圖像及其數(shù)字處理

圖像及其數(shù)字處理第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1英國媒體2007年7月7日報道：美國麻省理工學院的神經(jīng)科學家和英國格拉斯哥大學的專家們利用大腦對清晰和模糊畫面的反應差異，制作出神奇的“瑪麗蓮·愛因斯坦”混合畫。2第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)茖W家稱，這幅畫之所以能夠產生這種離奇的效果，只不過是利用清晰和粗糙的線條“欺騙”了人類的大腦。科學家稱，人類大腦分析清晰圖像的速度，要比分析模糊圖像的速度更快，這幅畫中的愛因斯坦頭像已經(jīng)經(jīng)過電腦修改，只有一部分面貌仍然保持清晰狀態(tài)，譬如鼻子皺紋等；但遠距離看，這些部分將變得模糊，而瑪麗蓮·夢露的頭像則會顯現(xiàn)出來，因為瑪麗蓮的頭像全都采用了粗糙的特征，而本屬于愛因斯坦的胡子，在遠看時則變成了瑪麗蓮張口微笑的艷唇。據(jù)專家稱，通過這種技術，人們完全可以創(chuàng)造出一些可以根據(jù)距離遠近而發(fā)生改變的廣告畫面，從而給廣告技術帶來新的革命。3第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月UsefullinksDigitalImageProcessing2ndEdition

byGonzalezandWoods（教材）

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/homepage.htmlMatlabcentralforimageprocessing/matlabcentral/fileexchange/loadCategory.do?objectType=category&objectId=264第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章圖像及其數(shù)字處理1.1引言追溯：20世紀20年代，紐約與倫敦通過海底電纜傳送數(shù)字化新聞圖片。歷史：20世紀50年代，美國推出太空探索計劃，涉及到許多圖像處理技術（標志著數(shù)字圖像處理技術的開始）。1964年，噴氣推進實驗室JPL，（JetPropulsionLaboratory）正式用計算機對“徘徊者7號”太空船送回的4000多張月球照片進行了處理，得到了清晰的圖片。5第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月后來，“勘測者”太空船進行了登月飛行，實地采集了大量月球表面的清晰照片，通過對傳回的圖片資料進行了增強和恢復處理，為阿波羅載人登月飛行提供了重要的參考資料，圖像處理技術的重要性依此可見一斑。6第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月60年代，美國還發(fā)射了一系列“水手號”火星探測飛船。其中“水手4號”飛船在距火星1萬公里處拍攝了21幅火星照片，依此發(fā)現(xiàn)火星上存在大量的環(huán)形山，到1969年“水手5號”、“水手6號”、“水手7號”再次相繼掠過火星，并拍攝了300多幅火星照片。1971年11月，“水手9號”飛船進入了火星軌道，成為火星的第一顆人造衛(wèi)星，成功地拍攝了火星的全貌，發(fā)回了7329張照片。1971年5月19和28日，前蘇聯(lián)的“火星2號”、“火星3號”也相繼對火星進行了考察，但“火星2號”的探測器摔毀在火星表面，而“火星3號”的登陸倉在火星表面軟著陸后僅工作了22秒就再也沒有了消息。7第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1975年美國又相繼發(fā)射了“海盜1號”、“海盜2號”宇宙飛船，并攜帶了許多精密儀器。它們的著陸器在火星著陸后，采集了大量的土壤、風速、氣壓、溫度等信息，并確定的火星的大氣成分。在今后的幾年中幾乎拍攝了火星的整個表面，并向地球發(fā)回51539張清晰的照片。1996年11月和12月，美國還先后發(fā)射了“火星環(huán)球觀測者”（marsglobalsurveyor）和“火星探路者”（marspathfinder），發(fā)回了1.6萬張地表照片，包括許多特定鏡頭和360度彩色全景照片。到2001年4月7日，美國再次發(fā)射了“奧德賽”火星探測器，主要任務是在火星上找水。2003年6月10日和7月7日，“火星探測流浪者”分別攜帶“勇氣”號和“機遇”號火星車再次踏上去火星找水和生命的探索之路。8第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月“火星環(huán)球觀測者”火星南極的奶酪冰山火星地表火星外貌9第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月另外，數(shù)字圖像處理技術還用到了生物醫(yī)學工程、軍事偵察等領域，并取得了顯著成果。

到了20世紀60年代末，數(shù)字圖像處理已形成一個比較完整的理論與技術體系，從而構成了一門獨立的新興學科。如此算來，至今也就是40多年的歷史。10第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個主要應用方面：太空探索、遙感（美國于1972年發(fā)射第一顆陸地衛(wèi)星用于地球資源勘探及氣象預測）、生物醫(yī)學工程（1972年X射線斷層攝影技術——CT、1977年白血球自動分類儀研究成功）、工業(yè)（視覺檢驗、零部件選取、過程控制）、軍事及公安（導向武器、面相指紋識別）、廣播影視等。多種技術的綜合：數(shù)字圖像處理會聚了光學（成像）、電子學（DSP）、數(shù)學（函數(shù)、模型、變換）、攝影、計算機、影視藝術學等眾多學科。發(fā)展：

圖像處理所需的計算機設備不斷降價、圖像數(shù)字化設備和顯示設備越來越普及，使得數(shù)字圖像處理這門技術越來越熱、應用領域越來越廣。11第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月音樂家或頭像？少女或老婦？數(shù)字圖像處理后的圖像很多情況下是給人觀察和評價的，因此受人的因素影響較大。12第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月13第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2數(shù)字圖像處理概述計算機不能直接分析圖像，只能處理數(shù)據(jù)，所以，用計算機對圖像進行處理前必須數(shù)字化。

在每個像素位置，圖像的亮度（灰度）被采樣、量化，在數(shù)字圖像中對應點上得到表示其亮暗程度的一個整數(shù)值。對所有像素都完成上述轉換后，圖像就被表示成一個整數(shù)矩陣。數(shù)字圖像處理的三個基本部件圖像數(shù)字化儀處理圖像的計算機圖像顯示設備14第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月像素的屬性位置（地址）：由二維采樣點坐標(行、列)決定

灰度（亮度）：表示該位置上亮暗程度的整數(shù)125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,155,163,95,112,123,101,137,108,81,71,63,81,137,142,146,152,159,161,159,154,138,81,78,84,114,95,167,69,85,59,65,43,85,34,69,78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114,99,57,45,51,57,54,46,38,44,38,36,44,36,25,48,115,113,114,124,135,152,168,169,156,75,43,39,41,38,42,41,58,30,44,35,28,69,144,147,57,60,93,106,119,124,131,144,175,177,63,30,30,124,139,65,31,39,61,35,75,51,66,58,167,177,153,58,80,95,108,120,133,155,182,137,84,74,54,61,149,96,36,29,115,71,84,105,86,136,172,175,128,126,114,106,109,115,127,169,187,105,102,95,66,135,145,87,38,38,124,120,106,93,95,117,120,131,148,144,113,112,109,115,128,162,193,143,132,124,110,131,97,53,66,47,129,123,128,114,108,115,102,121,129,125,113,112,111,111,127,162,192,150,129,117,112,107,64,67,73,48,133,139,132,127,128,134,136,144,140,141,113,120,114,115,122,154,188,159,143,131,125,112,105,95,88,52,136,138,143,145,138,143,143,141,144,129,118,119,115,112,120,152,186,165,150,139,128,117,109,104,93,58,140,146,147,145,150,154,147,149,143,132,127,124,117,112,117,142,184,171,144,139,129,119,114,112,100,58,135,143,145,151,150,143,146,142,139,131,131,127,119,115,114,140,190,177,141,135,133,121,120,115,102,48,128,137,141,149,150,148,143,141,136,128,120,122,116,109,116,136,182,182,140,135,130,124,116,109,100,45,131,132,141,143,148,147,143,140,134,125,116,117,108,109,120,130,171,185,133,132,127,120,117,110,90,42,136,131,139,136,140,141,140,136,132,121,114,117,109,106,112,130,163,192,130,131,127,119,116,110,81,26,126,131,132,132,136,140,134,135,128,117,110,113,111,110,112,129,151,196,155,130,127,120,115,103,64,28,127,132,130,128,134,134,140,132,126,110,102,117,118,114,112,121,152,195,165,123,128,117,115,96,36,28,123,131,127,129,132,133,134,131,127,112,109,117,114,116,107,116,145,172,136,123,122,116,107,72,27,28,127,128,129,130,133,135,132,134,130,120,108,110,48,79,76,103,128,165,137,127,118,115,105,34,31,28,123,124,127,128,132,129,134,131,131,124,114,109,115,117,106,120,151,149,134,126,118,114,85,30,36,29,122,122,123,128,132,133,134,133,132,127,128,125,120,138,130,158,162,149,130,123,115,106,36,34,29,29,124,124,122,124,129,130,126,134,130,130,124,123,127,164,155,162,163,144,128,128,117,97,37,29,29,41,122,124,121,123,124,127,128,125,126,124,125,129,137,178,164,152,163,146,122,119,114,34,33,32,29,51,120,123,119,120,123,121,120,118,123,125,126,136,138,148,165,157,147,152,115,118,104,27,32,34,35,44,117,122,124,119,119,90,106,115,113,113,109,112,105,109,123,110,102,86,101,121,39,28,42,30,38,61,120,120,123,126,115,109,93,84,97,102,99,94,96,105,115,117,106,111,124,112,29,30,42,28,38,48,113,117,125,124,131,116,110,113,113,116,123,147,151,156,171,142,119,121,113,31,30,35,29,26,35,36,111,114,114,123,126,121,116,110,107,116,116,129,135,134,131,120,126,121,85,32,29,43,33,37,52,32,105,114,117,118,123,122,116,113,118,112,104,108,111,105,113,126,123,107,51,27,25,34,40,35,39,36,26×31128×12815第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字圖像處理系統(tǒng)框圖：由數(shù)字化器產生的數(shù)字圖像先進入一個適當裝置的緩存中，根據(jù)操作員的指令，計算機調用并執(zhí)行程序庫中的圖像處理程序。在執(zhí)行過程中，輸入圖像被逐行地讀入計算機。對圖像進行處理后，計算機逐像素生成一幅輸出圖像，并將其逐行送入緩存。16第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在圖像處理過程中，圖像中的像素可根據(jù)程序員的意思來修改，處理過程只受到程序員的想象力、耐心以及用于計算資源的限制。處理后的結果由一個與圖像數(shù)字化相反的逆過程顯示出來，用每個像素的灰度來決定對應點在顯示屏上的亮度。這樣，處理后的結果又轉化成可視的和可供人們解釋的圖像了。17第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像可根據(jù)其形式或方法來分類，為此，引入集合論的方法，見下圖：

1.2.1數(shù)字圖像處理術語照片圖畫圖片光圖像可見的圖像連續(xù)函數(shù)離散函數(shù)（數(shù)字圖像）數(shù)學函數(shù)不可見的物理圖像圖像物體18第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月物理圖像：物質或能量的實際分布。

可見的物理圖像：如光圖像是光強在二維空間的分布；圖片是顏色在二維空間的分布。

不可見的物理圖像：如溫度、濕度、高度、壓力、人口密度等，是這些具體物理量的空間分布。數(shù)學圖像：抽象的數(shù)學函數(shù)值在特定坐標空間的一種分布。

連續(xù)的數(shù)學圖像：在有限空間可以有無限的分布。

離散的數(shù)學圖像：在有限空間具有有限的分布，可以通過計算機進行處理。19第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

處理：讓某個事物受到一個過程（process）的作用。

數(shù)字圖像處理：對一個物體的數(shù)字表示施加一系列的操作，以得到所期望的結果。

本書對數(shù)字圖像處理的定義：數(shù)字圖像指的是一個被采樣和量化后的二維函數(shù)（該二維函數(shù)由光學方法產生），采用等距離矩形網(wǎng)格采樣，對幅度進行等間隔量化。因此，一幅數(shù)字圖像是一個被量化了采樣數(shù)值的二維矩陣。20第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月通常，圖像是其所表示物體的一個濃縮或概括，使得一幅圖像所包含的信息遠比原物體的要少。而由于被采樣及量化，一幅數(shù)字圖像包含的信息就更比原物體的要少。因此，圖像（數(shù)字圖像）是物體的一個不完全、不精確，但在某種意義上恰當?shù)谋硎尽?1第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字成像（涵蓋任何用計算機來操作與圖像有關的技術）計算機圖形學：用計算機將由概念或數(shù)學描述所表示的物體（非實物）進行處理和顯示。

計算機視覺：一種能夠理解自然景物的系統(tǒng)，是機器人的眼睛。數(shù)字圖像處理：對原圖像進行處理而生成新的圖像。數(shù)字圖像分析：對圖像進行處理而得到一個數(shù)據(jù)集或某種決策。22第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個術語：數(shù)字化(digitizing)：將一幅圖像從其原來的形式轉換為數(shù)字形式的處理過程（三個步驟：掃描、采樣、量化）。顯示(display)：數(shù)字化的逆過程，由一幅數(shù)字圖像生成一可見的圖像。掃描(scanning)：對圖像內給定位置的尋址（被尋址的最小單元是像素）。采樣(sampling)：在一幅圖像的每個像素位置上測量其灰度值。量化(quantization)：將測量的灰度值用一個整數(shù)表示。23第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月對數(shù)字圖像的運算可分為如下三類：點運算(Point)：輸出圖像每個像素的灰度值只依賴于輸入圖像的對應點的灰度值。局部運算(Local)：輸出圖像上每個像素的灰度值是由輸入圖像中以對應像素為中心的鄰域中多個像素的灰度值計算出來的。全局運算(Global)：對整幅圖像進行相同的處理。24第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月對比度(contrast)：一幅圖像中灰度反差的大小。噪聲(noise)：加法性或乘法性的污染（噪點干擾）?；叶确直媛?gray-scaleresolution)：單位幅度上包含的灰度級數(shù)（8bit量化時為256級）。采樣密度(samplingdensity)：圖像上單位長度包含的采樣點數(shù)（如pixel/mm）。像素間距(pixelspacing)：采樣密度的倒數(shù)。放大率(magnification)：圖像中物體與其所對應的景物中物體的大小比例關系。通常針對數(shù)字圖像的放大，并可有多種平滑放大方式，以有效消除數(shù)字圖像的鋸齒現(xiàn)象。25第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3哲學觀點1.3.1連續(xù)方法和離散方法在設計和實現(xiàn)數(shù)字圖像處理的運算方案時有兩種觀點：離散方法和連續(xù)方法。人們可以把數(shù)字圖像看成離散采樣點的集合，每個點具有其各自的屬性。這樣處理運算就是對這些離散單元的簡單操作。而用連續(xù)數(shù)學可以更精確地描述圖像的內容和規(guī)律。26第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月事實上，很多運算和處理過程是用連續(xù)和離散方法都能描述的，而在很多情況下，我們會發(fā)現(xiàn)，分別采用連續(xù)分析和離散技術的兩種方案，會導致相同的答案。只是沿著不同思路對問題的理解不大相同。27第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月由于數(shù)字圖像是以離散為基礎的，因此一味堅持連續(xù)的觀點而忽略離散這個基本特性是危險的，所處理的圖像可能會呈現(xiàn)出乎意料的、不正常的性質。而由于