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1、章毓晋清华大学电子工程系 100084 北京图象工程第2页第2讲第第2 2章章 相关图象基础相关图象基础2.1图象处理技术概述2.2图象成象过程2.3离散距离及扩展2.4图象噪声消除 第3页第2讲2.1 图象处理技术概述图象处理技术概述图象采集图象采集：指利用一定的设备获取可输入计算机的数字图象，这些设备主要完成根据所接受到的电磁能量产生模拟电信号和进一步将模拟电信号转化为离散形式两个功能 图象合成 图象变换图象变换：指将图象在不同空间转换的技术和过程，也可指在图象空间对图象中目标位置形状等进行变化的技术和过程 图象增强图象增强：指对图象进行加工，以得到对具体应用来说视觉效果更“好”，更“有用
2、”的图象，或者说改进输入图象的视觉质量的技术和过程 第4页第2讲2.1 图象处理技术概述图象处理技术概述图象恢复图象恢复：基于图象退化的模型进行，即要根据图象退化的模型和知识重建或恢复原始的图象 图象重建图象重建：指投影重建，即从一个物体的多个（轴向）投影图重建目标图象的过程。通过投影重建可以直接看到原来被投影物体某种特性的空间分布 图象编码图象编码：指对图象进行加工，采用新的表达方法以减小表示图象所需数据量的技术和过程，常称图象编码为图象压缩，在需要消除图象中冗余数据时使用 图象显示图象显示：多指以空间亮度分布模式显示图象数据或其它类型的数据，主要目的是给人以直观可视的感觉第5页第2讲2.2
3、 图象成象过程图象成象过程 成象时要考虑三个方面的问题成象时要考虑三个方面的问题（特别成象目的是图象分析时）：(1)几何：在图象中什么地方可发现目标？(2)辐射：图象中的目标有多亮，该亮度与目标和成象系统的光学特性有什么关系？(3)数字化和量化：当用一个数字矩阵表达图象并用数字计算机处理该图象会得到什么结果？第6页第2讲2.2 图象成象过程图象成象过程 2.2.1成象变换2.2.2成象亮度2.2.3采样和量化 第7页第2讲2.2.1 成象变换投影投影成象成象将3-D客观场景投影到2-D图象平面成象过程成象过程三个坐标系统世界坐标系统 XYZ 摄象机坐标系统 xyz图象平面 xy从 XYZ 到
4、xyz，从 xyz 到 xy第8页第2讲三个坐标系统三个坐标系统2.2.1 成象变换第9页第2讲透视变换透视变换3-D点投影后的图象平面坐标非线性投影等式（分母含变量Z）2.2.1 成象变换第10页第2讲齐次坐标齐次坐标可用来将前述非线性（分母中含变量Z）等式表示成线性矩阵形式笛卡尔坐标：齐次坐标：k 为任意非零常数齐次坐标笛卡尔坐标：用第4个坐标量去除前3个坐标量2.2.1 成象变换第11页第2讲齐次坐标齐次坐标透视变换透视变换用第4项分别去除前3个项2.2.1 成象变换第12页第2讲逆投影变换逆投影变换根据2-D图象坐标来确定3-D客观景物的坐标 2.2.1 成象变换第13页第2讲景物所受
5、到的光照度景物所受到的光照度 光度学：研究光辐射强弱的学科光通量：表示光辐射的功率或光辐射量单位：lm（流明）发光强度：单位立体角内发出的光通量单位：cd（坎德拉）1 cd = 1 lm/sr 亮度：单位投影面积的发光强度 2.2.2 成象亮度 第14页第2讲景物所受到的光照度景物所受到的光照度 2.2.2 成象亮度 第15页第2讲景物表面对光的反射程度景物表面对光的反射程度景物的亮度既与入射光照度有关也与景物表面对光反射的性质有关 2.2.2 成象亮度 第16页第2讲2.2.3 采样和量化图象图象 数字图象数字图象f (x, y) I(r, c)空间坐标的离散化叫做空间采样x, y r, c
6、幅度的离散化叫做幅度量化f I第17页第2讲2.2.3 采样和量化数字图象数字图象 图象（水平）尺寸 M：图象（垂直）尺寸 N：象素灰度级数 G (k-bit)：图象所需的位数 b：第18页第2讲2.2.3 采样和量化数字图象数字图象存储1幅32 32，16个灰度级的图需要 4 096 bit存储1幅128 128，64个灰度级的图需要 98 304 bit存储1幅512 512，256个灰度级的图需要 2 097 152 bit 第19页第2讲2.3 离散距离及扩展离散距离及扩展 2.3.1常用离散距离 2.3.2斜面距离和扩展 第20页第2讲2.3.1 常用离散距离 象素p(xp, yp)
7、的4-邻域N4(p) 象素p(xp, yp)的8-邻域N8(p)第21页第2讲2.3.1 常用离散距离 象素p(xp, yp)的16-邻域N16(p)马步距离是按国际象棋棋盘上马从一格运动到另一格所需步数来计算的 第22页第2讲2.3.1 常用离散距离 离散圆盘离散圆盘中心为象素p的半径为r（r 0）的圆盘是满足DD(p, r) = q | dD(p, q) r的点集 第23页第2讲2.3.1 常用离散距离 离散圆盘离散圆盘#Di(r)：除中心象素外Di(r)所包含象素个数 第24页第2讲离散圆盘离散圆盘 图(a)对应Dk(p, 1)，图(b)对应Dk(p, 2)，图(c)对应Dk(p, 3)
8、 2.3.1 常用离散距离 第25页第2讲N16空间和其中的连通性空间和其中的连通性一个象素和它的16-邻域象素组成N16空间 (1)水平和垂直 移动(2) 对角线移动(3) 马步移动 2.3.1 常用离散距离 第26页第2讲2.3.2 斜面距离和扩展 斜面距离和圆盘斜面距离和圆盘 斜面（chamfer）距离是欧氏距离的整数近似 4-邻域：斜面距离就是 d4 距离，其中 a = 1 8-邻域：斜面距离记为 da,b，其中 a = 3，b = 4（为计算简单和减少存储量，a值和b值都取整数 ） 16-邻域：斜面距离记为 da,b,c其中 a = 5， b = 7，c = 11 第27页第2讲2.
9、3.2 斜面距离和扩展 斜面距离和圆盘斜面距离和圆盘 (1)在8-邻域中用于计算 da,b 的 a 和 b 应满足0 a b 2a 如 d4，d8，d3,4 (2)在16-邻域中用于计算 da,b,c 的a，b和c应满足0 a b 2a c c a + b and 3b 2c如d5,7,11，但d1,1,1不满足 第28页第2讲2.3.2 斜面距离和扩展 斜面距离和圆盘斜面距离和圆盘斜面圆盘是一个多边形，其边数与斜面距离所定义的邻域中的移动类数相等。 (a)表示D3,4(27) (b)表示Da,b (c)表示Da,b,c第29页第2讲噪声噪声图象中不希望有的部分图象中不需要的部分噪声特点噪声特
10、点可以有一定的随机性如电视屏幕上的椒盐噪声可以比较规则或有规律如山谷中的回声仅有一定的延迟 2.4 图象噪声消除图象噪声消除 第30页第2讲2.4 图象噪声消除图象噪声消除 2.4.1线性滤波消除噪声 2.4.2非线性滤波消除噪声 2.4.3混合滤波提高效率 2.4.4组合滤波消除噪声 第31页第2讲2.4.1 线性滤波消除噪声 1.空域滤波原理空域滤波原理 在频域分析，在空域进行平滑滤波空域里的剖面图系数都是正的 中心系数大 周围系数小第32页第2讲2.4.1 线性滤波消除噪声 2.空域滤波原理空域滤波原理 模板卷积（尺寸 n n，半径 r = (n1)/2 ）(1)将模板在图中漫游，并将模
11、板中心与图中某个象素位置重合(2)将模板上的各个系数与模板下各对应象素的灰度值一一相乘(3)将所有乘积相加（为保持灰度范围，常将结果再除以模板的系数个数）(4)将上述运算结果（模板的输出响应）赋给图中对应模板中心位置的象素第33页第2讲2.4.1 线性滤波消除噪声 2.空域滤波原理空域滤波原理 原图原图 模板模板 新图新图第34页第2讲2.4.1 线性滤波消除噪声 2.空域平滑滤波空域平滑滤波 邻域平均保持灰度值范围（所有系数之和为1）第35页第2讲2.4.1 线性滤波消除噪声 2.空域平滑滤波空域平滑滤波 加权平均为保证各模板系数均为整数以减少计算量，常取模板周围最小的系数为1 根据系数与模
12、板中心的距离反比地确定其它内部系数的值 121242121第36页第2讲2.4.2 非线性滤波消除噪声 1.中值滤波中值滤波 令N(x, y)为(x, y)的邻域（模板覆盖）模板尺寸n n的中值滤波器的输出值应 模板中(n21)/2个象素的值，又应 模板中(n21)/2个象素的值中值滤波器的主要功能就是让与周围象素灰度值的差比较大的象素改取与周围象素值接近的值 一般情况下，图象中尺寸小于模板尺寸一半的过亮或过暗区域将会在滤波后会被消除掉 第37页第2讲2.4.2 非线性滤波消除噪声 1.中值滤波中值滤波 (1)将模板在图中漫游，并将模板中心与图中某个象素位置重合(2)读取模板下各对应象素的灰度
13、值(3)将这些灰度值从小到大排成一列(4)找出这些值里排在中间的一个(5)将这个中间值赋给对应模板中心位置的象素特点：既能消除噪声又能保持图象的细节 第38页第2讲2.4.3 混合滤波提高效率 结合快速滤波器（特别是线性滤波器）和排序统计滤波器（中值滤波器是个典型），使组合后的滤波器在效果上接近所期望的要求，但在计算复杂度方面有较大改进 在线性和中值混合滤波中，常使较少的线性滤波操作作用在大的模板上，而线性滤波器输出的中值就是混合滤波器的最终输出 第39页第2讲2.4.3 混合滤波提高效率 第40页第2讲2.4.4 组合滤波消除噪声 1. 组合滤波器组合滤波器线性滤波器消除高斯噪声中值滤波器消除椒盐噪声第41页第2讲2.4.4 组合滤波消除噪声 2. 椒盐噪声检测器椒盐噪声检测器 受椒盐噪声影响的象素的灰度值会取到图象灰度范围的两个极端值(1) 灰度范围准则设图象灰度范围为Lmin, Lmax，如果一个象素的灰度值在Lmin+Tg, Lmax Tg范围中，(2) 局部差别准则第42页第2讲F 通信地址：北京清华大学电子工程系F 邮政编码：100084F 办公地址：清华大学东主楼，9区307室F 办公电话：F 传真号码：F 电子邮件：F 个人主页： 实验室网：联联 系系 信信 息息
