數(shù)字圖像處理緒論

2023/2/61數(shù)字圖像處理信息與通信工程學(xué)院張洪剛zhhg@Alittlebitaboutme張洪剛

單位：北郵模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)室

職務(wù)職稱：博士生導(dǎo)師，副教授，網(wǎng)絡(luò)搜索教研中心主任IEEE高級(jí)會(huì)員工作經(jīng)歷

2007.7-2008.7卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院

訪問學(xué)者

2005.6-現(xiàn)在

北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院

副教授

2003.3-2005.6北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院

講師科研經(jīng)歷:基于認(rèn)知的圖像不變特征提取，國家自然基金項(xiàng)目，2012-2016，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，項(xiàng)目編號(hào)：61175011；層次化海量圖像型垃圾郵件過濾體系中的關(guān)鍵問題研究，2012-2016，項(xiàng)目主研人，項(xiàng)目編號(hào)：61171193；論文發(fā)表論文包括SCIENCE，TPAMI，MVA，Neurocomputing等雜志及AAAI會(huì)議論文30多篇。2023/2/62北郵人十大知乎2023/2/63北郵是如何一步一步成為互聯(lián)網(wǎng)之王的？微軟、百度、阿里巴巴、搜狗、360、Yahoo排第一谷歌1、清華大學(xué)2、北京郵電大學(xué)兩項(xiàng)百度最高獎(jiǎng)-圖像識(shí)別2023/2/642023/2/65一.什么是圖像？光學(xué)圖像LenaIKONOS衛(wèi)星光學(xué)圖像423mile高16000miles/h1m分辨率EP－3,海南陵水,01-4-4大腦斷層圖像

SIR-CSARL/r-L/g-C/bHH-HV-HVpolar沙漠中的長城April10,199425kmx75km圖1-1示例2023/2/66圖像：對(duì)客觀存在的物體的某種屬性的描述。 光學(xué)圖像： 波長0.38-0.8um

其他波段圖像： 伽瑪射線：0.003-0.03nm X射線：0.03-3nm

紫外線：3-300nm

紅外線：0.8-300um

微波：0.3-100cm

聲波圖： 如B超 其他： 由感興趣的物理量轉(zhuǎn)換而成，如密度分布圖。使用圖像的通常是人，人約有80％的信息由視覺獲得。

土星偽彩圖像，由3張拍攝于1998年的影像所合成的，顯示出這顆具有可愛光環(huán)的行星所反射的紅外線光。Onepictureisworthmorethanathousandwords.（一圖勝千言）2023/2/68圖像分類圖像數(shù)學(xué)函數(shù)連續(xù)函數(shù)離散函數(shù)可見圖像圖片照片圖畫不可見物理圖像2023/2/69二.什么是圖像處理？圖像處理就是對(duì)圖像信息進(jìn)行加工處理，以滿足人的視覺心理和實(shí)際應(yīng)用的要求。

例子：調(diào)整了亮度和對(duì)比度2023/2/610數(shù)字圖像處理的幾個(gè)基本目的圖像處理(增強(qiáng)、復(fù)原、編碼和壓縮)圖像輸入圖像輸出以人為最終的信息接收者，其主要目的是改善圖像的質(zhì)量。(a)2023/2/611圖像預(yù)處理(增強(qiáng)、復(fù)原)圖像分割特征提取圖像分類圖像輸入符號(hào)輸出(b)另一類圖像處理以機(jī)器為對(duì)象，目的是使機(jī)器或計(jì)算機(jī)能自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，稱為圖像識(shí)別。2023/2/612

Messi2023/2/613基本概念數(shù)字化過程掃描、采樣、量化構(gòu)成了數(shù)字化過程。對(duì)比度灰度反差的大小灰度分辨率指值的單位幅度上包含的灰度級(jí)數(shù)2023/2/614數(shù)字圖像顯示2023/2/615數(shù)字圖像表示(續(xù))數(shù)字圖像老鼠老鼠的鼻子2023/2/616

941001041191251361431531571581031041069810311914115515916010913613612395781171491551601101301441491297897151161158109137178167119781011851881611001431671348785134216209172104123166161155160205229218181125131172179180208238237228200131148172175188228239238228206161169162163193228230237220199圖像灰度表示數(shù)字矩陣數(shù)字圖像的矩陣表示2023/2/617數(shù)字圖像灰度表示f(x,y)灰度：R=G=B2023/2/618灰度圖像紅綠藍(lán)彩色圖像彩色圖像2023/2/619數(shù)字圖像的分辨率5122561286432GMN

5125122562561281286464323216162023/2/6202023/2/621數(shù)字圖像灰度分辨率2563282圖像灰度級(jí)2561286432168422023/2/622數(shù)字圖像的基本特點(diǎn)（1）處理的大多是二維信息，信息量大。

256x256黑白圖像 64K byte 512x512 彩色圖像 768Kbyte 25Frame/s電視圖像約20M byte（2） 數(shù)字圖像傳輸占用的頻帶較寬。 語音 4KHz

電視圖像 5.6MHz

對(duì)圖像的壓縮提出了要求。2023/2/623（3） 有很多數(shù)字圖像中象素間的相關(guān)性較大，冗余比較多，有利于壓縮。從左圖中可以看到：有大塊的區(qū)域的灰度值是相差不大的。2023/2/624（4） 對(duì)三維景物圖像的理解一個(gè)視角的二維圖像通常是不夠的。（5） 數(shù)字圖像處理后的圖像很多情況下是給人觀察和評(píng)價(jià)的，因此受人的因素影響較大。正面還是側(cè)面？2023/2/625歷史追溯(1)20世紀(jì)20年代:最早的應(yīng)用之一是報(bào)紙業(yè)Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)；通過海底電纜將圖像從倫敦傳往紐約；為了使用電纜傳輸，圖像需要首先編碼，并在接收端通過電報(bào)打印機(jī)進(jìn)行重構(gòu)。早期的數(shù)字圖像2023/2/626歷史追溯(2)20世紀(jì)20年代中期到末期:改進(jìn)Bartlane系統(tǒng)后，圖像質(zhì)量得到了提高打印過程采用了新的光學(xué)還原技術(shù)增加了圖像的灰度等級(jí)改進(jìn)后的數(shù)字圖像早期15級(jí)色調(diào)的數(shù)字圖像2023/2/627歷史追溯(3)20世紀(jì)60年代:由于信息技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一批數(shù)字圖像處理1964:“旅行者7號(hào)”

拍攝的圖像通過計(jì)

算機(jī)進(jìn)行處理并提

高了圖像質(zhì)量；此技術(shù)也在阿波

羅載人登月飛行

等空間探測器中

得到應(yīng)用。由“旅行者7號(hào)”登陸前拍攝的圖像2023/2/628歷史追溯(4)20世紀(jì)70年代:數(shù)字圖像處理開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域1979:GodfreyN.Hounsfield先生以及AllanM.Cormack教授由于發(fā)明了“斷層（CT）技術(shù)”，共同獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，其背后的思想是計(jì)算機(jī)軸向斷層技術(shù)(Computerised

Axial

Tomography(CAT))歷史追溯(5)20世紀(jì)70年代末:隨著人工智能的興起和發(fā)展，開始計(jì)算機(jī)視覺的研究，由2D圖象中獲取3D空間信息20世紀(jì)80年代至今：數(shù)字圖像處理技術(shù)呈爆炸性發(fā)展，如今已在大量領(lǐng)域擔(dān)負(fù)著大量的工作：圖像增強(qiáng)/恢復(fù)藝術(shù)級(jí)效果醫(yī)學(xué)可視化工業(yè)檢驗(yàn)法律執(zhí)行人機(jī)交互2023/2/631數(shù)字圖像處理的內(nèi)容包括圖像變換、圖像編碼、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像的理解和識(shí)別。2023/2/632數(shù)字圖像處理主要研究的內(nèi)容圖像變換:

如付立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換（DCT）等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可減少計(jì)算量，而且可獲得更有效的處理。目前小波變換在時(shí)域和頻域中都具有良好的局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應(yīng)用。2023/2/633圖像編碼壓縮:

圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量(即比特?cái)?shù))，以便節(jié)省圖像傳輸、處理時(shí)間和減少存儲(chǔ)器容量。壓縮可以在不失真前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行。編碼是壓技縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。2023/2/6348x8的DCT變換，64個(gè)系數(shù)中只保留6個(gè)低頻分量。2023/2/635圖像增強(qiáng)和復(fù)原：目的是提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高清晰度等。圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分。如強(qiáng)化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯；如強(qiáng)調(diào)低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復(fù)原要求對(duì)圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，建立“降質(zhì)模型”，再采用某種方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。2023/2/636圖像增強(qiáng)/group/dipr2023/2/637運(yùn)動(dòng)模糊圖像恢復(fù)圖像圖像恢復(fù)(1)2023/2/638數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中物體的邊緣、區(qū)域等，進(jìn)一步進(jìn)行圖像識(shí)別、分析和理解的基礎(chǔ)。圖像分割:2023/2/639圖像的分割圖像識(shí)別模式識(shí)別：使計(jì)算機(jī)模仿人的感知能力，從感知數(shù)據(jù)中提取信息（判別物體和行為）的過程。數(shù)據(jù)獲取模式分割模式識(shí)別姚明ROCKETS11概念DatadrivenModelbased圖像檢索2023/2/642數(shù)字圖像處理應(yīng)用圖像的降噪（除噪）2023/2/643在安檢系統(tǒng)中的偽彩色圖像增強(qiáng)數(shù)字圖像處理應(yīng)用2023/2/644PS圖像處理與識(shí)別應(yīng)用3DPS2023/2/645視頻監(jiān)控--世界上超級(jí)大數(shù)據(jù)生成器

圖像處理與識(shí)別應(yīng)用2023/2/646人機(jī)交互

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