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1、基于OPENCV的数字图像处理及应用第1章 基本知识,前言 人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据统计，在人类接受的信息中，听觉信息占20，视觉信息占60，其他如味觉、触觉、嗅觉总起来不过占20。,所以，作为传递信息的重要媒体和手段-图像信息是十分重要的，俗话说“百闻不如一见”。,一、数字图像处理的起源 数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年代。最早应用之一是在报纸业，当时，引入巴特兰电缆图片传输系统，图像第一次通过海底电缆横跨大西洋从伦敦送往纽约传送一幅图片。,为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照1929年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压
2、缩后传输时间减少到3个小时。,1929年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片,1921年经编码后用电报打印机打印的图像,1922年两次通过大西洋后打印的数字图像,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年代计算机轴向断层(CAT)、简称计算机断层(CT)是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件之一。,计算机断层是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着一个物体(或病人)，一个X射线源，带有检测器的同心圆绕着物体旋转，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
3、“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Godfrey N. Hounsfield和Allan M.Cormack教授分别发明的，他们共同获得1979年诺贝尔医学奖。,1895年11月8日傍晚，他研究阴极射线时发现了X射线。 他发现的X射线可穿透千页书、23厘米厚的木板、几厘米厚的硬橡皮、15毫米厚的铝板等等可是1.5毫米的铅板几乎就完全把X射线挡住了,他偶然发现的X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，于是有一次他夫人到实验室来看他时，他请她把手放在用黑纸包严的照相底片上，然后用X射线对准照射15分钟，显影后，底片上清晰地呈现出他夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也很清楚,这是一
4、张具有历史意义的照片，它表明了人类可借助X射线，隔着皮肉去透视骨骼。1895年12月28日伦琴向维尔茨堡物理医学学会递交了第一篇X射线的论文“一种新射线初步报告”，报告中叙述了实验的装置，做法，初步发现的X射线的性质等等。,x 射线和 x 射线 CT 这两项发明相差近100年。但是，一个是科学发现,一个是技术创新,他们引领着图像处理某些最活跃的应用领域。,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
5、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。,二、图像处理科学对人类具有重要意义 （1）图像是人们从客观世界获取信息的重要来源：人类是通过感觉器官从客观世界获取信息，即通过耳、目、口、鼻、手通过听、看、味、嗅和触摸的方式获取信息。在这些信息中，视觉信息占6070。,视觉信息的特点是信息量大，传播速度快，作用距离远，有心理和生理作用，加上大脑的思维和联想，具有很强的判断能力。其次是人的视觉十分完善，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪，由此可见，图像信息对人类来说是十分重要的。,（2）图像处理技术对国计民生有重要意义 图像处
6、理技术发展到今天，许多技术已日趋成熟。在各个领域的应用取得了巨大的成功和显著的经济效益。如在工程领域、工业生产、军事、医学以及科学研究中的应用已十分普遍。,如：通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及埋藏量；利用红外线、微波遥感技术可侦查到隐蔽的军事设施；X-ray CT已广泛应用于临床诊断，由于它可得到的人体内部器官的断层图像，为诊断和治疗疾病带来了极大的方便。,在工业生产中的设计自动化及产品质量检验中更是大有可为。在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技术；至于在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键技术。因此，图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的。,
7、三：什么是图像,图像是客观对象的一种相似性的、生动性的描述或写真，是人类社会活动中最常用的信息载体。或者说图像是客观对象的一种表示，它包含了被描述对象的有关信息。它是人们最主要的信息源,四、图像的分类,一、光学图像 波长0.38-0.8um二、其他波段图像,射 线：0.003 0.03 ； 射 线：0.03 3 ； 紫外线：3 300 ； 红外线：0.8 300 ； 微 波 0.3 100 ；,五、什么是图像处理技术,对图像信息进行加工处理，以满足人的视觉心理和实际应用的要求,六、图像处理技术的分类 模拟图像处理 数字图像处理。,（1） 模拟图像处理(Analog image processi
8、ng)； 模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，25帧/秒。,优点： 模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。 缺点： 模拟图像处理的缺点是精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。,（2） 数字图像处理(Digital Image processing)： 数字图像处理一般都用计算机处理，因此也称之谓计算机图像处理（Computer Image processing）。,优点： 处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的
9、变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。,缺点： 处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像需要具有100Mips的处理能力；,其次是分辨率及精度尚有一定限制，如一般精度图像是5125128bits，分辨率高的可2048204812bits，如精度及分辨率再高，所需处理时间将显著的增加。,七、图像点的性质,用数学方法描述图像信息时，通常考虑其点的性质 点是什么？点在数字图像中又叫做像素 pixel 其中该式表示活动的、三维的、彩色的图像视频图像,八、数字图像的基本参数,1、图像分辨率2、图像深度3、图像数据量,图像分
10、辨率（resolution）,指图像中存储的信息量，是每英寸图像内有多少个像素点，分辨率的单位为PPI(Pixels Per Inch)，通常叫做：像素每英寸。图像分辨率 、屏幕分辨率有何区别？,图像深度（image deepness）,图像深度是指存储每个像素所用的位数 图像深度和显示深度有何区别？,八、 数字图像处理的特点（1）图像信息量大、数据量也大；（2） 图像处理技术综合性强；,（1）图像信息量大、数据量也大； 在数字图像处理中，一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素（pixel）组成的，每个像素的灰度级至少要6bit（单色图像）来表示，一般采用8bit（彩色图像），高精度的可用12bi
11、t或16bit。,X光照片一般用64Kb256Kb的数据量，一幅遥感图像324023404=30Mbits，因此，大数据量给存储、传输和处理都带来巨大的困难。,（2） 图像处理技术综合性强； 在数字图像处理中涉及的基础知识和专业技术相当广泛。一般来说涉及通信技术、计算机技术、电子技术、电视技术，至于涉及到的数学、物理等方面的基础知识就更多。,当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，只是把通信中的一维问题推广到二维，以便于分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，图像处理技术与通信技术休戚相关。,在图像处理工程中的信息获取和显示技术主要源于电视技术，其中的摄像、显示、同步等各项技术是必不可
12、少的。 计算机已是图像处理的常规工具，在图像处理中涉及到软件、硬件、网络、接口等多项技术，特别是并行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。,图像处理技术的发展涉及越来越多的基础理论知识，雄厚的数理基础及相关的边缘学科知识对图像处理科学的发展有越来越大的影响。总之图像处理科学是一项涉及多学科的综合性科学。,九、数字图像的表示方法,1、黑白图像用 表示 且对模拟图像来讲该函数为连续函数2、对数字图像来讲 模拟图像 采样、量化后得数字图像（1）阵列表示法（2）二值图像表示法只有黑白两个灰度级,十、 数字图像处理的主要方法及主要内容 数字图像处理方法： 两大类： 空域法和变换域法。 A、空域法：这种方
13、法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：,(1)、邻域处理法：其中包括梯度运算 (gradient Algorithm)拉普拉斯算子运算 (Laplacian operator)平滑算子运算 (Smoothing operator)卷积运算 (Convolution algorithm),(2)、点处理法：如灰度处理（grey processing），面积、周长、体积、重心运算等等。,B、变换域法： 数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。
14、 这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。,数字图像处理的主要内容： 完整的数字图像处理工程大体上可分为如下几个方面： 图像信息的获取； 图像信息的存贮；,图像信息的传送；图像信息处理；图像信息的输出和显示。,1、图像信息的获取(Image Information Acquisition): 主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。图像获取的方法有如下几种：,(1)电视摄像机(Video Camera)： 这是目前使用最广泛的图像获取设备。早期主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年来，主要是采用CCD摄像设备。 特点
15、：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。,缺点：灰度层次较差、非线性失真较大、有黑斑效应，在使用中需校正。 目前CCD摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做到较高水平，如：19201035或10241024的高分辨率的CCD摄像机已很成熟。,(2)飞点扫描器(flying point Scanner)： 这是一种以光源做扫描的图像获取设备。 其特点是：精度较高、图像清晰、可透射成像亦可反射成像，但是其体积略显庞大。,(3)扫描鼓：这是一种高精度的滚桶式的图像摄取 设备。 特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以 输出。 缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。多 用于静止图像的输入、输出设备。,(4)扫描仪： 特点：精度和分辨率中等，600DPI精度的扫描仪已常见。扫描仪的成本很低，近几年尤其降价显著，一般台式的已有不足一千元的产品。所以是当今应用最为广泛的图像信息获取设备。 缺点：速度较慢，非实时设备。,(5)显微光密度计，精度较高，速度低。(6)遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，如： 光学摄影：摄像机、多光谱像机等。 红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪。 MSS ：多光谱扫描仪。 微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷达(SAR)。,
