第1講-圖像技術(shù)基礎(chǔ)

1、數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 主講教師 吳凡數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 教材 圖像處理和分析技術(shù)第二版 章毓晉，高等教育出版社數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 提綱 圖像技術(shù)基礎(chǔ) 圖像增強技術(shù) 圖像變換技術(shù) 圖像編碼技術(shù) 圖像分割技術(shù) 目標(biāo)表達和描述技術(shù)第一章第一章 圖像技術(shù)基礎(chǔ)圖像技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理簡介圖像與像素像素間的聯(lián)系圖像坐標(biāo)變換采樣和量化1. 數(shù)字圖像處理簡介數(shù)字圖像處理簡介什么是圖像幾個當(dāng)今熱點的研究方向圖像處理的應(yīng)用圖像工程相關(guān)學(xué)科數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要圖像處理主要研究內(nèi)容圖像處理特點什么是圖像圖像（圖像（image)：用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人

2、眼并進而產(chǎn)生視知覺的實體圖像和信息：圖像和信息：人類從外界（客觀世界）獲得的信息約有75%來自視覺系統(tǒng) 數(shù)字圖像處理：數(shù)字圖像處理：信息化的發(fā)展，一方面要求處理對象的數(shù)字化，一方面要求處理時的直觀性-數(shù)字圖像處理1）因特網(wǎng)上的圖像檢索 2）圖像的傳輸 3）圖像的安全技術(shù) 4）圖像的處理技術(shù) 5）圖像的自動識別 6）基于圖像的檢測手段 7）其它視頻方面的研究與需求幾個當(dāng)今熱點的研究方向幾個當(dāng)今熱點的研究方向圖像處理的應(yīng)用 生物醫(yī)學(xué) 、遙感 、工業(yè) 、軍事、電信、公安等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)：生物醫(yī)學(xué)：顯微鏡圖像分析,利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如CT及核磁共振、超聲波、 X射線成像分

3、析等。遙感遙感：農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長勢監(jiān)測，自然災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報，地勢、地貌測繪以及地質(zhì)構(gòu)造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測等等。圖像處理的應(yīng)用 工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)生產(chǎn)：無損探傷，石油勘探，生產(chǎn)過程自動化（識別零件，裝配質(zhì)量檢查），工業(yè)機器人研制等。軍事：軍事：航空及衛(wèi)星偵察照片的測繪、判讀，雷達、 聲納圖像處理，導(dǎo)彈制導(dǎo)，軍事仿真，無人駕駛飛行等。圖像處理的應(yīng)用 通信：通信：圖像傳真，可視電話，衛(wèi)星通訊，數(shù)字電視等。公安：公安：指紋識別，印簽、偽鈔識別，安檢，手跡、印記鑒別分析等。圖像處理的應(yīng)用 氣象預(yù)報：氣象預(yù)報：獲取氣象云圖進行測繪、判讀等。風(fēng)云1號 風(fēng)云2號圖像處理的應(yīng)用 圖像工程圖像工程圖

4、像工程根據(jù)抽象程度不同可分為三個層次：狹義圖像處理、圖像分析和圖像理解。相關(guān)學(xué)科 計算機圖形學(xué) 用計算機將由概念所表示的物體（不是實物）圖像進行處理和顯示。側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照及想象中的攝像機的成像幾何，生成一幅圖像。模式識別 模式識別是對表征事物或現(xiàn)象的各種形式的信息進行處理和分析以對事物或現(xiàn)象進行描述、辨認、分類和解釋的過程。計算機視覺 計算機視覺的目的是發(fā)展出能夠理解自然景物的系統(tǒng)。在機器人領(lǐng)域中，計算機視覺為機器人提供眼睛的功能。相關(guān)學(xué)科計算機圖形學(xué)是從非圖像行使的數(shù)據(jù)描述生成圖像，其實就是和圖像分析對調(diào)。模式識別是把圖像分解成可用符號較抽象地描述的類別。計算機視覺主要強

5、調(diào)用計算機實現(xiàn)人的視覺功能。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要對象物光光源攝像單元A/D轉(zhuǎn)換單元圖像存儲單元計算機數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由硬件和軟件組成采集顯示存儲通信主機圖像處理軟件a.CCD（Charge Coupled Device ）工作原理：將光能量轉(zhuǎn)換為電荷，并將轉(zhuǎn)換得到的電荷進行存儲。 CCD傳感器分為線陣式和陣列式兩種，具有代表性的產(chǎn)品分別有掃描儀和數(shù)碼相機。1 圖像采集模塊圖像采集模塊采集裝置都包括下面兩個部件 光敏感器件 模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要b.CMOS傳感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor )c.CCD與CMOS比較CCD每曝光一

6、次，在快門關(guān)閉后進行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個像素的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導(dǎo)輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯(lián) ADC 輸出。相對地，CMOS 的設(shè)計中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 CMOS速度快,CCD耗電量大，噪音對CMOS的影響會較CCD大，不過CMOS在消噪方面取得不錯的發(fā)展。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要2 圖像顯示模塊圖像顯示模塊 a.顯示設(shè)備：掃描儀、CRT顯示器,LCD,LED b.圖像輸出 半調(diào)輸出(halftoning): 在每個像素位置打印一個其尺寸反比于改像素灰度的黑點

7、，即在亮的圖像區(qū)域打印的點小，而在暗的圖像區(qū)域打印的點大。 利用人眼的集成特性，得到比較連續(xù)平滑的灰度圖像。 抖動技術(shù)(dithering)：對原始圖像加一個隨機的小噪聲，以幫助消除量化不足而導(dǎo)致的圖像中出現(xiàn)的虛假輪廓現(xiàn)象。 通過變動圖像的幅度值來改善量化過粗圖像的顯示質(zhì)量。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要3 圖像存儲模塊圖像存儲模塊 常用硬盤、軟盤、U盤、活動硬盤、光盤、磁帶等 在海量圖像存儲備份系統(tǒng)中，采用磁盤陣列、磁帶庫、光盤塔等存儲設(shè)備。 圖像格式 BMP: 位圖，是Windows操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式。 包含圖像信息豐富，有壓縮和非壓縮兩種。 GIF: 為了交換圖片而產(chǎn)生，特點是壓縮比較高

8、，可存儲單幅和多幅圖像。但最多只能存儲256色圖像。 TIFF:獨立于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的格式，特點是圖像格式復(fù)雜、存儲的圖像細微層次的信息多，圖像質(zhì)量得以提高。有壓縮和非壓縮兩種。 JPEG:用有損壓縮方式去除冗余的圖像和彩色數(shù)據(jù)，獲取得極高的壓縮率的同時能展現(xiàn)十分豐富生動的圖像，用較少的磁盤空間得到較好的圖像質(zhì)量。4 圖像通信模塊圖像通信模塊圖像通信就是把圖像傳送到遠方終端。按傳輸圖像種類分為 靜止圖像通信，如電報、傳真等 活動圖像通信，如電視、可視電話等。5 主機主機以微機或工作站為主，配以圖像卡和外設(shè)構(gòu)成微型圖像處理系統(tǒng)6 圖像處理和分析模塊圖像處理和分析模塊由系統(tǒng)管理、圖像數(shù)據(jù)管理和

9、圖像處理模塊三部分組成。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要圖像處理主要研究內(nèi)容 1 圖像的采集和數(shù)字化圖像的采集和數(shù)字化 如何將一幅光學(xué)圖像表示成一組數(shù)字，既不失真又便于計算機分析處理。 主要包括圖像的采樣與量化。圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，傅立葉變換、沃爾什變換、DCT等。2 圖像變換圖像變換圖像處理主要研究內(nèi)容3 圖像增強圖像增強 改善圖像視覺效果, 加強圖像有用信息，消弱干擾和噪聲。4 圖像恢復(fù)和重建圖像恢復(fù)和重建把退化、模糊的圖像復(fù)原。包括圖像輻射和幾何校正等內(nèi)容。模糊的原因有許多種，最常見的有運動模糊，散焦模糊等等。5 圖像編碼和壓縮圖像

10、編碼和壓縮 簡化圖像的表示，壓縮圖像的數(shù)據(jù)，以便于存儲和傳輸。圖像處理主要研究內(nèi)容6 圖像分割圖像分割 將一幅圖像的區(qū)域根據(jù)分析對象進行分割,提取感興趣 的目標(biāo)。 7 圖像特征提取與描述圖像特征提取與描述 圖像特征提取與描述的各種方法。 圖像特征包括： 直接特征和間接特征9 圖像隱藏圖像隱藏 是指媒體信息的相互隱藏。 1）數(shù)字水印 2）圖像的信息偽裝圖像處理主要研究內(nèi)容 8 圖像識別圖像識別 對圖像中的不同對象進行分類、描述和解譯。圖像處理特點 精度高精度高 對于一幅圖像，數(shù)字化時不管是用多少比特表示，只需改變計算機程序的參數(shù)，處理方法不變。所以不管對多高精度的數(shù)字圖像進行處理都是可能的。 模

11、擬圖像處理中，要想使精度提高一個數(shù)量級，就必須對裝置進行大幅度改進。 再現(xiàn)性好再現(xiàn)性好 數(shù)字圖像均用數(shù)組或數(shù)組集合表示，并在計算機內(nèi)部進行處理，這樣數(shù)據(jù)就不會丟失或遭破壞，保持了完好的再現(xiàn)性。 模擬圖像處理過程中，就會因為各種干擾因素而無法保持圖像的再現(xiàn)性。圖像處理特點 通用性、靈活性強通用性、靈活性強 不管是可視圖像,還是X光圖像、熱紅外圖像、超聲波圖像等不可見光圖像，盡管生成體系中的設(shè)備規(guī)模和精度各不相同，但當(dāng)把這些圖像數(shù)字化后，都可進行同樣處理，即具有通用性。 另外，計算機可對圖像進行各種各樣的處理，所以靈活性很高。 3. 圖像和像素圖像和像素圖像和數(shù)字圖像像素和表示圖像和數(shù)字圖像圖像和

12、數(shù)字圖像圖像圖像類型類型廣義圖片，動畫，繪圖，文字/檔，.狹義單幅 序列圖象，.靜止 運動圖象（視頻），.2-D 3-D，彩色，立體對，多光譜,多視場圖象，. 灰度 深度，紋理圖象，. 模擬圖像 模擬圖像可用連續(xù)函數(shù)來描述。 其特點：光照位置和光照強度均為連續(xù)變化的。數(shù)字圖像 離散化的圖像，像素是其最小的單位),(yxFI 圖像和數(shù)字圖像圖像和像素 數(shù)字圖像實例 ORCOI(r,c)YXf(x,y)屏幕顯示使用圖像計算使用像素（picture element, pixel)數(shù)字圖像可分解為許多單元，每個基本單元叫做圖像元素像素或像元的屬性：空間位置和灰度。像素越多，圖像的分辨率越高，圖像的細節(jié)

13、就越多像素和表示 像素和表示 圖像表示圖像表示/像素表示像素表示2-D數(shù)組f (x, y)x ， y：2-D空間XY中像素的位置f：代表圖象在(x, y)的性質(zhì)F 的數(shù)值f，x，y 的值可以是任意實數(shù)性質(zhì)F : 可對應(yīng)不同物理量 灰度圖象里用灰度表示*表示圖像就需要表示其各個像素*表示像素就是通過空間位置和灰度像素和表示 圖像表示圖像表示/像素表示像素表示 矩陣矩陣 矢量 MNMMNNfffffffff212222111211FNfffF21NifffMiiii , 2, 1,T21fM: 行數(shù) N: 列數(shù)像素和表示 黑白圖像黑白圖像 指圖像的每個像素只能是黑或者白，沒有中間的過渡，故又稱為二

14、值圖像。2值圖像的像素值為0、1。 011100001I灰度圖像灰度圖像 是指每個像素的信息由一個量化的灰度級來描述的圖像，沒有彩色信息。 100220250180501202001500I像素和表示 灰度圖像描述示例像素和表示 彩色圖像彩色圖像 彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像，其中RBG是由不同的級來描述的。 00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B像素和表示 4. 像素間聯(lián)系像素間聯(lián)系像素鄰域像素間的距離像素鄰域 象素的鄰域象素的鄰域4-鄰域N4(p)： 對角鄰域ND(p)：8-鄰域N

15、8(p)：rrprrsspsssrsrprsrs如果q在p的鄰域中，p和q是鄰接連接連接（adjacency, 鄰接）vs. (connectivity, 連接)鄰接僅考慮象素間的空間關(guān)系 兩個象素是否連接：(1) 是否接觸（鄰接）(2) 灰度值是否滿足某個特定的相似準(zhǔn) 則（同在一個灰度值集合中取值）像素鄰域 連通連通 兩個像素p和q間有一系列連接的像素連接是連通的一種特例通路通路由一系列依次連接的象素組成從具有坐標(biāo)(x, y)的象素p到具有坐標(biāo)(s, t)的象素q的一條通路由一系列具有坐標(biāo)(x0, y0)，(x1, y1)，(xn, yn)的獨立象素組成。這里(x0, y0) = (x, y

16、)，(xn, yn) = (s, t)，且(xi, yi)與(xi-1, yi-1)鄰接，其中1 i n，n為通路長度 4-連通，8-連通 4-通路，8-通路 像素鄰域 像素間距離 距離量度函數(shù)距離量度函數(shù)3個象素p，q，r，坐標(biāo)(x, y)，(s, t)，(u, v)(1) 兩個象素之間的距離總是正的(2) 距離與起終點的選擇無關(guān)(3)最短距離是沿直線的)0),(qpqpD當(dāng)且僅當(dāng)),(),(pqDqpD),(),(),(rqDqpDrpD0),(qpD距離量度函數(shù)距離量度函數(shù) (1) 歐氏（Euclidean）距離 (2) 城區(qū)（city-block）距離 (3) 棋盤（chessboar

17、d）距離2/1 22E)()(),(tysxqpD ),(4tysxqpD) , ( max),(8tysxqpD像素間距離 結(jié)果準(zhǔn)確，運算量大運算量小，有一定誤差像素間距離 距離量度函數(shù)距離量度函數(shù)距離計算示例距離計算示例DE = 5 D4 = 7 D8 = 4像素間距離 用距離定義鄰域用距離定義鄰域考慮在空間點 (xp, yp)的象素 p4-鄰域N4(p)8-鄰域N8(p)1),( )(44rpDrpN1),( )(88rpDrpN5. 圖像坐標(biāo)變換圖像坐標(biāo)變換平移變換尺度變換旋轉(zhuǎn)變換級聯(lián)設(shè)點P0(x0, y0,z0)進行平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐標(biāo)軸方向的平移量分別為x, y

18、, z 。則點P(x,y,z)的坐標(biāo)為 平移變換平移變換 110001000100011000zyxzyxzyx利用齊次坐標(biāo)，變換前后圖像上的象素點之間的關(guān)系可用如下矩陣變換表示 zzzyyyxxx000變換矩陣變換矩陣T*圖像坐標(biāo)變換的矩陣表示：v = Avv 原坐標(biāo)的適量v 變換后坐標(biāo)的矢量110000000000001000zyxfzfxfxzyx將圖像沿坐標(biāo)軸方向進行比例縮放， 從而獲得一幅新圖像。如果在x軸和y軸方向變換比率相同，則稱為全比例縮放，否則，圖像的尺度變換會改變原始圖像像素間的相對位置，產(chǎn)生幾何畸變。設(shè)尺度因子為f，尺度變換前后兩點P0(x0, y0,z0)、P(x,y,

19、z)之間的關(guān)系用矩陣形式可以表示為 尺度變換 變換矩陣變換矩陣S11000010000cossin00sincos1000zyxzyx1)繞x軸旋轉(zhuǎn)角度110000cossin00sincos000111000zyxzyx110000cos0sin00100sin0cos1000zyxzyx2) 繞x軸旋轉(zhuǎn)角度3) 繞y軸旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)變換 變換矩陣變換矩陣R級聯(lián) 對一個坐標(biāo)為 v 的點進行平移、放縮、旋轉(zhuǎn)等基本變換后所完成的變換?？梢宰C明，級聯(lián)的矩陣等于基本變換的矩陣按順序依次相乘所得組合矩陣?？杀硎緸椋河脝蝹€變換矩陣的方法可對點矩陣v 變換 這些矩陣的運算次序一般不可互換AvTvSRv)(

20、6. 采樣和量化采樣和量化圖像的數(shù)字化采樣量化 量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系 圖像的數(shù)字化：將模擬圖像離散化后得到用數(shù)字表示的圖像。 把圖像分割成如圖所示一個個小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域的灰度用整數(shù)表示，形成一幅數(shù)字圖像。它包括采樣（sampling)和量化(quantization)兩個過程。像素的位置和灰度是像素的屬性。 圖像數(shù)字化 將空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點（即像素）集的操作稱為采樣。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸兩個方向上進行。采樣采樣 一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴重時出現(xiàn)馬賽克效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素數(shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。采樣采樣量化量化將像素的明暗信息（灰度）離散化為整數(shù)值的過程稱為量化。若連續(xù)灰度值為z，對于zizzi+1的z值，都量化為整數(shù)qi。qi稱為像素的灰度值，z與qi的差稱為量化誤差?？紤]到人眼的識別能力，目前非特殊用途的