征和上层结构，从而提取具有一定智能性的信息；

图像分析更侧重于研究图像的内容，更倾向于对图像内容的分析、解释和识别。

1.1数字图像与数字图像处理3、数字图像分析

（3）图像分析的特征

通过输入是图像，输出是对输入图像进行描述的信息。1.1数字图像与数字图像处理图像分析系统图像对图像进行描述的信息3、数字图像分析

（3）图像分析的特征

通过输入是图像，输出是对输入图像进行描述的信息。比如：1.1数字图像与数字图像处理图像分析系统（图像直方图分析）3、数字图像分析

（3）图像分析的特征

通过输入是图像，输出是对输入图像进行描述的信息。比如：1.1数字图像与数字图像处理图像分析系统（图像边缘检测）3、数字图像分析

进行图像处理及分析的目的：

（1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。

（2）对图像数据进行变换、编码和压缩，便于图像的高效存储和传输。（3）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以满足目标识别和计算机视觉等应用需求。1.1数字图像与数字图像处理4、图像处理与图像分析的关系◆图像处理是对图像的低级处理阶段，图像分析是对图像的高一级的处理阶段。图像的低级处理阶段和高一级的处理阶段是相互关联和有一定重叠性的。◆图像的低级处理是高级处理的基础，要对图像进行高一级的处理，必须先对图像进行低级(预)处理。◆图像的高一级处理是数字图像处理与分析的目的。1.1数字图像与数字图像处理4、图像处理与图像分析的关系基于以上的原因：

本书中提到的图像处理概念是广义的，不仅包括了输入和输出都是图像的低级处理，而且也包括了输入是图像，输出是对输入图像的描述（如从输入图像中提取的特征信息或分类与识别信息）这样的高一级的处理。

也就是说，广义的图像处理概念实际上指的是图像处理与分析。

1.1数字图像与数字图像处理1.2数字图像处理系统的组成

数字图像处理结果输出计算机系统显示、打印或记录设备数字摄像机图像处理软件专用图像处理硬件景物数字扫描仪胶片图像

数字图像的处理过程是由计算机完成的。1.2数字图像处理系统的组成电视摄像机扫描仪数码照相机遥感图像获取设备

计算机图像输入卡（采集卡)显示卡图像存贮装置图像数字化设备输入图像输出图像打印机绘图仪彩色印刷机图像处理计算机图像输出设备1.2数字图像处理系统的组成1.2数字图像处理系统的组成

1、图像的感知与获取设备（输入设备）

是一种将景物转换成计算机可以接受的数字图像的图像采集设备。

其中，有的直接作为数字化图像输入设备，有些是间接的数字化图像输入设备。1.2数字图像处理系统的组成1000DPI1600DPI1000象素1600象素扫描仪分辨率与扫描图象的大小分辨率：单位长度上采样的像素个数：DPI(dot/inch)1英寸原稿图像1.2数字图像处理系统的组成

（1）图像获取/输入设备（2）图像处理系统和软件开发工具及平台专用或通用图像处理系统；利用MATLAB图像处理工具箱提供的丰富的图像函数和环境进行图像处理软件开发；直接在MicrosoftWindows上，以Microsoft公司的VC++或BC++为编程工具，进行图像处理软件开发。1.2数字图像处理系统的组成

（3）图像输出设备

彩色显示设备；彩色印刷/打印设备。1.2数字图像处理系统的组成喷墨打印机激光打印机数字印刷机PCMCIA存储设备

1.2数字图像处理系统的组成

（3）图像输出设备1.2数字图像处理系统的组成

3、数字图像处理系统的分类1.2数字图像处理系统的组成

3、数字图像处理系统的分类1.2数字图像处理系统的组成

3、数字图像处理系统的分类Photoshop图像处理软件1.2数字图像处理系统的组成

4、典型图像处理（工具）软件示例Windows附件中的画图1.2数字图像处理系统的组成

4、典型图像处理（工具）软件示例画图3D1.2数字图像处理系统的组成

4、典型图像处理（工具）软件示例1.2数字图像处理系统的组成

5、实用的图像处理系统示例1.3数字图像处理技术研究的内容

图像处理技术研究的内容

图像获取与表示图像基本运算图像变换图像增强图像恢复研究内容图像压缩编码图像特征提取图像分割彩色图像处理图像描述形态学图像处理视频图像处理图像的基本运算

图像的基本运算包括图像的（像素）点运算、图像直方图运算处理、图像的代数运算、图像的集合运算等。

本书/课程在第3章介绍这部分内容。图像处理技术研究的内容图像变换

是简化图像处理过程和提高图像处理效果的基本技术，最典型的图像变换主要有傅里叶变换、离散余弦变换和小波变换等。

本书/课程讲授策略：

把三种变换和他的应用结合起来，分布到不同的三章（5，7，8）内进行介绍。一是跳出了大家感觉仍是学数学课的困惑；二是和其应用结合起来讲更便于理解。图像处理技术研究的内容图像增强

是或简单地突出图像中感兴趣的特征，或想方显现图像中那些模糊了的细节，以使图像更清晰地被显示或更适合于人或机器的处理与分析的一种技术。

本书/课程介绍两类图像增强方法：一是空间域图像增强方法（第4章）；二是频率域图像处理（第5章）。图像处理技术研究的内容图像恢复

是一种从图像退化的数学或概率模型出发，研究改进图像外观，从而使恢复以后的图像尽可能地反映原始图像的本来面目的一种技术，其目的是获得与景物真实面貌相像的图像。

本书/课程在第6章进行介绍这部分内容。

图像处理技术研究的内容图像压缩编码

是在不损失图像质量或少损失图像质量的前提下，尽可能地减少图像的存储量，以满足图像存储和实时传输应用需求的一种技术。

本书/课程在第7章介绍这部分内容。图像处理技术研究的内容图像特征提取

图像特征是区分一幅图像内部特征的最基本属性，是图像目标检测识别的基础。

本书/课程在第10章介绍这部分内容。图像处理技术研究的内容图像分割

是图像处理技术中最为困难的任务之一，其基本思路是把一幅图像划分成背景和目标，从而提取感兴趣的目标，或为在相应的区域提取目标奠定基础。本书/课程在第9章介绍这部分内容。图像处理技术研究的内容彩色图像处理技术由于图像技术的广泛应用，彩色图像处理已经成为图像处理中的重要研究内容和重要研究方向。本书/课程在第11章介绍这部分内容。

图像处理技术研究的内容形态学图像处理技术

是一种的提取图像元素的技术，在表现和描述物体形状方面具有很好的处理效果和应用价值。本书/课程在第12章介绍这部分内容。图像处理技术研究的内容图像的表示和描述基本思路是通过对图像中感兴趣的特征的定性和定量描述，从而赋予识别出的目标以符号标识和解释。

本书/课程在第13章介绍这部分内容。图像处理技术研究的内容视频图像处理由于图像技术的广泛应用，以单幅图像处理技术为主要基础的视频图像处理已经成为图像处理中的重要研究内容和热点课题和重要研究方向。本书/课程在第14章介绍这部分内容。

图像处理技术研究的内容1.4数字图像处理技术的应用领域图像处理技术的典型应用领域有：生物医学、遥感技术、工业生产、军事技术、通信技术、侦缉破案、气象预报、宇宙探索、考古等。

总体上来说，图像处理技术的应用已经遍布国民经济的各个领域。图像处理技术的主要应用领域一、医学应用

通过CT及核磁共振、超声波、X射线成像的分析等，可提供医学诊断依据。X线片CT片MRIECT:一、医学应用CT(ComputedTomography)

计算机断层摄影术肝脏和胃的横断平面CT图像CT扫描投射成像一、医学应用地球资源勘探二、遥感与资源勘探遥感：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。二、遥感与资源勘探1998年长江（枝城-岳阳）洪涝灾害监测

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。三、工业生产

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，军事仿真等。隐形飞机、定位轰炸夜视侦查成像四、军事应用Landscape电子沙盘四、军事领域军事目标跟踪景象匹配精确制导四、军事领域图像传真，数字电视、网络可视聊天、可视电话网页动画等。五、通信技术独特的ExactTime和AutoBalance技术语音图像唇形同步只需350毫秒Hi…Hello…五、通信技术六、空间探索空间探索六、空间探索指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。七、公安与信息安全获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号风云2号八、气象预报气象预报气象云图八、气象预报广告设计九、广告设计计算机绘画

十、艺术和影视应用计算机合成图像

周金龙合成华南虎事件十、艺术和影视应用动画

娱乐十、艺术和影视应用图象配准示例十、艺术和影视应用1.5图像处理技术涉及的学科领域

一、图像处理技术涉及的基础技术领域研究方法数学物理学生理学心理学电子学计算机科学研究范围模式识别计算机视觉计算机图形学研究进展人工智能神经网络遗传算法模糊逻辑二、图像处理技术涉及的学科图象处理涉及的学科（典型的交叉学科技术）：1、计算机科学与技术2、信息与通信工程（信号与信息处理）3、控制科学与工程（模式识别与智能系统）

4、测绘科学与技术（航空摄影测量）5、光学工程（光学成像及处理技术）6、医学工程（二级学科）7、医学技术（二级学科）1.6Matlab及其应用基础

MATLAB

是MATrixLABoratory（矩阵实验室）的英文缩写，MATLAB

软件是美国Mathworks公司推出的一种高级科学计算、专业级符号计算、可视化建模仿真和交互式应用开发环境。

该系统的基本数据结构是矩阵，程序中的(矩阵)变量不要求做明确的维数说明，系统提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于数值(线性代数)计算、控制系统、信号处理、图形绘制、图像处理等领域的分析、仿真和设计工作。

Matlab

是一个集数值计算、图形管理、程序开发于一体的软件环境。

Matlab由5部分组成：

（1）MATLAB语言体系，是MATLAB的高层次矩阵/数组语言环境，具有数据结构、条件控制、函数调用、输入输出、面向对象等程序语言特性。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（2）MATLAB开发环境，是MATLAB提供给用户的管理功能及软件环境，包括管理工作空间中的变量和输入输出数据，开发、调试和管理文件的各种工具。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（3）MATLAB图形系统，是MATLAB提供给用户的可视化功能开发环境，包括2D和3D数据的图示、图像处理、动画生成、图形显示等高层命令，用户对图形图像等对象进行特性控制的底层命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（4）MATLAB

数学函数库，是MATLAB使用的数学算法库，包括各种初等函数的算法，矩阵运算和矩阵分析等高层次的数学算法，以及M文件（一种文本文件）函数。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（5）MATLAB

应用程序（API）接口，是MATLAB为用户提供的函数库，使用户可以在MATLAB环境中使用C、C++、JAVA和FORTRAN语言程序，包括在MATLAB中调用程序（动态链接），读MAT文件等功能。一、

MATLAB系统的组成

二、

MATLAB系统的软件环境计算机屏幕界面上会有相应的快捷图标：

二、

MATLAB系统的软件环境

二、

MATLAB系统的软件环境1、命令行窗口MATLAB的典型工作方式之一是用户在命令行窗口输入命令，按回车键后MATLAB逐句解释执行命令行窗口中的命令，并在该窗口中已经执行的命令下方显示除图形以外的运算结果。

二、

MATLAB系统的软件环境1、命令行窗口

在命令行窗口除可输入MATLAB命令外，还可以输入MATLAB的函数、表达式、语句、M文件名或MEX文件名等，所以一般也将在命令行窗口输入的对象称为语句。

二、

MATLAB系统的软件环境2、当前目录窗口MATLAB的当前目录也即系统默认的实施打开、加载、编辑和保存文件等操作时的文件夹。

MATLAB启动后，系统默认的当前目录是…\MATLAB\toolbox，用户可以在默认的当前目录下存放自己的文件。

二、

MATLAB系统的软件环境3、编辑器窗口MATLAB的编辑器窗口是编写和和修改MATLAB脚本程序的地方。

二、

MATLAB系统的软件环境4、工作区

工作区用于显示运行的程序中的变量，包括它们的名称、值以及类型。

三、

MATLAB

应用基础

应用示例：

【例1.1】

求灰度图像的最大灰度值、最小灰度值和平均灰度值的matlab程序及运算结果。

灰度图像及像素的灰度值概念

一幅大小为200×300二维数字图像可看作是一个大小为200×300的二维像素值阵列，二维阵列中的每个矩阵元素即是一个像素，其值即为该像素的灰度（亮度）值，灰度图像的灰度取值范围是0至255。

例1.1中的相关函数及功能如下：

（1）%：注释符号，在其后的同一行中的内容是注释，不会被执行。

（2）clc：清除命令窗口中的内容。

（3）clearall：清除工作空间的所有变量、函数和MEX文件。

（4）closeall：关闭所有的Figure窗口。

（5）imread('path_filename')：读入指定路径及文件名为path_filename的图像。

（6）[m,n,color]=size(I)：获取图像矩阵I的行数h和列数w及颜色数color。当color值等于3时，说明图像I是彩色图像。缺省color的形式为[m,n]=size(I)。

（7）double(x)：将其它类型的数据x转换为双精度型数据。在MATLAB的矩阵运算中，要求所有的运算变量为double型(双精度型)。

（