圖像處理第1章緒論

數(shù)字圖像處理

－圖像處理教材和參考書(shū)

教材：

章毓晉，圖像工程上冊(cè)-圖像處理，清華大學(xué)出版社（第3版）參考書(shū)：1．李朝暉，《數(shù)字圖像處理及應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社，2．朱秀昌等編著，《數(shù)字圖像處理與圖像通信》，北京郵電大學(xué)出版社3．阮秋琦編著，《數(shù)字圖像處理學(xué)》，電子工業(yè)出版社，課堂要求嚴(yán)格遵守學(xué)校的作息制度，上課不遲到、不早退、嚴(yán)格執(zhí)行請(qǐng)假制度。課程性質(zhì)：考試課程成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)成績(jī)（30％）＋試卷成績(jī)（70％）平時(shí)成績(jī)：作業(yè)＋考勤

第一章緒論1.2圖像工程簡(jiǎn)介1.1圖像基本概念1.3圖像處理系統(tǒng)1.4主要內(nèi)容和安排早期英文書(shū)籍用picture指代圖像，隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，先都用image指代離散化的“圖象”，前者是連續(xù)（模擬）的，后者是離散（數(shù)字）的。在《數(shù)字圖像處理》（朱志剛等譯）中，圖像定義為“在一般的意義下，一幅圖像是另一個(gè)東西的一個(gè)表示”，是其所表示物體的信息的一個(gè)濃縮或者概括。

阮秋琦先生在《數(shù)字圖像處理》中將圖像定義為“以某一技術(shù)手段被再現(xiàn)于二維平面上的視覺(jué)信息”，通俗地說(shuō)就是指那些用技術(shù)手段把目標(biāo)原封不動(dòng)地一模一樣地再現(xiàn)出來(lái)的圖像。綜上所述，可以認(rèn)為圖像是與之相對(duì)應(yīng)的物體或目標(biāo)（Objects）的一個(gè)表示，這個(gè)表示可以通過(guò)某種技術(shù)手段得到。圖像的若干定義數(shù)字圖像是指由被稱作象素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個(gè)小塊區(qū)域稱為象素（pixel）每個(gè)象素包括兩個(gè)屬性：位置和亮度（或色彩）。對(duì)灰度圖像而言，每個(gè)象素的亮度用一個(gè)數(shù)值（即灰度值）來(lái)表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級(jí)別。1.1圖像基本概念物理圖像及對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像1.1圖像基本概念灰度級(jí)1.1圖像基本概念亮度等級(jí)圖像分類二值圖像（只有黑白亮度等級(jí)）灰度圖像（有多種亮度等級(jí)）色調(diào)無(wú)色調(diào)的灰度（黑白）圖像有色調(diào)的彩色圖像靜態(tài)圖像活動(dòng)圖像內(nèi)容的變化性質(zhì)空間維數(shù)平面的二維圖像立體的三維圖像1.1圖像基本概念圖像類型{廣義}

圖片，動(dòng)畫(huà)，繪圖，文字/檔，...{狹義}2-D3-D，彩色，立體對(duì)，多光譜，多視

場(chǎng)圖像，...

單幅序列圖像，...

靜止運(yùn)動(dòng)圖像（視頻），...

灰度深度，紋理圖像，...圖像（廣義/抽像）圖像（狹義/具體）1.1圖像基本概念圖像表示性質(zhì)F:可對(duì)應(yīng)不同物理量,常用灰度表示2-D數(shù)組f(x,y)x，y：2-D空間XY中坐標(biāo)點(diǎn)的位置f：代表圖像在(x,y)的性質(zhì)F的數(shù)值f，x，y的值可以是任意實(shí)數(shù)xyf（x，y）01.1圖像基本概念圖像表示

數(shù)組/矩陣該數(shù)組的每一個(gè)元素都稱為像元、圖元或象素1.1圖像基本概念圖像表示

數(shù)組/矩陣1.1圖像基本概念數(shù)字圖像

定義：與之對(duì)應(yīng)的物體的一個(gè)數(shù)字表示2-D數(shù)組I(r,c)r代表圖像的行（row）

c代表圖像的列（column）

I代表離散化后的fI，c，r的值都是整數(shù)

實(shí)際中仍常用f(x,y)CR0I（r,c）1.1圖像基本概念

左圖所用的坐標(biāo)系統(tǒng)常在屏幕顯示中采用

右圖所用的坐標(biāo)系統(tǒng)常在圖像計(jì)算中采用。f(x,y)既可代表這幅圖像，也可表示在(x,y)坐標(biāo)處象素的值。

（r）（c）1.1圖像基本概念1.2圖像工程簡(jiǎn)介1.2.1圖像技術(shù)和圖像工程一、圖像技術(shù)及發(fā)展歷史圖像是用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同形式和手段觀測(cè)客觀世界而獲得的?？梢灾苯踊蜷g接作用于人眼并進(jìn)而產(chǎn)生視知覺(jué)的實(shí)體。上世紀(jì)20年代，巴特蘭（Bartlane)電纜圖片傳輸系統(tǒng)大型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人們開(kāi)始用計(jì)算機(jī)改善圖像。1964、1965年美國(guó)噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL：JetPropulsionLaboratory）進(jìn)行了太空探測(cè)工作，用計(jì)算機(jī)來(lái)處理發(fā)回的月球圖片，以校正飛船上電視攝像機(jī)中各種不同形式的固有的圖像畸變。1972年英國(guó)EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，也就是我們通常所說(shuō)的CT（ComputerTomograph）。九十年代，出現(xiàn)核磁共振MRI1.2圖像工程簡(jiǎn)介1.2.2圖像工程的三個(gè)層次圖像工程三層次：

圖像處理（圖像——>圖像）

著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換

圖像分析（圖像——>數(shù)據(jù)）

對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，以獲

得它們的客觀信息從而建立對(duì)圖像的描述

圖像理解（圖像——>解釋）

在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目

標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對(duì)圖

像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來(lái)客觀場(chǎng)景的解釋1.2圖像工程簡(jiǎn)介圖像工程三層次1.2圖像工程簡(jiǎn)介圖像工程三層次圖像處理(a)(b)(c)1231231.2圖像工程簡(jiǎn)介圖像工程三層次

圖像分析1：黃色、綠色2：紅色3：綠色

1231.2圖像工程簡(jiǎn)介圖像工程三層次

圖像理解1：黃色尖辣椒2：紅色紅青椒3：綠色綠青椒1.2圖像工程簡(jiǎn)介1.2.3圖像工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域1.2圖像工程簡(jiǎn)介主要相關(guān)學(xué)科：?圖形學(xué)：原指用圖形（graph）、圖表(chart)、繪圖(drawing)等形式表達(dá)數(shù)據(jù)信息的科學(xué)?計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：?圖像模式識(shí)別：試圖把圖像分解成可用符號(hào)較抽象地描述的類別?計(jì)算機(jī)視覺(jué)：主要強(qiáng)調(diào)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，

目前的研究?jī)?nèi)容主要與圖像理解相結(jié)合

1.2圖像工程簡(jiǎn)介研究的就是如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生這些形式，即試圖從非圖像形式的數(shù)據(jù)描述來(lái)生成逼真的圖像圖像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域示例文字檔案：文字識(shí)別，過(guò)期檔案復(fù)原，郵件分撿，支票，簽名辮偽，辦公自動(dòng)化；交通管理：太空探測(cè)、航天飛行、公路交通管理。1.2圖像工程簡(jiǎn)介1.2.4圖像工程的技術(shù)應(yīng)用遙感：美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室（JetPropulsionLaboratory）探索者月球圖像勇氣號(hào)火星圖像農(nóng)作物產(chǎn)量計(jì)算農(nóng)作物病情防治山林防火等巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，精確制導(dǎo)氣像預(yù)報(bào)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)礦藏勘探資源探測(cè)/home/index.htmlACloserViewOftheCrater'sIntriguingRockOutcrop1.2圖像工程簡(jiǎn)介視覺(jué)監(jiān)視、公安：銀行防盜，人臉識(shí)別、指紋、印章的鑒定識(shí)別等。1.2圖像工程簡(jiǎn)介工業(yè)檢測(cè)與測(cè)量：公路路面破損圖像識(shí)別網(wǎng)裂龜裂1.2圖像工程簡(jiǎn)介軍事偵察、高精度制導(dǎo)Chinese_embassy1.2圖像工程簡(jiǎn)介醫(yī)療診斷：X光（x-ray）、CT技術(shù)，癌細(xì)胞識(shí)別、MRI(Magneticresonanceimaging)、等。1.2圖像工程簡(jiǎn)介通訊：可視電話，視頻點(diǎn)播，電視會(huì)議，按需電視，遠(yuǎn)程教育等。1.2圖像工程簡(jiǎn)介影視業(yè)、娛樂(lè)、公眾服務(wù)：廣告，基于內(nèi)容檢索等。1.2圖像工程簡(jiǎn)介圖像工程期刊（1）[CT]：《CT理論與應(yīng)用研究》（2）[CX]：《測(cè)繪學(xué)報(bào)》（3）[DC]：《電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)》（4）[DK]：《電子科學(xué)學(xué)刊》（5）[DX]：《電子學(xué)報(bào)》（6）[JX]：《計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)》（7）[MR]：《模式識(shí)別與人工智能》（8）[SC]：《數(shù)據(jù)采集與處理》（9）[TX]：《通信學(xué)報(bào)》（10）[XC]：《信號(hào)處理》（11）[YX]：《遙感學(xué)報(bào)》（12）[ZS]：《中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》（13）[Zti]：《中國(guó)體視學(xué)和圖像分析》（14）[Ztu]：《中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)》（15）[ZX]：《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》1.2圖像工程簡(jiǎn)介分類A：圖像處理A1：圖像采集和獲?。ǔ上穹椒?、攝像機(jī)校正等）A2：圖像重建（從投影重建圖像）A3：圖像變換，濾波，增強(qiáng)，恢復(fù)或復(fù)原等A4：圖像壓縮編碼（算法研究、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)等）B：圖像分析B1：邊緣檢測(cè)，圖像分割B2：目標(biāo)表達(dá)，描述，測(cè)量（二值圖處理、融合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法等）B3：目標(biāo)形狀，紋理，空間，運(yùn)動(dòng)等的分析B4：（2-D）目標(biāo)識(shí)別，分類和提取C：圖像理解C1：（序列、立體）圖像匹配、鑲嵌C2：3-D建模，重構(gòu)、場(chǎng)景恢復(fù)C3：圖像感知，解釋，推理1.2圖像工程簡(jiǎn)介分類D：技術(shù)應(yīng)用D1：硬件，（硬件）系統(tǒng)和快速/并行算法D2：視頻，通信D3：文檔（包括文字，數(shù)字，符號(hào)等）D4：生物，醫(yī)學(xué)D5：遙感、雷達(dá)、測(cè)繪D6：其它E：綜述評(píng)論E1：綜述（介紹圖像處理、分析、理解

或它們的綜合，進(jìn)展）

1.2圖像工程簡(jiǎn)介2000年開(kāi)始增加了3個(gè)小類A：圖像處理

A5：圖像數(shù)字水印和圖像信息隱藏B：圖像分析B5：人臉和器官的檢測(cè)、定位與識(shí)別C：圖像理解C4：基于內(nèi)容的圖像和視頻檢索1.2圖像工程簡(jiǎn)介文獻(xiàn)中比較集中的領(lǐng)域A：圖像處理A1：圖像采集和獲?。ǔ上穹椒āz像機(jī)校正等）A3：圖像變換，濾波，增強(qiáng)，恢復(fù)或復(fù)原等A4：圖像壓縮編碼（算法研究、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)等）A5：圖像數(shù)字水印和圖像信息隱藏B：圖像分析B1：邊緣檢測(cè)，圖像分割B4：（2-D）目標(biāo)識(shí)別，分類和提取B5：人臉和器官的檢測(cè)、定位與識(shí)別C：圖像理解C1：（序列）圖像（特征點(diǎn)）匹配、融合、鑲嵌C4：基于內(nèi)容的圖像和視頻檢索1.2圖像工程簡(jiǎn)介1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)構(gòu)成框圖1.3.2圖像采集1.3.3圖像顯示和打印1.3.4圖像存儲(chǔ)1.3.5圖像處理1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)構(gòu)成框圖圖像采集裝置

為采集數(shù)字圖像，需要兩種裝置（器件）：(1)傳感器，對(duì)某個(gè)電磁能量譜波段（如X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線等）敏感的物理器件，它能產(chǎn)生與所接收到的電磁能量成正比的（模擬）電信號(hào)；(2)數(shù)字化器，它能將上述（模擬）電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字（離散）的形式。1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.2圖像采集圖像采集設(shè)備1、電荷偶合器件CCD(Charge-CoupledDevice)利用電荷存儲(chǔ)傳送和讀出方式工作（1）固態(tài)陣：由感光基元構(gòu)成感光基元產(chǎn)生正比于光強(qiáng)的電壓，攝像機(jī)空間分辨率取決于基元排列（2）數(shù)字化器將感應(yīng)的模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.2圖像采集2、CMOS器件CMOS攝像機(jī)1)光敏二極管型無(wú)源象素結(jié)構(gòu)2）光敏二極管型有源象素結(jié)構(gòu)3）光柵型有源象素結(jié)構(gòu)3、電荷注射器件CID(Charge-InjectionDevice)1）積分模式2）非消除性模式

3）消除性模式

1.3圖像處理系統(tǒng)圖像顯示

圖像處理的結(jié)果多是供觀察的圖像數(shù)據(jù)?亮度模式顯示主要顯示設(shè)備包括陰極射線管（CRT-CathodeRayTubes)、液晶顯示器LCD等1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.3圖像顯示打印圖像打印1.半調(diào)輸出（halftoning） 圖像的原始灰度常有幾十到幾百級(jí)，但多數(shù)圖像輸出設(shè)備的灰度只有兩級(jí)。為了在這些設(shè)備上輸出圖像并保持其原有的灰度級(jí)，常采用一種稱為半調(diào)輸出的技術(shù)，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。一種具體實(shí)現(xiàn)方法為先將圖像區(qū)域細(xì)分，取鄰近的單元結(jié)合起來(lái)組成輸出區(qū)域，這樣在每個(gè)輸出區(qū)域內(nèi)包含若干個(gè)單元，只要把一些單元輸出黑，而把其它單元輸出白就可得到不同灰度的效果。

用實(shí)心點(diǎn)圖案仿真灰度級(jí)的處理過(guò)程稱為半(影)調(diào)。1.3圖像處理系統(tǒng)半調(diào)輸出象素灰度打印點(diǎn)尺寸半調(diào)輸出方法示例2×2?5種灰度012341.3圖像處理系統(tǒng)半調(diào)輸出方法示例3×3?10種灰度01234567891.3圖像處理系統(tǒng)幅度調(diào)制（AM）

調(diào)整輸出點(diǎn)的尺寸來(lái)顯示不同灰度。如早期報(bào)紙上的圖片頻率調(diào)制（FM）輸出點(diǎn)的尺寸是固定的但其在空間的分布取決于所需表示的灰度，分布密較暗；分布稀較亮。2、調(diào)制模板

是半調(diào)輸出技術(shù)的一種具體實(shí)現(xiàn)方法。輸出不同灰度，建立一套模板，每個(gè)模板對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出單元。1.3圖像處理系統(tǒng)3.抖動(dòng)技術(shù)（dithering）

半調(diào)輸出是以減少圖像的空間分辨率來(lái)增加圖像的幅度分辨率的，所以有可能導(dǎo)致圖像采樣過(guò)粗而影響圖像的顯示質(zhì)量。為改善上述方法得到的圖像質(zhì)量，可以采用抖動(dòng)技術(shù)。

抖動(dòng)技術(shù)是彌補(bǔ)所用顏色不足的一個(gè)有效的辦法。用隨機(jī)變化掩蓋虛假輪廓。1.3圖像處理系統(tǒng)抖動(dòng)(Dithering)：通過(guò)調(diào)節(jié)或變動(dòng)圖像的幅度值來(lái)改善量化過(guò)粗圖像的顯示質(zhì)量。抖動(dòng)實(shí)例

下圖給出一組抖動(dòng)實(shí)例圖，圖(a)是256個(gè)灰度級(jí)的原始圖像；圖(b)是借助圖33象素區(qū)域的半調(diào)技術(shù)得到的輸出圖，在臉部和肩部等區(qū)域有比較明顯的虛假輪廓現(xiàn)像；圖(c)是利用抖動(dòng)技術(shù)進(jìn)行改善的結(jié)果，所疊加的抖動(dòng)值在[-8,8]間均勻分布；圖(d)也是利用抖動(dòng)技術(shù)進(jìn)行改善的結(jié)果，用與原圖同尺寸進(jìn)行半調(diào)打印的輸出結(jié)果。1.3圖像處理系統(tǒng)

(a)(b)(c)(d)1.3圖像處理系統(tǒng)1、圖像存儲(chǔ)器(1)處理和分析過(guò)程中使用的快速存儲(chǔ)器

計(jì)算機(jī)內(nèi)存，幀緩存(2)較快重新調(diào)用的在線或聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器

磁盤，磁光盤(3)不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫(kù)（檔案庫(kù)）存儲(chǔ)器

磁帶，光盤，光盤塔1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.4圖像存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)量度單位

比特（bit），字節(jié)（1byte=8bit）千(103)字節(jié)（Kbyte）

兆（106

）字節(jié)（Mbyte）

吉（109

）字節(jié)（Gbyte）

太（1012

）字節(jié)（Tbyte）1.3圖像處理系統(tǒng)2、圖像存儲(chǔ)格式(1)矢量格式

用線段或線段的組合體來(lái)表示圖像

如：畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)曲線、畫(huà)圓、畫(huà)矩形等(2)光柵格式

用許多圖像點(diǎn)（象素）的集合來(lái)表示圖像

（顏色、亮度、屬性）

BMP（bitmap）格式，

GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式，

TIFF（TaggedImageFormatFile）格式，

JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）格式1.3圖像處理系統(tǒng)圖像存儲(chǔ)格式

BMP格式（Bitmap）：位圖，是與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖像文件格式①位圖文件頭（也稱表頭）：包含關(guān)于這個(gè)文件的信息如以象素為單位的寬度、高度，位圖的彩色、壓縮方法等。②位圖信息（常稱調(diào)色板）：圖像顏色的RGB值定義1:單色，4:16色，8:256色，24:真彩色③位圖陣列（即圖像數(shù)據(jù)）：用BYTE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)取決于壓縮方法，它們表示象素顏色在調(diào)色板中的索引號(hào)。

圖像為真彩色時(shí)，圖像數(shù)據(jù)則直接表示紅、綠、藍(lán)的相對(duì)亮度R:8bit，G:8bit，B:8bit1.3圖像處理系統(tǒng)圖像存儲(chǔ)格式

GIF格式（GraphicsInterchangeFormat，圖像交換格式）8位文件格式，以數(shù)據(jù)塊（block）為單位來(lái)存儲(chǔ)圖像的相關(guān)信息。一個(gè)GIF文件由表示圖形/圖像的數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)子塊以及顯示圖形/圖像的控制信息塊組成。

最多只能存儲(chǔ)256色圖像

圖像數(shù)據(jù)均為壓縮過(guò)的（LZW算法）

一個(gè)GIF文件中可以存放多幅圖像以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)上的動(dòng)畫(huà)

1.3圖像處理系統(tǒng)圖像存儲(chǔ)格式

TIFF格式（TagImageFormatFile）：標(biāo)記圖像文件格式，是基于標(biāo)志域的圖像文件格式。支持任意尺寸的圖像。獨(dú)立于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)

二值圖像（TIFF-B）灰度圖像（TIFF-G）調(diào)色板彩色圖（TIFF-P）全彩色圖像（TIFF-R）1.3圖像處理系統(tǒng)文件分類圖像存儲(chǔ)格式JPEG格式（JointPhotographicExpertsGroup：聯(lián)合圖像專家組），數(shù)碼相機(jī)均使用該種模式。適用于連續(xù)色調(diào)靜態(tài)的灰度或彩色圖像JPEG文件交換格式：

JFIF（fileinterchangeformat）

一種使用灰度表示或者使用Y，Cb，Cr分量彩色表示的JPEG圖像，包含一個(gè)與JPG兼容的頭。圖像可以是灰度的也可以是彩色的1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.5圖像處理

對(duì)圖像進(jìn)行壓縮編碼以減少對(duì)其所需存儲(chǔ)空間或傳輸時(shí)間、傳輸通路的要求

對(duì)圖像進(jìn)行各種加工以改善圖像的視覺(jué)效果并為自動(dòng)識(shí)別打下基礎(chǔ)

對(duì)圖像中感興趣目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、提取以測(cè)量其參數(shù)和描述其性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類，建立符號(hào)表達(dá)

一般可以用算法的形式描述（軟件、硬件）

對(duì)特殊的問(wèn)題需要特殊