算法設(shè)計與分析

圖像處理的研究對象

圖像的數(shù)字化圖像變換圖像增強圖像恢復（復原）圖像編碼圖像的分割和描述第十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像的數(shù)字化：

將代表圖像的連續(xù)（模擬）信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散（數(shù)字）信號的變換過程。第十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像變換傅里葉變換Walsh變換離散余弦變換小波變換……空間域變換域第十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像編碼壓縮圖像壓縮編碼技術(shù)可以減少描述圖像的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間、減少存儲空間。主要方法：熵編碼、預測法編碼、變換編碼、分形編碼……第十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像增強和復原目的：提高圖像質(zhì)量（去除噪聲、提高圖像的清晰度）主要方法：灰度修正、平滑、幾何校正、圖像銳化、頻域增強、維納濾波、卡爾曼濾波第十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像的分割目的：提取出感興趣的對象。為進一步的理解和識別做準備。主要方法：灰度閾值分割、基于紋理的分割、區(qū)域生長法第十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像的理解和識別圖像經(jīng)過預處理后，進行圖像分割和特征提取，從而進行判決分類。常用的模式：統(tǒng)計模式分類和句法模式分類。第十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三講課內(nèi)容

第一章導論2學時第二章數(shù)字圖像表示及其處理2學時第三章圖像變換4學時第四章圖像增強4學時第五章圖像恢復2學時第六章圖像編碼6學時第七章圖像分割與邊緣提取2學時第八章圖像的分析和識別2學時復習課2學時第二十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三實驗內(nèi)容實驗一圖像變換2學時實驗二圖像增強2學時實驗三圖像編碼2學時

講課：26學時實驗：6學時總計：32學時第二十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第1章導論

基本要求

了解：數(shù)字圖像處理課程研究的主要內(nèi)容

熟悉：數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展歷史

內(nèi)容

本課程研究的主要內(nèi)容

圖像處理的應(yīng)用

圖像處理的發(fā)展

第二十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第1章導論

1.1 圖像基本概念 1.2 圖像工程簡介

1.3 圖像處理系統(tǒng)1.4 數(shù)字圖像處理與分析

第二十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.1 圖像基本概念

1.1.1 圖像和數(shù)字圖像 1.1.2 圖像的表達

第二十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.1.1圖像和數(shù)字圖像

圖像

用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼，并進而產(chǎn)生視知覺的實體。

圖像的分類

數(shù)學函數(shù)產(chǎn)生的圖像可見的圖像不可見的物理圖像第二十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

成象過程是復雜的光學過程，這涉及到光度學，色度學。

光度學：亮度形成機制。

色度學：光的反射和發(fā)射與光波的波長關(guān)系（和顏色，彩色有關(guān)系）。

圖像函數(shù)第二十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三單色圖像：反映圖像亮度值，則和波長無關(guān)，則圖像函數(shù)為f(x,y)。例如：一張黑白照片，可以應(yīng)用二維函數(shù)f(x,y)表示，x,y是平面兩個軸的坐標，f(x,y)表示f(x,y)點的亮度值（灰度值）。一幅彩色圖像：各點值還應(yīng)反映出色彩變化，即可用f(x,y,)

表示，其中為波長?；顒硬噬珗D像(電視、電影）：還應(yīng)是時間t的函數(shù)，即可表示為f(x,y,,t)。

圖像函數(shù)第二十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像的例子

人眼所見照片：單張圖像電視電影：圖像序列

……第二十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字圖像舉例左圖為MAN（人），右圖為TANK（物）。第二十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三百聞不如一見Onepictureisworthmorethantenthousandwords. Anonymous第三十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取的。數(shù)字圖像處理是用數(shù)字計算機處理所獲取視覺信息的技術(shù)。第三十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.1.1圖像和數(shù)字圖像圖像類型

{廣義}

圖片，動畫，繪圖，文字/檔，...

{狹義}

單幅

序列圖像，... 靜止

運動圖像（視頻），... 2-D3-D，彩色，立體對， 多光譜，多視場圖像，... 灰度

深度，紋理圖像，...

第三十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.1.2圖像的表達圖像表示

2-D數(shù)組

f(x,y)

x，

y：2-D空間XY中坐標點的位置

f：代表圖像在(x,y)的性質(zhì)F的數(shù)值

f,x,y的值可以是任意實數(shù)

性質(zhì)F

:可對應(yīng)不同物理量

灰度圖像里用灰度表示第三十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.1.2圖像的表達圖像表示

矩陣

矢量

第三十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2 圖像工程簡介

1.2.1圖像技術(shù)和圖像工程 1.2.2 圖像工程的三個層次 1.2.3 圖像工程相關(guān)學科和領(lǐng)域 1.2.4 圖像工程的技術(shù)應(yīng)用 1.2.5 圖像工程文獻統(tǒng)計分類1.2.6圖像、圖形發(fā)展特點 1.2.7幾個術(shù)語第三十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.1圖像技術(shù)和圖像工程圖像技術(shù)

圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱。 主要功能/作用包括： 對圖像的各種加工 基于加工結(jié)果的判斷決策和行為規(guī)劃 為此進行的硬件設(shè)計及制作

第三十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.2圖像工程的三個層次

圖像工程：

不同層次圖像技術(shù)的有機結(jié)合及應(yīng)用

圖像工程三層次：

圖像處理（圖像——>圖像） 圖像分析（圖像——>數(shù)據(jù)） 圖像理解（圖像——>解釋）第三十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.2圖像工程的三個層次第三十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.2圖像工程的三個層次

圖像處理：對圖像進行各種加工，以改善圖像的視覺效果；強調(diào)圖像之間進行的變換；圖像處理是一個從圖像到圖像的過程。圖像分析：對圖像中感興趣的目標進行提取和分割，獲得目標的客觀信息（特點或性質(zhì)），建立對圖像的描述；以觀察者為中心研究客觀世界；圖像分析是一個從圖像到數(shù)據(jù)的過程。圖像理解：研究圖像中各目標的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系；得出對圖像內(nèi)容含義的理解及原來客觀場景的解釋；以客觀世界為中心，借助知識、經(jīng)驗來推理、認識客觀世界，屬于高層操作（符號運算）。第三十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

(a)橋梁的全色圖像(b)橋梁的多光譜圖像(c)橋梁的SAR圖像橋梁的三類遙感圖像第四十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.3圖像工程相關(guān)學科和領(lǐng)域主要相關(guān)學科：

圖形學：原指用圖形、圖表、繪圖等形式表 達數(shù)據(jù)信息的科學，而計算機圖形學 研究的就是如何利用計算機技術(shù)來產(chǎn) 生這些形式。

圖像模式識別：試圖把圖像分解成可用符號 較抽象地描述的類別。

計算機視覺：主要強調(diào)用計算機實現(xiàn)人的視 覺功能，目前的研究內(nèi)容主要與圖像 理解相結(jié)合 。

第四十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.4數(shù)字圖像處理的發(fā)展概況和應(yīng)用發(fā)展概況：二十世紀二十年代：圖像遠距離傳輸。二十世紀五十年代：數(shù)字計算機發(fā)展到一定水平，數(shù)字圖像處理引起巨大關(guān)注。1964年：美國噴氣推進實驗室用計算機對“徘徊者七號”太空船發(fā)回的大批月球照片進行處理。數(shù)字圖像處理應(yīng)用從空間研究計劃擴展到生物醫(yī)學，工業(yè)生產(chǎn)，軍事偵察等領(lǐng)域。第四十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1921年一幅由電報打印機重建的數(shù)字圖像1921年底應(yīng)用照像復制技術(shù)，在電報接收終端用穿孔紙帶還原圖像1929年采用編碼圖片紙帶調(diào)制光束，改善了系統(tǒng)底板的感光，使灰度級增加到十五個等級。第四十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三阿波羅登月第四十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像處理最先應(yīng)用于空間探索第四十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三二十世紀六十年代末：數(shù)字圖像處理較完整的理論體系已形成，成為一門新興的學科。二十世紀六十年代至八十年代：隨著離散數(shù)學理論的創(chuàng)立和完善，數(shù)字圖像處理理論和方法進一步完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。二十世紀八十年代以來：數(shù)字圖像處理向更高級的方向發(fā)展：實時性，智能化，普及化，網(wǎng)絡(luò)化，低成本。第四十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用領(lǐng)域：通信：圖像傳輸，電視電話，HDTV（HighDefinitionTelevision，高清晰度電視）等。宇宙探測：星體圖片處理。遙感：地形、地質(zhì)、礦藏探查，森林、水利、海洋、農(nóng)業(yè)等資源調(diào)查，自然災害預測，環(huán)境污染的監(jiān)測，氣象云圖。生物醫(yī)學：CT（computedtomography，計算機X射線斷層掃描技術(shù))，MRI（nuclearmagneticresonanceimaging，核磁共振成像），X射線成像，B超，紅外圖像，顯微圖像。工業(yè)生產(chǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量檢測，生產(chǎn)過程控制，CAD（ComputerAidedDesign)，CAM(computerAidedManufacturing)。第四十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用領(lǐng)域：軍事：軍事目標偵察，制導系統(tǒng)，警戒系統(tǒng)，自動火器控制，反偽裝等。公安：現(xiàn)場照片，指紋，手跡，印章，人像等處理和鑒別。檔案：過期的文字、圖片檔案的修復和處理。機器人視覺娛樂：電影特技，動畫，廣告，MTV等。第四十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用舉例第四十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三空間探索第五十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三地球資源勘探第五十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三遙感圖像第五十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三遙感圖像融合通過圖像融合，將全色圖像的空間結(jié)構(gòu)細節(jié)特征與多光譜圖像的光譜特征相結(jié)合，有效提高了目標識別率。

(a)多光譜圖像(b)全色圖像(c)融合圖像融合前后圖像第五十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三氣象云圖氣象預報第五十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第五十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三CT掃描儀第五十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三CT圖像第五十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第五十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三計算機合成圖像

第五十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三廣告設(shè)計第六十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三網(wǎng)頁設(shè)計第六十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三娛樂第六十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三軍事應(yīng)用目標跟蹤第六十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三交通監(jiān)控自動駕駛第六十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.5圖像工程文獻統(tǒng)計分類中國圖像工程綜述（中國圖像圖形學報,5月期）文獻統(tǒng)計分類

共統(tǒng)計15種刊物 已進行10年（1996-2005） 涉及到18819篇論文

選取了4032篇論文第六十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.5圖像工程文獻統(tǒng)計分類圖像工程期刊

（1） [CT]：《CT理論與應(yīng)用研究》 （2） [CX]：《測繪學報》 （3） [DC]：《電子測量與儀器學報》 （4） [DK]：《電子科學學刊》 （5） [DX]：《電子學報》 （6） [JX]：《計算機學報》 （7） [MR]：《模式識別與人工智能》 （8） [SC]：《數(shù)據(jù)采集與處理》 （9）[TX]：《通信學報》 （10）[XC]：《信號處理》 （11）[YX]：《遙感學報》 （12）[ZS]：《中國生物醫(yī)學工程學報》 （13）[Zti]：《中國體視學和圖像分析》 （14）[Ztu]：《中國圖像圖形學報》 （15）[ZX]：《自動化學報》

第六十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.5圖像工程文獻統(tǒng)計分類第六十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.5圖像工程文獻統(tǒng)計分類第六十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.6圖像、圖形發(fā)展特點

實時產(chǎn)生高質(zhì)量的圖形和圖像是近年來所追求的目標。高分辨率（顯示分辨率和采集分辨率）高速度立體化多媒體化智能化標準化第六十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.7幾個術(shù)語（1）景物（SCENE）

在圖像處理中，把通常人眼所看到的客觀存在的世界稱為景物。（2）圖像（IMAGE）

所謂圖像就是視覺景物的某種形式的表示和記錄。（3）圖形（GRAPHICS）

指人為的圖形，如圖畫，動畫等人造的二維圖形，也可表示三維的。第七十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.7幾個術(shù)語（4）圖像處理（IMAGEPROCESSING，IP）

把用電視攝像機（或其他傳感器，紅外，X光等）得到的景物和照片等（二維數(shù)值數(shù)據(jù)）進行加工處理后輸出另外的圖像（指廣義圖像）。（5）計算機圖形學（COMPUTERGRAPHICS，CG）

計算機實現(xiàn)圖形的生成，表示，處理和顯示，以及借助圖形信息進行人-機圖形處理的一門學科。（6）計算機視覺（COMPUTERVISION）

為機器人提供眼睛的功能。第七十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.2.7幾個術(shù)語（7）圖像處理與計算機圖形學的區(qū)別與聯(lián)系圖像處理與計算機圖形學的區(qū)別：

①數(shù)據(jù)來源不同圖像數(shù)據(jù)來自客觀世界；圖形數(shù)據(jù)來自主觀世界。第七十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三②處理方法不同圖像處理方法包括幾何修正、圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像理解、圖像識別等；圖形處理方法包括幾何變換、開窗和裁剪、隱藏線和隱藏面消除、曲線和曲面擬合、明暗處理、紋理產(chǎn)生等。圖像處理與計算機圖形學的區(qū)別：第七十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三③理論基礎(chǔ)不同圖像處理理論主要用到數(shù)字信號處理、概率與統(tǒng)計、模糊數(shù)學等；計算機圖形學理論主要用到仿射與透視變換、樣條幾何、計算幾何、分形理論等。圖像處理與計算機圖形學的區(qū)別：第七十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三④用途不同

圖像處理主要用于遙感、醫(yī)學、工業(yè)、航天航空、軍事、公安等；計算機圖形學主要用于CAD/CAM/CAE、CAI、計算機藝術(shù)、計算機模擬、計算機動畫等。圖像處理與計算機圖形學的區(qū)別：第七十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像處理與計算機圖形學的關(guān)系：

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，這兩門學科互相滲透，逐漸靠近。第七十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.3 圖像處理系統(tǒng)第七十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像采集模塊可采用CCD照相機、視頻攝象機、掃描儀等；顯示模塊CRT

(CathodeRayTube，陰極射線管）或TV，純平彩顯、液晶彩顯等；存儲模塊采用磁盤、光盤（可讀寫）；通信模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像（局域網(wǎng)等）；處理模塊主要是運算，用算法的形式描述，用軟件實現(xiàn)。第七十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像存儲

數(shù)據(jù)量度單位

比特（bit），字節(jié)（byte=8bit）

千字節(jié)（Kbyte）

兆（106）字節(jié)（Mbyte）

吉（109）字節(jié)（Gbyte）

太（1012）字節(jié)（Tbyte）第七十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像存儲

1Byte(字節(jié))=8bit(位)1KB=1024Byte(字節(jié))1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB第八十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像表示格式和文件格式

表示格式：

矢量格式：用線段或線段的組合體來表示圖像光柵格式：用許多圖像點的集合來表示圖像

文件格式：BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG格式

第八十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三圖像處理

對圖像的增強以改善圖像視覺質(zhì)量對退化圖像的恢復以消除各種干擾的影響根據(jù)對場景的多個投影來重建場景的圖像對圖像進行編碼以減少表達圖像的數(shù)據(jù)量，從而有利于存儲和傳輸給圖像加入數(shù)字水印，以保護圖像的所有權(quán)

第八十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1.4 數(shù)字圖像處理與分析對于數(shù)字媒體和各種以數(shù)字方式存儲的數(shù)據(jù)，通過信息處理和模式識別方法進行數(shù)據(jù)分析，進而為各種應(yīng)用服務(wù)。第八十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三該領(lǐng)域目前的主要研究方向:視音頻檢索視音頻理解視音頻處理圖像分析視覺監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信息分析第八十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三文字處理信息檢索網(wǎng)絡(luò)行為分析射頻識別……(排名不分先后)第八十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三理論與應(yīng)用問題:視頻中的低分辨率圖像處理光照變化問題個體變化問題……從系統(tǒng)角度第八十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三基于步態(tài)的性別識別MaleFemale第八十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第八十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第八十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三VideoRetrievalbyFace第九十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三監(jiān)視環(huán)境數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫采集：目前供采集到約200人的步態(tài)信息。第九十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三生物特征識別人臉識別簽名識別第九十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三人臉識別

三維人臉識別基于序列圖像的人臉識別人臉老化模擬基于紅外圖像的人臉識別第九十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三基于超分辨率的人臉老化模擬(1)第九十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三基于超分辨率的人臉老化模擬(2)第九十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三在線簽名識別2D-ShapeGenuinesampleForgerysample第九十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第九十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三彩色與非彩色圖像第九十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三第九十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三?圖像的恢復與重建

介紹各種增強方法及其應(yīng)用。增強圖像的有用信息，消弱噪聲的干擾。由斷層掃描重建二、三維圖像。

把退化、模糊了的圖像復原。包括圖像輻射校正和幾何校正等內(nèi)容。?圖像增強

第一百頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三?圖像