数字图像处理 第一章绪论

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1、数字图像处理,教学建议:,本章教学安排2学时 学习本课程的先修知识包括： 线性代数：矩阵的表示与运算 数字信号处理 微机原理 软件技术基础 工程光学、光度学、色度学等。,Click to edit Master title style,Click to edit Master subtitle style,第一章绪论,数字图像处理目的,数字图像处理内容,数字图像处理应用,内容提要: 数字图像处理的目的与任务 数字图像处理的发展 基本的图像处理系统 图像各种形式的表示,3.重点了解 图像处理的目的和任务 图像及数字图像的概念 基本的图像处理系统 数字图像的表示 MATLAB图像处理工具箱的初步使

2、用以及DSP与图像应用。,第一章 绪 论,一、研究背景：当今时代是信息化时代，而信息的数字化也越来越为研究人员所重视。地球数字化带来的任务，一方面要求处理对象的数字化，一方面要求处理时的直观性。因此给我们带来了许多的研究课题和研究方向。,二、图像处理的目的、任务与特点,二-1 图像处理的目的 （1）提高图像的视觉质量，以提供人眼主观满意或较满意的效果。 （2）提取图像中目标的某些特征，便于计算机分析或机器人识别。 （3）为了存储和传输庞大的图像和视频信息，常常对这类数据进行有效的压缩。 （4）信息的可视化。 （5）信息安全的需要。,二-2、图像处理的任务,图像处理的主要任务： 图像获取与数字化

3、 图像增强 图像恢复 图像重建 图像变换 图像编码与压缩 图像分割等等,二-3、数字图像处理的特点,1具有数字信号处理技术共有的特点。如： （1）处理精度高。 （2）重现性能好：数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。 （3）灵活性高：数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。 2数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。,3数字图像处

4、理技术的适用面宽。原始模拟图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像、超声波图像或红外图像等。 4数字图像处理技术综合性强（涉及通信、计算机、电子、电视、数学、物理等等）。 5、图像信息理论与通信理论密切相关：通信研究的是一维时间信息、时间域和频率域的问题；图像研究的是二维空间信息、空间域和空间频率域之间的关系。,6、数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些不足之处，如： （1）数字图像处理的信息大多是二维或二维以上的多维信息，数据量巨大。如一幅256256低分辨率黑白图像，要求约64kbit的数据量；对高分辨率彩色512512图像，则要求768kbit数据量；

5、如果要处理30帧/秒的电视图像序列，则每秒要求500kbit22.5Mbit数据量。因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。 （2）数字图像信号占用的频带较宽。如电视图像的带宽约5.6MHz，而语音带宽仅为4kHz左右。所以在成像、传输、处理、存储、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本亦高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。 （3）处理费时。,1. 什么是图像图像是泛指照片、动画等等形成视觉景象的事物。“图”是物体投射或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印象或反映。是客观和主观的结合。图象与计算机图形学中的图形的区别是：计算机图形学是从建立数学模型到生成图形

6、，而图象通常是指从外界产生的图形。 图像的分类： （1）按灰度分类：二值图像和多灰度图像 （2）按彩色分类：单色图像和彩色图像 （3）按运动分类：静态图像和动态图像 （4）按时空分类：二维图像和三维图像,三、数字图像处理的概念,可见图像（visible image）是指视觉系统可以直接看见的图像。,（1）可见图像,图像的基本类型,三- 2 图像及其类型,物理图像（physical image）所反映的是物体的电磁波辐射能。 （3）数学图像数学图像（mathematical image）指由连续函数或离散函数生成的抽象图像。,（2）物理图像,不同波段的图像 1、宇宙射线图像 2、X射线图像 3、

7、紫外线图像 4、可见光图像 5、红外线图像 6、无线电波图像 7、交流电波图像,不同类型的图像 1、3-D图像 6、深度图像 2、彩色图像 7、纹理图像 3、多光谱图像 8、投影重建图像 4、立体图像 9、合成图像 5、序列图像,三-3 图像的文件格式,BMP文件格式：不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图（bitmap）扩展名为.bmp。 GIF文件格式：GIF（graphic Interchange Format）是由 CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储256色图像。扩展名为.gif。 TIFF文件格式：TIFF（Tagged Image F

8、ile Format）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。 JPEG文件格式：由（国际）联合图像专家组（Joint Photographic Experts Group）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。 扩展名为.jpg或.jpeg。,DICOM文件格式：DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜

9、、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为.DCM。,三-3 图像的文件格式,三、数字图像处理的概念,1 模拟图像（连续图像）：自然界中的图像都是连续的，在采用数字化表示和存储处理之前，图像都是连续的，此时称为模拟图像或连续图像。,2 数字图像：由模拟图像数字化或离散化得到的,(a)原图 (b)将原图放大4倍 图1.1 自然景物图像 图1.2 像素 图像的数字化包括两个主要步骤：采样和量化,图像和像素 一幅图像可分解为许多个单元。每个基本单元叫做图像元素，简称像素（pixel）。 三维图象的象素又叫做体素(voxel)。,图像和像素 数

10、字图像处理中，一幅图像一般可以用一个2-D函数f(x, y)来表示（计算机中为一个2-D数组）。,数字图像是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。将物理图象行列划分后，每个小块区域称为像素（picture element，简称pixel）每个像素包括两个属性：位置和灰度。 在数字图像领域，将图像看成是许多大小相同、形状一致的像素组成。 对于单色即灰度图像而言，每个象素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，即可用一个字节来表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度级别。物理图象及对应的数字图象,图像处理的基础知识,模拟图像转化为数字图像,2.为什么需要数字图像,普通图象包含的

11、信息量巨大，需要使用计算机对图象进行处理。因此，需要把普通图象转变成计算机能处理的数字图象。现在的数码相机可以直接地把视觉图象变成数字图象。 数字图象类似于光栅图形，由有限行和有限列组成。每个基本单元叫做一个象素(pixel)。,1.2 数字图像处理术语,数字图像处理：数字图像处理（Digital Image Processing）又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理是一个由图像到图像的过程，将一幅图像变为另一幅经过修改的图像。 计算机图形学：计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图

12、形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。 计算机视觉：使计算机能够观察和理解自然景物的系统。 计算机视觉实际上就是图像处理加图像识别，要求采用十分复杂的处理技术，需要设计高速的专用硬件。,数字信号处理与图像处理是紧密相关学科,计算机图形学与图像处理是逆过程,在更广泛的意义上，数字图像涵盖任何用计算机来操作与图像有关数据的技术，包括计算机图形学、计算机视觉，以及数字图像处理和分析。 数字化：将一幅图像从原来的形式转化为数字形式的处理过程。 扫描：对一幅图像内的给定位置寻址。

13、在扫描过程中被寻址的最小单元是图像元素，即像素，对摄影图像的数字化就是对胶片上一个个小斑点的顺序扫描。 采样：在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。 量化：将测量的灰度值用一个整数表示。,1.2 数字图像处理术语,一幅图像可以看作是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数，即 式中，（x,y,z）是空间坐标； 是波长；t是时间；I是图像强度。这样的表达式代表这是一幅活动的、彩色的、立体图像。一幅二维静态单色平面图像可以用如下二维强度函数（也称为亮度函数）表示，即,三、图像的表示,三、数字图像的表示方法,y,x,对连续图像f（x，y）进行数字化,空间上，图像抽样,幅度上，灰度

14、级量化,x方向，抽样M行 y方向，每行抽样N点整个图像共抽样MN个像素点 一般取M=N=2n=64，128，256，512，1024，2048,三、数字图像的表示方法,数字图像常用矩阵来表示：,x=0,1, ,N-1 y=0,1, ,N-1,f(i,j)=0255， （灰度级为256，设灰度量化为8bit）,四、 数字图像处理的三个层次,图像工程三个层次,数字图像处理的三个层次,1. 图像处理： 对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果； 强调图像之间进行的变换； 图像处理是一个从图像到图像的过程。,从计算机处理的角度可以由高到低将数字图像分为三个层次。这三个层次覆盖了图像处理的所有应用领域。

15、,2. 图像分析：对图像中感兴趣的目标进行提取和分割，获得目标的客观信息（特点或性质），建立对图像的描述。 以观察者为中心研究客观世界； 图像分析是一个从图像到数据的过程。 图像处理侧重于信号处理方面的研究，比如图像对比度的调节、图像编码、去噪以及各种滤波的研究。但是图像分析更侧重点在于研究图像的内容，包括但不局限于使用图像处理的各种技术，它更倾向于对图像内容的分析、解释和识别。,3. 图像理解：研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系；得出对图像内容含义的理解及原来客观场 景的解释； 以客观世界为中心，借助知识、经验来推理、认识客观世界，属于高层操作（符号运算）。,可见，图像处理、图像分析

16、和图像理解是处在三个抽象程度和数据量各有特点的不同层次上。图像处理是比较低层的操作， 它主要在图像像素级上进行处理， 处理的数据量非常大。图像分析则进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非图像形式的描述。图像理解主要是高层操作， 基本上是对从描述抽象出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。根据本课程的任务和目标，本书重点放在图像处理上，并学习图像分析的基本理论和方法。,数字图像处理内容,底层图像处理技术,中层图像处理技术,高层图像处理技术,纹理,RGB,YIQ,HSV,傅立叶描述子,矩不变量,形状因子,结构方法,统计方法,颜色,形状,底层的图像处理包括增强，复原，编码，压缩等；,数字图像处理内容,底层图像处理技术,中层图像处理技术,高层图像处理技术,人脸识别,人脸识别的算法,