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1、第一章第一章 数字图像处理综述数字图像处理综述周周 红红数字图像处理综述数字图像处理综述本课程的主要内容本课程的主要内容理论：图像处理、图像识别的算法理论：图像处理、图像识别的算法实践：利用实践：利用MATLAB、C语言等工具实语言等工具实 现算法现算法数字图像处理综述数字图像处理综述参考书参考书数字图像处理综述数字图像处理综述主要内容主要内容1.1 概述概述1.2 数字图像处理系统数字图像处理系统1.3 数字图像的形成数字图像的形成1.4 数字图像的数学描述数字图像的数学描述1.5 图像识别图像识别 数字图像处理综述数字图像处理综述图像：能为人的视觉系统所感受的信息形式。图像：能为人的视觉系
2、统所感受的信息形式。人类传递信息的三个主要渠道：人类传递信息的三个主要渠道：数字图像处理综述数字图像处理综述人眼中的图像人眼中的图像数字图像处理综述数字图像处理综述光和电磁波谱光和电磁波谱数字图像处理综述数字图像处理综述1 1、马赫带效应：基于视觉系统有趋于过高或过、马赫带效应：基于视觉系统有趋于过高或过、马赫带效应：基于视觉系统有趋于过高或过、马赫带效应：基于视觉系统有趋于过高或过 低估计不同亮度区域边界值的现象低估计不同亮度区域边界值的现象低估计不同亮度区域边界值的现象低估计不同亮度区域边界值的现象视觉错觉视觉错觉 灰阶灰阶 距离距离 马赫带效应马赫带效应数字图像处理综述数字图像处理综述2
3、、同时对比度：、同时对比度： 基于人眼对某个区域感觉到的基于人眼对某个区域感觉到的亮度并不仅仅依赖于它的强度亮度并不仅仅依赖于它的强度当背景变亮时，中心方块就逐渐变暗当背景变亮时，中心方块就逐渐变暗数字图像处理综述数字图像处理综述3. 形状、大小、方向的对比形状、大小、方向的对比数字图像处理综述数字图像处理综述图像处理与识别技术应用极为广泛图像处理与识别技术应用极为广泛数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理最早的应用之一是报纸业，在数字图像处理最早的应用之一是报纸业，在数字图像处理最早的应用之一是报纸业，在数字图像处理最早的应用之一是报纸业，在2020世纪世纪世纪世纪2020年代图像第一
4、次通过海底电缆从伦敦传往纽约，年代图像第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约，年代图像第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约，年代图像第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约，这幅横跨大西洋的图片需要的时间是这幅横跨大西洋的图片需要的时间是这幅横跨大西洋的图片需要的时间是这幅横跨大西洋的图片需要的时间是3 3个小时。个小时。个小时。个小时。数字图像处理综述数字图像处理综述1. 图片处理软件，例如：图片处理软件，例如：PhotoShop数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述2. 智能监控系统，智能监控系统， 例如：视频监控、交通监控等例如：视频监控、交通监控
5、等数字图像处理综述数字图像处理综述3. 识别系统，例如：指纹识别、识别系统，例如：指纹识别、 人脸识别人脸识别数字图像处理综述数字图像处理综述4. 天气预报天气预报数字图像处理综述数字图像处理综述5. 医学图象分析，例如：医学图象分析，例如：B超、透视超、透视 数字图像处理综述数字图像处理综述6.遥感探测遥感探测数字图像处理综述数字图像处理综述7.月球探测月球探测数字图像处理综述数字图像处理综述8.岩心扫描系统岩心扫描系统数字图像处理综述数字图像处理综述 岩芯三维结构岩芯三维结构 数字图像处理综述数字图像处理综述岩芯内部三维分析岩芯内部三维分析数字图像处理综述数字图像处理综述主要内容主要内容1
6、.1 概述概述1.2 微机图像处理系统微机图像处理系统1.3 数字图像的形成数字图像的形成1.4 数字图像的数学描述数字图像的数学描述1.5 图像识别图像识别 数字图像处理综述数字图像处理综述一、系统构成一、系统构成 主要由以下三部分构成主要由以下三部分构成 图像采集部件图像采集部件 图像处理部件图像处理部件 图像输出部件图像输出部件例如：例如：图像采集卡图像采集卡摄像机摄像机扫描仪扫描仪例如：例如：屏幕输出屏幕输出打印输出打印输出视频硬拷贝输出视频硬拷贝输出数字图像处理综述数字图像处理综述主要内容1.1 概述概述1.2 微机图像处理系统微机图像处理系统1.3 数字图像的形成数字图像的形成1.
7、4 数字图像的数学描述数字图像的数学描述1.5 图像识别图像识别 数字图像处理综述数字图像处理综述一般图像都是模拟图像，即图像上的信息是一般图像都是模拟图像，即图像上的信息是连续变化的模拟量。连续变化的模拟量。 黑白灰度图片上的物黑白灰度图片上的物体是通过图上各点光体是通过图上各点光的强度不同体现的，的强度不同体现的，而图片上的光强是一而图片上的光强是一个连续变化的量。个连续变化的量。数字图像处理综述数字图像处理综述获取数字图像的过程获取数字图像的过程数字图像处理综述数字图像处理综述用用f(x,y)二维函数形式表示单色灰度图像，在坐二维函数形式表示单色灰度图像，在坐标点标点(x,y)处，处，f
8、表示该点的灰度值（即图像的浓表示该点的灰度值（即图像的浓淡）。要使用计算机处理图像，需要通过淡）。要使用计算机处理图像，需要通过抽样抽样和量化和量化将连续坐标连续幅值的模拟图像转换为将连续坐标连续幅值的模拟图像转换为数字图像。数字图像。xy像素点像素点灰度值灰度值f(x,y)数字图像处理综述数字图像处理综述抽样：数字化坐标值抽样：数字化坐标值xyABABxf: 灰度值灰度值, 代表亮度大小代表亮度大小A到到B是一条扫描线是一条扫描线数字图像处理综述数字图像处理综述抽样：数字化坐标值抽样：数字化坐标值ABxfABxf等间隔抽样成离散的抽样点等间隔抽样成离散的抽样点数字图像处理综述数字图像处理综述
9、量化：数字化幅度值量化：数字化幅度值ABxfABxf将抽样灰度值简单量化成八个灰度值中的一个将抽样灰度值简单量化成八个灰度值中的一个数字图像处理综述数字图像处理综述构建构建A点与点与B点之间的灰度图点之间的灰度图AB灰度标尺灰度标尺数字图像处理综述数字图像处理综述将图像将图像y轴上所有扫描线轴上所有扫描线A-B作抽样、量化作抽样、量化.A.B.数字图像处理综述数字图像处理综述产生了一幅二维数字化图像产生了一幅二维数字化图像连续图像投影到传感器上连续图像投影到传感器上连续图像投影到传感器上连续图像投影到传感器上 采样和量化后的数字化图像采样和量化后的数字化图像采样和量化后的数字化图像采样和量化后
10、的数字化图像数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述抽样：抽样：将图像在横向上和纵向上的坐标值离散化，限定将图像在横向上和纵向上的坐标值离散化，限定将图像在横向上和纵向上的坐标值离散化，限定将图像在横向上和纵向上的坐标值离散化，限定x x和和和和y y只能取整数值，即将图像划分为一小块一小块，每只能取整数值，即将图像划分为一小块一小块，每只能取整数值，即将图像划分为一小块一小块，每只能取整数值，即将图像划分为一小块一小块，每块称为一个像素点，有唯一的坐标块称为一个像素点，有唯一的坐标块称为一个像素点，有唯一的坐标块称为一个像素点，有唯一的坐标(x,y)(x,y)。数字图
11、像处理综述数字图像处理综述量化：量化：将图像每个像素点的亮度值离散化，限定将图像每个像素点的亮度值离散化，限定将图像每个像素点的亮度值离散化，限定将图像每个像素点的亮度值离散化，限定f(x,y)f(x,y)只能只能只能只能取某个范围内的整数值，例如：取某个范围内的整数值，例如：取某个范围内的整数值，例如：取某个范围内的整数值，例如：0-7, 0-7, 这些整数值代这些整数值代这些整数值代这些整数值代表不同的亮度。表不同的亮度。表不同的亮度。表不同的亮度。1. 0 02. 1 1 23. 1 3 3 14. 2 3 4 55. 3 4 4 4 4 6. 3 4 4 4 4 4 1 7. 3 4
12、4 4 4 4 1 08. 3 4 4 3 4 4 4 19. 0 3 3 3 2 2 2 110. 1 1 1 1 1 1 1 数字图像处理综述数字图像处理综述主要内容主要内容1.1 概述概述1.2 微机图像处理系统微机图像处理系统1.3 数字图像的形成数字图像的形成1.4 数字图像的数学描述数字图像的数学描述1.5 图像识别图像识别 数字图像处理综述数字图像处理综述抽样量化后的图像可以用一个二维数组表示其抽样量化后的图像可以用一个二维数组表示其每个像素点（坐标点）的灰度值（幅度值）。每个像素点（坐标点）的灰度值（幅度值）。M行行N列的图像矩阵：列的图像矩阵：数字图像处理综述数字图像处理综述
13、灰度值灰度值f(x,y)的取值：的取值： 一般人眼可以分辨出一般人眼可以分辨出8个灰度层次，图像个灰度层次，图像 处理中常用处理中常用28（即：（即：256）个灰度层次。）个灰度层次。f(x,y)xy数字图像处理综述数字图像处理综述若只有白和黑两种颜色，称为二值图像，若只有白和黑两种颜色，称为二值图像，0表表示黑，示黑，1表示白。表示白。要存储这幅图像，需要存储这幅图像，需要存储的数据量为：要存储的数据量为：b: 存储多少位（存储多少位（bit）M: 行数行数 N: 列数列数K: 每个像素需要的位数每个像素需要的位数b = M X N X K =512 X512X1数字图像处理综述数字图像处理
14、综述若在白和黑之间有若在白和黑之间有256级灰度，称为灰度图像，级灰度，称为灰度图像，0表示黑，表示黑，255表示白，由黑渐变为白。表示白，由黑渐变为白。要存储这幅图像，需要存储这幅图像，需要存储的数据量为：要存储的数据量为：b: 存储多少位（存储多少位（bit）M: 行数行数 N: 列数列数K: 每个像素需要的位数每个像素需要的位数b = M X N X K =512 X512X8数字图像处理综述数字图像处理综述若是彩色图像，一般由三原色组成，用红、若是彩色图像，一般由三原色组成，用红、绿、蓝三个分量描述，即绿、蓝三个分量描述，即RGB图像。图像。要存储这幅图像，需要存储这幅图像，需要存储的
15、数据量为：要存储的数据量为：b = 512 X512X8X3数字图像处理综述数字图像处理综述空间分辨率：空间分辨率：图像中每单位长度所包含的像素数图像中每单位长度所包含的像素数目，通常称一幅目，通常称一幅MXN大小的数字图大小的数字图像的空间分辨率为像的空间分辨率为MXN像素。像素。数字图像处理综述数字图像处理综述一幅分辨率为一幅分辨率为512x512的图像逐次减的图像逐次减少到少到32X32的分辨率的分辨率空间分辨率低，图像的尺寸变小，会丢失掉一些信息，空间分辨率低，图像的尺寸变小，会丢失掉一些信息，细节不明显。细节不明显。数字图像处理综述数字图像处理综述采用插值方案扩成同样大小的图片采用插
16、值方案扩成同样大小的图片将低分辨率图像放大时，会导致图像的细节模糊，只将低分辨率图像放大时，会导致图像的细节模糊，只是尺寸变大是尺寸变大。数字图像处理综述数字图像处理综述亮度分辨率亮度分辨率: 指图像中可分辨的灰度级数目，将指图像中可分辨的灰度级数目，将一个模拟图像量化为一个模拟图像量化为256种灰度级，种灰度级，得到的数字图像的亮度分辨率就是得到的数字图像的亮度分辨率就是256级。级。数字图像处理综述数字图像处理综述256256灰度级灰度级 128128灰度级灰度级 6464灰度级灰度级 3232灰度级灰度级 由高灰度级分辨率到低灰度级分辨率由高灰度级分辨率到低灰度级分辨率1616灰度级灰度
17、级 8 8灰度级灰度级 4 4灰度级灰度级 2 2灰度级灰度级 颜色数变少，颜色数变少，颜色失真，颜色失真，细节受损细节受损。数字图像处理综述数字图像处理综述练习练习高清晰度电视用高清晰度电视用高清晰度电视用高清晰度电视用11251125水平电视线的分辨率隔行扫描水平电视线的分辨率隔行扫描水平电视线的分辨率隔行扫描水平电视线的分辨率隔行扫描产生图像（每隔一行在显像管表面画一条线，每两产生图像（每隔一行在显像管表面画一条线，每两产生图像（每隔一行在显像管表面画一条线，每两产生图像（每隔一行在显像管表面画一条线，每两场形成一帧，每场用一秒钟的场形成一帧，每场用一秒钟的场形成一帧，每场用一秒钟的场形
18、成一帧，每场用一秒钟的1/601/60时间）。图像宽时间）。图像宽时间）。图像宽时间）。图像宽高的纵横比是高的纵横比是高的纵横比是高的纵横比是16:916:9。某公司设计了一种图像获取系。某公司设计了一种图像获取系。某公司设计了一种图像获取系。某公司设计了一种图像获取系统，可以从高清晰图像产生数字图像。该系统中每统，可以从高清晰图像产生数字图像。该系统中每统，可以从高清晰图像产生数字图像。该系统中每统，可以从高清晰图像产生数字图像。该系统中每条水平线和垂直分辨率的比例与图像宽高比相等。条水平线和垂直分辨率的比例与图像宽高比相等。条水平线和垂直分辨率的比例与图像宽高比相等。条水平线和垂直分辨率的
19、比例与图像宽高比相等。彩色彩色彩色彩色RGBRGB图像的每个像素有图像的每个像素有图像的每个像素有图像的每个像素有24bit24bit的强度分辨率。的强度分辨率。的强度分辨率。的强度分辨率。存储存储存储存储2 2小时的高清晰电视节目将使用多少比特？小时的高清晰电视节目将使用多少比特？小时的高清晰电视节目将使用多少比特？小时的高清晰电视节目将使用多少比特？数字图像处理综述数字图像处理综述像素间的邻接性和连通性像素间的邻接性和连通性 数字图像是由一组具有一定空间位数字图像是由一组具有一定空间位置关系像素组成，因而具有一些度量和置关系像素组成，因而具有一些度量和拓扑性质。理解像素间的关系是学习图拓扑
20、性质。理解像素间的关系是学习图像处理的必要准备。像处理的必要准备。数字图像处理综述数字图像处理综述相邻像素的相邻像素的4邻域邻域位于坐标位于坐标(x,y)的一个像素的一个像素p有有4个水平和垂个水平和垂直的相邻像素，其坐标分别如图所示，这直的相邻像素，其坐标分别如图所示，这个像素集称为个像素集称为p的的4邻域，用邻域，用N4(p)表示，每表示，每个邻域像素距个邻域像素距 p一个单位距离。一个单位距离。(x, y)(x, y-1)(x-1, y)(x, y+1)(x+1, y)yx数字图像处理综述数字图像处理综述相邻像素的相邻像素的8邻域邻域位于坐标位于坐标(x,y)的一个像素的一个像素p的四个
21、对角相邻的四个对角相邻 像素和它的像素和它的4邻域像素一起构成邻域像素一起构成p的的8邻域，邻域， 用用N8(p)表示表示, 四个对角像素构成四个对角像素构成p的对角邻的对角邻 域域ND(p) 。(x, y)(x, y-1)(x-1, y)(x, y+1)(x+1, y)yx(x, y+1)(x-1, y-1)(x+1, y-1)(x-1, y+1)数字图像处理综述数字图像处理综述邻接性邻接性V: 定义邻接性的灰度值集合。例如：定义邻接性的灰度值集合。例如：V=1p和和q是两个像素，具有是两个像素，具有V集合中的数值集合中的数值1。(1) 4邻接：若邻接：若q在在N4(p)中，中，p和和q是是
22、4邻接的。邻接的。(2) 8邻接：若邻接：若q在在N8(p)中，中，p和和q是是8邻接的。邻接的。(3) m邻接（混合邻接）：若邻接（混合邻接）：若q在在 N4(p)中或者中或者q在在 ND(p)中且集合中且集合N4(p)和和N4(q)的交集没有的交集没有V中的像素值，则中的像素值，则p和和q是是m邻接的。邻接的。数字图像处理综述数字图像处理综述例如：例如：V=1，请找出中心像素的各邻接像素。，请找出中心像素的各邻接像素。0 1 10 1 00 0 10 1 10 1 0 4邻接邻接0 0 10 1 10 1 0 8邻接邻接0 0 1 歧义性歧义性0 1 10 1 0 m邻接邻接0 0 1 无
23、歧义无歧义数字图像处理综述数字图像处理综述连通性连通性 通路：指像素通路：指像素p到像素到像素q的一个像素序列的一个像素序列(xp,yp),(xp+1,yp+1), (xp+2,yp+2),., (xq,yq)。其中。其中任意两个相邻像素任意两个相邻像素(xi,yi)和和(xi+1,yi+1)是邻接的。是邻接的。连通性：令连通性：令S表示一幅图像中的像素子集，表示一幅图像中的像素子集，若在若在S中的全部像素之间存在一个通路，则称中的全部像素之间存在一个通路，则称两个像素两个像素p和和q在在S中是连通的。连通到中是连通的。连通到p的像的像素集称为连通分量。若通路唯一，素集称为连通分量。若通路唯一
24、，S称为区域。称为区域。数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述像素间的距离度量像素间的距离度量 像素像素p的坐标为的坐标为(x,y)，q的坐标为的坐标为(s,t), D(p,q)表示表示p和和q的距离函数。的距离函数。（1） 欧式距离：欧式距离：De(p, q) = (x-s)2+(y-t)21/2（2）城市街区距离：）城市街区距离：D4(p, q) = |x-s| + |y-t|（3）棋盘距离：）棋盘距离：D8(p, q) = max( |x-s|, |y-t| )数字图像处理综述数字图像处理综述 欧氏距离平方欧氏距离平方 街区距离街区距离 棋盘距离棋盘距离 3 3
25、 3 3 3 3 3 33 3 3 3 3 3 3 3 5 5 2 2 5 5 3 2 3 3 2 2 2 2 2 33 2 3 3 2 2 2 2 2 35 5 2 2 1 1 2 5 2 5 3 2 1 2 3 3 2 1 1 1 2 33 2 1 2 3 3 2 1 1 1 2 32 1 2 1 0 0 1 2 1 2 3 2 1 3 2 1 0 0 1 2 3 3 2 1 1 2 3 3 2 1 0 0 1 2 3 1 2 35 5 2 2 1 1 2 5 2 5 3 2 1 2 3 3 2 1 1 1 2 33 2 1 2 3 3 2 1 1 1 2 3 5 5 2 2 5 5 3
26、2 3 3 2 2 2 2 2 33 2 3 3 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3邻域距离邻域距离数字图像处理综述数字图像处理综述练练 习：习：3 1 2 12 2 0 21 2 1 11 0 1 2pq1. 令令V=0,1，计算，计算p和和q间的间的4，8，m通路的通路的 最短最短D8长度。长度。2. 令令V=1,2，重新计算。，重新计算。数字图像处理综述数字图像处理综述主要内容主要内容1.1 概述概述1.2 微机图像处理系统微机图像处理系统1.3 数字图像的形成数字图像的形成1.4 数字图像的数学描述数字图像的数学描述1.5 图像识别图
27、像识别 数字图像处理综述数字图像处理综述图像识别系统框图图像识别系统框图图像模式识别的方法很多：包括数据聚类、图像模式识别的方法很多：包括数据聚类、统计分类、结构模式识别、神经网络等。统计分类、结构模式识别、神经网络等。被识别被识别图像图像图像信图像信息获取息获取处理、特处理、特征提取征提取识别识别判断判断结结果果数字图像处理综述数字图像处理综述车牌识别车牌识别数字图像处理综述数字图像处理综述本章小结本章小结1、数字图像的像素的概念、数字图像的像素的概念2、抽样、量化的过程、抽样、量化的过程3、邻域的概念、距离的计算、邻域的概念、距离的计算数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述数字图像处理综述
