《信息学科导论 教学课件 ppt 作者 施荣华 张祖平 第7章数字图像处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信息学科导论 教学课件 ppt 作者 施荣华 张祖平 第7章数字图像处理（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、信息科学导论,中南大学信息科学与工程学院,Introduction of Information Subject,第7章: 数字图像处理,7.1 图像和图像处理 7.2 图像工程与相关学科 7.3 数字图像处理系统的构成和应用 7.4 数字图像处理基础 7.5 图像国际标准,7.1 图像和图像处理,图像含有丰富的信息，在人们从客观世界获得的所有信息中，约有75%来自图像信息。 图像 一幅图像是一种代表另一个客体（或对象）的一种写真或模拟，是一种生动的、图形化的描述。图像既反映物体的客观存在，又体现人的心理因素，是对客观存在物体的一种相似性的生动模仿或描述。 根据生成方法或存在形式的不同，图像可
2、分成如图7-1所示各子集类型： （1）可见图像 （2）不可见物理图像 （3）数学图像,7.1 图像和图像处理（续）,只有数字图像是可以用数字计算机直接处理的图像。,包含了全部人眼可见的图像，其中不仅包括客观存在的连续图像，而且也包括了人类用各种不同的方法人工生成的图像，如照片，图形与绘画等。,是由客观存在的各种物理特征量的空间分布所形成的一大类图像。既包括各种不同波长的电磁波强度的空间分布所构成的图像，也包括温度分布、压力分布、高度分布、人口密度分布等所构成的图像。可见连续图像只是电磁波场图像中的一个子集。其余各种物理图像（均是人眼不可见的）构成了不可见物理图像子集。 由于同一个空间点可以具有
3、多个物理特征，因此同一对象（或物体）可以具有多幅图像。例如，彩色电视图像就是每一点均在红、绿、蓝三个波段上有不同强度分布的三幅图像的合成。,是抽象的数学图像，即用数学函数代表的图像，它包括了连续型与离散型（即数字图像）两大类。,7.1 图像和图像处理（续）,图像处理 对图像信息进行的加工和分析，称为图像处理。 对图像进行加工和分析需主要满足如下三方面的要求： （1）提高图像的视觉质量，以达到赏心悦目的目的。如去除图像中的噪声，改变图像的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几何变换等，从而改善图像的质量，以达到或真实的、或清晰的、或色彩丰富的、或意想不到的艺术效果。,7.1
4、 图像和图像处理（续）,（2）提取图像中包含的特征或特殊信息，便于使用计算机进行分析。常用作模式识别、计算机视觉的预处理等方面。这些特征非常广泛，如频域特性、灰度/颜色特性、边界/区域特性、纹理特性、形状/拓扑特性以及关系结构等。 （3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。 按处理方法不同，图像处理可以分为以下三类： （1）光学图像处理 光学图像处理有时称为模拟图像处理，一般包括光学透镜处理、光学照相处理等。具有实时处理、速度快的优点，但处理精度低、灵活度差、难有判断功能。,7.1 图像和图像处理（续）,（2）数字图像处理 用数字计算机进行图像处理，因此也称为计算机图像处理
5、。处理精度高、内容丰富、方法易变、灵活度高，但处理速度较光学处理慢。本章将在后继章节详细介绍数字图像处理的基本内容。 （3）光电结合处理 用光学方法处理运算量巨大的频谱变换等，而用计算机对其频谱进行处理分析。这是一个值得注意的研究方向，随着集成光学的发展，在光学计算机出现以后，图像处理技术会出现全新的巨大突破。,7.1 图像和图像处理（续）,数字图像处理 数字图像处理是利用计算机的计算功能，实现与光学图像处理相同效果的过程。 我们把利用计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等的理论、方法和技术称为数字图像处理（Digital Image Processing）。 数字图像处理的具
6、有如下的特点： （1）处理精度高，再现性好。利用计算机进行图像处理，其实质是对图像数据进行各种运算。由于计算机技术的飞速发展，计算精度和计算的正确性毋庸置疑；另外，对同一图像用相同的方法处理多次，也可得到完全相同的效果，具有良好的再现性。,7.1 图像和图像处理（续）,（2）处理的多样性。由于图像处理是通过运行程序进行的，因此，设计不同的图像处理程序，可以实现各种不同的处理目的。 （3）图像数据量庞大。图像中包含有丰富的信息，可以通过图像处理技术获取图像中包含的有用的信息，但是，数字图像的数据量庞大。一幅数字图像由图像矩阵中的每个基本单元（像素）组成，通常每个像素用红、绿、蓝三种颜色表示，每种
7、颜色用8 bit（1个字节）表示。则一幅分辨率为10241024不经压缩的真彩色图像，数据量达3 M字节（即1024102483=24 M bit）。X射线照片一般用64256 kb的数据量，一幅遥感图像为32402340430 Mb。,7.1 图像和图像处理（续）,如此庞大的数据量需求给数字图像的存储、传输和处理带来了很大的困难。如果再考虑提高精度及分辨率，所需处理时间将大幅度增加。 （4）处理费时。由于图像数据量大，因此处理比较费时。特别是处理结果与中心点周边其他点（邻域）有关的处理过程花费时间更多。 （5）图像处理技术综合性强。数字图像处理涉及的技术领域相当广泛，如通信技术、计算机技术、
8、电子技术、电视技术等，当然，数学、物理学等领域更是数字图像处理的基础。,7.1 图像和图像处理（续）,数字图像处理的起源与发展： 数字图像处理的起源与数字计算机的发展紧密相连。 第一台能够进行图像处理的大型计算机出现在20世纪60年代。数字图像处理的起源可追溯至利用这些大型机开始的空间研究项目，可以说大型计算机与空间研究项目是数字图像处理发展的原动力。 利用计算机技术改善空间探测器拍摄的图像的工作开始于1964年，美国加利福尼亚的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）对太空船“徘徊者7号”传送的月球图像进行了处理，以校正飞行器上电视摄像机中各种类型的图像畸
9、变。,7.1 图像和图像处理（续）,与空间应用同时，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、地球遥感监测和天文学领域。 早在20世纪70年代发明的计算机断层术（Computer Tomography，CT）是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件之一。在计算机断层处理中，一个传感器环围绕着一个物体(或病人)，一个与检测器环同心的X射线源着物体旋转，X射线通过物体并由位于环上对面的相应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体的“切片”的图像，这些切片组成了物体内部的再现图像。断层技术是由Godfrey N. Hounsfield和Allan M.Cormack教
10、授分别发明的，他们共同获得1979年诺贝尔医学奖。,7.1 图像和图像处理（续）,从20世纪60年代至今，数字图像处理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科之间学习和研究的对象。 如今图像处理技术已给人类带来了巨大的经济和社会效益。不久地将来它不仅在理论上会有更深入的发展，在应用上亦是科学研究、社会生产乃至人类生活中不可缺少的强有力的工具。,7.1 图像和图像处理（续）,数字图像处理的产生和迅速发展主要受如下三个方面的影响： （1）计算机的发展。早期的计算机无论在计算速度或存储容量方面，难于满足对庞大图像数据进行实时处理
11、的要求。随着计算机硬件技术及数字化技术的发展，计算机、内存及外围设备的价格急剧下降，而其性能却有了大幅度的提高。过去只能用大型计算机完成的庞大处理，现在，在个人计算机（PC机）上也能够轻而易举地实现。 （2）数学的发展，特别是离散数学理论的创立和完善，为数字图像处理奠定了理论基础。,7.1 图像和图像处理（续）,（3）军事、医学和工业等方面应用需求的不断增长。自20世纪20年代，图像处理首次应用于改善伦敦和纽约之间海底电缆发送的图片质量以来，经过几十年的研究与发展，数字图像处理的理论和方法进一步完善，应用范围更加广阔，已经成为一门新兴的学科，并在向更高级的方向发展。如在景物理解和计算机视觉（机
12、器视觉）方面，图像处理已由二维处理发展到三维理解或解释。特别是在景物理解和机器视觉方面，图像也已由二维处理变成三维解释。近几年来，随着计算机和各个相关领域研究的迅速发展，科学计算可视化、多媒体技术等研究和应用的兴起，数字图像处理从一个专门领域的学科，变成了一种新型的科学研究和人机界面的工具。,7.1 图像和图像处理（续）,数字图像处理研究的内容主要有： （1）图像获取、表示和表现（Image Acquisition，Representation and Presentation） 该过程主要是把连续图像信号转换为计算机所能接受的数字形式，以及把数字图像显示和表现出来。这一过程主要包括摄取图像、
13、光电转换及数字化等几个步骤。 （2）图像增强（Image Enhancement） 图像增强是对图像质量在一般意义上的改善。当无法知道图像退化有关的定量信息时，可以使用图像增强技术较为主观地改善图像的质量。 是用于改善图像视觉质量所采取的一种方法。,7.1 图像和图像处理（续）,增强技术并非针对某种退化所采取的方法，只能通过试验和分析误差来选择一种合适的方法。为便于突出其重要特征，使人或计算机更易观察、检测，需要彻底改变图像的视觉效果，此时可把增强理解为增强感兴趣特征的可检测性，而不是改善图像的视觉质量。 （3）图像复原（Image Restoration） 当造成图像退化（图像品质下降）的原
14、因已知时，复原技术可以对图像进行校正。图像复原最关键的是对每种退化都需要有一个合理的模型。退化模型和特定数据一起描述了图像的退化，因此，复原技术是基于模型和数据的图像恢复，其目的是消除退化的影响，从而产生一个等价于理想成像系统所获得的图像。,7.1 图像和图像处理（续）,（4）图像重建（Image Reconstruction） 图像重建与上述的图像增强、图像复原等不同。图像增强、图像复原的输入是图像，处理后输出的结果也是图像，而图像重建是指从数据到图像的处理，即输入的是某种数据，而经过处理后得到的结果是图像。CT就是图像重建处理的典型应用实例。 目前，图像重建与计算机图形学相结合，把多个二维
15、图像合成三维图像，并加以光照模型和各种渲染技术，能生成各种具有强烈真实感的高质量图像。,7.1 图像和图像处理（续）,（5）图像压缩编码（Image Encoding） 数字图像的特点之一是数据量庞大。尽管现在有大容量的存贮器，但仍不能满足对图像数据（尤其是动态图像、高分辨率图像）处理的需要，因此在实际应用中图像压缩是必需的。如果数据不压缩，则在存储和传输中就需要占很大的容量和带宽，因而增加了成本。图像压缩的目的就是压缩数据量。 图像编码主要是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性，对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，目的是在保证图像质量的前提下压缩数据，便于存储和传输，
16、以解决数据量大的矛盾。,7.1 图像和图像处理（续）,一般来说，图像编码的目的有三个： 减少数据存储量； 降低数据率以减少传输带宽； 压缩信息量，便于特征提取，为后续识别作准备。 从编码技术发展来看，M.Kunt提出第一代、第二代编码的概念。第一代编码是以去除冗余为基础的编码方法，如脉冲编码调制（PCM）、空间和时间二次抽样编码、预测编码、统计编码、游程编码、变换编码、混合编码等。第二代编码法多为20世纪80年代以后提出的，如金字塔编码法、Fractal编码法、小波变换编码法、基于神经网络的编码法、模型基编码法等。,7.1 图像和图像处理（续）,这些编码方法有如下特点： 充分考虑人的视觉特性； 恰当地考虑对图像信号的分解与表述； 采用图像的合成与识别方案压缩数据率。 图像编码应是经典的研究课题，五十多年的研究已有多种成熟的方法得到应用。随着多媒体技术的发展已有若干编码标准由ITU-T制定出来。如JPEG、H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、JBIG、JPEG2000等。本章7.5节将简要介绍这些常见的图像国际
