圖像處理第1章概論

1、 本課程作為本課程作為專業(yè)主干課專業(yè)主干課，是電子信息專，是電子信息專業(yè)本科生的業(yè)本科生的必修課必修課，通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)，通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)圖像處理與分析的基本概念，典型算法和基圖像處理與分析的基本概念，典型算法和基本實(shí)用技術(shù)。本實(shí)用技術(shù)。l 計(jì)算機(jī)圖像處理課程性質(zhì)：計(jì)算機(jī)圖像處理課程性質(zhì)： l 課程內(nèi)容：課程內(nèi)容：本課程主要為兩部分內(nèi)容：本課程主要為兩部分內(nèi)容： 第一部分為第一部分為圖像處理的基礎(chǔ)圖像處理的基礎(chǔ)。包括緒論、。包括緒論、圖像處理的基本概念和圖像變換。圖像處理的基本概念和圖像變換。 第二部分為第二部分為圖像處理的理論和方法圖像處理的理論和方法。包括。包括圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、

2、圖像編碼與壓縮、圖圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼與壓縮、圖像分割、圖像分析與識(shí)別基礎(chǔ)等。像分割、圖像分析與識(shí)別基礎(chǔ)等。 幾幅圖像幾幅圖像x射線圖像射線圖像納米材料納米材料TEM圖像圖像u人眼視覺(jué)圖像：人眼視覺(jué)圖像：照片、圖、畫等。照片、圖、畫等。u數(shù)學(xué)圖像數(shù)學(xué)圖像：由連續(xù)函數(shù)或離散函數(shù)生成的抽象圖像。：由連續(xù)函數(shù)或離散函數(shù)生成的抽象圖像。u物理圖像物理圖像：反映物體的電磁波輻射能，包括可見光：反映物體的電磁波輻射能，包括可見光和不可見光。絕大部分的物理圖像是數(shù)學(xué)圖像。和不可見光。絕大部分的物理圖像是數(shù)學(xué)圖像。圖像圖像(image)(image)與圖片與圖片(picture)(picture)和圖

3、形和圖形(graphic)(graphic)有何區(qū)別？有何區(qū)別？數(shù)學(xué)函數(shù)數(shù)學(xué)函數(shù)連續(xù)函數(shù)連續(xù)函數(shù)不可見的物理圖像不可見的物理圖像離散函數(shù)離散函數(shù)( (數(shù)字圖像數(shù)字圖像) )可見圖像可見圖像照片照片圖圖畫畫光圖像光圖像物體物體圖圖像像圖像的分類圖像的分類t),z,y,f(x,I 21 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 14 11 20 2117 16 12 12 16915 139865179565421 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 14 11 20 2117 16 12 12 16915 1398651795

4、654t),z,y,f(x,I 數(shù)字圖像數(shù)字圖像利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行系列操作，從而獲得利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行系列操作，從而獲得預(yù)期的結(jié)果的技術(shù)。預(yù)期的結(jié)果的技術(shù)。 基于計(jì)算機(jī)的圖像處理學(xué)是從信息處理、自動(dòng)控制基于計(jì)算機(jī)的圖像處理學(xué)是從信息處理、自動(dòng)控制系統(tǒng)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)通信、電視技術(shù)等學(xué)科中系統(tǒng)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)通信、電視技術(shù)等學(xué)科中脫穎而出的，成為研究脫穎而出的，成為研究“圖像信息的獲取、傳輸、存圖像信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、變換、顯示、理解與綜合利用儲(chǔ)、變換、顯示、理解與綜合利用”的一門嶄新學(xué)科。的一門嶄新學(xué)科。 另外一種描述圖像的方法是以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的另外一種描述圖像的方法是

5、以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)性表征法統(tǒng)計(jì)性表征法，即把圖像信息作為隨機(jī)信號(hào)。，即把圖像信息作為隨機(jī)信號(hào)。 數(shù)字圖像的發(fā)展：數(shù)字圖像的發(fā)展：主動(dòng)脈造影圖像主動(dòng)脈造影圖像胸部胸部x射線圖像射線圖像顯微鏡獲得圖像顯微鏡獲得圖像音頻音頻CD的表面（的表面（1750倍）倍）衛(wèi)星多光譜圖像衛(wèi)星多光譜圖像反射到雷達(dá)天線的微波圖像反射到雷達(dá)天線的微波圖像三維計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的圖像三維計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的圖像超聲波成像超聲波成像肌肉層有損害肌肉層有損害4.數(shù)字圖像處理獲得的途徑：數(shù)字圖像處理獲得的途徑：n將傳統(tǒng)的可見光圖像經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理轉(zhuǎn)換為將傳統(tǒng)的可見光圖像經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理轉(zhuǎn)換為 數(shù)字圖像。數(shù)字圖像。圖像變換：圖像變換：對(duì)圖

6、像進(jìn)行正交變換，以便進(jìn)行處理。對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，以便進(jìn)行處理。二維圖像及其離散傅立葉頻譜的顯示二維圖像及其離散傅立葉頻譜的顯示a) 原始圖像原始圖像 b) 離散傅立葉頻譜離散傅立葉頻譜a) 原圖原圖 b) 圖像增強(qiáng)后的圖圖像增強(qiáng)后的圖c) 原圖原圖d) 經(jīng)過(guò)復(fù)原的圖經(jīng)過(guò)復(fù)原的圖圖像增強(qiáng)圖例圖像增強(qiáng)圖例圖像復(fù)原圖例圖像復(fù)原圖例a) 一幅免疫細(xì)胞圖像一幅免疫細(xì)胞圖像 b) 指紋圖像指紋圖像 高層高層中層中層低層低層符號(hào)符號(hào)目標(biāo)目標(biāo)像素像素語(yǔ)語(yǔ)義義操操作作對(duì)對(duì)象象高高低低小小大大抽抽象象程程度度數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)量量圖像處理圖像處理圖像分析圖像分析狹義圖像處理狹義圖像處理1.2.2 數(shù)字圖像處理方法數(shù)字圖像

7、處理方法 圖字圖像處理方法分為大兩類：圖字圖像處理方法分為大兩類：空間域處理空間域處理（空域（空域法）和法）和變換域處理變換域處理（頻域法）。（頻域法）。u空域法：直接對(duì)獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行處理。空域法：直接對(duì)獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行處理。u頻域法：對(duì)先對(duì)獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行正交變換，得頻域法：對(duì)先對(duì)獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行正交變換，得 到變換系數(shù)陣列，然后再進(jìn)行處理，最后到變換系數(shù)陣列，然后再進(jìn)行處理，最后 再逆變換到空間域，得到圖像的處理結(jié)果。再逆變換到空間域，得到圖像的處理結(jié)果。 狹義圖像處理狹義圖像處理模式識(shí)別模式識(shí)別圖像理解圖像理解圖像理解圖像理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像分析圖像分析計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)

8、算機(jī)視覺(jué)（轉(zhuǎn)換）（轉(zhuǎn)換） 圖像圖像 圖像圖像 符號(hào)符號(hào) (人人) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)客觀世界客觀世界新技術(shù)新技術(shù)新工具新工具新理論新理論圖像處理學(xué)與相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的聯(lián)系和區(qū)別圖像處理學(xué)與相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的聯(lián)系和區(qū)別1.21.2.3.3圖像處理學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 1.3 數(shù)字圖像處理主要應(yīng)用數(shù)字圖像處理主要應(yīng)用l計(jì)算機(jī)科學(xué)：計(jì)算機(jī)科學(xué)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能研究計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能研究和多媒體計(jì)算機(jī)研究等。和多媒體計(jì)算機(jī)研究等。l通信技術(shù)：通信技術(shù)：圖像傳真、可視電話、衛(wèi)星通信等。圖像傳真、可視電話、衛(wèi)星通信等。l生物醫(yī)學(xué)：生物醫(yī)學(xué)：X X射線、超聲、顯微圖片分析，溫

9、圖射線、超聲、顯微圖片分析，溫圖譜分析，斷層及核磁共振分析等。譜分析，斷層及核磁共振分析等。l遙感技術(shù)：遙感技術(shù)：自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)繪，自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)繪，找礦，水文、農(nóng)林資源調(diào)查等。找礦，水文、農(nóng)林資源調(diào)查等。l軍事技術(shù)：軍事技術(shù)：導(dǎo)彈制導(dǎo)，雷達(dá)、聲納圖像處理，軍事導(dǎo)彈制導(dǎo)，雷達(dá)、聲納圖像處理，軍事仿真等。仿真等。l考古：考古：恢復(fù)珍貴的文物圖片、名畫和壁畫等?；謴?fù)珍貴的文物圖片、名畫和壁畫等。l偵查破案和商業(yè)應(yīng)用：偵查破案和商業(yè)應(yīng)用：指紋鑒別，手跡分析，指紋鑒別，手跡分析， 偽鈔偽鈔識(shí)別等。識(shí)別等。l其它應(yīng)用：其它應(yīng)用：材料分析、材料分析、服裝試穿顯示、發(fā)型設(shè)計(jì)顯

10、服裝試穿顯示、發(fā)型設(shè)計(jì)顯示、現(xiàn)場(chǎng)視頻管理等。示、現(xiàn)場(chǎng)視頻管理等。通信通信顯示采集存儲(chǔ)處理和分析圖像處理和分析系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖像處理和分析系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 1.4 1.4 數(shù)字圖像處理的硬件設(shè)備數(shù)字圖像處理的硬件設(shè)備 一個(gè)圖像處理和分析系統(tǒng)的基本組成有：一個(gè)圖像處理和分析系統(tǒng)的基本組成有：采集、采集、顯示、存儲(chǔ)、通信、處理顯示、存儲(chǔ)、通信、處理和和分析分析五個(gè)模塊。五個(gè)模塊。 6.6.圖像處理軟件圖像處理軟件 用于數(shù)字圖像文件存儲(chǔ)和交換的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件用于數(shù)字圖像文件存儲(chǔ)和交換的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式。有未壓縮格式（位圖格式。有未壓縮格式（位圖BMP、TIF）和壓縮格）和壓縮格式（式（GIF、JPG）。）

11、。 1.4 1.4 數(shù)字圖像處理工具軟件數(shù)字圖像處理工具軟件MATLABMATLAB MATLAB是是Math Works公司開發(fā)的科學(xué)計(jì)算公司開發(fā)的科學(xué)計(jì)算工具軟件包。其中，工具軟件包。其中，MATLAB的的Image Processing TOOLBOX提供了圖像處理涉及的許提供了圖像處理涉及的許多處理算法。多處理算法。1.5 1.5 數(shù)字圖像的基本圖像類型數(shù)字圖像的基本圖像類型1.1.數(shù)字圖像的矩陣表示數(shù)字圖像的矩陣表示 從客觀景物得到的圖像是二維的，因此一幅圖像從客觀景物得到的圖像是二維的，因此一幅圖像可以用一個(gè)二維數(shù)組可以用一個(gè)二維數(shù)組 來(lái)表示，這里來(lái)表示，這里x和和y表示二維空間中

12、的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，表示二維空間中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，f 值代表圖像值代表圖像在點(diǎn)在點(diǎn)(x,y)的某種性質(zhì)的某種性質(zhì)F F的數(shù)值。這個(gè)圖像性質(zhì)一般用的數(shù)值。這個(gè)圖像性質(zhì)一般用灰度值來(lái)表示?；叶戎祦?lái)表示。 灰度：灰度：圖像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亮度值。圖像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亮度值。 計(jì)算機(jī)圖像處理中，坐標(biāo)空間計(jì)算機(jī)圖像處理中，坐標(biāo)空間x,y和性質(zhì)和性質(zhì)F值都值都是離散的，一般在整數(shù)集合中取值。是離散的，一般在整數(shù)集合中取值。），（yxf數(shù)字圖像的矩陣表示：數(shù)字圖像的矩陣表示：21 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 14 11 20 2117 16 12 12 16915 13

13、98651795654 4 5 6 5 9 175 6 8 9 13 159 16 12 12 16 1721 20 11 14 18 1717 25 20 21 22 2417 19 24 25 24 21XY0(b)(a)XY0圖（圖（a）所用坐標(biāo)系通常在屏幕顯示中采用，即）所用坐標(biāo)系通常在屏幕顯示中采用，即原點(diǎn)原點(diǎn)0在圖像左上角；在圖像左上角；圖（圖（b）所用坐標(biāo)系通常在圖像計(jì)算中采用，即）所用坐標(biāo)系通常在圖像計(jì)算中采用，即原點(diǎn)原點(diǎn)0在圖像左下角；在圖像左下角；數(shù)字圖像的矩陣表示：數(shù)字圖像的矩陣表示： 像素：像素： 通常，表示圖像的二維數(shù)組是連續(xù)的，將連續(xù)通常，表示圖像的二維數(shù)組是連續(xù)的

14、，將連續(xù)參數(shù)參數(shù) x,y，和和 f 取離散值后，圖像被分割成很多小取離散值后，圖像被分割成很多小的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格即為像素。的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格即為像素。 每個(gè)像素具有獨(dú)立的屬性。一個(gè)像素最少具有每個(gè)像素具有獨(dú)立的屬性。一個(gè)像素最少具有兩個(gè)屬性，即兩個(gè)屬性，即(x,y) 和和（F）。位置由像元所在的行列坐標(biāo)決定，位置由像元所在的行列坐標(biāo)決定， 通常用坐標(biāo)對(duì)（通常用坐標(biāo)對(duì)（x,y）表示。）表示。21 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 141120 2117 16 12 12 16915 1398651795654v位圖圖像位圖圖像（bitmap）：）： 一幅圖像

15、有許多像素點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)像素點(diǎn)包含一幅圖像有許多像素點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)像素點(diǎn)包含著反映圖像在該點(diǎn)的明暗和顏色變化等信息，這著反映圖像在該點(diǎn)的明暗和顏色變化等信息，這種圖像叫做位圖圖像。種圖像叫做位圖圖像。例：免疫細(xì)胞圖像分割的過(guò)程示意圖例：免疫細(xì)胞圖像分割的過(guò)程示意圖 ：（1）原圖）原圖（2）邊界圖）邊界圖（3）區(qū)域圖）區(qū)域圖 像素間的基本關(guān)系：像素間的基本關(guān)系： (1)鄰域：鄰域： 設(shè)設(shè)p為位于坐標(biāo)為位于坐標(biāo)(x,y)的一個(gè)像素，則的一個(gè)像素，則u四鄰域四鄰域 ： p的個(gè)水平和垂直相鄰像素的個(gè)水平和垂直相鄰像素的坐標(biāo)為：的坐標(biāo)為：(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1) 上述像

16、素組成上述像素組成p的鄰域，的鄰域，用用N4(p) 表示。表示。 每個(gè)像素距每個(gè)像素距(x,y)一個(gè)單位距離。一個(gè)單位距離。 rrprr(a)4鄰域鄰域N4(p)(x-1,y)(x,y-1)(x,y)(x,y+1)(x+1,y)sspss(b) 對(duì)角鄰域?qū)青徲騈D(p)srsrprsrs(c) 鄰域鄰域N8(p) 對(duì)角相鄰像素集用對(duì)角相鄰像素集用ND(p)表示。表示。 ND(p)與與N4(p)合起來(lái)稱為合起來(lái)稱為p的鄰域，用的鄰域，用N8(p)表示。表示。u對(duì)角鄰域和對(duì)角鄰域和8鄰域：鄰域： p的個(gè)對(duì)角相鄰像素的坐標(biāo)為：的個(gè)對(duì)角相鄰像素的坐標(biāo)為： (x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x

17、-1,y+1)，(x-1,y-1)(x-1,y-1)(x-1,y+1)(x,y)(x+1,y-1)(x+1,y+1) (2)連通性：連通性：判斷像素間是否連通的兩個(gè)要素：判斷像素間是否連通的兩個(gè)要素： 像素是否相鄰、灰度值是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則。像素是否相鄰、灰度值是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則。三種類型的連接性：三種類型的連接性：令令V是定義連接性的灰度值集合，是定義連接性的灰度值集合， 如：具有灰度值為如：具有灰度值為32至至48之間像素的連通性，即之間像素的連通性，即 V=32,33,47,48u連接：連接：個(gè)像素個(gè)像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N4(p)中中u連接：連接：個(gè)像

18、素個(gè)像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N8(p)中中 (3) 距離距離 給定三個(gè)像素給定三個(gè)像素p,q,r其坐標(biāo)分別為其坐標(biāo)分別為(x,y),(s,t),(u,v)如果滿足三個(gè)條件，則如果滿足三個(gè)條件，則D是距離函數(shù)或度量。是距離函數(shù)或度量。)qpqpDqpD 當(dāng)當(dāng) 當(dāng)當(dāng)且且僅僅0),( , 0),()1),(),()2pqDqpD ),(),(),()3rqDqpDrpD lp和和q之間的之間的D4距離距離(城市街區(qū)距離城市街區(qū)距離):( 取菱形窗口取菱形窗口)tysxqpD ),(4(3) 距離距離即：與點(diǎn)即：與點(diǎn)(x,y)的的D4距離小于或等于某一數(shù)值距離小于或等于某一數(shù)值d的

19、像的像 素組成以素組成以(x,y)為中心的菱形。為中心的菱形。例例: :例例: :lp和和q之間的之間的D8距離距離(棋盤距離棋盤距離)：(取方形窗口取方形窗口),max(),(8tysxqpD 即：與點(diǎn)即：與點(diǎn)(x,y)的的D8距離小于或等于某一數(shù)值距離小于或等于某一數(shù)值d的像的像 素組成以素組成以(x,y)為中心的方形。為中心的方形。lp和和q之間的歐氏距離：之間的歐氏距離：(取圓形窗口取圓形窗口)2122)()(),(tysxqpDe (3) 距離距離即：與點(diǎn)即：與點(diǎn)(x,y)的的D4距離小于或等于某一數(shù)值距離小于或等于某一數(shù)值d的像的像 素組成以素組成以(x,y)為中心，以為中心，以d

20、為半徑的圓。為半徑的圓。 3.描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)有三個(gè)：圖像分辨率、圖像描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)有三個(gè)：圖像分辨率、圖像深度和圖像數(shù)據(jù)容量。深度和圖像數(shù)據(jù)容量。圖像分辨率：圖像分辨率：指對(duì)原始圖像的采樣分辨率，即圖像水指對(duì)原始圖像的采樣分辨率，即圖像水 平或垂直方向單位長(zhǎng)度上所包含的采樣點(diǎn)數(shù)。單平或垂直方向單位長(zhǎng)度上所包含的采樣點(diǎn)數(shù)。單 位是位是“像素點(diǎn)像素點(diǎn)/ /單位長(zhǎng)度單位長(zhǎng)度”，例如：像素點(diǎn)，例如：像素點(diǎn)/ /毫米、毫米、 像素點(diǎn)像素點(diǎn)/ /英寸。習(xí)慣上也以水平方向上的像素點(diǎn)與英寸。習(xí)慣上也以水平方向上的像素點(diǎn)與 垂直方向上的像素點(diǎn)的乘積表示

21、，如：垂直方向上的像素點(diǎn)的乘積表示，如： 640480。圖像深度：圖像深度：位圖圖像中，各像素點(diǎn)的亮度或色彩信位圖圖像中，各像素點(diǎn)的亮度或色彩信息用二進(jìn)制數(shù)位來(lái)表示，這一數(shù)據(jù)位的位數(shù)即為像息用二進(jìn)制數(shù)位來(lái)表示，這一數(shù)據(jù)位的位數(shù)即為像素深度，也叫圖像深度。圖像深度越深，能夠表現(xiàn)素深度，也叫圖像深度。圖像深度越深，能夠表現(xiàn)的顏色數(shù)量越多，圖像的色彩也越豐富。的顏色數(shù)量越多，圖像的色彩也越豐富。圖像數(shù)據(jù)量：圖像數(shù)據(jù)量： 圖像數(shù)據(jù)量是一幅圖像的總像素點(diǎn)數(shù)目與每個(gè)像素圖像數(shù)據(jù)量是一幅圖像的總像素點(diǎn)數(shù)目與每個(gè)像素點(diǎn)所需字節(jié)數(shù)的乘積。點(diǎn)所需字節(jié)數(shù)的乘積。 不同圖像分辨率、圖像深度與圖像數(shù)據(jù)量的關(guān)系：不同圖像分辨率、圖像深度與圖像數(shù)據(jù)量的關(guān)系：8位位(256色色)1個(gè)字節(jié)個(gè)字節(jié)16位（位（65536色）色）,2個(gè)字節(jié)個(gè)字節(jié)24位真彩色位真彩色3個(gè)字節(jié)個(gè)字節(jié) 640480 300k 600k 900k 800600 469k 938k 1.4M 1024768 768k 1.5M 2.3M12801024 1.3M 2.6M 3.8M數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)量圖像圖像深度深度分辨率分辨率圖像像素圖像像素?cái)?shù)對(duì)圖像數(shù)對(duì)圖像的影響的影響灰度級(jí)變灰度級(jí)變化所產(chǎn)生化所產(chǎn)生的效果的效果圖圖2 灰度圖像