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1、第六章 刑事图像处理技术,概述 数字图像处理的主要内容 常用图像处理软件 数字图像处理在刑事技术工作中的应用 刑事图像处理例解,第一节、 概 述,数字图像处理的起源 数字图像处理基本概念 数字图像处理的主要方法,一、数字图像处理技术的起源,数字图像最早的应用之一是在报业，20世纪20年代的海底电缆使得伦敦与纽约之间图片的传输从过去的一个多星期缩短到3个小时以内。但这还不是数字图像处理，因为没有计算机的介入。,20世纪60年代，美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory， JPL）运用计算机处理了由漫游者7号发回的月球表面照片存在的畸变。这张照片也是美国太空船拍摄的首
2、张月球照片。,二、数字图像处理的基本概念,二、数字图像处理的基本概念,图像的本质 数字图像的获取 数字图像的类型 数字图像的文件格式 图像通道 灰度值方图,1、图像的本质,“A representation, likeness, or imitation of an object or thing, a vivid or graphic description,something introduced to represent something else.”(韦氏(webster)英文词典) 。 “以某一技术手段被再现于二维平面上的视觉信息”(阮秋琦)。,综合之，可以认为图像是通过某种技术手
3、段得到的与之对应的物体或目标的一个表示。,关于图像，有不同的定义：,需要指出的是，上述对图像定义的范围要远远超过人眼能看到的东西。它还包含了许多人眼无法直接接受到的图像信息，例如红外图像、 x光图像和超声波图像等，这些图像均客观地存在着且已在实际中普遍使用，但人的眼睛无法看到它们。 大多数图像是它所表示的对象信息的一个浓缩和概括，换言之，一幅图像所包含的信息要远远少于原对象。因此，一幅图像是该对象的一个不完全、不精确，但在某种意义上恰当的表示。,借助于集合的概念，可根据图像的生成方法或存在形式将其做如下划分：,Whats that?,2、数字图像的获取,采样是将模拟图像在空间离散化的过程。其过
4、程包括：测量一幅图像每个位置的灰度值，传感元件将光亮度转化为电压值，对图像信号的定义域离散化。,采样（抽样）,均匀采样（抽样）定理,若信号频率有限且不大于fm，则用不低于2 fm的频率加以采样时，原信号可以由采样后的信号完全重建。其中2 fm称为奈奎斯特（Nyquist）采样频率。此定理也叫奈奎斯特采样定理（也有文献称作香农（Shannon）采样定理）。,离散化图像的描述,量化,量化是利用模数转换器对模拟图像信号的值域（灰度）进行离散化的操作（或过程）。通常的做法是将灰度值量化为2n个区间。 量化会导致数字图像与原模拟图像之间无法避免的差别，这称作量化误差。量化的级别越多，量化误差就越小。,图
5、像的采样和量化,3、数字图像的类型,数字图像大致可分为二值图像、灰度图像、彩色图像和多光谱图像等几类。,二值图像只能从0或1中取值，在显示时，它对应于黑和白两种状态。文字稿、线条图、指纹图等常可以用这种方式存储，其特点是占用的空间小。,灰度图像对应于人们日常生活和工作中常见的黑白照片，表现为黑和白的不同浓淡层次，它可以用下式表示： 0f（i, j）2n-1 式中的n是灰度量化的位数，取决于图像数字化设备的能力，例如灰度被量化为8位时像素值将在0255间。,彩色图像又经常分为真彩色图像和索引色彩色图像。前者常由RGB三个通道的8位灰度图像组成（共24位），后者一般是由256种颜色组成。前者的视觉
6、效果比较逼真（此即“真彩色”的由来），但占用空间较大；后者的色彩过渡欠自然，但所需的存储空间小。当然也有类似于真彩色图像但位深度较小（比如5位）的彩色图像，但在实际使用中较少见。,真彩色图像,索引色彩色图像,如果一幅图像由多种光谱成分组成时，可以用下式表示： 0fk（i, j）2n-1 其中k值大于4。很多遥感图像都是多光谱图像。,4、数字图像的文件格式,数字图像以一定格式的文件的形式进行存储和传输，图像文件格式有很多，有压缩的和非压缩的。比较常用的有BMP，JPEG，TIFF，GIF等。,BMP格式,BMP格式是WINDOWS系统通用的图片格式，文件名后缀为 . Bmp，绝大多数数码照片处理
7、软件都支持这种文件格式。它以一种点阵方式来贮存照片，是一种非压缩或无损压缩的图像文件格式，只支持单色、16色、256色和真彩色等四种图像。由于是非压缩或无损压缩的，所以文件往往很大，传输不太方便，通常用在对图像质量要求非常高的场合。,TIFF格式,TIFF图象格式(扩展名为tif，全名是Tagged Image File Format)是Aldus Corporation于1986年设计的是一种非失真的压缩格式(最高也只能做到2至3倍的压缩比)，它能保持原有图象的颜色及层次，但占用空间很大，故TIFF常被应用于较专业的用途如书籍出版海报等，很少应用于互联网上。其另外一个特点是可以在一个文件中存
8、储多幅图像。,JPEG格式,JPEG图象格式(扩展名为jpg ，全名是Joint Photographic Experts Group）是一种失真式的图象压缩方式。它的压缩比率通常在10:1到40:1之间，在压缩图象的过程中图象中重复或不重要的资料会被丢失因此图象会有失真。不过由于它可使图象占用空间大幅减小，故很适合应用于网上传输。JPEG格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，它可以支持24bits真彩色所以也普遍应用于需要连续色调的图象。 JPEG的最新版本是JPEG2000，它采用了小波变换，压缩比更高，而图像细节的损失更小。,GIF格式,GIF图象格式(扩展名是gif)在压缩的
9、过程中图像的像素资料不会被丢失，然而丢失的却是图像的色彩，即一部分本来不同的颜色被压缩成了同一种颜色。这是因为GIF格式最多只能储存256色(8bits)，这种格式通常用来在网络上使用，如制作网页等。,除此之外，还有其他的一些文件格式，如PDF、PCX、TGA、PNG、PSD等格式。,5、图像通道,通道的概念主要是针对彩色和多光谱图像而言。因为这些图像是由多个独立的主色图像组成，每一个主色图像称为一个通道，它记录了相应主色的亮度信息（即相当于一个灰度图像）。比如最常见的RGB彩色图像就是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个通道组成。,5、图像通道,颜色可以用不同的模型进行表示，除了最常用的RGB
10、模式外，还有Lab、YIQ、HSI、CMYK、YCbCr等多种模式。同一图像用不同色彩模式表示时，其通道的内容也会有一定差异。,RGB模式,HSI模型,YIQ模型,CIE Lab模型,YCbCr模型,除存放图像颜色信息的通道外，还可以有另一种性质的通道，这就是Alpha通道。这种通道由用户自己建立，用来存放用户的操作内容，例如存放区域分割信息(蒙版)、存放与彩色图像对应的灰度图像、存放选择区域边界以及用于通道计算等。它们与主色通道一起构成一幅图像，但Alpha通道不是组成图像的必要条件，没有Alpha通道的图像照样是完整的图像。 目前只有少数的图像处理软件支持Alpha通道，其中包括最常用的P
11、hotoshop。,Photoshop图像通道调色板,6、灰度直方图,灰度直方图简称直方图，是灰度级的函数，描述的是灰度图像中具有该灰度级的像素的个数。其横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率 (或像素的个数)。,6、灰度直方图,直方图体现了图像的统计特性，在图像处理中具有重要的作用。有些图像增强的操作就是直接针对直方图进行的。 同时，直方图给出一个简单可见的指示，用来判断一幅图像是否合理地利用了全部可能的灰度级范围，这在进行图像数字化时很有用。,三、数字图像处理的主要方法,1、空域处理,点运算实际上就是对图像的每个像素值按一定的映射关系进行运算，得到一幅新图像的过程。假设原图象为A(x,y
12、),经点运算处理后得到的图像为B(x,y)，则 B(x,y)=fA(x,y) 图像处理中进行的数学变换都是点运算。 对于一幅输入图像，经过点运算将产生一幅输出图像，后者的每个像素点的灰度值仅由相应输入像素点的值决定。,点运算,邻域运算,邻域处理(有时称为区处理，模板处理等)指的是以某一像素为中心从图像中取出一个小区域，然后用该小区域的像素经某种运算变换得到该中心像素的新值。由于中心像素周围的邻域像素在二维方向上提供了图像在该范围内的亮度变化信息，因此这样的处理实际上就是对这种局部亮度变化作调整。,邻域运算,邻域处理与点处理的区别在于：点处理只使用图像中的一个像素值经某一变换后求出该像素的新值，
13、而邻域处理则需要用一个像素组来决定中心像素的值。 邻域处理等价于某种空间滤波处理。空间滤波在图像处理中有很多应用，例如图像的特征提取、图像的锐化与平滑、图像的模糊以及消除图像小的随机噪声等。,几何变换处理,几何变换处理目的是改变图像中各物体之间的空间关系。这种运算可以看成是将(各)物体在图像内移动和变形。 几何变换处理需要两个独立的过程。首先，需要一个算法来定义空间变换本身，用它描述每个像素如何从其初始位置“移动”到终止位置，即每个像素的“运动”；同时，还需要一个用于灰度插值的算法。,空间变换与灰度插值,几何变换处理常用来对图像的变形进行校正，或者对记录同一对象的不同图像进行配准等。很多影视作
14、品中常利用它来达到影像变形的目的。,图像代数与逻辑运算,图像代数运算是指将两幅图像通过对应像素之间的加、减、乘、除运算得到输出（结果）图像的方法。在加、乘法运算时可以是两幅以上的图像同时参与运算。定义如下： C(x,y)=A(x,y) + B(x,y) ；C(x,y)=A(x,y) - B(x,y) C(x,y)=A(x,y)B(x,y)； C(x,y)=A(x,y)B(x,y),加法运算,图像加法运算可以用来进行图像的合成（这一功能在前面已经用过）。类似于传统的照相暗室技术中的多底合成。其另外一个重要的应用是减少时间序列图像（静止或周期性的）中的加性随机噪声。,多幅去噪,处理之前,处理之后,
15、减法运算,减法运算可以突出两幅图像的差异，这一特性在许多方面可以应用：在军事上，可用来探测军事目标的变动情况；医学上，在研究动脉结构时，常用数字血管减影来消除血管上下结构的影响；刑事技术中，通过减法来消除痕迹图像的背景干扰。另外，通过减法运算，可以实现图像的边缘检测，在研究时间序列图像（视频信号）时，可以利用减法进行运动估计等。,去除指纹图像的不规则背景干扰,不均匀照明的校正,乘法运算,乘法运算在数字图像处理中可用来对图像进行掩模（mask）处理。掩模一般是一个二值化的模板。对应于被掩蔽的部分的值为0，非掩蔽部分则为1。与这样的一个掩模图像相乘的结果是原图像上的一部分被屏蔽了。,除法运算,图象
16、除法的可以用来校正由于照明或传感器的非均匀性造成的图象灰度阴影。在多光谱图像分析时，有时也会用到图像之间的除法运算。,图像逻辑运算及其应用,常见的图像逻辑运算有与、或、非等，其主要针对二值图像，在图像理解与分析领域比较有用，数字图像处理中一类很重要的方法数学形态学方法，就是以此为基础的。运用这种方法也可以为图像提供模板，与其他运算方法结合起来获得某种特殊效果。,2、变换域处理,图像的变换域处理往往是在无法通过空域处理现实某种效果或实现过程比较繁复的情况下采用，变换的目的是使处理更加方便。比如利用傅立叶变换可以从频谱分析的角度认识和处理图像；利用离散余弦变换可以将图像的能量集中在少数的变换系数上，从而减少图像的存储空间等等。,第二节、 数字图像处理的主要内容,图像增强 图像恢复 图像压缩与编码 图像分析与理解,图像处理的三个层次,目前学术界将对数字图像的处理划分为低级、中级和高级三个层次： n 低级层次：是图像到图像的处理过程，主要包括图像的降噪、消模糊、对比度增强、锐化等等，以改善图像的视觉质量为目的，是更高层次处理的基础。 n
