數(shù)字圖像處理概論P(yáng)PT課件

1、計(jì)算機(jī)圖像處理第1頁/共48頁l 計(jì)算機(jī)圖像處理課程性質(zhì)： 本課程作為專業(yè)主干課，是電子信息專業(yè)本科生的必修課，通過學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)圖像處理與分析的基本概念，典型算法和基本實(shí)用技術(shù)。l課程內(nèi)容：本課程主要為兩部分內(nèi)容： 第一部分為圖像處理的基礎(chǔ)。包括緒論、圖像處理的基本概念和圖像變換。 第二部分為圖像處理的理論和方法。包括圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼與壓縮、圖像分析與識別基礎(chǔ)等。 第2頁/共48頁第1章 緒論1.11.1計(jì)算機(jī)圖像處理概述1.1.圖像處理的概念(image)(image) 什么是圖像? ?第3頁/共48頁幾幅圖像第4頁/共48頁u人眼視覺圖像：照片、圖、畫等。u數(shù)學(xué)圖像：由連續(xù)

2、函數(shù)或離散函數(shù)生成的抽象圖像。u物理圖像：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。圖像與圖片(picture)和圖形(graphic)有何區(qū)別？第5頁/共48頁數(shù)學(xué)函數(shù)連續(xù)函數(shù)不可見的物理圖像離散函數(shù)(數(shù)字圖像)可見圖像照片圖畫光圖像物體圖像圖像的分類第6頁/共48頁t),z,y,f(x,I第7頁/共48頁數(shù)字圖像21242524191724222120251717181411202117161212169151398651795654第8頁/共48頁利用計(jì)算機(jī)對數(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)。 基于計(jì)算機(jī)的圖像處理學(xué)是從信息處理、自動控制系

3、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“圖像信息的獲取、傳輸、存儲、變換、顯示、理解與綜合利用”的一門嶄新學(xué)科。此時，圖像為平面上靜止的單色圖像，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 另外一種描述圖像的方法是以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)性表征法，即把圖像信息作為隨機(jī)信號。y)f(x,I 第9頁/共48頁 數(shù)字圖像的發(fā)展：第10頁/共48頁主動脈造影圖像胸部x射線圖像顯微鏡獲得圖像音頻CD的表面（1750倍）第11頁/共48頁衛(wèi)星多光譜圖像反射到雷達(dá)天線的微波圖像三維計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的圖像超聲波成像肌肉層有損害第12頁/共48頁5.5.數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)：（1 1）直觀形象，信息量大；（2 2）精度

4、高, ,容易實(shí)現(xiàn)；（3 3）再現(xiàn)性好；（4 4）通用性、靈活性高。4.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)過數(shù)字化處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。第13頁/共48頁1.2數(shù)字圖像處理研究內(nèi)容與應(yīng)用圖像變換：對圖像進(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a) 原始圖像 b) 離散傅立葉頻譜第14頁/共48頁a) 原圖 b) 圖像增強(qiáng)后的圖c) 原圖d) 經(jīng)過復(fù)原的圖圖像增強(qiáng)圖例圖像復(fù)原圖例第15頁/共48頁a) 一幅免疫細(xì)胞圖像 b) 指紋圖像 第16頁/共48頁高層中層低層符號目標(biāo)像素語義操作對象高低小大抽象程度數(shù)據(jù)量圖像處理圖像分析狹義圖像處理第17頁/共48頁數(shù)字圖像處理

5、方法 圖字圖像處理方法分為大兩類：空間域處理（空域法）和變換域處理（頻域法）。u空域法：直接對獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行處理。u頻域法：對先對獲取的數(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 再逆變換到空間域，得到圖像的處理結(jié)果。 第18頁/共48頁主要應(yīng)用：l計(jì)算機(jī)科學(xué)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能研究和多媒體計(jì)算機(jī)研究等。l通信技術(shù)：圖像傳真、可視電話、衛(wèi)星通信等。l生物醫(yī)學(xué)：X X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。l遙感技術(shù)：自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、監(jiān)測，地質(zhì)結(jié)構(gòu)測繪，找礦，水文、農(nóng)林資源調(diào)查等。第19頁/共48頁l軍事技術(shù)：導(dǎo)彈制導(dǎo)，雷達(dá)、聲納圖像處理，軍事仿真

6、等。l考古：恢復(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：指紋鑒別，手跡分析， 偽鈔識別等。l其它應(yīng)用：材料分析、服裝試穿顯示、發(fā)型設(shè)計(jì)顯示、現(xiàn)場視頻管理等。第20頁/共48頁狹義圖像處理模式識別圖像理解圖像理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像分析計(jì)算機(jī)視覺（轉(zhuǎn)換） 圖像 圖像 符號 (人) 數(shù)據(jù)客觀世界新技術(shù)新工具新理論圖像處理學(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)與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系第21頁/共48頁通信顯示采集存儲處理和分析圖像處理和分析系統(tǒng)構(gòu)成示意圖1.1.數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 一個圖像處理和分析系統(tǒng)的基本組成有：采集、顯示、存儲、通信、處理和分析五個模塊。第22頁/共48頁（1）對某個電磁能

7、量波段（X X射線，紫外線，可見光，紅外線等）敏感的物理器件。 （2 2）數(shù)字化器： 電荷耦合器件（CCD)CCD)照相機(jī)，視頻攝像機(jī)和掃描儀等。第23頁/共48頁4.4.圖像處理和分析模塊 圖像處理和分析模塊可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。6.圖像處理軟件 用于數(shù)字圖像文件存儲和交換的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式。有未壓縮格式（位圖BMP）和壓縮格式（GIF格式）第24頁/共48頁 1.4 數(shù)字圖像處理工具軟件MATLAB MATLAB是Math Works公司開發(fā)的科學(xué)計(jì)算工具軟件包。其中，MATLAB的Image Processing TOOLBOX提供了圖像處理涉及的許多處理算法。第25頁/共4

8、8頁1.51.5數(shù)字圖像處理中的基本圖像類型1.1.數(shù)字圖像的矩陣表示 從客觀景物得到的圖像是二維的，因此一幅圖像可以用一個二維數(shù)組 來表示，這里x和y表示二維空間中的一個坐標(biāo)點(diǎn)的位置，f 值代表圖像在點(diǎn)(x,y)的某種性質(zhì)F F的數(shù)值。這個圖像性質(zhì)一般用灰度值來表示。 灰度：圖像上對應(yīng)點(diǎn)的亮度值。 計(jì)算機(jī)圖像處理中，坐標(biāo)空間x,y和性質(zhì)F值都是離散的，一般在整數(shù)集合中取值。），（yxf第26頁/共48頁數(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 1398651795654 4 5

9、 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 21第27頁/共48頁XY0(b)(a)XY0圖（a）所用坐標(biāo)系通常在屏幕顯示中采用，即原點(diǎn)0在圖像左上角圖（b）所用坐標(biāo)系通常在圖像計(jì)算中采用，即原點(diǎn)0在圖像左下角第28頁/共48頁 像素： 通常，表示圖像的二維數(shù)組是連續(xù)的，將連續(xù)參數(shù)x,y,和f取離散值后，圖像被分割成很多小的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格即為像素。 每個像素具有獨(dú)立的屬性。一個像素最少具有兩個屬性，即(x,y) 和（F）。位置由像元所在的行列坐標(biāo)決定，通常用坐標(biāo)對（

10、x,y）表示。21242524191724222120251717181411202117161212169151398651795654第29頁/共48頁 位圖圖像（bitmap）： 一幅圖像有許多像素點(diǎn)構(gòu)成，每個像素點(diǎn)包含著反映圖像在該點(diǎn)的明暗和顏色變化等信息，這種圖像叫做位圖圖像。 像素間基本關(guān)系：例：免疫細(xì)胞圖像分割的過程示意圖 ：（1）原圖（2）邊界圖（3）區(qū)域圖第30頁/共48頁 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)的一個像素，則的一個像素，則u四鄰域四鄰域 ： p的個水平和垂直相鄰像素的坐標(biāo)為：的個水平和垂直相鄰像素的坐標(biāo)

11、為： (x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1) 上述像素組成上述像素組成p的鄰域，用的鄰域，用N4(p)表示。表示。 每個像素距每個像素距(x,y)一個單位距離。一個單位距離。 rrprr(a)4鄰域N4(p)(x-1,y)(x,y-1)(x,y)(x,y+1)(x+1,y)第31頁/共48頁sspss(b) 對角鄰域ND(p)srsrprsrs(c) 鄰域N8(p) 對角相鄰像素集用ND(p)表示。 ND(p)與N4(p)合起來稱為p的鄰域，用N8(p)表示。u對角鄰域和8鄰域： p的個對角相鄰像素的坐標(biāo)為： (x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x-1,y+1)，

12、(x-1,y-1)(x-1,y-1)(x-1,y+1)(x,y)(x+1,y-1)(x+1,y+1)第32頁/共48頁 (2)連通性：判斷像素間是否連通的兩個要素：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：令V是定義連接性的灰度值集合， 如：具有灰度值為32至48之間像素的連通性，即 V=32,33,47,48u連接：個像素p和r在V中取值，且r在N4(p)中u連接：個像素p和r在V中取值，且r在N8(p)中第33頁/共48頁um連接(混合連接)：個像素p和r在V中取值，且滿足下列條件之一：r在N4(p)中；r在ND(p)中且N4(p)N4(r) 不包含V中取值的像素，即

13、該集合是由p和r的在V中取值的近鄰像素組成。ab pcdref1110010111110101(d) V=時m連接第34頁/共48頁(3)距離給定三個像素p,q,r其坐標(biāo)分別為(x,y),(s,t),(u,v)如果滿足三個條件（書p25)，則D是距離函數(shù)或度量。lp和q之間的歐氏距離：(取圓形窗口)2122)()(),(tysxqpDe lp和q之間的D4距離(城市街區(qū)距離):( 取菱形窗口)tysxqpD ),(4第35頁/共48頁lp和q之間的D8距離(棋盤距離)：(取方形窗口),max(),(8tysxqpD 注注意意p和q之間的D4和D8距離與任何通路無關(guān)。對于m連通時，兩點(diǎn)之間的Dm

14、距離（通路的長度）將依賴于沿通路的像素以及它們近鄰像素的值。第36頁/共48頁例：m連通時的像素間距離的計(jì)算。(a)是某個子圖像，其中像素p和q的值均為。(b)當(dāng)s=0,t=0時，則Dm(p,q)=2;(c)當(dāng)s=0,t=1時，則Dm(p,q)=3;(d)當(dāng)s=0,t=1時，則Dm(p,q)=3;(e)當(dāng)s=1,t=1時，則Dm(p,q)=4;第37頁/共48頁第38頁/共48頁 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)有三個：圖像分辨率、圖像深度和圖像數(shù)據(jù)容量。圖像分辨率：指對原始圖像的采樣分辨率，即圖像水平或垂指對原始圖像的采樣分辨率，即圖像水平或垂直方向單位長度上所包含的采樣點(diǎn)數(shù)

15、。單位是直方向單位長度上所包含的采樣點(diǎn)數(shù)。單位是“像素點(diǎn)像素點(diǎn)/ /單位長單位長度度”，例如：像素點(diǎn)，例如：像素點(diǎn)/ /毫米、像素點(diǎn)毫米、像素點(diǎn)/ /英寸。習(xí)慣上也以水平方英寸。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，如：向上的像素點(diǎn)與垂直方向上的像素點(diǎn)的乘積表示，如：640480。圖像深度：位圖圖像中，各像素點(diǎn)的亮度或色彩信息用二進(jìn)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)位來表示，這一數(shù)據(jù)位的位數(shù)即為像素深度，也叫圖像深制數(shù)位來表示，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)的顏色數(shù)量越多，圖像的色彩也度。圖像深度越深，能夠表現(xiàn)的顏色數(shù)量越多

16、，圖像的色彩也越豐富。越豐富。第39頁/共48頁圖像數(shù)據(jù)量： 圖像數(shù)據(jù)量是一幅圖像的總像素點(diǎn)數(shù)目與每個像素點(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：8位（位（256色）色）1個字節(jié)個字節(jié)16位（位（65536色）色）,2個字節(jié)個字節(jié)24位真彩色位真彩色3個字節(jié)個字節(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)量圖像深度分辨率第40頁/共48頁圖像像素?cái)?shù)對圖像的影響第41頁/共48頁灰度級變化所產(chǎn)生的效果第42頁/共48頁圖2 灰度圖像圖1 二值（黑白）圖像第43頁/共48頁二值圖像灰度圖像即數(shù)據(jù)矩陣（I）和一個顏色影像表矩陣（Map）。第44頁/共48頁Map矩陣是一個3列若干行的數(shù)據(jù)陣列，其每一行分別表示紅色、綠色和藍(lán)色的顏色值。圖像中的像素顏色由數(shù)據(jù)矩陣I作為索引指向矩陣Map進(jìn)行索引。索引圖像 例如：例如：數(shù)據(jù)矩陣