数字图像处理绪论.ppt

1、数字图像处理课件,哈尔滨工程大学 计算机学院 刘咏梅,HEU,English,2014,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%,1.Milan Sonka等. Image Processing, Analysis and Machine Vision(英文原版教材). 人民邮电出版社，20022.冈萨雷斯.数字图像处理(第二版).电子工业出版社,2003,教材和主要参考书,数字图像处理的基础知识和相关学科,

2、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,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,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： 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,Chapter 1 Introduction,Wh

3、at is digital image processing Main contents (or fundamental steps) of digital image processing Application areas of digital image processing Related disciplines and fields The brief development history of image processing Glossary (important concepts related),Digital image processing is concerned w

4、ith the manipulation and analysis of pictures or images by computers. The term, computer vision, is used in a broad sense to include image transformation, image coding, enhancement, restoration, segmentation and understanding, as well as the analysis of the three-dimensional time-varying scences.,Wh

5、at is digital image processing?,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。,Why we use digital image processing?,Vision allows us to obtain about 75% information. Digital image is a kind of image representation which can be stored and processed by a computer. Digital images have a lot of

6、advantages.,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,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-D 3-D 灰度 彩色、纹理图象, .,数字图像的表示,2-D数组f (x, y) x ， y：2-D空间X

7、-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。,图像表示举例,数字图像处理技术的特点,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,数字图像处理的主要方法,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

8、。 （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。,Chapter 1 Introduction,What is digital image processing Main contents( or fundamental steps ) of digital image processing Application areas of digital image processing Rel

9、ated disciplines and fields The brief development history of image processing Glossary (important concepts related),图像处理的基本内容/图像处理应用的基本步骤,An illustration chart of image processing applications,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,图像获取 预处理 分割 表示和描述 识别和理解,图像处理、图像分析与理解,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

10、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, Image acquisition How to acquire a digital image imaging sensor & digitizer A camera, a vedio, a scanner,图像获取,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)

11、数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。, Image preprocessing The key intent of image preprocessing Enhancing contrast, removing noise, isolating special regions Image enhancement and image restoration 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,An example of image enhancement(contrast enhancem

12、ent),image enhancement studies how to enhance the quality of an image in a common sense.,图像增强实例,An example of image restoration(Relative motion between camera and scene ),Image restoration can restore the images when knowing the reasons of image degradation.,图像修复实例, Image segmentation Partition the

13、image into constituent regions Very formidable task A good foundation for the later processing such as object recognition. 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,图像分割,The possible segmentation methods,Thresholding (Histogram) Edge-based methods Region-based methods Optimal thresholding Canny edge dete

14、ction watersheds K-means clustering N-cut Super pixel ,三大类图像分割方法,具体分割方法, Image representation and description A suitable representation method for the regions Feature extraction and feature selection Color, shape, texture, spatial relations 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,图像表示和描述, Image re

15、cognition and understanding Final goal of some image processing applications Assign a label or some meaning to a object region Pattern recognition techniques 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,Chapter 1 Introduction,What is digital image processing Main contents (or fundamental steps) of digita

16、l image processing Application areas of digital image processing Related disciplines and fields The brief development history of image processing Glossary (important concepts related),数字图像处理的应用领域,Applications of digital image processing,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

17、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（Remote Sensing）。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59m79m；1975年，LANDSAT-；1978年，LANDSAT-，分辨率40m40m；1982年，LANDSAT-，分辨率30m30m，在这颗卫星上配置了GPS系统（Global Positioning System），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

18、：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。,Remote sensing,在遥感技术中的应用,1,Remote sensing,2,在遥感技术中的应用,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-ray Compute

19、d Tomography）。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，Nuclear Magnetic Resonance Imaging），电阻抗断层图像技术（EIT，Electrical Impedance Tomography）和阻抗成像（Impedance Imaging），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。,Medicine,在医学中的应用,生物

20、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.

21、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。,Biological feature recognition,生物特征识别,Industrial automation,工业自动化,机器人,车牌识别,纸币鉴定,1,2,Industrial automation,工业自动化,文化艺术,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

22、、非洲等）和SECAM（法国、俄罗斯等）。 可视电话和会议电视：1964年美国国际博览会展出了Picture-phone MOD-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。 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。 图文电视和可视图文：图文电视（

23、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。,Culture and art,文化艺术,Chapter 1 Introduction,What is digital image processing Main contents (or fundamental steps) of digital image processing Application areas of digital

24、 image processing Related disciplines and fields The brief development history of image processing Glossary (important concepts related),Related disciplines and fields,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,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 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，

25、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？,Digital image processing Computer graphics,Computer graphics researches in the digital modeling of the scenes and the objects in them. It can be seen as a process from nothing to something while image processing is vise versa. Image processing stud

26、ies how to extract the related information from the image itself for image understanding and recognition.,Digital image processing Computer vision,数字图像处理和计算机视觉,Image processing is a part of research content in computer vision. The aim of computer vision is to duplicate the ability of human vision us

27、ing machines. It can be regarded as a research field of artificial intelligence. So computer vision also can be called machine vision.,Chapter 1 Introduction,What is digital image processing Main contents (or fundamental steps) of digital image processing Application areas of digital image processin

28、g Related disciplines and fields The brief development history of image processing Glossary (important concepts related),Introduction of image processing history,(1) In 1921 / from London to NewYork / transport the news pictures by the marine cables,(2) The computer techniques provided the supports

29、for the development of image processing in the following several decades.,1,本图片引自 数字图像处理 冈萨雷斯,Introduction of image processing history,(3) In 1964 / JPL(Jet Propulsion Lab) /successfully process the remote sensing pictures of the moon,(4) In 1969 / NASA / moon exploration plan / promote the developm

30、ent of image processing,2,本图片引自 数字图像处理 冈萨雷斯,Introduction of image processing history,(5) In the late 1960s the image processing had already become an independent new discipline.,(6) The theorems of the image processing were greatly growing in the 1970s.,(7) Now the applications of image processing a

31、re extended to all the fields of daily life. But there are still many open problems in it.,3,Chapter 1 Introduction,What is digital image processing Main contents (or fundamental steps) of digital image processing Application areas of digital image processing Related disciplines and fields The brief

32、 development history of image processing Glossary (important concepts related),Glossary,Scene 场景,Image 图像,Digital image 数字图像,Digital image processing 数字图像处理,Pixels 像素,Gray-level 灰度级,Spatial resolution 空间分辨率,Image digitizing 图像数字化,Sampling 采样,Quantization 量化,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,Scene,Scene is someth

33、ing seen by a viewer, or what the viewer is seeing. Scene is a high-level semantic concept description for an image. (e.g. road, coast, forest, city,),本图片引自 标注图像库 Corel5K,Image,Image is the representation of visual scenes. Image can be classified into analog image and digital one.,本图片引自 标注图像库 Corel5

34、K,Digital image,Digital image is a kind of image representation which can be stored and processed by a computer. A digital image is usually represented by a two dimentional matrix.,本图片引自 标注图像库 Corel5K,Digital image processing,Digital image processing is the manipulation and analysis of the digital i

35、mages by computers. Digital image processing is the methods and technologies of noise removal, enhancement, restoration, segmentation and feature extraction for the digital images.,Pixel,Pixel is the smallest unit of a digital image. The word pixel is constructed by the following words: picture and

36、element.,Gray-level,Gray-level represents the brightness or intensity of the position where the pixel is. The method of linear gray-level transformations is used to enhance the contrast of the picture.,Spatial resolution,Spatial resolution represents the fineness of spatial coordinate discreteness t

37、hat can be distinguished in an image. Spatial resolution is usually utilized to describe how many pixels are employed to comprise a digital image.,Image digitizing,Image digitizing is a process of the transition from analog images to digital ones. Image digitizing is usually represented by a discrete set of its points for an analog image.,本图片引自 数字图像处理 冈萨雷斯,Sampling,Sampling is the process of the discretion for the spatial coordinates of an image. A continuous image function can be changed into a discrete image fun