1-第一章 序论_____数字图像处理

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1、数字图像处理数字图像处理哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院信息与通信工程学院自我介绍自我介绍主讲教师：汲清波，副教授主讲教师：汲清波，副教授办公地点：办公地点：21号楼，图像处理实验室号楼，图像处理实验室Email: 教学大纲教学大纲 图像处理是一门专业课，主要讲授图像变换、图像增图像处理是一门专业课，主要讲授图像变换、图像增强、图像恢复、图像编码、图像分割、图像的形态学处强、图像恢复、图像编码、图像分割、图像的形态学处理的基本理论、方法和技术。理的基本理论、方法和技术。 要求：掌握数字图像处理基本概念、主要处理技术和要求：掌握数字图像处理基本概念、主要处理技术和方法、能编程实现

2、部分算法。方法、能编程实现部分算法。前修课程前修课程后修课程后修课程高等数学高等数学（必修）（必修）线性代数线性代数（必修）（必修）数字信号处理数字信号处理（可选）（可选）随机过程随机过程 （可选）（可选）计算机图形学计算机图形学计算机视觉计算机视觉人工智能人工智能模式识别模式识别多媒体技术多媒体技术 教学方式教学方式教师：教师：以课堂讲授为主学生：学生：以实验和书本理论并重教科书：李俊山教科书：李俊山数字图像处理 清华大学出版社2007.4 赵荣椿 数字图像处理导论西北工业大学出版社 2000.8 朱秀昌朱秀昌著 数字图像处理与图像通信 北京邮电大学出 版社 2002.5 参考书：参考书：容

3、观澳编著 计算机图像处理 清华大学出版社 2000.2 参考书：参考书：数字图像处理实验指导书 数字图像处理(MATALB版) 岗萨雷斯著，阮秋琦等译 电子工业出版社辅助教学工具：辅助教学工具：MATLAB、Photoshop等考核方式考核方式1. 期末闭卷考试期末闭卷考试 80%；2. 三个必做的上机实验三个必做的上机实验 20%；其他其他上课时间上课时间（共32学时，6 学时实验）上机实习上机实习地点：21B 开放实验室 时间： 第一章 绪论授课第二章 人类视觉与色度学的基本知识授课第三章 图像的数学描述与图像变换（离散付氏变换）授课第三章 图像的数学描述与图像变换（离散余弦变换、哈达玛变

4、换）授课第四章 图像增强（图像灰度修正）授课第四章 图像增强（平滑、锐化）授课第四章 图像增强（几何校正）授课第五章 数字图像恢复（图像退化模型）授课第五章 数字图像恢复（图像恢复、运动图像恢复）授课第六章 图像的压缩编码 （预测编码 变换编码、熵编码）授课第七章 图像分割（基本概念）授课第七章 图像分割（算法）授课第八章 图像的形态学处理授课实验一实验一 图像的傅立叶变换图像的傅立叶变换 上机实验二实验二 图像增强图像增强上机实验三圆形物体的图像分割与分析实验三圆形物体的图像分割与分析 上机第一章第一章 绪绪 论论 人类获取外界信息有视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多种方法，但绝大部分(约70

5、以上)是来自视觉所接收的图像信息，即所谓“百闻不如一见”。 图像信息具有直观、形象、易懂和信息量大等特点，因此它是在人们日常的生活、生产中接触最多的信息种类之一。1.1 图像信号图像信号一一. 什么是图像？什么是图像？1.“图” （ Picture ）物体透射或反射光的分布（图像场），是客观存在；2.“象” （Image）人（的视觉系统）对（接收在大脑中形成的）图的印象或认识，是人的感觉；3. 图像 图像是对客观存在物体的一种相似性的生动模仿或描述。 照片、电影、电视、图画等都属于图像的范围。 图1 照片 二二. .图像的类别图像的类别图2 图像的类别 可见光图像是和人类视觉特性相吻合的通常意

6、义下的图像；不可见的物理图像有如温度、压力、高度等的分布图，以及在医学上使用的超声波、放射性手段成像得到的医学影像等。 数学函数描述的抽象的连续或离散图像。可见光成像和不可见光成像可见光成像和不可见光成像 图3 电磁波谱图 光学图像：波长0.38-0.8um 其他波段图像： 伽玛射线：0.003-0.03nm X射线：0.03-3nm 紫外线：3-300nm 红外线：0.8-300um 微波：0.3-100cm 无线电波：1m-100km 声波图：如B超其他：由感兴趣的物理量转换而成，如密度分布图。 380nm700nm紫外光红外光546.1nm435.8nm780nm图4 可见光谱紫 蓝 青

7、 绿 黄 橙 红光学图像 LenaIKONOS卫星光学图像423mile 高16000miles/h1m分辨率 EP3,海南陵水,01-4-4图5 可见光示例可见光成像可见光成像电磁波谱中可见光波段在所有波段中是我们最熟悉的，这一波段成像电磁波谱中可见光波段在所有波段中是我们最熟悉的，这一波段成像应用领域远远超过其它波段。应用领域远远超过其它波段。应用：光显微镜、天文学、遥感、工业。应用：光显微镜、天文学、遥感、工业。可见光图像主要应用于生产产品的自动视觉检测。可见光谱图像可见光谱图像：主要领域于生：主要领域于生产产品的自动视觉检测，例如产产品的自动视觉检测，例如图图(a)(f)；(a)电路板

8、电路板(左上角缺一个元件左上角缺一个元件)；(b) 封装药丸的完整；封装药丸的完整；(c) 瓶子容量；瓶子容量；(d) 清洁塑料上的气泡；清洁塑料上的气泡；(e) 谷物谷物(变色和异常变色和异常)；(f) 有参杂物的目镜图像有参杂物的目镜图像(1和和5钟点处的刻痕、小斑点等）钟点处的刻痕、小斑点等）可见光谱图像可见光谱图像拇指指纹图像：增强指纹图像或寻找特征，以便自动拇指指纹图像：增强指纹图像或寻找特征，以便自动搜索数据库，寻找潜在的匹配。搜索数据库，寻找潜在的匹配。伽马射线伽马射线成像的主要用途包括医学和天文观测 。图6(c)显示了在伽马射线波段成像的天鹅星座环。该图像是利用成像物体自然辐射

9、得到的。图6(d)显示了一幅来自核反应器电子管的伽马辐射图像，在图像的左下部可以看到较强的辐射区。 (a)伽马射线骨骼扫描图像，用于定位诊断位置（感染、癌变）。(b)PET图像，显示在头部和肺部有癌变（白点部位）图6伽马射线成像示例X射线射线是最早用于成像的电磁辐射源之一。最熟悉的X射线应用是医学诊断，但是，X射线还被广泛用于工业和其他领域，像天文学 。图7(a)显示了一幅位于X射线源和对X射线能量敏感的胶片之间的病人胸部图像。图7(b)血管图像（称为血管造影照片）图7(c)显示了典型的头部CAT切片图像。图7(d)显示了一幅电路板的X射线图像。这类图像是X射线在工业中两类应用中典型的一例。它

10、们在生产中用于检测电路板的缺陷，如元件缺失或断线等。当部件可以被X射线穿透时(例如，塑料组件，甚至更大的物体，像固体发动机和火箭等)，CAT扫描很有用。图7(e)显示了天文学中X射线成像的一个例子。这幅图像是天鹅星座环。 图7 X射线成像示例紫外光紫外光的应用是多种多样的，包括平板印刷技术、工业检测、显微镜方法、激光、生物图像以及天文观测等。紫外光被用于荧光显微镜方法，这是显微镜方法中发展最快的领域之一。图8(a)和(b)显示了使用荧光显微镜方法的典型结果。图8(a)显示了普通谷物的荧光显微镜图像，图8(b)显示了被一种真菌感染了的谷物，谷物、草、葱、高粱等可被700多类寄生真菌感染。谷物感染

11、是很严重的危害，因为谷物是世界上最主要的农作物之一。图8(c)显示了在紫外渡段高能区成像的天鹅星座环。 图8紫外光图像图9 红外成像器获得图像红外成像红外成像具有全天候的特点，不受天气的晴、阴、云和雨的影响，不受白天、晚上因素的制约，在遥感、军事情报侦察和精确知道中具有十分广泛的应用。http:/ 微波波段成像的典型应用是雷达。微波波段成像的典型应用是雷达。成像雷达的独特之处是在任何范围、任何时间内，不考虑气候、周围光照条件的收集数据的能力。雷达波可以穿透云层，在一定条件下还可以通过植被、冰层和极干燥的沙漠。在许多情况下，雷达是探测地球表面不可接近地区的唯一方法。成像雷达的工作原理像一个闪光照

12、相机，它自己提供照明(微波脉冲)去照亮地面的一个地区，并拍摄快拍图像。与照相机镜头不同，雷达使用天线和数字计算机去记录图像。在雷达图像中，能看到的只是反射到雷达天线的微波能量。 主要应用在军事和电子侦察中。SIR-C SARL/r-L/g-C/b HH-HV-HV polar沙漠中的长城April 10, 199425km x 75km图10 示例微波 微波波段成像微波波段成像三三. . 什么是图像处理？什么是图像处理？ 图像处理就是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。 图12 例子：调整了亮度和对比度沿水平方向匀速运动造成的模糊图像的恢复处理例子。（a）是模糊图像，（

13、b）是恢复后的图像。 去除由匀速运动引起的模糊去除由匀速运动引起的模糊图13例子：图像恢复手机拍照例子，美图秀秀，美颜四四. .图像处理技术分二大类图像处理技术分二大类 A.模拟图像处理:光学处理（透镜），电子处理（电视)优点：速度快，实时处理，并行处理； 缺点：精度稍差，欠灵活。 B.数字图像处理:就是利用数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件，对从图像信息转换来的数字电信号进行某些数字运算或处理，以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期的结果。 优点：处理精度高；处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理；处理灵活，由于图像处理是通过运行程序进行的， 因此，设计不同的图像处理程序，可以实现

14、各种不同的处理目的。 缺点：处理速度受限。实时处理一般精度的数字图像要有100 MIPS的处理能力。 五五. .图像的数学表示方法图像的数学表示方法 用数学方法描述一幅图像时，常考虑它的点的性质。一幅图像所包含的信息首先表现为光的强度（Intensity），即一幅图像可看成是空间各个坐标点上的光强度的集合。其普遍数学表达式为： I = f(x，y，z，t) （1-1）(x,y,z) 是空间坐标， 是波长，t是时间，I是图像的强度，它可代表一幅运动的、彩色、立体图像。其中1.静止图像： I = f（x，y，z，）2.静止、黑白图像： I = f（x，y，z）3.静止、黑白、平面图像： I = f

15、（x，y） 运动图像可用（静止）图像序列表示，彩色图像可分解成三基色图像，三维图像可由二维重建。因此本课程主要研究静止、平面、黑白图像，即I = f (x,y) （1-2）a. 空间有界：b. 亮度（点亮度）有限：0 f(x，y)计算机中数字图像的表示： I = f(m,n)是I = f (x,y) 模拟光学图像的数字化结果。在计算机中可用一矩阵表示，其中0 m M-1，0 n N-1， 矩阵矩阵中的每个元素中的每个元素称为图像元素，简称像素（Pixel）,其取值称为灰度（Gray）,一幅图像的灰度种类称为灰度级（Gray level）。 1.2 数字图像的基本特点数字图像的基本特点（1）处理

16、的大多是二维信息，数据量大。256256 灰度图像 64K byte512512彩色图像768K byte10241024 彩色图像3 M byte如此庞大的数据量给存储、传输和处理都带来巨大的困难。如果精度及分辨率再提高，所需处理时间将大幅度增加。 （2）数字图像传输占用的频带较宽。语音 4KHz左右电视图像5.6MHz所以在成象、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本也高。这就对频带压缩技术提出了很高的要求。a. 图像信号在同一帧内各相邻象素间具有相同（或相近）灰度的可能性很大（即相关性很大），其相关系数 0 . 8 ；b. 运动图像的相邻帧对应象素间相关性更大。综上

17、a、b说明，图像压缩的潜力（可能性）很大。（3）有很多数字图像中象素间的相关性较大，冗余比较多，有利于压缩。（4）图像处理技术综合性强。数字图像处理涉及的技术领域相当广泛，如通信技术、计算机技术、电子技术、电视技术等， 当然，数学、物理学等领域更是数字图像处理的基础。 （5）数字图像处理后的图像很多情况下是给人观察和评价的，因此受人的因素影响较大。音乐家或头像？1.3 图像处理系统图像处理系统 从最基本的功能特征出发，构建出下图所示的数字图像处理系统的概念模型。 图14 数字图像处理系统模型包括了5大部分图像处理功能：待处理的图像信号的输入，即输入模块；已处理图像的输出，即输出模块；在处理过程

18、中需要用到的控制和存储模块；和用户打交道的存取、通信模块；最为关键的图像处理核心模块，即主图像处理设备。 获取数字图像的设备即采集装置。扫描仪数码照相机数码摄像机 1.3.1 图像输入设备图像输入设备 采集装置都包括下面两个部件：光敏感器件模/数转换装置 摄像器件：主要有电真空摄像器件(即摄像管)和固体摄像器件(CCD器件、MOS器件等)。后者是近年新发展起来的，优点是：惰性小、灵敏度高、抗强光照射、寿命长等。 图15 基于ZR36060的电路实物图OV7620图像采集ZR36060JPEG压缩RAM89C51CPLD图16 实验室1.3.2 图像输出设备图像输出设备1.显示器CRT (荧光屏

19、显示） ：电子扫描。LCD（液晶显示）：它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及色彩丰富的图像。PDP（等离子体显示）：基于一利用稀有气体（惰性气体）放电所产生的真空紫外线激励荧光粉发光的显示技术。 2.打印机 3.其他设备 图像控制设备：键盘、鼠标、控制杆等图像控制设备：键盘、鼠标、控制杆等存储设备：存储设备：常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等 在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备。1.3.3图像控制和存储设备图像控制和存储设备1.3.4 图像通信设备图像通信设备 图像通信就是把图像传送到远方终端。按传输图像种

20、类分为: 静止图像通信，如电报、传真和图文电视等 活动图像通信，如电视、可视电话等。基于网络的的通信设备1.3.5主图像处理设备主图像处理设备 以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像处理系统 采用大型机 DSP芯片还包括图像处理软件还包括图像处理软件 由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。1.4 数字图像处理的方法数字图像处理的方法 空域法（在图像空间中直接对图像进行处理） 把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这个二维函数进行相应处理。 变换域法 首先对空间域的图像进行正交换，得到变换域系数阵列，进行各种处理后，再反变换到空间域，形成处理后的图像。1.5 数字

21、图像处理目的和主要内容数字图像处理目的和主要内容一一. 数字图像处理的目的数字图像处理的目的 一般而言，对图像进行加工和分析主要有如下三方面的目的： （1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的好看。如去除图像中的噪声，改变图像的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几何变换等，从而改善图像的质量，以达到或真实的、或清晰的、或色彩丰富的、或意想不到的艺术效果。 （2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析好用。例如：常用作模式识别、计算机视觉的预处理等。这些特征包括很多方面，如频域特性、灰度/颜色特性、边界/区域特性、纹理特性、形状/拓扑特性以及关系结构等

22、。 （3）对图像数据进行变换、编码和压缩好传，以便于图像的存储和传输。二二.数字图像处理主要研究的内容数字图像处理主要研究的内容1)图像变换: 如付立叶变换、K-L变换、离散余弦变换（DCT）等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。目前小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。2)图像编码压缩: 图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量(即比特数)，以便节省图像传输、处理时间和减少存储器容量。压缩可以在不失真前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压技缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展

23、最早且比较成熟的技术。8x8的DCT变换，64个系数中只保留6个低频分量。压缩倍数 10.26，PSNR 36.51 压缩倍数 98.70，PSNR 25.223)图像增强和恢复：目的是提高图像的质量，如去除噪声，提高清晰度等。图像增强图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强调低频分量可减少图像中噪声影响。图像恢复图像恢复要求对图像降质的原因有一定的了解，建立“降质模型”，再采用某种方法，恢复或重建原来的图像。沿水平方向匀速运动造成的模糊图像的恢复处理例子。（a）是模糊图像，（b）是恢复后的图像。 去除由匀速运动引起的模

24、糊去除由匀速运动引起的模糊把退化、模糊的图像复原。模糊的原因有许多种，最常见的有运动模糊，散焦模糊等等。4)图像分割: 图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中物体的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。5)图像的形态学处理:是一种新的提取图像元素的描述，在表现和描述物体形状方面具有很好的处理效果和应用价值。例：利用图像增强和分割技术提取红血球的边缘。6

25、)图像描述:图像描述是图像识别和理解的必要前提。二值图像可用几何特性描述：如边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。三维物体描述：体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。7)图像分类(识别):图像分类(识别)属于模式识别的范畴，其主要内容是对图像经过某些预处理后进行判决分类。图像分类常用方法： 统计模式分类和句法(结构)模式分类， 模糊模式识别和人工神经网络模式分类。1.6 数字图像处理的应用数字图像处理的应用 生物医学 、遥感 、工业 、军事、电信、公安等领域有着广泛的应用。生物医学：生物医学：显微镜图像分析，DNA成像分析等；利用电磁波谱成像分析系统诊断病情

26、。CT及核磁共振、超声波、 X射线成像分析等。如三维测量可视化软件系统可对各类医学断层图像进行分析处理，提供诊断依据。遥感遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等等。 1998年长江（枝城-岳阳）洪涝灾害监测工业生产：工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研制等。军事：军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、 声纳图像处理，导弹制导，军事仿真等。 在现代高技术战争中，精确打击已成为目前主要的打在现代高技术战争中，精确打击已成为目前主要的打击方式，红外成像制导是实现精确打击和

27、武器智能化的击方式，红外成像制导是实现精确打击和武器智能化的有效方法，红外成像制导技术由于其自身的特点成为了有效方法，红外成像制导技术由于其自身的特点成为了导弹导弹精确精确末制导技术研究的热点。末制导技术研究的热点。 红外成像制导突出的特点是命中精度高，能使导弹直接命中目标的要害部位,在精确制导领域占十分重要的地位。归纳起来具有如下特点: 1 灵敏度高 2 导引精度高 3 抗干扰能力强 4 具有准全天候功能 5 具有“智能”，可实现“发射后不管” 6 隐蔽性好 不同距离下目标红外视频图像 距离目标7000米 距离目标3500米 距离目标1000米 距离目标500米 通信：通信：图像传真，可视电

28、话，卫星通讯，数字电视等。主要是进行图像压缩，甚至是理解基础上的压缩。公安：公安：指纹识别，印鉴、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。图20(a)显示了一幅拇指指纹图像。指纹图像常由计算机来处理，该处理不是增强指纹图像就是寻找特征，以便自动搜索数据库寻找潜在的匹配。图20(b)显示了一幅纸币图像。数字图像处理在这个领域的应用包括自动计数、法律实施、为跟踪和鉴别钱币读取系列号等。两幅汽车图像如图1.20(c)和(d)所示，它们是读取牌照的例子。亮的方块指出个区域，在该区域内图像系统检测该平面，黑的方块显示系统自动读取内容的结果。牌照和其他字符识别的应用广泛用于交通监测和监视中。 气象预报：气象预报：获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号 风云2号计算机合成图像 广告设计