数字图像处理Digital Image Processing钟丽云Tel:Tel:Email:Email:第一讲 绪论数字图像基础 教材及参考书教材及参考书教材： 图像工程（上）图像处理和分析，章毓晋，清华大学出版社，2005参考书： 数字图像处理， 岗萨雷斯，阮秋琦，电子工业出版社 数字图像处理，余松煜等，电子工业出版社 前期课程和知识基础前期课程和知识基础n n线性代数，随机过程n n软件编程（MatLab）n n信号与系统，数字信号处理 图像基本概念图像基本概念 图像（Image) 的含义 用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体； 也就是说是二维或三维景物（万事万物）呈现在人心目中的影像 图像的特点图像的特点n n图像带有大量的信息图像带有大量的信息, ,一幅图像顶得上千言万一幅图像顶得上千言万语；语；n n图像包括照片、绘图、视频图像等；图像包括照片、绘图、视频图像等；n n人类从外界获得的信息约有人类从外界获得的信息约有 75% 75%来自视觉系统；来自视觉系统；图象（广义/抽象）图片，动画，绘图，文字图片，动画，绘图，文字/ /档，档，......图像（狭义/具体）单幅、序列图象单幅、序列图象，运动图象（视频），，运动图象（视频），...... 图像处理（图像处理（Image processing, IP) Image processing, IP) 三个层次三个层次图像处理：图像处理： 对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果；或强调图像之间进行的变换；对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果；或强调图像之间进行的变换； 从图像到图像的过程。
从图像到图像的过程图像分析：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），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；建立对图像的描述；以观察者为中心研究客观世界；从图像到数据的过程从图像到数据的过程图象理解：图象理解： 研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系；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；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）客观世界，属于高层操作（符号运算）从图像到认识的过程从图像到认识的过程 图像图像 图像工程与相关学科的联系和区别 图像工程是一门交叉学科，研究方法上，与数学、物理学（光学）、生理学、心理学、电子学、计算机科学相互借鉴；研究范围上，与计算机图形学、模式识别、计算机视觉相互交叉 图像处理和分析系统构成 采集、显示、存储、通信、处理和分析采集、显示、存储、通信、处理和分析n n图像采集模块：可采用图像采集模块：可采用 CCD CCD照相机、视频摄象机、照相机、视频摄象机、扫描仪等；扫描仪等；n n显示模块：显示模块： CRT CRT或或 TV, TV,纯平彩显、液晶彩显等；纯平彩显、液晶彩显等；n n存储模块：采用磁盘、光盘（可读写）；存储模块：采用磁盘、光盘（可读写）；n n通信模块：实现网络传输图像（局域网等）；通信模块：实现网络传输图像（局域网等）；n n处理和分析模块：主要是运算，用算法的形式描述，处理和分析模块：主要是运算，用算法的形式描述，用软件实现用软件实现 n n图像增强：图像增强：改善图像的主观质量，标准因人而异改善图像的主观质量，标准因人而异; ;n n图像恢复和重建图像恢复：图像恢复和重建图像恢复：也称为图像复原也称为图像复原; ;n n图像压缩编码：图像压缩编码：是基于图像信息量大、冗余信息多的特点实现图是基于图像信息量大、冗余信息多的特点实现图像的压缩像的压缩; ;n n图像分割：图像分割：图像分割是按图像的灰度、颜色或几何性质等测度把图像分割是按图像的灰度、颜色或几何性质等测度把一些物体或区域加以分离的过程。
通过图像分割找出感兴趣的物一些物体或区域加以分离的过程通过图像分割找出感兴趣的物体或区域，以便于进一步分类、分析和识别处理是图像分析的体或区域，以便于进一步分类、分析和识别处理是图像分析的基础基础; ;n n目标表达目标表达: : 将分割出的物体或区域（目标）采用一种不同于原始将分割出的物体或区域（目标）采用一种不同于原始图像的表达形式来表示图像的表达形式来表示n n图像描述：图像描述：用适当的数学语言来表示区域间的关系（联系和区别）用适当的数学语言来表示区域间的关系（联系和区别），得出一种简练的表达方式，称为描述得出一种简练的表达方式，称为描述图像处理（Image Processing, IP) 的主要研究内容 n n 发展过程早期的计算机满足不了图像处理的发展过程早期的计算机满足不了图像处理的要求没有要求没有 IP IP；；n n6060年代年代,FFT,FFT算法的提出，使得图像处理的某算法的提出，使得图像处理的某些计算得以实现，美国在些计算得以实现，美国在 64 64年用计算机辅助年用计算机辅助绘制出了月球表面的地图绘制出了月球表面的地图 ；；n n7070年代年代 IP IP有了较大的发展有了较大的发展,1976,1976年出版了第年出版了第一本图像处理的专著（一本图像处理的专著（ Rosenfeld Rosenfeld）） ；；n n8080年代开始从年代开始从 2D 2D图像发展到图像发展到 3D 3D图像处理，图像处理，得到了广泛应用；得到了广泛应用；n n9090年代，以多媒体技术为代表年代，以多媒体技术为代表,IP,IP的应用涉及的应用涉及到人类生活的各个方面到人类生活的各个方面 ；；n n2121世纪世纪,IP,IP将改变人们的生活方式。
将改变人们的生活方式IP的发展的发展 IPIP的应用的应用n n遥感技术方面（飞机遥感或卫星遥感技术）遥感技术方面（飞机遥感或卫星遥感技术）大量的红外图像、多谱段图像，必须采用数字图大量的红外图像、多谱段图像，必须采用数字图像处理方法用于资源调查、城市规划、环境保护像处理方法用于资源调查、城市规划、环境保护等方面等方面n n 医学图像（计算机层析成像发明者获诺贝尔医学医学图像（计算机层析成像发明者获诺贝尔医学奖）奖）超声波图像分析超声波图像分析,CT,CT技术、核磁共振成像等技术、核磁共振成像等n n工业领域（取代人所无法完成的任务，危险地带工业领域（取代人所无法完成的任务，危险地带等）无损探伤、具有视觉或听觉的机器人（手）等）无损探伤、具有视觉或听觉的机器人（手）等等n n军事领域军事领域 运动目标的图像自动跟踪技术、指纹识运动目标的图像自动跟踪技术、指纹识别等别等n n文化艺术（文物的复制和修复、虚拟现实游戏等）文化艺术（文物的复制和修复、虚拟现实游戏等）n n其它（远程教学、会议系统、气象云图等）其它（远程教学、会议系统、气象云图等） n n信息量大（信息量大（ TV TV图像图像 500-700*480 500-700*480））一幅一幅 512*512 512*512的灰度图像（的灰度图像（ 256 256级灰度）约级灰度）约 260KB260KB；；n n卫星图像卫星图像 3240*2340, SAR 3240*2340, SAR合成孔径雷达图像合成孔径雷达图像 8000*80008000*8000；； 占用频带较宽（占用频带较宽（ 5-6MHZ 5-6MHZ））, ,技技术实现难度大，成本高；术实现难度大，成本高；n n相关性很大，冗余信息多；相关性很大，冗余信息多； 图像处理的特点（相对于光学图像处理、视频信图像处理的特点（相对于光学图像处理、视频信号处理）号处理）n n灵活性强灵活性强 可以拼贴、调整、修改；可以拼贴、调整、修改；n n精度高精度高 分辨率高、处理方便分辨率高、处理方便n n再现性好再现性好 可以永久保存可以永久保存主要技术特点 数字图像表示数字图像表示n n连续图像：连续图像： f f（（ x,y x,y），它可以是任意实数），它可以是任意实数 n n数字图像：数字图像：I I（（ r,cr,c），其中），其中 r = row r = row 行行, c = , c = column column 列，列，I I 表示离散化的图像表示离散化的图像 f f ，， 数字图数字图像是由像素像是由像素pixelpixel组成组成 采样和量化采样和量化存储图像所需的位数：M×N×k位数：指每个颜色通道（红、绿、蓝）中的每个像素点可以存储的灰阶值。
位数：指每个颜色通道（红、绿、蓝）中的每个像素点可以存储的灰阶值 例如：例如：一幅一幅8（（2k, k=3)位的图像中，每个通道分别有位的图像中，每个通道分别有256级灰阶；级灰阶； 一幅一幅16 （（2k, k=4)位图像中，每个通道分别有位图像中，每个通道分别有65536级灰阶；级灰阶； 采样和量化采样和量化空间分辩率的变化 采样和量化采样和量化幅度分辩率的变化 图像文件格式图像文件格式矢量格式用线段或线段的组合体来表示图像用线段或线段的组合体来表示图像（（FonFon，，SWFSWF）） 光栅格式用许多图象点的集合来表示图像用许多图象点的集合来表示图像（（BMPBMP，，GIFGIF，，TIFFTIFF，，JPEGJPEG）） 颜色模型颜色模型RGB颜色模型：面向硬设备面向硬设备 R：红；G：绿；B：蓝HSI颜色模型：面向彩色处理的应用面向彩色处理的应用 H：色调；S：饱和度；I：密度 颜色模型颜色模型彩色图像的R、G、B分量和H、S、I分量 颜色模型的转换颜色模型的转换RGB→HSI 算术和逻辑运算算术和逻辑运算n n算术运算– –加法：去除叠加性噪声，生成叠加效果加法：去除叠加性噪声，生成叠加效果– –减法：去除背景减法：去除背景– –乘法、除法：校正灰度阴影乘法、除法：校正灰度阴影n n逻辑运算（二值图像）– –与（与（ANDAND））– –或（或（OROR））– –补（补（NOTNOT）） 算术和逻辑运算算术和逻辑运算×0.5＋＋×0.5 。