圖像與計(jì)算機(jī)圖像處理課件

1、 隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)信息處理和信息交流的要求越來越高。圖像信息具有直觀、形象、易懂和信息量大等特點(diǎn)，因此它是在人們?nèi)粘５纳?、生產(chǎn)中接觸最多的信息種類之一。第一章 圖像與計(jì)算機(jī)圖像處理1 近年來，圖像信息處理已經(jīng)得到一定的發(fā)展，但隨著對(duì)圖像處理的要求不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，圖像理論必須不斷提高、補(bǔ)充和發(fā)展。圖像的處理已經(jīng)從可見光譜擴(kuò)展到光譜中各個(gè)階段，從靜止圖像發(fā)展到運(yùn)動(dòng)圖像，從物體的外部延伸到物體的內(nèi)部，以及進(jìn)行人工智能化的圖像處理等。本章介紹有關(guān)圖像、數(shù)字圖像的概念，闡明用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理的基本運(yùn)算方法和特點(diǎn)。2 1.1 圖像 1.1.1 圖像 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像

2、信號(hào)的處理和傳輸，首先必須對(duì)圖像進(jìn)行正確的描述，即什么是圖像。對(duì)人們來說，圖像并不陌生，但卻很難用一句話說清其含意。從廣義上說，圖像是自然界景物的客觀反映，是人類認(rèn)識(shí)世界和人類本身的重要源泉。3 圖像信息不僅包含光通量分布，而且還包含人類視覺的主觀感覺。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們可以人為地創(chuàng)造出色彩斑斕、千姿百態(tài)的各種圖像。概括地講，圖像包含以下幾個(gè)重要內(nèi)容：視頻（Video） 圖形（Graphics） 動(dòng)圖（Animation） 符號(hào)（Symbol）與文字（Character）45 1.2 圖像技術(shù)及圖像的分類1.2.1 圖像技術(shù) 圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱。目前，人們

3、主要討論的是數(shù)字圖像，即主要應(yīng)用的是計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)。這包括利用計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備進(jìn)行和完成的一系列工作。78 1.2.2 圖像的分類 由于實(shí)際存在的自然圖像多種多樣，內(nèi)容千變?nèi)f化，故其分類也極為復(fù)雜，但圖像按性質(zhì)特征來分，大致可分為如下幾種情況：（1）灰度分類（2）色彩分類 （3）運(yùn)動(dòng)分類 （4）按時(shí)空分布分類10 1.3 圖像系統(tǒng)的構(gòu)成 1.3.1 圖像系統(tǒng)的線性模型 為了簡單起見，實(shí)際中通常把傳輸或處理圖像信號(hào)的系統(tǒng)近似為二維線性位移不變系統(tǒng)。用這種系統(tǒng)模型來分析和設(shè)計(jì)被證明是有效的。與熟悉的一維線性時(shí)不變系統(tǒng)類似，這種系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)的傅立葉變換。1112 1.3.2

4、圖像處理系統(tǒng)的構(gòu)成 實(shí)際的圖像處理系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜，既包括硬件又包括軟件的系統(tǒng)，隨著具體應(yīng)用目標(biāo)的不同，其構(gòu)成也是大不相同的。圖 1.3所示為圖像處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要是由照明用光源、攝像單元、A /D 轉(zhuǎn)換器、圖像存儲(chǔ)器及計(jì)算機(jī)等要素構(gòu)成。其工作過程如下：對(duì)象物反射的光在攝像單元被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（模擬信號(hào)），再由 A /D 轉(zhuǎn)換器把其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后被存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)器中，有待計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理。1415（2）攝像單元1）CCD 圖像傳感器 CCD 圖像傳感器由光電轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成，光電傳感單元的排列分為線陣排列和面陣排列兩種。圖像傳感器的工作原理是把光能量轉(zhuǎn)換為電荷，并且具有將轉(zhuǎn)換得

5、到的電荷進(jìn)行存儲(chǔ)的能力，以及使電荷向輸出電極移動(dòng)的掃描能力。1718192）CCD 彩色攝像光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 1.7是彩色攝像單元的結(jié)構(gòu)模型圖，對(duì)象物反射的光通過透鏡和光學(xué)低通濾波器之后由三棱鏡把光分為 RGB 三原色，再由 3個(gè) CCD 圖像傳感器把紅 R、綠 G、藍(lán) B 的光信號(hào)變換為3個(gè)電信號(hào)。2021 （3）圖像的數(shù)字化 一般的圖像都是模擬圖像，即圖像上的信息是連續(xù)變化的模擬量。如一幅黑白灰照片上的物體是通過照片上各點(diǎn)的光的強(qiáng)度（簡稱光強(qiáng)）不同而體現(xiàn)的，而照片上的光強(qiáng)是一個(gè)連續(xù)變化的量，也就是說，在一定范圍內(nèi)，光強(qiáng)的任何值都可能出現(xiàn)。對(duì)于這種模擬圖像只能采用模擬處理方式進(jìn)行處理，例如

6、按光學(xué)原理用透鏡將照片放大。22二維連續(xù)函數(shù)基本表達(dá)式為24 當(dāng)二維函數(shù) f（x，y）被某二維窗函數(shù) h（x，y）截成空間有限函數(shù)時(shí)，類似一維函數(shù)，x、y方向?yàn)榛ハ嚅g隔的二維峰狀函數(shù)。為了有效地恢復(fù)原空間有限函數(shù)，要利用周期性質(zhì)。對(duì)一個(gè)M N 的圖像，若采樣間隔滿足25 則 fS（x，y）構(gòu)成一個(gè) M N 實(shí)數(shù)矩陣其中每個(gè)元素為圖像 f（x，y）的離散采樣值。272）采樣圖像的量化 經(jīng)過抽樣后的圖像還不是數(shù)字圖像，因?yàn)檫@些像素上的灰度值仍是一個(gè)連續(xù)量。所謂量化指的是將像素的灰度離散化，使之由連續(xù)量轉(zhuǎn)換為離散的整數(shù)值。 為了進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，必須把無窮多個(gè)離散值化簡為有限個(gè)離散值，即量化，這樣才便

7、于賦予每一個(gè)離散值互異的編碼以進(jìn)入計(jì)算機(jī)。28 1.4 圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià) 1.4.1 人類的視覺 視覺所感受到的圖像可看做是三維光輻射場(chǎng)對(duì)人眼的影響。進(jìn)行分析時(shí)，首先需要建立物理模型，這種模型以照射、反射現(xiàn)象為基礎(chǔ)（包括輻射、傳播、照射、反射和吸收等方面的容）；若圖像分析的結(jié)果或其中間過程需要人的干預(yù)或理解時(shí)，則還有必要對(duì)人眼的視覺機(jī)理以及人眼的構(gòu)造進(jìn)行研究。29（1）圖像與視覺的關(guān)系 圖像最終需要由人或機(jī)器來觀察、識(shí)別、理解。研究圖像與視覺之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是一個(gè)非常重要的問題，需要從符號(hào)和信息兩個(gè)角度探討圖像與視覺的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2）光度學(xué) 光度學(xué)是光學(xué)中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫

8、射等有關(guān)光的度量的學(xué)科，同時(shí)結(jié)合人眼的視覺特征來確定光的度量及使用單位。30 1.4.2 視覺系統(tǒng)的局限性和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)產(chǎn)生的必然性 固然人的視覺系統(tǒng)可看成是一種神奇的、高度自動(dòng)化的生物圖像處理系統(tǒng)，但是，面對(duì)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢(shì)，人的視覺系統(tǒng)還存在許多不足之處。 1）主觀性 2）局限性 3）缺乏持久性 4）模糊性31 1.4.3 圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息科學(xué)的基礎(chǔ)研究之一。對(duì)于圖像處理系統(tǒng)，其信息的主體是圖像，衡量這個(gè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)就是圖像的質(zhì)量。如在圖像編碼中就是在保持被編碼圖像一定質(zhì)量的前提下，以盡量少的碼字來代表圖像，以節(jié)省信息和存儲(chǔ)容量。而圖像增強(qiáng)

9、就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質(zhì)量。又例如圖像復(fù)原則用于補(bǔ)償圖像的降質(zhì)，使復(fù)原后的圖像盡可能接近原始圖像質(zhì)量。所有這些，都要求有一個(gè)合理的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。32（1）圖像的主觀評(píng)價(jià) 這種方法就是通過人來觀察圖像，對(duì)圖像的優(yōu)劣做出主觀評(píng)定，然后對(duì)評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得出評(píng)價(jià)結(jié)果。 1）觀察者既要有未經(jīng)過訓(xùn)練者，同時(shí)考慮 一定經(jīng)驗(yàn)者 2）參加評(píng)分的人員至少要有 20名333435（2）圖像的客觀評(píng)價(jià) 盡管質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)是最權(quán)威的方式，但是在一些研究場(chǎng)合，或者由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，也希望對(duì)圖像有一個(gè)定量的客觀描述。圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)由于著眼點(diǎn)不同而有多種方法，這里介紹的是一種經(jīng)常使用的所謂的逼真度測(cè)量。對(duì)

10、于彩色圖像逼真度的定量表示是一個(gè)十分復(fù)雜的 問題。當(dāng)前，對(duì)黑白圖像逼真度的定量表示應(yīng)用較多。3637 其中，運(yùn)算符 Q.表示在計(jì)算逼真度前，為使測(cè)量值與主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果一致而進(jìn)行的某種預(yù)處理（如對(duì)數(shù)處理、冪處理等）。對(duì)于數(shù)字圖像，另外還有一種常用的方法即峰值均方誤差PMSE：38 1.5 數(shù)字圖像處理的基本概念 1.5.1 基本處理過程 數(shù)字圖像信息可看成是一個(gè)二維數(shù)組 f（i，j），對(duì)它處理的基本過程如同電視光柵掃描過程，按照由左到右，由上到下的順序進(jìn)行（圖 1.8（a），并在掃描過程中逐點(diǎn)對(duì)各像素進(jìn)行幀處理。這樣的掃描過程稱為順向掃描。與此相對(duì)的就是由下到上，由右到左的逆向掃描（圖 1.8（

11、b），也是一種常見的處理過程。3940 1.5.2 基本運(yùn)算形式 在掃描過程中，用計(jì)算機(jī)對(duì)各像素進(jìn)行的處理有各種方式，在此稱它為運(yùn)算形式。下面介紹幾種基本的運(yùn)算形式。（1）點(diǎn)運(yùn)算 在對(duì)圖像各像素進(jìn)行處理時(shí)，只輸入該像素本身灰度的運(yùn)算方式稱為點(diǎn)運(yùn)算。圖 1.9中,輸入圖像 F 上某像素的灰度 f（i，j），現(xiàn)采用點(diǎn)運(yùn)算方式作某種 p處理，得到輸出圖像 G 上該像素的灰度為 g（i，j），即41（2）領(lǐng)域運(yùn)算 在對(duì)圖像各像素進(jìn)行處理時(shí)，不僅輸入該像素本身的灰度，還要輸入以該像素為中心的某局部區(qū)域（即領(lǐng)域）中的一些像素的灰度進(jìn)行運(yùn)算的方式，稱為領(lǐng)域運(yùn)算。42（3）并行運(yùn)算 并行運(yùn)算指的是對(duì)圖像上各像

12、素同時(shí)進(jìn)行相同處理的運(yùn)算方式。這種運(yùn)算方式處理速快,但只能用于處理結(jié)果與處理順序無關(guān)的場(chǎng)合。43（4）串行運(yùn)算 串行運(yùn)算是相對(duì)于并行運(yùn)算而言的，指的是在圖像上按照規(guī)定的順序逐個(gè)對(duì)像素進(jìn)行處理的運(yùn)算形式。圖 1.11所示的領(lǐng)域運(yùn)算形式就是串行運(yùn)算的典型實(shí)例，若 d處理內(nèi)容為將該像素領(lǐng)域中已處理的 4個(gè)像素的灰度輸出值分別加 1后，取最小值作為該像素的輸出值，那么，當(dāng)采用順向掃描時(shí)（圖 1.11（a），d處理運(yùn)算式為：44（5）迭代運(yùn)算 反復(fù)多次進(jìn)行相同處理的運(yùn)算，稱為迭代運(yùn)算。迭代運(yùn)算常用于一次運(yùn)算不能達(dá)到處理目的的情況。 迭代運(yùn)算的反復(fù)次數(shù)可以在處理前設(shè)定，也可在處理過程中根據(jù)是否達(dá)到處理目的

13、由計(jì)算機(jī)自動(dòng)判別后確定。45（6）窗口運(yùn)算 圖像的信息量很大，為減少處理時(shí)間，在可能的情況下，常常采用窗口運(yùn)算來替代全圖像運(yùn)算。所謂窗口運(yùn)算是指對(duì)圖像特定的矩形區(qū)域進(jìn)行某種運(yùn)算的形式。46（7）模板運(yùn)算 對(duì)圖像中特定形狀的區(qū)域進(jìn)行某種運(yùn)算的方式稱為模板運(yùn)算。這里的模板就是指特定形狀的區(qū)域，它常常是與圖像中存在的對(duì)象物有相同特征的一個(gè)局部的子圖像，因此模板實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)二維數(shù)組。圖 1.13（a）中是一幅對(duì)象物為洋蔥的圖像，而模板（圖 1.13（b）就是一個(gè)與對(duì)象物完全一樣的子圖像。通過對(duì)圖像上各像素的模板運(yùn)算，可以找到圖像上與模板特征相同的對(duì)象物的存在位置。4748 （8）幀運(yùn)算 以上各種運(yùn)算都是在一幅圖像內(nèi)進(jìn)行的，圖像與圖像之間不發(fā)生關(guān)系。通常一幅完整的圖像被稱為一幀，在兩幅或多幅圖像之間進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生一幅新圖像的處理稱之為