第1章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

數(shù)字圖像處理

DigitalImageProcessing張濤華北水利水電高校機(jī)械學(xué)院E_mail:ztncwu@126參考書(shū)目阮秋琦，數(shù)字圖像處理學(xué)，電子工業(yè)出版社KennethR.Castleman(美),DigitalImageProcessing.張德豐，詳解matlab數(shù)字圖像處理，電子工業(yè)出版社姚敏等，數(shù)字圖像處理，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

考核方式平常成果（50%）+期末考試（50%)主要內(nèi)容圖像灰度變換圖像運(yùn)算圖像形態(tài)學(xué)處理彩色圖像處理

圖像平滑銳化圖像正交變換圖像壓縮編碼圖像分割第1章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理概述圖像數(shù)字化圖像質(zhì)量圖像格式1.1數(shù)字圖像處理概述為什么學(xué)習(xí)圖像處理圖像處理技術(shù)應(yīng)用圖像特點(diǎn)為什么學(xué)習(xí)圖像處理二、圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用越來(lái)越廣。它的應(yīng)用已滲透到了工程、工業(yè)、醫(yī)療保健、航空航天，軍事、科研、平安保衛(wèi)等各個(gè)方面，在國(guó)計(jì)民生及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

學(xué)科 應(yīng)用內(nèi)容

物理、化學(xué)

結(jié)晶分析、譜分析

生物、醫(yī)學(xué)

細(xì)胞分析、染色體分類(lèi)、

血球分類(lèi)、X光照片分析、CT 環(huán)境愛(ài)護(hù) 水質(zhì)及大氣污染調(diào)查 地質(zhì) 資源勘探、地圖繪制、GIS

農(nóng)林 植被分布調(diào)查、農(nóng)作物估

海洋魚(yú)群探查、海洋污染監(jiān)測(cè)

水利河流分布、水利及水害調(diào)

氣象 云圖分析等

通信 傳真、電視、多媒體通信

工業(yè)、交通工業(yè)探傷、鐵路選線、機(jī)器人、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)

經(jīng)濟(jì) 電子商務(wù)、身份認(rèn)證、防偽

軍事軍事偵察、導(dǎo)彈制導(dǎo)、電子沙盤(pán)、軍事訓(xùn)練 法律 指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等安全 加密、信息隱藏、數(shù)字水印等X射線CTMRI成像B超圖像歸檔與管理模塊

影像顯示圖像處理模塊報(bào)告模塊（4）、工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量限制：在生產(chǎn)線中對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品及部件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)也是圖像處理技術(shù)的一個(gè)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。馬路路面破損圖像識(shí)別網(wǎng)裂龜裂三、圖像處理技術(shù)的分類(lèi)

模擬圖像處理數(shù)字圖像處理。（1）模擬圖像處理(Analogimageprocessing)；模擬處理包括：光學(xué)處理（利用透鏡）和電子處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號(hào)處理等，電視圖像是模擬信號(hào)處理的典型例子，它處理的是活動(dòng)圖像，25幀/秒。優(yōu)點(diǎn)：速度快，一般為實(shí)時(shí)處理，理論上講可達(dá)到光的速度，并可同時(shí)并行處理。缺點(diǎn)：精度較差，敏捷性差，很難有推斷實(shí)力和非線性處理實(shí)力。（2）數(shù)字圖像處理(DigitalImageprocessing)：數(shù)字圖像處理一般都用計(jì)算機(jī)處理，因此也稱(chēng)之謂計(jì)算機(jī)圖像處理（ComputerImageprocessing）。優(yōu)點(diǎn)：處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進(jìn)行困難的非線性處理，有敏捷的變通實(shí)力，一般來(lái)說(shuō)只要變更軟件就可以變更處理內(nèi)容。缺點(diǎn)：處理速度是一個(gè)重要問(wèn)題，特殊是進(jìn)行困難的處理更是如此。一般狀況下處理靜止畫(huà)面居多，假照實(shí)時(shí)處理一般精度的數(shù)字圖像須要具有100Mips的處理實(shí)力。（1）圖像信息量和數(shù)據(jù)量大在數(shù)字圖像處理中，一幅圖像可看成是由圖像矩陣中的像素（pixel）組成的，每個(gè)像素的灰度級(jí)至少要6bit（單色圖像）來(lái)表示，一般接受8bit（彩色圖像），高精度的可用12bit或16bit。

例如：256×256×8=64Kbytes512×512×8=256Kbytes1024×1024×8=1Mbytes2048×2048×8=4Mbytes

X光照片一般用64Kb～256Kb的數(shù)據(jù)量，一幅遙感圖像3240×2340×4=30Mbits，因此，大數(shù)據(jù)量給存儲(chǔ)、傳輸和處理都帶來(lái)巨大的困難。

（2）圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)；在數(shù)字圖像處理中涉及的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)相當(dāng)廣泛。一般來(lái)說(shuō)涉及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)，至于涉及到的數(shù)學(xué)、物理等方面的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)就更多。

當(dāng)今的圖像處理理論大多是通信理論的推廣，只是把通信中的一維問(wèn)題推廣到二維，以便于分析，在此基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展自己的理論體系。因此，圖像處理技術(shù)與通信技術(shù)休戚相關(guān)。在圖像處理工程中的信息獲得和顯示技術(shù)主要源于電視技術(shù)，其中的攝像、顯示、同步等各項(xiàng)技術(shù)是必不行少的。計(jì)算機(jī)已是圖像處理的常規(guī)工具，在圖像處理中涉及到軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、接口等多項(xiàng)技術(shù)，特殊是并行處理技術(shù)在實(shí)時(shí)圖像處理中顯得特別重要。圖像處理技術(shù)的發(fā)展涉及越來(lái)越多的基礎(chǔ)理論學(xué)問(wèn)，雄厚的數(shù)理基礎(chǔ)及相關(guān)的邊緣學(xué)科學(xué)問(wèn)對(duì)圖像處理科學(xué)的發(fā)展有越來(lái)越大的影響。總之圖像處理科學(xué)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的綜合性科學(xué)。（3）圖像信息理論與通信理論親密相關(guān)。早在1948年Shannon發(fā)表了“AmathematicalTheoryofCommunication”（通信中的數(shù)學(xué)理論）一文，它奠定了信息論的基礎(chǔ)。此后，信息理論已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域。圖像信息論也屬于信息論科學(xué)中的一個(gè)分支。從當(dāng)今的理論發(fā)展看，我們可以說(shuō)，圖像信息論是在通信理論探討的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。圖像理論是把通信中的一維問(wèn)題推廣到二維空間上來(lái)探討的，也就是說(shuō)，通信探討的是一維時(shí)間信息；圖像探討的是二維空間信息；

總之，通信中的一維問(wèn)題都可推廣到二維，盡管有些理論尚不完全貼切，但對(duì)圖像自身理論體系的形成有極大的借鑒意義。1.2圖像數(shù)字化大多數(shù)傳感器的輸出是連續(xù)電壓波形為了產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像，須要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式包括兩種處理：采樣和量化采樣：圖像空間坐標(biāo)的數(shù)字化量化：圖像函數(shù)值（灰度值）的數(shù)字化1.2.1采樣采樣：指將空域上或時(shí)域上連續(xù)的圖像(模擬圖像)變換成離散采樣點(diǎn)(像素)集合的一種操作。即：空間坐標(biāo)的離散化。圖像采樣(柵格化)圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量量化：把采樣后所得的各像素灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為圖像灰度的量化。即：灰度的離散化。1.2.2量化圖像尺寸計(jì)算為像素的大小圖像大?。娇臻g辨別率和灰度辨別率空間辨別率(spatialresolution)：圖像空間中可辨別的最小細(xì)微環(huán)節(jié)。一般用單位長(zhǎng)度上采樣的像素?cái)?shù)目或單位長(zhǎng)度上的線對(duì)數(shù)目表示。灰度辨別率(contrastresolution)：圖像灰度級(jí)中可辨別的最小變更。一般用灰度級(jí)或比特?cái)?shù)表示。1.3圖像的質(zhì)量灰度級(jí)：表示像素明暗程度的整數(shù)量.例如：像素的取值范圍為0-255，就稱(chēng)該圖像為256個(gè)灰度級(jí)的圖像.層次：表示圖像實(shí)際擁有的灰度級(jí)的數(shù)量.例如：具有32種不同取值的圖像，可稱(chēng)該圖像具有32個(gè)層次.圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多，視覺(jué)效果就越好256個(gè)層次的圖像64個(gè)層次的圖像16個(gè)層次的圖像圖像層次對(duì)比度：是指一幅圖像中灰度反差的大小對(duì)比度=最大亮度/最小亮度圖像對(duì)比度圖像清晰度亮度對(duì)比度尺寸大小微小層次顏色飽和度與清晰度相關(guān)的主要因素1、亮度2、對(duì)比度3、尺寸大小4、微小層次5、顏色飽和度1.4圖像文件格式

圖像文件格式分兩大類(lèi)：一類(lèi)是靜態(tài)圖像文件格式，一類(lèi)是動(dòng)態(tài)圖像文件格式。靜態(tài)圖像格式有GIF，TIF，BMP，PCX，JPG，PSD等；動(dòng)態(tài)圖像格式有AVI，MPG等。①PSD和EPS是Adobe公司開(kāi)發(fā)的圖像專(zhuān)用格式.②BMP、PCX和TIFF是Windows平臺(tái)常用的圖像文件格式.③GIF、JPG和PNG是網(wǎng)上最流行的圖像文件格式。1、PSD格式能夠保存圖像信息，而且進(jìn)行了壓縮，壓縮后不失真。2、PDF格式圖像文件的加密格式，須輸入正確密碼才能運(yùn)用。3、EPS格式是Adobe公司開(kāi)發(fā)的打印機(jī)及其他輸出設(shè)備的頁(yè)面描述語(yǔ)言。4、JPG格式定義了圖像文件通用的壓縮編碼，是一種高效的壓縮文件格式。在保存文件時(shí)刪除人眼無(wú)法辨別的圖像信息，節(jié)約存儲(chǔ)空間，但被刪除圖像信息無(wú)法在解壓時(shí)還原。JPEG可以自由設(shè)置壓縮比，但壓縮率越高導(dǎo)致圖像質(zhì)量越差。與GIF相比，JPEG壓縮成同樣大小時(shí)，圖像質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GIF圖像。5、GIF是圖像交換格式，只支持256色以?xún)?nèi)的圖像；接受無(wú)損壓縮存儲(chǔ)，在不影響圖像質(zhì)量的狀況下，可以生成很小的文件；支持透亮色，可以使圖像出現(xiàn)在背景之上；GIF文件可以制作動(dòng)畫(huà)。6、PNG格式特地為用于網(wǎng)頁(yè)圖片而優(yōu)化壓縮圖像設(shè)計(jì)成功的文件圖像格式。PNG漸漸替代GIF、JPEG成為網(wǎng)絡(luò)圖像的流行格式。7、BMP格式是最一般的位圖圖像文件格式8、TIFF格式是現(xiàn)存圖像文件格式中最困難的一種，供應(yīng)存儲(chǔ)各種信息的完備手段，可以存儲(chǔ)特地的信息而不違反格式宗旨。9、PCX格式是最早支持彩色圖像的一種文件格式，支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，但不支持Alpha通道。BMP文件結(jié)構(gòu)BMP圖像文件格式

BMP圖像文件的結(jié)構(gòu)一般可分為三部分：文件頭、位圖信息頭和圖像數(shù)據(jù)。文件頭BITMAPFILEHEADERbfType文件類(lèi)型標(biāo)識(shí)“BM”bfSize文件總字節(jié)數(shù)bfReserved1保留字“0”bfReserved2保留字“0”biSize信息頭結(jié)構(gòu)體長(zhǎng)度，為40biWidth圖像寬度，單位是像素biHeight圖像高度，單位是像素biPlanes必需為1，暫無(wú)意義biCompression指定位圖是否壓縮biSi