數(shù)字圖像處理綜述

數(shù)字圖像處理綜述第一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第一章緒論第二章圖像處理與MATLAB第三章圖像顯示第四章點(diǎn)處理第五章鄰域處理第六章圖像幾何變換第七章傅里葉變換第八章圖像恢復(fù)第九章圖像分割第十章數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)第十一章圖像拓補(bǔ)學(xué)第十二章銳化和邊界第十三章彩色圖像處理第十四章圖像壓縮編碼第二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.1圖像和圖片1.2什么是圖像處理1.3圖像的采集與抽樣1.4圖像和數(shù)字圖像1.5圖像處理的一些應(yīng)用1.6圖像處理概述1.7圖像處理的過(guò)程1.8數(shù)字圖像的種類(lèi)1.9數(shù)字圖像的大小1.10圖像感知第一章緒論第三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.1圖像和圖片1、基本概念（1）圖：是物體反射或者透射電磁波的分布。（2）像：是人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)接收的圖信息在大腦中形成的印象。（3）圖像：是“圖”和“像”的結(jié)合。具體來(lái)說(shuō)，就是用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同形式和手段觀測(cè)客觀世界而獲得的、可以直接或間接作用于人的視覺(jué)系統(tǒng)而產(chǎn)生的視知覺(jué)實(shí)體。（4）圖像處理：是對(duì)圖像信息進(jìn)行加工以滿(mǎn)足人的視覺(jué)或應(yīng)用需求的行為。（5）數(shù)字圖像處理，就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)或其他數(shù)字技術(shù)，對(duì)圖像信息進(jìn)行某些數(shù)學(xué)運(yùn)算和各種加工處理，以改善圖像的視覺(jué)效果和提高圖像實(shí)用性的技術(shù)。

第四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三★圖像是人類(lèi)獲取信息、表達(dá)信息和傳遞信息的重要手段?！飺?jù)統(tǒng)計(jì)，在人類(lèi)接受的信息中，圖像等視覺(jué)信息所占的比重達(dá)到75%。★數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程科學(xué)、地球科學(xué)等諸多方面的學(xué)者研究圖像的有效工具。

第五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖像處理主要有如下三方面的目的：（1）提高圖像的視感質(zhì)量，以達(dá)到賞心悅目的目的。如去除圖像中的噪聲，增強(qiáng)邊緣，去除運(yùn)動(dòng)模糊，改變圖像的亮度、顏色，增強(qiáng)圖像中的某些成份、抑制某些成份，對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等，從而改善圖像的質(zhì)量，以達(dá)到或真實(shí)的、或清晰的、或色彩豐富的、或意想不到的藝術(shù)效果。（2）提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計(jì)算機(jī)分析，這些特征包括很多方面，如頻域特性、灰度／顏色特性、邊界／區(qū)域特性、紋理特性、形狀／拓?fù)涮匦砸约瓣P(guān)系結(jié)構(gòu)等。還可以對(duì)圖像去細(xì)節(jié)化處理（3）對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。圖像的輸出與顯示

照相、激光拷貝、噴墨打印、CRT顯示器、液晶顯示等1.2什么是圖像處理第六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三人從物體感受的顏色由物體反射光決定若所有反射的可見(jiàn)光波長(zhǎng)均衡，則物體顯示白色有顏色的物體是因?yàn)槲樟似渌ㄩL(zhǎng)的大部分能量，從而反射某段波長(zhǎng)范圍的光。沒(méi)有顏色的光叫單色光，灰度級(jí)通常用來(lái)描述單色光的強(qiáng)度，其范圍從黑到灰，最后到白。在原理上，如果可以開(kāi)發(fā)出一種傳感器，能夠檢測(cè)由一種電磁波譜發(fā)射的能量，就可以在那一段波長(zhǎng)上對(duì)感興趣的物體成像。成像原理1.3圖像的采集與抽樣第七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、圖像獲取1.利用可見(jiàn)光成像：如利用CCD照相機(jī)，或CMOS集成塊，或使用平板掃描儀等等。2.利用其他電磁波成像，如Gamma射線(xiàn)

等

根據(jù)信息源分類(lèi)（電磁波譜）

根據(jù)光子能量排布的電磁波譜第八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三CCD傳感器

電荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感應(yīng)可見(jiàn)光的光強(qiáng)掃描儀的圖像數(shù)字化過(guò)程原理圖

CMOS傳感器互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）第九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三Gamma射線(xiàn)骨骼掃描PET圖像天鵝星座環(huán)來(lái)自反應(yīng)器電子管的伽馬輻射第十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三X射線(xiàn)

（a）胸部X射線(xiàn)圖像（b）主動(dòng)脈造影圖像（c）頭部CT（d）電路板（e）天鵝星座環(huán)第十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三紫外線(xiàn)成像

(1)普通谷物(2)被真菌感染的谷物(3)天鵝星座環(huán)第十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見(jiàn)光與紅外波段成像

第十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見(jiàn)光與紅外波段成像

利用可見(jiàn)光顯微鏡獲取的圖像(1)紫杉酚250倍(2)膽固醇40倍(3)微處理器60倍(4)鎳氫化物薄片600倍（5）音頻CD的表面1750倍(6)有機(jī)超導(dǎo)450倍第十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見(jiàn)光與紅外波段成像（遙感圖像）華盛頓地區(qū)的衛(wèi)星圖像第十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見(jiàn)光與紅外波段成像

第十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見(jiàn)光與紅外波段成像

利用圖像處理技術(shù)檢測(cè)產(chǎn)品(a)電路板(b)封裝的丸劑(c)瓶子(d)清潔塑料上的氣泡

(e)谷物

(f)目鏡摻雜物圖像

第十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見(jiàn)光與紅外波段成像

(a)指紋(b)紙幣(c)（d）自動(dòng)讀取牌照第十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三微波段成像（雷達(dá)）不受氣候、光照條件影響，可以穿透云層，通過(guò)植被、冰層和極干燥地區(qū)西藏東南山區(qū)航天器拍攝的雷達(dá)圖像第十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三無(wú)線(xiàn)電波成像

(a)膝蓋(b)脊椎磁共振成像(MRI)第二十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三其他圖像成像方式聲波成像

地震模型橫截面圖像第二十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三其他圖像成像方式超聲波成像

(a)胎兒(b)胎兒另一側(cè)(c)甲狀腺(d)肌肉層有損害第二十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、圖像采樣按圖像空間坐標(biāo)和明暗程度的連續(xù)性可分為模擬圖像和數(shù)字圖像。模擬圖像指空間坐標(biāo)和明暗程度都是連續(xù)變化的、計(jì)算機(jī)無(wú)法直接處理的圖像。數(shù)字圖像是一種空間坐標(biāo)和灰度均不連續(xù)的、用離散的數(shù)字表示的圖像。這樣的圖像才能被計(jì)算機(jī)處理。第二十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

采樣圖像在空間上的離散化稱(chēng)為采樣。也就是用空間上部分點(diǎn)的灰度值代表圖像，這些點(diǎn)稱(chēng)為采樣點(diǎn)。由于圖像是一種二維分布的信息，為了對(duì)它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號(hào)變?yōu)橐痪S信號(hào)，再對(duì)一維信號(hào)完成采樣。具體做法是，先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線(xiàn)掃描，取出各水平線(xiàn)上灰度值的一維掃描。而后再對(duì)一維掃描線(xiàn)信號(hào)按一定間隔采樣得到離散信號(hào)，即先沿垂直方向采樣，再沿水平方向采樣這兩個(gè)步驟完成采樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像（即時(shí)間域上的連續(xù)圖像），需先在時(shí)間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個(gè)步驟完成。第二十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為M個(gè)，每列（即縱向）像素為N個(gè)，則圖像大小為M×N個(gè)像素。在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的選取是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實(shí)于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細(xì)微濃淡變化來(lái)決定。一般，圖像中細(xì)節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。根據(jù)一維采樣定理，若一維信號(hào)g(t)的最大頻率為ω，以T≤1/2ω為間隔進(jìn)行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT)(i=…,-1,0,1，…)完全恢復(fù)g(t)，即式中第二十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖2-2采樣示意圖第二十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

采樣間隔大小的選取要根據(jù)原圖象中包含何種程度的細(xì)微濃淡變化來(lái)確定。一般,圖象中細(xì)節(jié)越多，說(shuō)明其中包含的高頻成分越多，則采樣間隔應(yīng)越小。第二十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三量化模擬圖像經(jīng)過(guò)采樣后，在時(shí)間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。把采樣后所得的各像素的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。圖a說(shuō)明了量化過(guò)程。若連續(xù)灰度值用z來(lái)表示，對(duì)于滿(mǎn)足zi≤z≤zi+1的z值，都量化為整數(shù)qi。qi稱(chēng)為像素的灰度值，z與qi的差稱(chēng)為量化誤差。一般，像素值量化后用一個(gè)字節(jié)8bit來(lái)表示。如圖b所示，把由黑—灰—白的連續(xù)變化的灰度值，量化為0～255共256級(jí)灰度值，灰度值的范圍為0～255，表示亮度從深到淺，對(duì)應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。第二十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit第二十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

連續(xù)灰度值量化為灰度級(jí)的方法有兩種，一種是等間隔量化，另一種是非等間隔量化。等間隔量化就是簡(jiǎn)單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進(jìn)行量化。對(duì)于像素灰度值在黑—白范圍較均勻分布的圖像，這種量化方法可以得到較小的量化誤差。該方法也稱(chēng)為均勻量化或線(xiàn)性量化。非均勻量化是依據(jù)一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數(shù)，按總的量化誤差最小的原則來(lái)進(jìn)行量化。具體做法是對(duì)圖像中像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些，而對(duì)那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍，則量化間隔取大一些。第三十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三均勻量化效果示意圖第三十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三非均勻量化效果示意圖第三十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三注意：由于圖像灰度值的概率分布密度函數(shù)因圖像不同而異，所以不可能找到一個(gè)適用于各種不同圖像的最佳非等間隔量化方案。因此，實(shí)用上一般都采用等間隔量化。第三十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、采樣與量化參數(shù)的選擇一幅圖像在采樣時(shí)，行、列的采樣點(diǎn)與量化時(shí)每個(gè)像素量化的級(jí)數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響到該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取M×N個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)像素量化后的灰度二進(jìn)制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為字節(jié)數(shù)B為第三十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

對(duì)一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)M×N對(duì)圖像質(zhì)量有著顯著的影響。如下圖所示，采樣點(diǎn)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)減少時(shí)，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。當(dāng)人眼每度視角內(nèi)象素超過(guò)20對(duì)后，已無(wú)法察覺(jué)數(shù)字圖象與連續(xù)圖象的差別。每度視角內(nèi)象素點(diǎn)對(duì)越少則圖象上的塊狀效應(yīng)越明顯。第三十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖不同采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(512×512)；（b）采樣圖像1(256×256)；（c）采樣圖像2(128×128)；（d）采樣圖像3(64×64)；（e）采樣圖像4(32×32)；（f）采樣圖像5(16×16)第三十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三同理，當(dāng)圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，采用不同量化級(jí)數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。如下圖所示，量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級(jí)數(shù)越少時(shí)，圖像質(zhì)量越差，量化級(jí)數(shù)最小的極端情況就是二值圖像，圖像出現(xiàn)假輪廓。對(duì)人眼來(lái)說(shuō),量化級(jí)別大于32時(shí)就能得到滿(mǎn)意的視覺(jué)效果。第三十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖2-5不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(256階)；（b）量化圖像1(64階)；（c）量化圖像2(32階)；（d）量化圖像3(16階)；（e）量化圖像4(4階)；（f）量化圖像5(2階)第三十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三低bit量化的偽輪廓現(xiàn)象示意圖第三十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三

一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí),為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：（1）對(duì)緩變的圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊（混疊）。對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分——紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級(jí)別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。第四十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三若干常用的M﹑N值

漢字:16*16到256*256象素取決于字的大小顯微鏡圖象:256*256或512*512象素電視圖象:500~700*480象素。衛(wèi)星圖象:3240*2340象素。

SAR(合成孔雷達(dá))：8000*8000象素。

CRT顯示器:640*480－2048*2048象素第四十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.4圖像和數(shù)字圖像模擬圖像指空間坐標(biāo)和明暗程度都是連續(xù)變化的圖像數(shù)字圖像是一種空間坐標(biāo)和灰度均不連續(xù)的、用離散的數(shù)字表示的圖像。模擬圖像見(jiàn)P9圖1.13，坐標(biāo)與自然坐標(biāo)相符，任意位置處的灰度為0~1之間的一個(gè)值。第四十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三數(shù)字圖像的表示表示數(shù)字圖像所用坐標(biāo)的約定，用矩陣坐標(biāo)描述，為了編程方便。

M,N必須為正數(shù)，灰度級(jí)取值為2的整數(shù)次冪

L=2k,為k位圖像

圖像存儲(chǔ)量

b=M*N*k

第四十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三數(shù)字圖像第四十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.5圖像處理的一些應(yīng)用1.生物醫(yī)學(xué)

利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如顯微鏡圖像分析，DNA成像分析等；第四十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三CT及核磁共振、超聲波、X射線(xiàn)成像分析等。如三維測(cè)量可視化軟件系統(tǒng)可對(duì)各類(lèi)醫(yī)學(xué)斷層圖像進(jìn)行分析處理，提供診斷依據(jù)。第四十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.遙感

農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，地勢(shì)、地貌測(cè)繪以及地質(zhì)構(gòu)造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測(cè)等等。

第四十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.工業(yè)生產(chǎn)

無(wú)損探傷，石油勘探，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化（識(shí)別零件，裝配質(zhì)量檢查），工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)等。4.軍事

航空及衛(wèi)星偵察照片的測(cè)繪、判讀，雷達(dá)、聲納圖像處理，導(dǎo)彈制導(dǎo)，軍事仿真等。第四十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.通信

圖像傳真，可視電話(huà)，衛(wèi)星通訊，數(shù)字電視等。

第四十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三6.公安指紋識(shí)別，印簽、偽鈔識(shí)別，安檢，手跡、印記鑒別分析等。第五十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.氣象預(yù)報(bào)

獲取氣象云圖進(jìn)行測(cè)繪、判讀等。風(fēng)云1號(hào)風(fēng)云2號(hào)第五十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三8、高能物理

核子泡室圖片分析。9、考古

恢復(fù)珍貴的文物圖片、名畫(huà)、壁畫(huà)。

第五十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.6圖像處理概述1.圖像增強(qiáng)：圖像增強(qiáng)的目的是為了改善畫(huà)質(zhì)，使圖像的顯示效果更加清晰。比如銳化和去模糊處理提亮邊界增加對(duì)比度或亮度去噪第五十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三散焦模糊圖像的清晰化第五十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三大霧天氣下的景物清晰化第五十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三突出邊界第五十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三低照度下圖片加亮第五十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖像消噪第五十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.圖像重建：圖像重建是指從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，而經(jīng)過(guò)處理后得到的結(jié)果是圖像，圖象重建最典型的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)上的計(jì)算斷層攝影技術(shù)（CT）。

把退化、模糊了的圖像復(fù)原.包括圖像輻射和幾何校正等內(nèi)容；由斷層掃描重建二、三維圖像。第五十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.圖像分割：圖像分割是指通過(guò)某種方法，使得畫(huà)面場(chǎng)景被分為“目標(biāo)物”及“非目標(biāo)物”兩類(lèi),即將圖像的像素變換為黑、白兩種。第六十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.7圖像處理任務(wù)基本步驟1、圖像獲取2、預(yù)處理3、分割4、表示和描述5、識(shí)別和理解第六十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.8數(shù)字圖像的類(lèi)型1.二值圖像2.灰度圖像3.真彩色或RGB圖像4.索引圖像二值圖像黑白圖像是指圖像的每個(gè)像素只能是黑或者白，沒(méi)有