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1、第1章 数字图像处理概述1第1章 数字图像处理概述什么是数字图像数字图像处理系统的基本组成结构数字图像处理的术语数字图像处理的应用数字图像处理的基本方法和基本数据结构小结第1章 数字图像处理概述21、 图像基本概念 u 图像和数字图像u 图像的表达 第1章 数字图像处理概述3（1）什么是图像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“图”是物体投射或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印像或反映。图像是自然界景物的客观反映。举例：人眼所见 照片 电视电影 第1章 数字图像处理概述4人眼所见人眼所见第1章 数字图像处理
2、概述5照片照片第1章 数字图像处理概述6电视电影电视电影第1章 数字图像处理概述7（2）图像的表达图像表示2-D数组f (x, y)x ， y：2-D空间XY中坐标点的位置f：代表图像在(x, y)的性质F 的数值f，x，y 的值可以是任意实数性质F : 可对应不同物理量 灰度图像里用灰度表示第1章 数字图像处理概述8 图像的表达图像表示图像表示 矩阵矩阵 矢量矢量 第1章 数字图像处理概述9（3）图片感知）图片感知在画图软件中放大图像像素的概念第1章 数字图像处理概述10数字图像(灰度)数字图像是指由被称作像素的小块区域组成的二维矩阵。将物理图像行列划分后，每个小块区域称为像素（pixel）
3、。每个像素包括两个属性：位置和灰度。对于单色即灰度图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，即可用一个字节来表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度。第1章 数字图像处理概述11物理图像与数字图像的对应物理图像与数字图像的对应第1章 数字图像处理概述12灰度级灰度级第1章 数字图像处理概述13数字图像举例数字图像举例(灰度灰度)125,153,158,157,127,70,103, 120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,10
4、0,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49, 灰度图像数值矩阵(前两行)1281282631第1章 数字图像处理概述14数字图像数字图像(彩色彩色)彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255则代表相应的基色在该像素中取得最大值，这种情况下每个像素可用三个字节来表示。三基色原理：绝大多数颜色可以分解成红、绿、蓝三种色光。感知l画图-颜色-编辑颜色-规定自定义颜色第1章 数字图像处理
5、概述15例题例题在一幅真彩色的数字图像中，每个像素采用 个比特来表示。A8 B10 C16 D24 第1章 数字图像处理概述16数字图像举例数字图像举例(彩色彩色)1281282531(207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217,124,121) (226,144,133) (226,144,133) (224,137,124) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (227,151,136) (230,170,154
6、) (231,178,163) (231,178,163) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (240,205,187) (239,195,176) (231,138,123) 第1章 数字图像处理概述17RGB色彩模式色彩模式RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一 第1章 数字图像处
7、理概述18RGB色彩模式色彩模式RGB色彩模式使用RGB模型为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0255范围内的强度值。l例如：纯红色R值为255，G值为0，B值为0；l灰色的R、G、B三个值相等（除了0和255）；l白色的R、G、B都为255；l黑色的R、G、B都为0。RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现16777216种颜色。第1章 数字图像处理概述19R、G、B 三基色 彩色空间 第1章 数字图像处理概述20举例举例2彩色原图红色分量绿色分量蓝色分量第1章 数字图像处理概述21（4）图像的数据量计算）图像的数据量计算灰度图像彩色图像视频第1章 数字图像
8、处理概述22例题例题计算一幅分辨率为20481024的24位真彩色图像未压缩前的数据量（结果以MB为单位） 第1章 数字图像处理概述23（5）图像的数字化）图像的数字化连续图像、离散图像图像数字化就是将连续图像离散化。图像数字化包括取样和量化两个部分。l取样：空间上的离散化 在空间上分割成MN个网格（空间分辨率）l量化：亮度上的离散化 把取样点上对应的亮度连续变化区间 转换为单个数码的过程第1章 数字图像处理概述24数字图像数字图像 图像（水平）尺寸图像（水平）尺寸 M：图像（垂直）尺寸图像（垂直）尺寸 N：象素灰度级数象素灰度级数 G (k-bit)：图像所需的位数图像所需的位数 b： 空间
9、分辨率和幅度分辨率空间分辨率和幅度分辨率第1章 数字图像处理概述25图像分辨率与存储和处理图像分辨率与存储和处理数字图像是对连续场景的近似l为达到较好的近似，需要多少个采样和灰度级呢？l理论上，M N G越大，近似越好但图像的数据量随M N G的增加而迅速增加，故采样和灰度级数也不能太大第1章 数字图像处理概述26 图象质量与采样和量化图象质量与采样和量化图像空间分辨率变化所产生的效果图像空间分辨率变化所产生的效果第1章 数字图像处理概述27512*512第1章 数字图像处理概述28256*256第1章 数字图像处理概述29128*128第1章 数字图像处理概述3064*64第1章 数字图像处
10、理概述3132*32第1章 数字图像处理概述3216*16第1章 数字图像处理概述33图像幅度分辨率变化所产生的效果图像幅度分辨率变化所产生的效果第1章 数字图像处理概述34256级级第1章 数字图像处理概述3564级级第1章 数字图像处理概述3616级级第1章 数字图像处理概述378级级第1章 数字图像处理概述384级级第1章 数字图像处理概述392级级第1章 数字图像处理概述40空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果第1章 数字图像处理概述41图像质量与采样和量化图像质量与采样和量化仅减少空间分辨率，图中各区域的边缘处看到棋盘模式，并在全图看到像素粒子变粗
11、的现象仅减小灰度级数，达到一定程度，会出现虚假轮廓同时减小空间分辨率和灰度级数，图像质量的退化比单独变化空间分辨率或灰度级时要更快。第1章 数字图像处理概述42作业题一作业题一1.如何表示数字图像（灰度图像与彩色图像）？2.数字图像的存储方式有哪些？如何存储？3.计算1幅未压缩图像的数据量。已知图像分辨率为10242048，真彩色。要求：写出计算过程，结果以MB为单位。第1章 数字图像处理概述43内容回顾内容回顾1、 图像基本概念 l图像l数字图像（灰度、彩色）lRGB色彩模式l图像表达2、 图像的数字化第1章 数字图像处理概述44 对采样和量化的讨论对采样和量化的讨论采样l实际中采样值的选择
12、常受到采集装置的影响和限制l实际中选择采样值的一个重要因素是看需要观察到图像中哪个尺度的细节量化l量化级数的选择基于2个因素人类视觉系统的分辨率要满足具体应用所需要的分辨率l文档2值图像l图像打印16个灰度级l屏幕显示更多灰度级l医学图像8比特的灰度级不够用第1章 数字图像处理概述45例题例题模拟图像转换为数字图像，需经过两个步骤，分别是 。A采样和编码 B量化和编码 C采样和存储 D采样和量化第1章 数字图像处理概述46例题例题假设一幅数字图像成像时采了MN个样，那么图像的空间分辨率是 。AM BN CMN DM+N 第1章 数字图像处理概述47例题例题一幅图像必须要在空间上和灰度上都离散化
13、才能被计算机处理。空间坐标的离散化叫做采样，它确定了图像的 。A空间分辨率 B幅度分辨率 C颜色深度 D图像质量 第1章 数字图像处理概述48 2、图像处理相关学科和领域、图像处理相关学科和领域第1章 数字图像处理概述49 图像处理相关学科和领域图像处理相关学科和领域主要相关学科：主要相关学科：图形学：图形学：原指用图形、图表、绘图等形式表达数据信息的科学，而计算机图形学研究的就是如何利用计算机技术来产生这些形式图像模式识别：模式识别：试图把图像分解成可用符号较抽象地描述的类别计算机视觉：计算机视觉：主要强调用计算机实现人的视觉功能，目前的研究内容主要与图像理解相结合 第1章 数字图像处理概述
14、50 图像处理技术的应用图像处理技术的应用应用领域示例应用领域示例(1)视频通信：可视电话，电视会议，按需电视，远程教育；(2)文字档案：文字识别，过期档案复原，邮件分捡，支票，签名 辫伪，办公自动化；(3)生物医学：红白学球计数，染色体分析、X光、CT、MRI、 PET图像分析，医学手术模拟规划，远程医疗；(4)遥感测绘：巡航导弹制导，无人驾驶飞机飞行，精确制导，矿 藏勘探，资源探测，气象预报，自然灾害监测；(5)工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监控，移动 机器人，无损探测，金相分析，印刷板质量检验， 精细印刷品缺陷检测；(6)军事公安：雷达图像分析、巡航导弹路径规划 / 制导，
15、罪犯脸 形合成、识别，指纹、印章的鉴定识别；(7)交通管理：太空探测、航天飞行、公路交通管理。第1章 数字图像处理概述513、 图像处理系统 u系统构成框图 u图像采集 u图像显示打印 u图像存储 u图像处理第1章 数字图像处理概述52数字图像处理数字图像处理数字图像处理就是利用计算机系统对数字图像进行各种目的的处理。数字图像处理的内容包括图像变换、图像编码、图像增强、图像恢复、图像分割、图像的理解和识别。第1章 数字图像处理概述53数字图像处理举例数字图像处理举例第1章 数字图像处理概述54数字图像处理系统数字图像处理系统数字图像处理系统由图像数字化设备、图像处理计算机和图像输出设备组成，如
16、下图所示：第1章 数字图像处理概述55系统构成框图系统构成框图第1章 数字图像处理概述56数字图像处理系统的组成部分数字图像处理系统的组成部分图像数字化设备：扫描仪、数码相机、摄像机与图像采集卡等。图像处理计算机：PC、工作站等。图像输出设备：打印机等。图像输入设备日益向高速度、高分辨率、多功能、智能化方向发展。第1章 数字图像处理概述57图像输入设备图像输入设备扫描仪l平板式、手持式、滚筒式摄像机l输入速度快、灵敏度高、使用方便第1章 数字图像处理概述584、数字图像处理的术语、数字图像处理的术语由于数字图像处理是多学科交叉领域，因此充斥着相互矛盾和不准确的定义。数字图像处理：是指将一幅图像
17、转变为另一幅图像。数字图像分析：是指将一幅图像转换为一种非图像的表示。但数字图像处理通常又包括数字图像分析。如天气预报，视频统计等。 第1章 数字图像处理概述59数字图像处理的术语数字图像处理的术语计算机图形学：用计算机将由概念或数学描述所表示的物体图像（非实物）进行处理和显示的过程。如机械图、建筑图等，通过建筑图统计水泥、钢筋用量等。计算机视觉：用计算机技术发展能够理解自然景物的系统。如机器人足球等。第1章 数字图像处理概述60数字图像处理的术语数字图像处理的术语数字化和显示：将一幅图像从原有形式转换为数字形式。显示是数字化的逆过程。扫描：对象素的寻址。采样、采样密度：对应象素灰度值的测量。
18、通常转变为电压值。量化：将电压值用一个整数表示。灰度分辨率：图像中包含的灰度级数。对比度：图像中灰度反差的大小。噪声：通常在数字化过程中引入的误差。第1章 数字图像处理概述61调色板调色板调色板（palette）：图像的色彩索引表。若图像的色彩数远小于全色彩数时，当每个像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大节约存储空间。这种技术长用于各种图像的存储格式中，如bmp,tif,gif等。举例计算数据量 第1章 数字图像处理概述62HSIHSI模型模型HSI模型 基于人类对颜色的感觉，HSI模型描述颜色的三个基本特征。第1章 数字图像处理概述63HSI模型模型H：色相是从物体反射或透过物体传播的颜
19、色。在0 到360 度的标准色轮上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。S：饱和度，有时也称彩度，是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色相中灰成分所占的比例，用从0%（灰色）到100%（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增的。I：亮度是颜色的相对明暗程度，通常用从0%（黑）到100%（白）的百分比来度量。第1章 数字图像处理概述64彩色原图H分量S分量I分量第1章 数字图像处理概述655、数字图像的存储、数字图像的存储行扫描存储l以行扫描顺序，自左向右，从上到下将图像的每个像素顺序存储在字节矩阵中交叉存储方式l即隔行存储或隔行隔
20、列存储。前者叫一维交叉，后者叫二维交叉。l交叉存储的优点是显示时即使没有读出全部图像数据，也可构成原始图像的近似轮廓。显然，这种存储方式非常适合于强调传输速度、对图像精度要求不很苛刻的系统。第1章 数字图像处理概述66交叉存储方式交叉存储方式第1章 数字图像处理概述67数字图像的存储数字图像的存储有损压缩存储方式l存储时记录图像主体特征信息，忽略部分冗余、附属信息。这种方法存储的图像与原始图像不完全一致，但失真度在允许的范围内矢量存储方式l矢量存储方式只记录图像的轮廓（向量）部分，而不是存储图像中每个点的信息，换句话说，它仅仅存储原始图像中的一些比较高级的图形结构（如线段，弧，圆等）。l这种文
21、件格式中存储的图像内容实际为一系列的绘图命令，指示应用程序如何操作，从而构成原始图第1章 数字图像处理概述68例题例题以下描述“显示时即使没有读出全部图像数据，也可构成原始图像的近似轮廓”是 数字图像存储方式的特点：A 行扫描存储 B位平面存储方式 C交叉存储方式 D矢量存储方式 第1章 数字图像处理概述69数字图像文件组成数字图像文件组成识别信息l文件识别-图像文件识别码和版本代号。文件识别码用以判断文件格式-版本代号用于指定同类文件属于第几代产品，不同版本的同一类图像文件其数据结构有所区别l图像识别图像识别信息通常包括图像的宽度和高度、一个图像像素所需的比特数与彩色位平面数、数据压缩格式和
22、调色板个数。图像数据第1章 数字图像处理概述70常用图像文件格式常用图像文件格式GIFlCompuserve网上图像在线传输l改进的LZW压缩法PNGlWWW网络图像传输l改进的LZ压缩法BMPlWindowslRLE4、RLE8或不压缩JPEGl存储照片类图像l有损编码压缩AVIl多媒体（音视频图像）l数字化视频压缩WMFlWindows第1章 数字图像处理概述71常用图像文件格式分类常用图像文件格式分类常用图像文件可分为两类：l位图文件-TGA、PCX、TIFF、GIF、PNG、BMP、JPEG、AVI矢量文件-WMF、PostScript第1章 数字图像处理概述726、数字图像处理的应用
23、、数字图像处理的应用随着微电子与计算机技术的高速发展，图像数字化设备如CCD摄像机、扫描仪、数码相机、图像采集卡的成本大大降低，普通的微机已经可以胜任部分图像处理任务，使得图像处理的应用越来越广泛，可以预见在不久的将来，图像及视频处理的应用将与目前语音处理的应用一样变得日益普及和重要。第1章 数字图像处理概述73主要应用主要应用航天航空生物医学工程通讯领域工业军事公安文化艺术第1章 数字图像处理概述74应用应用1：航空航天：航空航天登月、火星照片处理飞机遥感、卫星遥感气象预报第1章 数字图像处理概述75阿波罗登月阿波罗登月第1章 数字图像处理概述76应用应用2：生物医学工程：生物医学工程CT、
24、MRI（核磁共振）、B超显微图像：红细胞、白细胞、染色体的分析X光、心电图第1章 数字图像处理概述77第1章 数字图像处理概述78第1章 数字图像处理概述79第1章 数字图像处理概述80应用应用3：通讯领域：通讯领域发展趋势：多媒体通讯电话、电视、计算机三网合一第1章 数字图像处理概述81应用应用4：工业：工业印刷电路板机器人视觉零件检测邮政信件的自动检测第1章 数字图像处理概述82应用应用5：军事公安：军事公安导弹制导侦察照片的处理指纹识别、人脸识别车牌自动识别第1章 数字图像处理概述83第1章 数字图像处理概述84应用应用6：文化艺术：文化艺术电视画面的数字编辑动画制作游戏纺织工艺品设计发
25、型设计文物资料图片的修复第1章 数字图像处理概述85数字图像处理的基本方法数字图像处理的基本方法两类处理方法：l空间域方法l变换域方法（即频率域方法）第1章 数字图像处理概述867、数字、数字图像图像处理的基本数据结构处理的基本数据结构数字图像处理中常用的数据结构包括矩阵、链码、属性图等第1章 数字图像处理概述87链码链码二值图像表示的数据结构链码什么是二值图像：只有黑白两种灰度，如文字识别，边界轮廓等；什么是链码：通过规定链的起点坐标和链的斜率序列，就可以完全描述曲线和直线；链码的分类：根据斜率是45 。 ，60 。 ，90。的倍数，分为八向链码，六向链码和四向链码等。链码的优点：减少信息存
26、储量。第1章 数字图像处理概述88链码链码第1章 数字图像处理概述89链码及其编码链码及其编码方向方向十进制数表十进制数表示示二进制自然二进制自然码码不等长码不等长码0。0000045。10010190。2010011135。30110111180。410001111225。5101011111270。61100111111315。711101111111第1章 数字图像处理概述90链码编码实例链码编码实例十进制链码：十进制链码：11222110076654570二进制自然码：二进制自然码：001001010010010001001000000111110110101100101111000第
27、1章 数字图像处理概述91小结小结数字图像的像素和灰度概念数字图像处理系统的三个基本结构数字图像处理、数字图像分析、计算机图像学、计算机视觉等异同。扫描、采样、量化、噪声、灰度分辨率、对比度等概念。了解典型数字图像处理的应用。数字图像处理的基本方法、基本数据结构。数字图像的存储第1章 数字图像处理概述92作业二作业二1.数字图像系统的基本组成部分有哪些？2.设图像的长宽比为4:3.300万像素的手机上摄像头的空间分辨率约是多少？800万像素的手机呢？3.波特率是一种常用的离散数据传输度量。当采用二进制时，它等于每秒所传输的比特数。现设定每次先传输一个起始比特，再传输8比特有效信息，最后传输一个终止比特，计算以38400波特传输一幅1024*1024的真彩色图像所需的时间。
