數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理第1頁/共74頁2023/4/112基于以下兩個原因：改進圖像（照片）的質(zhì)量，使人能更好地解釋（看清楚）圖像;通過處理圖像（包括圖像獲取、存儲、傳輸、表示等），讓機器能夠理解圖像。為什么我們需要研究數(shù)字圖象處理？第2頁/共74頁2023/4/113.一幅圖像可以用一個二維函數(shù)f(x,y)來表示：

其中：(x,y)----代表圖像平面中一個點的坐標(biāo).f----表示該點(x,y)的圖像亮度或灰度值.數(shù)字圖像

將上述的坐標(biāo)點和亮度（灰度）值離散化后獲得的圖像稱之為數(shù)字圖像，且一般情況下：f,x和y均為有限值..像素

數(shù)字圖像中的一個點稱之為像素.數(shù)字圖象處理

被認(rèn)為是從一幅圖像到另一幅圖像的處理，是一個重要的研究領(lǐng)域

1.1什么是數(shù)字圖像?第3頁/共74頁2023/4/1141.2數(shù)字圖像處理的起源.最早的應(yīng)用可以追朔到上個世紀(jì)20年代的報刊業(yè)第4頁/共74頁2023/4/115其實它們還不是真正意義上的數(shù)字圖像處理，只是一種圖像編碼、傳輸以及解碼打印而已。到了上世紀(jì)六十年代，由于計算機和程序設(shè)計的發(fā)明，真正意義上的數(shù)字圖像處理開始了。兩件重大的事情推動了數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展：1）太空計劃---人類首次月球探險(美國,1964);2）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域---CATorCT(計算機斷層掃描技術(shù)，1970s，通過X射線來產(chǎn)生圖像第5頁/共74頁2023/4/116

1.改進圖像質(zhì)量，以便人能更好地理解它。如：圖像增強，圖像恢復(fù)等。2.處理圖像以及從圖像中提取某些有用的信息以便機器識別和理解。如：圖像分析、圖像識別等。

1.3數(shù)字圖像處理的目標(biāo)第6頁/共74頁2023/4/117

.低層次處理:直接針對像素處理，如：去噪、增強對比度等

通常是從圖像到圖像的過程，主要用于改進圖像的質(zhì)量;

.中層次處理:

從圖像中提取某些屬性，如：分割圖像、提取圖像的輪廓等。

.高層次處理:

識別圖像中的目標(biāo)以便機器自動分析圖像。

數(shù)字圖像處理與計算機視覺之間并不存在明顯的差別。

計算機視覺:基于視覺的機器理解或使用計算機來模擬人類視覺。圖像識別就是屬于這一范疇。

1.4數(shù)字圖像處理的三個層次第7頁/共74頁2023/4/118

.數(shù)字化一幅圖像(將連續(xù)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像).增強一幅圖像(使一幅圖像能更好地適應(yīng)于某個特定的應(yīng)用).恢復(fù)一幅圖像(讓一幅被損壞的圖像盡可能恢復(fù)到原貌).壓縮一幅圖像(用更少的字節(jié)數(shù)來存儲它).分割一幅圖像(將一幅圖像從背景中提出來并分成若干個目標(biāo)).識別一幅圖像(讓機器說出圖像的目標(biāo)或物體是什么)

1.5數(shù)字圖像處理系統(tǒng)能做些什么？第8頁/共74頁2023/4/119xF(x,y)YX.采樣(如圖中的網(wǎng)格).量化1.5.1數(shù)字化一幅圖像它是數(shù)字圖象處理系統(tǒng)工作的第一步第9頁/共74頁2023/4/1110.原始圖像增強后的圖像1.5.2增強一幅圖像第10頁/共74頁2023/4/1111

當(dāng)圖像損壞了，我們可以恢復(fù)它裂痕部分撕破了1.5.3恢復(fù)一幅圖像第11頁/共74頁2023/4/1112

皺折原始圖像

恢復(fù)后的圖像

恢復(fù)一幅圖像第12頁/共74頁2023/4/1113

破損部分

原始圖像恢復(fù)后的圖像恢復(fù)一幅圖像第13頁/共74頁2023/4/1114

原始圖像257kb壓縮后的圖像147kb

冗余信息1.5.4壓縮一幅圖像第14頁/共74頁2023/4/1115

原始圖像

分割后的圖像1.5.5分割一幅圖像第15頁/共74頁2023/4/1116

原始圖像

分割后的圖像分割一幅圖像第16頁/共74頁2023/4/1117

分割一幅圖像(咖啡豆分離)第17頁/共74頁2023/4/1118

以汽車車牌號碼自動識別為例1.5.6識別一幅圖像第18頁/共74頁2023/4/1119.二者之間的差異可用下圖表示：

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像1圖像2計算機圖形系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖像3圖像1與圖像2一般情況下是不同的圖像:圖像2是由圖像1經(jīng)過處理后獲得的;圖像3是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的，他也許是一幅虛擬的圖像,某些例子如下：1.6數(shù)字圖像處理與計算機圖形學(xué)第19頁/共74頁2023/4/1120一個簡單的例子是讓計算機系統(tǒng)繪制一個圓，通過輸入圓心坐標(biāo)(x,y)和半徑R即可產(chǎn)生圓。(x,y)R表達二者差異性的例子第20頁/共74頁2023/4/1121現(xiàn)在，數(shù)字圖象處理技術(shù)與計算機圖形技術(shù)經(jīng)常結(jié)合在一起，應(yīng)用于同一個系統(tǒng)中，如：基于人臉照片的三維人臉生成系統(tǒng)

----基于圖像的三維幾何建模三維建模時，有時從照片（圖像中）獲取對象的幾何信息會使建模變得更容易----基于圖像的渲染對三維幾何模型進行渲染時，直接從照片（圖像中）提取色彩、紋理等信息更為簡單一個實際例子（來自我的研究生課題）：三維人臉與表情生成系統(tǒng)數(shù)字圖像處理技術(shù)與計算機圖形技術(shù)相結(jié)合第21頁/共74頁2023/4/1122.從通用人臉三維幾何模型到特定人臉幾何模型定義特征點輸入某人的兩張照片交互式操作后產(chǎn)生特定人臉三維幾何模型，大小吻合第二次變換實例第22頁/共74頁2023/4/1123.

在本系統(tǒng)中，將人臉視為彈性體，通過建立彈性變換方程來計算其特征點的位置。

渲染后真正的三維人臉細(xì)微變換從通用人臉模型到特定人臉模型第23頁/共74頁2023/4/1124.人臉面部表情動畫系統(tǒng)

與建立人臉模型一樣，也可以通過彈性變換生成人臉面部表情動畫

另一個實例第24頁/共74頁2023/4/1125眨眼睛的動畫模擬第25頁/共74頁2023/4/1126張嘴巴的動畫模擬

第26頁/共74頁2023/4/1127攝像或掃描原始圖像數(shù)字化圖象預(yù)處理圖像增強圖像處理圖像恢復(fù)圖像壓縮圖像識別圖像分析處理后的圖像處理后的圖像控制信號受控設(shè)備1.7典型圖像處理系統(tǒng)的組成第27頁/共74頁2023/4/11281.8數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本要素圖像采集:數(shù)碼相機、掃描儀或視頻攝像機;圖像存儲:各類存儲裝置，如：硬盤、光盤等;圖像處理:計算機系統(tǒng)及相關(guān)軟件圖像顯示:顯示器及各種硬拷貝設(shè)備第28頁/共74頁2023/4/1129

可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、教育、娛樂等各個領(lǐng)域(1)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

如：溫度控制系統(tǒng)

基于火焰顏色而自動調(diào)節(jié)溫度

1.9數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用第29頁/共74頁2023/4/1130(2)指紋識別第30頁/共74頁2023/4/1131指紋圖像分析第31頁/共74頁2023/4/1132.指紋圖像分析第32頁/共74頁2023/4/1133.公安部門借助于指紋識別系統(tǒng)破獲案件.個人身份認(rèn)證

將指紋信息存儲與身份證中.入口管理---重要會議入口檢查

---多入口大型公園應(yīng)用指紋系統(tǒng)的應(yīng)用第33頁/共74頁2023/4/1134

基于車牌自動識別的交通管理系統(tǒng)：---利用攝像頭獲取車牌圖像---圖像增強處理Adjustingthedistributionofthegraylevelinanimage---SegmentationSegmentinglettersordigitalsintheplate---RecognitionTellingwhatthelettersordigitalsare(3)交通管理第34頁/共74頁2023/4/1135.Itcanbewidelyusedtothefollowingaspects

..Chargeautomaticallyonfreeway---Auto-recordthecarlicenseplate---Distinguishthetypeofcar---Recognizetheplate---Connectingthecreditcardsystemautomatically(4)TrafficControl第35頁/共74頁2023/4/1136..ParkmanagementAutomaticallyrecordthecarlicenseplateandrecognizeitandcontrolpassing-bartoswitchonoroff.

..Monitorthedriverwithover-speedonfreewayautomaticallyrecordthecarlicenseplatewithover-speedandrecognizeit.(5)TrafficControl第36頁/共74頁2023/4/1137Anexample---Humanfacebeautifying(6)Entertainment第37頁/共74頁2023/4/1138第38頁/共74頁2023/4/1139第39頁/共74頁2023/4/1140Theelectromagneticspectrumarrangedaccordingtoenergyperphoton.

(2)X-rayandVisualbandsofspectrumarethemostfamiliarimagesinactualapplication,suchasX-rayinmedicalinspectionandsoon.1.10SomeexamplesofUsingDIPBasedonEMspectrum第40頁/共74頁2023/4/1141(3)Gamma-RayImaging

Nuclearmedicine:Injectapatientwitharadioactiveisotopethatcanemitgamma-ray.Itisusedinlocatingsitesofbonepathology,suchasinfectionortumors.PET---PositronEmissionTomograph第41頁/共74頁2023/4/1142第42頁/共74頁2023/4/1143(4)X-rayImagingBewidelyusedinMedicaldiagnostics,Industry,Astronomyandsoon.WhenX-rayspenetrateanobjects,thereisadifferentamountofabsorptionfordifferentpartsintheobject,soanimageisgeneratedinthefilmtobesensitivetoX-rayenergy.第43頁/共74頁2023/4/1144第44頁/共74頁2023/4/1145(5)

ImagingintheUltravioletBandApplicationsofultraviolet“l(fā)ight”includelithography,industrialinspection,microscopy,lasers,biologicalimaging,andastronomicalobservations.i)Ultravioletlightisusedinfluorescencemicroscopy.ii)Fluorescencemicroscopyisanexcellentmethodforstudyingmaterialthatcanbemadetofluorescene.

第45頁/共74頁2023/4/1146(6)ImagingintheVisibleandInfraredBandsThevisualbandoftheelectromagneticspectrumisthemostfamiliarinouractivities.Sotheirapplicationsarealsothewidestcomparedwithotherbands.Andinfraredbandisoftenviewedvisuallight.HereweshowsomeapplicationsofthevisuallightinlightMicroscopy,astronomy,remotesensing,industry,andlawenforcement.i)Someexamplesofimagesobtainedwithalightmicroscope.

第46頁/共74頁2023/4/1147Theseexamplesrangefrompharmaceuticalsandmicro-inspectiontomaterialscharacterization.

第47頁/共74頁2023/4/1148ii)Someapplicationsarefromremotesensing.Hereshowstheso-calledthematicbandsinNASA’sLANDSATsatellite.第48頁/共74頁2023/4/1149Weobtainedsomeimagesincludingfeaturessuchasbuilding,roads,vegetation,andamajorriver(thePotomac)goingthroughthecityinWashingtonD.CaccordingtotheTable1.1.第49頁/共74頁2023/4/1150DigitalImageProcessingiii)Weatherobservationandpredictionalsoaremajorapplicationsofmulti-spectralimagingfromsatellites.第50頁/共74頁2023/4/1151iv)AnapplicationofinfraredimagingfromtheNighttimeLightsoftheWorlddataset,whichprovidesaglobalinventoryofhumansettlements.第51頁/共74頁2023/4/1152v)Theapplicationsinautomatedvisualinspectionofmanufacturedgoods.(a)Acircuitboard.(b)Packagedpills.(c)Bottles.(d)Bubblesinclear-plasticproduct.(e)Cereal.(f)Imageofintraocularimplant.

第52頁/共74頁2023/4/1153vi)Someotherapplicationsofthevisualspectrum.第53頁/共74頁2023/4/1154(7)ImagingintheMicrowaveBandAtypicalapplicationinthemicrowavebandisradar.第54頁/共74頁2023/4/1155(8)ImagingintheRadioBandThemajorapplicationsintheradiobandareinmedicineandastronomy.Inmedicineradiowavesareusedinmagneticresonanceimaging(MRI).第55頁/共74頁2023/4/1156Comparisonwithotherbands第56頁/共74頁2023/4/1157(9)ExamplesinwhichOtherImagingModalitiesAreUsedDigitalImageProcessingAcousticimaging,electronmicroscopyandsyntheticimagingarealsoimportantbesidesimagingintheelectromagneticspectrum.Imagingusing“sound”findsapplicationingeologicalexploration,industry,andmedicine.第57頁/共74頁2023/4/1158Thebestknownapplicationsoftheultrasoundimagingareinmedicine,especiallyinobstetrics.第58頁/共74頁2023/4/1159Atransmissionelectronmicroscope(TEM)worksmuchlikeaslideprojector.Ascanningelectronmicroscope(SEM)scanstheelectronbeamandrecordstheinteractionofbeamandthesampleateachlocation.Electronmicroscopesarecapableofveryhighmagnification.第59頁/共74頁2023/4/1160Lastly,imagesgeneratedbycomputers.第60頁/共74頁2023/4/1161Foranimagewemustdigitizeitsothatitcanbeprocessedbycomputers.Foranimage,weusuallyusetheintensityfunctionf(x,y)torepresentit.

(x,y)---thelocationofapointintheimage;f(x,y)---theintensityofthepoint(x,y);Itisobviousthat0<f(x,y)<

1.11Howtodigitizeanimage第61頁/共74頁2023/4/1162Asimplemodelisf(x,y)=i(x,y)r(x,y)

i(x,y)---intensityoftheincidentlight0<i(x,y)<r(x,y)---thecoefficientofthereflection,dependontheobjectlightcasts

0<r(x,y)<1

第62頁/共74頁2023/4/1163Takeapictureasanexample.

f(x,y)YX第63頁/共74頁2023/4/1164Sampling---Digitizethespatialcoordinates(pixel)Quantizing---Digitizetheintensityfunctionf(x,y)Animageprocessedbysamplingandquantizingiscalledthedigitalimage.

Itisalsotheprocedurefromacontinuousimagetoadiscreteone.Uniformsampling---IfallsampledpointsareequalspacesUniformquantizing---Ifallgrey-levelintervalsarethesame(Fromthedarkesttothebrightest)

第64頁/共74頁2023/4/1165SupposethereareNpixelsalonghorizontaldirectionXandMpixelsalongverticaldirectionY.andthereareLgraylevels,adigitalimagecabberepresentedbythefollowingmatrix.第65頁/共74頁2023/4/1166Foranypoint(x,y)inthedigitalimageUsually,

andSothenumber,