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1、数字图像处理 2 本课程主要介绍数字图像处理的基本概念 理论 方法和应用 通过学习本课程 掌握数字图像处理的基本原理 培养解决实际图像处理问题的能力 为进行数字图像处理相关领域的研究奠定坚实的基础 课程介绍 4 5 6 two 7 three 8 four 图像的算术运算和几何变换图像的灰度变换和直方图处理图像的空间滤波图像的频域处理 学习主要内容 掌握数字图像处理的基本方法 为数字图像处理奠定良好的基础 能够把MATLAB应用于实际的图像处理领域 学习目的 11 关于本课程的基础知识和学习方法基础知识 线性代数 高数 概率论 数字信号处理 程序设计语言英语和编程基础学习方法 切忌死记硬背通过
2、数学理解处理图像的意义上机编程分析图像 学习方法 12 教学安排 课程安排总学时 48学时理论 32学时上机 16学时成绩评定平时成绩 10 实验成绩 20 考试成绩 70 上机编程处理图像 13 1无穷小的无穷项的集合就是 2 1 1数字图像处理的发展1 2数字图像处理的相关概念1 3数字图像处理方法1 4数字图像处理的主要研究内容1 5数字图像处理的应用实例1 6数字图像处理领域的发展动向 第1章绪论 15 掌握常用图像处理术语了解发展过程及动向了解数字图像处理的应用 学习目标 16 17 18 1 1数字图像处理的发展 图像是人类获取信息 表达信息和传递信息的重要手段 据统计 在人类接受
3、的信息中 图像等视觉信息所占的比重达到75 数字图像处理技术已经成为信息科学 计算机科学 工程科学 地球科学等诸多方面的学者研究图像的有效工具 19 数字图像处理起源于20世纪20年代 当时 人们通过Bartlane海底电缆图片传输系统 从伦敦到纽约传输了一幅经过数字压缩后的照片 从而把传输时间从一周多减少到不到3小时 1921年电报打印机采用特殊字符在编码纸带打印 输出设备从通用在到专用 1922年两次穿越大西洋 穿孔纸带得到图像检测误差 图像通信系统信源编码和信道编码 1929年从伦敦到纽约15级色调通过电缆传输照片 从早期5个灰度到15灰度 现在的网络 移动通信再次历经这个过程 20 为
4、了传输图片 该系统首先在传输端进行图像编码 然后在接收端用特殊打印设备重构该图片 该应用已经包含了数字图像处理的知识 但还称不上真正意义的数字图像处理 因为它没有涉及到计算机 21 第一台可以执行有意义的图像处理任务的大型计算机出现在20世纪60年代早期 1964年 位于加利福尼亚的美国喷气推进实验室 JPL实验室 处理了太空船 徘徊者七号 发回的月球照片 以校正航天器上电视摄像机中的各种类型的图像畸变 并考虑了太阳位置和月球环境的影响 由计算机成功地绘制出月球表面地图 获得了巨大的成功 随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理 以致获得了月球的地形图 彩色图及全景镶嵌图 获得
5、了非凡的成果 为人类登月创举奠定了坚实的基础 也推动了数字图像处理这门学科的诞生 22 徘徊者7号 太空船于1964年7月31号在东部白天时间着陆前17分钟拍摄的 其中网状标记表示经过了几何校正 23 数字图像处理技术在20世纪60年代末和70年代初开始用于医学图像1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置 也就是我们通常所说的CT ComputerTomograph CT的基本方法是根据人的头部截面的投影 经计算机处理来重建截面图像 称为图像重建 1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置 获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像 1979
6、年 这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖 说明它对人类作出了划时代的贡献 24 Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖 25 图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就 属于这些领域的有航空航天 生物医学工程 工业检测 机器人视觉 公安司法 军事制导 文化艺术等 使图像处理成为一门引人注目 前景远大的新型学科 从70年代中期开始 随着计算机技术和人工智能 思维科学研究的迅速发展 数字图像处理向更高 更深层次发展 人们已开始研究如何用计算机系统解释图像 实现类似人类视觉系统理解外部世界 这被称为图像理解或计算机视觉 今天 几乎不存在与数字
7、图像处理无关的技术领域 26 27 28 1 2数字图像处理的相关概念 1 2 1数字图像及其组成要素图 是物体透射或反射光的分布 是客观存在的 像 是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或反映 图像 是图和像的有机结合 是客观世界能量或状态以可视化形式在二维平面上的投影 29 从人眼的视觉特点看 图像分为可见图像和不可见图像 其中可见图像又包括生成图和光图像两类 光图像侧重于用透镜 光栅和全息技术产生的图像 通常所指的图像是光图像 30 按波段多少 图像可分为单波段 多波段和超波段图像 单波段图像在每个点只有一个亮度值 多光谱图像上每一个点不只一个特性 例如红 绿 蓝三波段光谱图像或彩色
8、图像在每个点具有红 绿 蓝三个亮度值 这三个值表示在不同光波段上的强度 人眼看来就是不同的颜色 31 按图像空间坐标和明暗程度的连续性可分为模拟图像和数字图像 模拟图像指空间坐标和明暗程度都是连续变化的 计算机无法直接处理的图像 数字图像是一种空间坐标和灰度均不连续的 用离散的数字表示的图像 这样的图像才能被计算机处理 32 1 模拟图像 光学图像 模拟电视图像等 处理速度快 但精度和灵活度差 2 数字图像 数码相机 数字电视等 是将连续的模拟图像经过离散化处理后得到的计算机可以识别及处理的点阵图像 像素 数字图像的优点 1 精度高 目前计算机可将模拟图像转化成高精度数字图像 2 处理方便 数
9、字图像是一组数据 可利用计算机对其处理 3 重复性好 数字图像可比模拟图像有正常的保质时间 33 数字图像数字图像可以理解为图像的数字表示 是时间和空间的非连续函数 信号 是为了便于计算机处理的一种图像表示形式 它是由一系列离散单元经过量化后形成的灰度值的集合 即像素 Pixel 的集合 34 对图像进行一系列的操作以达到预期的目的的技术称作图像处理 图像处理可分为模拟图像处理和数字图像处理两种方式 利用光学 照相和电子学方法对模拟图像的处理称为模拟图像处理 目前 许多军用 宇航的处理仍采用光学模拟处理 利用计算机对数字图像进行系列操作 从而获得某种预期的结果的技术称为数字图像处理 又称计算机
10、图像处理 通常 也简称为图像处理 1 2 2图像处理 35 图像处理的内容相当丰富 包括狭义的图像处理 图像分析与图像理解 狭义的图像处理着重强调在图像之间进行的变换 是一个从图像到图像的过程 是比较低层的操作 狭义的图像处理主要满足对图像进行各种加工 以改善图像的视觉效果 或对图像进行压缩编码以减少所需存储空间或传输时间 达到传输通路的要求 特点 主要在像素级进行处理 处理的数据量非常大 36 1 2 3图像分析 图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量 从而建立对图像的描述 图像分析主要研究用自动或半自动装置和系统 从图像中提取有用的测度 数据或信息 生成非图像的描述或者表示 图像
11、分析的内容分为特征提取 符号描述 目标检测 景物匹配和识别等几个部分 特点 是一个从图像到数据的过程 可以看作是中层处理 37 1 2 4图像理解 图像理解是在图像分析的基础上 进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系 并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释 从而指导和规划行动 图像理解有时也叫景物理解 图像理解主要是高层操作 其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处 38 1 2 5与相关学科的关系 数字图像处理是一门新的交叉学科 它与数学 物理学 生理学 心理学 电子学 计算机科学等许多学科可以相互借鉴 从它的研究范围来看 它与模式识别 计算机视觉 计算机图形学等
12、多个专业又互相交叉 39 图像 图像 数据 人 符号 新技术新理论新工具 图像处理 模式识别 图像分析 计算机视觉 计算机图形学 图像理解 图像理解 转换 图像处理与相关学科的联系和区别 40 1 3数字图像处理方法 数字图像的处理方法种类繁多 根据不同的分类标准可以得到不向的分类结果 根据对图像作用域的不同 数字图像处理方法大致可分为两大类 即 空域算法和变换域算法 41 1 3 1空域处理方法 空域处理方法是指在空间域内直接对数字图像进行处理 在处理时 既可以直接对图像各像素点进行灰度上的变换处理 也可以对图像进行小区域模板的空域滤波等处理 以充分考虑像素邻域像素点对其的影响 空域处理法主
13、要有两大类 1 邻域处理法 2 点处理法 42 1 3 2变换域处理方法 变换域处理方法首先主要是通过傅立叶变换 离散余弦变换 沃尔什变换或是比较新的小波变换等变换算法 将图像从空域变换到相应的变换域 得到变换域系数阵列 然后在变换域中对图像进行处理 处理完成后再将图像从变换域反变换到空间域 得到处理结果 43 1 4数字图像处理研究的主要内容 1 4 1图像变换1 4 2图像增强1 4 3图像编码与压缩1 4 4图像复原1 4 5图像重建 44 1 4 1图像变换 图像变换是图像处理和图像分析的一个重要分支 它将图像从空间域变换到变换域 然后在变换域对图像进行处理和分析 图像变换是许多图像处
14、理和分析技术的基础 是图像增强和复原的基本工具 也是图像特征提取的重要手段 常用的图像变换有傅立叶变换 DCT变换 小波变换等 45 1 4 2图像增强 图像增强是指根据一定的要求 突出图像中感兴趣的信息 而减弱或去除不需要的信息 从而使有用信息得到加强的信息处理方法 根据增强处理过程所在的空间不同 图像增强技术可分为基于空间域的增强方法和基于频率域的增强方法两类 图像增强主要方法有直方图增强 空域滤波法 频率域滤波法以及彩色增强法等 46 1 4 3图像编码与压缩 图像编码就是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学和心理学特性对图像信号进行高效编码 以解决数据量大的矛盾 图像编码的目的有三
15、个 尽量减少表示数字图像时需要的数据量 降低数据率以减少传输带宽 压缩信息量 便于特征抽取 为识别作准备 根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差 图像编码压缩分为无误差编码和有误差编码两大类 根据编码方法作用域不同 图像编码分为空间域编码和变换域编码两大类 47 1 4 4图像复原 图像复原也叫图像恢复 其目的是找出图像降质的起因 并尽可能消除它 使图像恢复本来面目 常用的恢复有纠正几何失真 从已知图像信号和噪声的统计特性入手 用Wiener滤波等方法来改善信噪比等 48 1 4 5图像重建 重建处理则是从数据到图像的处理 也就是说输入的是某种数据 而处理结果得到的是图像 该处理的典型
16、应用就是CT技术 图像重建的主要算法有代数法 迭代法 傅里叶反投影法 卷积反投影法等 49 1 5数字图像处理的应用实例 1 5 1生物医学工程中的应用1 5 2遥感领域中的应用1 5 3工业方面的应用1 5 4军事公安领域的应用1 5 5通信中的应用1 5 6文字识别1 5 7交通1 5 8文化艺术 50 1 5 1生物医学中的应用 最突出的临床应用就是超声 核磁共振 相机和CT等技术 如X射线照片的分析 血球计数与染色体分类等 51 目前 国际上最先进的医学影像设备 都建立在先进的数字化信息处理技术基础上而发展 computedtomography Nuclear MagneticResonanceImaging PositronEmissionTomography 52 SARS冠状病毒图像 53 原始细胞图像 b 增强后的细胞图像细胞图像增强实例 54 超声图象 55 1 5 2遥感领域中的应用 1 森林遥感图像处理与应用 2 国土资源遥感图像处理与应用 3 海洋遥感图像处理与应用 56 图a原始合成图像图b分类结果遥感图像自动分类 57 遥感图像监测 森林火灾监护 58 夜间
