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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1数字图像处理n西华大学计算机与数理学院第章 绪论内容提要:数字图像处理的发展简史图像处理的任务基本的图像处理系统数字图像处理的应用与发展趋势1.1 数字图像处理及发展简史n1.1.1 图像的定义n图像：二维空间上的强度分布u如果只考虑光的能量u图像在视觉上表现为灰色影像-灰度图像： u u静止灰度图像：模拟图像人眼成像瞳孔，晶状体视网膜神经大脑模拟图像例人眼成像n视网膜区域分布了大量的视觉细胞，以接受外界光的强弱及颜色。n中央凹的视觉细胞分布很密，向外逐渐稀疏。视网膜结构中央凹n视网膜中央区域称为a区域，主要以观察物体的细节为主。n视网膜边
2、界区域称为区域，主要以观察运动物体为主。数字图像例数码相机成像光学镜头CCD阵面存储器CCD阵面结构模拟图像与数字图像n数字图像：n一个被采样和量化后的二维函数，采用等距离矩形网格采样，对幅度进行间隔量化。1.1.3数字图像原理取样和量化的基本概念u数字化包括取样和量化两个过程 ：u取样 ：对空间连续坐标(x, y)的离散化 u量化 ：幅值 f (x, y)的离散化u数字化图像所需的主要硬件：u采样孔、图像扫描机构 、光传感器 、量化器 、输出存储体 1.1.3数字图像原理x0y宽度方向：列高度方向：行若灰度级划分为8，则用3个二进制位表示：238（称为8色图像或3位图像）象素07654321
3、彩色模拟图像灰度图像（缩小） （a）连续图像 （b）数字化结果 （c）像素 （d）灰度级1.1.4 数字图像的基本属性在计算机中的二维阵列（网格）：二维数组n两个基本属性：n 几何属性：坐标n 物理属性：灰度、亮度I颜色、透射度、深度。 1.1.5 数字图像表示n单色图像(monochrome image) ：即黑白图像，每个像素的灰度值只有0和1n灰度图像(grayscale image) ：每个像素的灰度值占一个字节n彩色图像： 真彩色图像：每个像素的灰度值占三个字节，分别为 R、G、B 索引彩色图像：即调色板彩色图像，如8位或16位伪彩色图像n多谱图像：如由卫星多孔径雷达所成的多波段图像
4、，多幅图像表达同一图像的不同波段信息n压缩图像彩色空间示意图数字图像常见参数n分辩率：用来描述数字图象所表示的空间细节的程度（高或低）。n设备无关：象素的个数 M * Nn设备有关：如pixel/mm nIntensity & Contract（亮度和对比度）& gray leveln灰度级：表示1Byte/pixel-256级（灰度级） 1.1.2 图像处理的发展简史n数字图像处理首次成功地应用在1964年美国宇航局喷气推进实验室（NASA JPL）对“徘徊者7号”探测器发来的几千张月球照片的进行几何校正、灰度变换、去除噪声等处理n考虑了太阳位置和月球环境的影响n用计算机绘制了月球表面的照片
5、。2005年1月14日，“惠更斯”探测器拍摄了“土卫六”的图像n 土卫六的地貌图 陆地卫星5号n1.2.1 图像处理的目的n一般地，图像处理中需要完成以下一个或几个任务：n（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。n（2）提取图像中目标的某些特征，以便于计算机分析或机器人识别。n（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。n（4）信息的可视化。n（5）信息安全的需要。1.2 图像处理的目的、任务与特点1.2.2 图像处理的任务n图像处理的主要任务：n图像获取与数字化n图像增强n图像恢复n图像重建n图像变换n图像编码与压缩n图像分割1.2.3 数字图像
6、处理的特点n1具有数字信号处理技术共有的特点。如：n（1）处理精度高。n（2）重现性能好。n（3）灵活性高。n2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。n3数字图像处理技术适用面宽。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。 图1.5 胸部X光片图像 图1.6 红外热像仪检测的手1.2.3 数字图像处理的特点n4数字图像处理技术综合性强。n5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n（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n（2）数字图像信号占用的频带较宽。
7、n（3）处理费时。1.3 基本的图像处理系统n图像处理系统包括n图像处理硬件和图像处理软件。n1.3.1 图像处理硬件n微机图像处理硬件系统主要n由图像输入设备、图像运算处理设备（微计算机）、图像存储器、图像输出设备等组成。n软件系统包括n操作系统、控制软件及应用软件等。基本的数字图像处理系统1.3.1 图像处理硬件n1. 图像输入设备n完成将模拟光学图像转换成模拟电图像的过程。n数字化图像输入设备还进一步将模拟电图像进行数字化以便于存储介质存储和计算机处理。n2. 图像存储器n为了适应图像的大数据量要求，输入图像、输出图像以及中间结果图像必须用大容量存储介质进行存储。n3. 主机n用于图像处
8、理的计算机。n4显示器及图像输出设备1.3.2 图像处理软件n图1.11 图像处理软件n 系统的层次结构1.3.2 图像处理软件n1. 图像设备驱动程序n2. 操作系统：n（1）IBM PC及兼容机一般使用Microsoft Windows操作系统。n（2）Apple Macintosh机一般使用Mac OS X操作系统。n（3）图形工作站典型使用UNIX或X WINDOWS操作系统。n3图像处理开发工具n（1）VC+面向对象可视化集成工具n（2）MATLAB的图像处理工具箱n（3）图像应用软件：Photoshop、CorelDRAW、ACDSee1.3.3 数字图像处理内容的四个层次 n(1
9、) 图像输入输出（扫描仪、多媒体视频卡、图像卡、监视系统）n(2) 图像表示、转换（多媒体各种文件格式、几何、亮度、对比度、剪贴）给人看给人看n(3) 图像处理、分析（特征提出、图像压缩、几何校正2D3D）给机器看给机器看 (4) 图像理解、解释计算机视觉计算机视觉计算机视觉 计算机视觉是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段,有计算机代替大脑完成处理和解释,为计算机和机器人开发具有人类水平的视觉能力。 最终目标：实现对三维景物世界的理解。计算机视觉n计算机视觉处理的原始信息多是图像，在这个意义上计算机视觉应当是图像处理的一部分。n从发展的眼光来看，图像处理的发展方向必然趋向计算机视觉。图
10、像处理将成为计算机视觉的前期研究内容。经典理论Marr理论2维2.5维3维提取二维平面特征建立三维模型将二维平面特征进行组合进而得到三维信息为什么要研究n生物视觉在图像处理方面具有计算机远达不到的能力。n即使是婴儿的图像识别能力也远远超过目前计算机。n依据生物视觉机理，提高计算机图像处理能力，是计算机图像处理的必然发展趋势。计算机视觉学科的难题n软件角度：n“一只马戏团的猴子如何教会另一只马戏团的猴子如何演马戏”。n硬件角度：n大脑信息处理的机制与计算机不同n大脑：大量CPU（简单）n计算机：少量CPU（复杂）好处l永无止尽l研究人员可以大胆发挥想象力，充分开发个人的智力。在理解与掌握现有理论
11、基础上，研究将不受束缚。l没有权威，全依仗研究人员悟性。l所谓：“人人都是食神！”计算机视觉研究的特点n多学科交叉计算机视觉计算机心理学生理学物理学信号处理数学最优化理论高等几何线性系统高度代数概率统计随机过程等等计算机视觉研究的途径n硬件：n第四代计算机（人工智能计算机）n软件：n通过研究人的视觉机理，提高计算机图像处理能力：n传感器（眼睛）：成像机理及前期处理n处理机理（大脑）：人工神经网络有效途径n研究视觉错觉：n假象：虚幻、不真实n错觉：真实，错误n从错觉出发，可能能够了解人视觉机理。进一步将其数学模型化。即可达到目的。常见错觉Hermann格子图像MullerLyer错觉Ponzo错
12、觉Hering错觉Orbison错觉Pogendoff错觉Zollnar错觉图像表示与转换n放大、缩小：图像表示与转换n旋转图像表示与转换n亮度调整图像表示与转换n对比度调整图像处理与分析n图像分割图像处理与分析n图像分割图像处理与分析n纹理分割图像处理与分析n角点检测图像处理与分析n线条检测图像处理与分析l线条检测图像处理与分析n边缘检测图像处理与分析n边缘检测图像压缩哈夫曼编码哈夫曼编码预测编码图图像像压压缩缩预测编码行程编码1.原始图像及其属性行程编码2.压缩文件的属性解压后生成的文件 由于行程编码属于无损压缩，所以原始图像和解压后的图像基本上没有任何差别，不会出现失真的情况LZW编码1
13、.原始图像及其属性LZW编码2.压缩文件的属性属性解压后生成的文件几何校正多项式卷绕图像处理范例图像分割图像处理范例图像融合（a）待融合图像CT(b) 待融合图像MR（f）融合规则四的结果(e) 融合规则三的结果(c) 融合规则一的结果（d）融合规则二的结果（g）融合规则五的结果图44 运用不同的融合规则得到的融合结果图像处理范例边缘提取图像处理范例边缘检测图像处理范例边缘检测图像处理范例边缘检测图像处理范例畸变校正图像处理范例几何校正图像处理范例背景更新图像处理范例背景更新图像处理范例目标检测1. 数字图像处理的应用1.遥感n资源普查、规划，气象预报，环保（污染调查）n利用卫星照片和航空照片
14、n辐射校正（亮度）和几何校正n提取地物地貌特征或三维重建（shape from shadow, SFS） 1. 数字图像处理的应用2.工程与办公自动化文件与图纸读取（文档保存数字化）， OCR，文字识别等 3.生物医学图像处理 在X光片，血细胞图像，淋巴细胞图像，染色体图像，B超图像等中的处理及识别 CT图像处理及三维重建（虚拟人体） 1. 数字图像处理的应用n4.军事公安n侦察、寻找目标、制导、警戒n安全系统和鉴别系统：入口控制，指纹、人脸、眼纹识别n核材料检测n5.工业自动化n生产线控制（机械手判位、定位）n产品质量监控（外观缺陷检测）n枪号识别，车牌识别等1. 数字图像处理的应用6.通讯 n电视会议、电视鉴测n可视电话（压缩）7.工业和科学研究中的可视化技术 n把计算结果和过程用图象/图形显示，并可处理n流场、气象、核爆模拟 1. 数字图像处理的应用n8.多媒体、视频特技n如电影特技n 9.虚拟实现（Virtual Reality）n环境模型、环境重视
