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1、2007董吉文制作 版权所有数字图像处理v什么是图像？什么是图像？凡是纪录在纸上的，拍摄在照片上的，显示在屏幕上的所有具有视觉效果的画面都可以称为图像。v图像的分类图像的分类按照图像的记录方式不同，图像可以分为两大类：模拟图像通过某种物理量(如光、电等)的强弱变化来反映图像上各点的灰度信息。如，常见的各种照片、 图片、海报、广告画、电视图像等。数字图像用数字格式存储图像上各点的灰度信息。数字图像比模拟图像更容易保存，不会因为保存时间过长而失真。2007董吉文制作 版权所有 要将模拟图像数字化后生成数字图像，需要利用数字化设备。目前，将模拟图像数字化的主要设备是扫描仪，将视频画面数字化的设备有图
2、像采集卡。当然，也可以利用数码照相机直接拍摄以数字格式存放的数字图像。模拟图像经扫描仪进行数字化或由数码照相机拍摄的自然景物图像，在计算机中均是以数字格式存储的。既然是数字格式， 计算机当然可以方便地进行各种处理，以达到更好的视觉效果或特殊效果。2007董吉文制作 版权所有 在计算机中，图像被分割成下图所示的像素（Pixel），各像素的灰度值用整数表示。一幅MN个像素的数字图像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵G表示： 2007董吉文制作 版权所有v为什么学习图像处理？为什么学习图像处理？图像是人们从客观世界获取信息的重要来源，据统计在人类接受的信息中，视觉信息占60%，听觉信息占20%，触
3、觉、嗅觉等其它的信息总和占20%；图像信息处理是人类视觉延续的重要手段，人的眼睛只能看到可见光(波长为0.380.8m)部分，但目前能够成像的射线已有多种(,x,紫外,红外等)，利用图像处理可以把它们的成像进行处理并转化成可见图像；图像处理对国计民生有重要意义，随着发展，许多图像处理技术已经成熟，在各个领域得到广泛应用：卫星照片发现矿藏；红外遥感军事侦查；CT进行临床诊断；工业控制和质量检查；安全监控；交通管理；模式识别；实时跟踪；计算机视觉等。2007董吉文制作 版权所有v学习图像处理的要求学习图像处理的要求？课堂教学与自学相结合；讲课内容不限定某一本教材，大家可以选择近几年出版的相关教材作
4、为参考书。例如：图像处理和分析基础 高教出版社 张毓晋图像工程（上册）图像处理和分析 清华出版社 张毓晋数字图像处理学 电子工业出版社 阮秋琦理论教学与实践相结合；安排一定量的实验内容，对图像进行实际的操作，希望大家自己安排时间上机实现有关操作。2007董吉文制作 版权所有概概 论论一、图像处理分类：图像处理从技术方面分为两类：模拟图像处理(Analog Image Processing)： 包括光学处理(照相)和电子处理(电视信号处理)等，特点是速度快，精度差，灵活性差，缺乏非线性处理能力和判断力。数字图像处理(Digital Image Processing)：我们把利用计算机对图像进行去
5、除噪声、 增强、复原、分割、提取特征等的理论、 方法和技术称为数字图像处理（Digital Image Processing）。一般用计算机处理或实时硬件处理，也称为计算机图像处理(Computer Image Processing)。特点是精度高，处理内容丰富，图像数据量庞大、图像处理技术综合性强、可进行非线性处理和具有灵活的变通能力，缺点是速度慢。2007董吉文制作 版权所有二、数字图像涉及的主要内容：图像信息的获取(Image information acquisition)把一幅图像转换成适合输入计算机的数字信号，常见设备有摄象机(Video Camera)、扫描仪(Scanner)等
6、。图像信息的存储(Image information storage)把一幅图像存到计算机的外存上，由于数据量大，要研究图像压缩、图像格式等。图像信息的传送(Image information transmision)图像信息在计算机内部传送多采用DMA(Direct Memerey Access)技术，外部远距离传送要解决占用带宽问题，主要采用压缩的手段来解决。2007董吉文制作 版权所有数字图像处理(Digital image processing)包括：几何处理几何处理(Geometrical Processing)缩放缩放:原始图像 单倍缩小 单倍放大 任意比例 2007董吉文制作 版
7、权所有旋转旋转 :原始图像 顺时针旋转90度逆时针旋转90度任意角度旋转：旋转15度 对称对称 :原始图像 关于X轴对称 关于Y轴对称 2007董吉文制作 版权所有算术处理算术处理(Arithmetic Processing)图像增强图像增强(Image Enhancement)原始图像加噪图像均值滤波中值滤波2007董吉文制作 版权所有图像复原图像复原(Image Restoration)图像重建图像重建(Image Reconstruction) 当造成图像退化（图像品质下降）的原因已知时， 复原技术可以对图像进行校正。图像复原最关键的是对每种退化都需要有一个合理的模型。 图像重建与上述的
8、图像增强、 图像复原等不同。图像增强、 图像复原的输入是图像，处理后输出的结果也是图像，而图像重建是指从数据到图像的处理，即输入的是某种数据，而经过处理后得到的结果是图像， CT就是图像重建处理的典型应用实例。2007董吉文制作 版权所有图像编码图像编码(Image Encoding)图像分割（图像分割（Image Segmentation） 图像编码主要是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性，对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，目的是在保证图像质量的前提下压缩数据，便于存储和传输，以解决数据量大的矛盾。 把图像分成区域的过程就是图像分割。图像中通常包含多个对象， 例如
9、， 一幅医学图像中显示出正常的或有病变的各种器官和组织。图像处理为达到识别和理解的目的，几乎都必须按照一定的规则将图像分割成区域， 每个区域代表被成像的一个物体（或部分）。2007董吉文制作 版权所有图像分析图像分析(Image Analysis) 图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量， 以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。如果说图像处理是一个从图像到图像的过程，则图像分析就是一个从图像到数据的过程。这里的数据可以是目标特征的测量结果， 或是基于测量的符号表示，它们描述了目标的特点和性质。图像理解（图像理解（Image understanding)图像理解的重点是在图像分析
10、的基础上， 进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释， 从而指导决策。基本上是对从描述抽象出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。2007董吉文制作 版权所有总结数字图像处理数字图像处理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。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
11、析，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。（3）对图像数据进行变换、 编码和压缩， 以便于图像的存储和传输。图像的输出与显示照相、激光拷贝、喷墨打印、CRT显示器、液晶显示等2007董吉文制作 版权所有三、数字图像处理的基本步骤：图像内容传送到内存，常用的方法是读某种格式的图像文件或对图像采集卡进行采集(读)操作。 对图像文件进行读操作要掌握该图像文件的格式，对图像卡进行操作要掌握图像采集卡的工作原理和它所支持的操作函数。根据要求对内存中的图像内容进行处理，即进行几何处理、算术处理、
12、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像分析或图像理解等操作。将处理结果以某种形式进行输出，例如输出分析结果或将处理后的图像以某种格式的图像文件保存等。2007董吉文制作 版权所有vBMP图像文件格式简介： BMP图像文件格式是Windows所采用的图像文件格式，几乎所有的Windows上的应用软件都支持这种图像文件，所以欲在Windows上探讨图像文件格式，势必要对BMP有一个完整而全面的认识 。 BMP文件结构可以分成文件信息、图像信息、调色板数据和图像数据四个部分，如右图所示： BMP的文件信息: WORD BMPId；DWORD FileSize；WORD Reserved1；WO
13、RD Reserved2；DWORD ImageOffset； 文件开头的14个字节BMP文件标 志，其值固定为0x4d42,即“BM” BMP文件大小，以字节为单位 BMP文件保留字，必须为0 BMP文件保留字，必须为0 图像数据的起始位置相对于文件开头的偏移量文件信息图像信息调色板数据图像数据2007董吉文制作 版权所有BMP的图像信息 : DWORD HeaderSize；DWORD ImageWidth；DWORD ImageHeight；WORD EquipLevel；WORD BitsPerPixel；DWORD EncodeType;DWORD ImageSize;DWORD X
14、PixelPerMeter DWORD YPixelPerMeter DWORD ColorUsedDWORD ColorImportant 文件信息之后的40个字节BMP图像信息大小(40或12)，以字节为单位BMP图像宽度，以像素为单位BMP图像高度，以像素为单位目标设备的级别(色彩平面数)，固定为1每个像素所需要的位数，1，4，8，24压缩类型，0(不压缩),1(BI_RLE8),2(BI_RLE4)BMP位图大小，以字节为单位设备水平分辨率(每米像素数)设备垂直分辨率(每米像素数)实际使用色彩数目，若为0，则由位数定图像中重要的色彩数目。为，表示调色板内所有的颜色都是重要的 行程长度编
15、码法2007董吉文制作 版权所有调色板数据:调色板数据紧接在图像信息之后，用于说明位图的颜色，它有若干个表项，每个表项是一个结构体，确定了一种颜色，每个结构体是由4个域组成：BYTE rgbBlue;BYTE rgbGreen;BYTE rgbRed;BYTE rgbReserved;蓝色的亮度值。此值0255 绿色的亮度值。此值0255 红色的亮度值。此值0255 此值必须0调色板中表项的个数由图像所使用的颜色数决定:若图像为真彩色， 每个像素所占的位数BitsPerPixel=24，则图像数据的每3个字节代表一个像素，这3个字节分别定义了像素颜色中蓝、绿、红的亮度，因而就省去了调色板。若不
16、是真彩色图像，表项的个数与图像使用的颜色数相同，每个表项对应了一种颜色(如00,FF,00,00表示纯绿色)；2007董吉文制作 版权所有图像数据:图像数据也叫位图阵列，它记录了图像的每一个像素值，在生成图像文件时，Windows从图像的左下角开始(从左到右，从下到上)逐行扫描图像，将图像的像素值一一记录下来，这些记录像素的字节组成了图像数据（位图阵列）。一行像素所占位图阵列的字节数，必须是4的倍数，倘若不到4的倍数则必须要用0补足。虽然BMP的图像数据有BI_RLE8及BI_RLE4两种压缩格式，但是使用的人却极少，几乎所有的BMP档都是采用没有压缩的格式来储存图像数据。当BitsPerPi
17、xel=1时，图像数据中的每个字节代表8个像素当BitsPerPixel=4时，图像数据中的每个字节代表2个像素当BitsPerPixel=8时，图像数据中的每个字节代表1个像素当BitsPerPixel=24时，图像数据中的每3个字节代表1个像素2007董吉文制作 版权所有debug test02.bmp-d176D:0100 42 4D A8 54 00 00 00 00-00 00 36 04 00 00 28 00 176D:0110 00 00 84 00 00 00 9C 00-00 00 01 00 08 00 00 00176D:0120 00 00 00 00 00 00 C
18、3 0E-00 00 C3 0E 00 00 00 00176D:0130 00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 01 01 01 00 02 02 176D:0140 02 00 03 03 03 00 04 04-04 00 05 05 05 00 06 06 176D:0150 06 00 07 07 07 00 08 08-08 00 09 09 09 00 0A 0A 176D:0160 0A 00 0B 0B 0B 00 0C 0C-0C 00 0D 0D 0D 00 0E 0E 176D:0170 0E 00 0F 0F 0F 00 10 10-10 00
19、11 11 11 00 12 12 .-d176D:0500 F2 00 F3 F3 F3 00 F4 F4-F4 00 F5 F5 F5 00 F6 F6176D:0510 F6 00 F7 F7 F7 00 F8 F8-F8 00 F9 F9 F9 00 FA FA176D:0520 FA 00 FB FB FB 00 FC FC-FC 00 FD FD FD 00 FE FE176D:0530 FE 00 FF FF FF 00 EA E9-E8 E6 EE F0 F1 F1 F2 EA176D:0540 E8 EC EE EF EE ED F1 EA-EB EB EE F3 EC ED
20、 ED F3176D:0550 EC E6 ED E8 EA EC EE E3-E5 E5 EC E6 E6 E5 E5 E6176D:0560 DF E3 E4 E2 E3 E4 E6 E5-E6 E2 E1 E0 E5 E2 D5 D6176D:0570 D5 CF D0 D4 CE CB D2 D3-D1 CC C4 C8 CA CC D0 C9 例如：有图像test02.bmp我们用debug观察它的内容如右所示：BMPId=“BM”FileSize=000054A8HImageOffset =00000436HHeaderSize =00000028HColorUsed =00000
21、000HImageWidth =00000084HImageHeight =0000009CHEquipLevel =0001BitsPerPixel =0008HEncodeType =00000000HImageSize =00000000H?XPixelPerMeter =00000EC3HYPixelPerMeter =00000EC3HColorImportant =00000000H2007董吉文制作 版权所有四、 数字图像处理系统 数字图像处理系统硬件数字图像处理系统硬件主机为PC机， 配以图像采集卡及显示设备就构成了最基本的微型图像处理系统。2007董吉文制作 版权所有图像处理
22、系统软件图像处理系统软件(1)图像处理系统平台多为Microsoft Windows或X-Windows，开发的主流工具为Microsoft公司的VC+。这是因为VC+是一种具有高度综合性能的软件开发工具， 用它开发出来的程序有着运行速度快、可移植能力强等优点。(2)专用的图像处理软件环境：MATLAB的图像处理工具箱AVS(Application Visualization System) AVS是对庞大的数据量进行可视化处理的通用系统之一SPIDER(Subroutine Package for Image Data Enhancement and Recognition)是由日本通产省工
23、业技术院电子技术综合研究所开发的图像处理程序库2007董吉文制作 版权所有五、数字图像处理领域的发展动向：进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。如， 在航天遥感、气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一；加强软件研究、开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法；加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如，人的视觉特性、心理学特性等的研究，如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用；加强理论研究， 逐步形成图像处理科学自身的理论体系；图像处理领域的标准化。图像的信息量大、数据量大， 因而图像信息的建库、检索和交流是一
24、个重要的问题。就现有的情况看， 软件、硬件种类繁多， 交流和使用极为不便，成为资源共享的严重障碍.2007董吉文制作 版权所有HW:1.用debug或其它工具，对BMP图像格式进行研究，总结不同类型的BMP图像的存储规律。即，它们的文件信息、图像信息、调色板数据和图像数据有什么不同和规律？2.编制一个能够将BMP图像文件读到内存指定区域的通用函数？2007董吉文制作 版权所有BMP文件读写：文件是图像的载体，对图像进行处理离不开图像的读写。BMP文件：BM文件大小图像数据的偏移量14图像信息大小 宽 高40(12)00 00 00 0008 10 08 0008 10 10 00A0 E8 F
25、0 00设256色1024B01 00 02 56 E3 F4 76 .32 8A宽乘高申请内存：(宽乘高)bgr2007董吉文制作 版权所有BMP文件：BM文件大小图像数据的偏移量14图像信息大小 宽 高40(12)00 00 00 0001 01 01 0002 02 02 00FF FF FF 00设256灰度1024B01 00 02 56 E3 F4 76 .32 8A宽乘高申请内存：(宽乘高)2007董吉文制作 版权所有BMP文件：BM文件大小图像数据的偏移量14图像信息大小 宽 高40(12)09 11 56 32 34 F1 55 A5 4723 B6 78真彩色宽高3申请内存
26、：(宽乘高)bgr申请内存：(宽*高*3)2007董吉文制作 版权所有举例(BC31)BMP文件头定义：struct BMPHWORD BMPId;DWORD FileSize;WORD Reserved1;WORD Reserved2;DWORD ImageOffset;DWORD HeaderSize;DWORD ImageWidth;DWORD ImageHeight; WORD EquipLevel;WORD BitsPerPixel;DWORD EncodeType;DWORD ImageSize;DWORD XPixelPerMeter;DWORD YPixelPerMeter;D
27、WORD ColorUsed;DWORD ColorImportant;bh;#define WORD unsigned int#define DWORD unsigned long定义为全局量，在各函数中可用2007董吉文制作 版权所有读BMP文件头：void BMPHeadRead(FILE * fp)fseek(fp,0,SEEK_SET); fread(&bh.BMPId, 2,1,fp);fread(&bh.FileSize, 4,1,fp);fread(&bh.Reserved1, 2,1,fp);fread(&bh.Reserved2, 2,1,fp);fread(&bh.Ima
28、geOffset, 4,1,fp);fread(&bh.HeaderSize, 4,1,fp);fread(&bh.ImageWidth, 4,1,fp);fread(&bh.ImageHeight, 4,1,fp);fread(&bh.EquipLevel, 2,1,fp);fread(&bh.BitsPerPixel, 2,1,fp);fread(&bh.EncodeType, 4,1,fp);fread(&bh.ImageSize, 4,1,fp);fread(&bh.XPixelPerMeter, 4,1,fp);fread(&bh.YPixelPerMeter, 4,1,fp);fr
29、ead(&bh.ColorUsed, 4,1,fp);fread(&bh.ColorImportant, 4,1,fp);2007董吉文制作 版权所有读BMP图像数据：void ReadData(FILE *fp,BYTE * lpTempBuf)int i,j;fseek(fp,bh.ImageOffset,SEEK_SET);for(i=0;ibh.ImageHeight;i+)for(j=0;jbh.ImageWidth;j+)fread(lpTempBuf,1,1,fp);lpTempBuf+;fseek(fp,ExtCount,SEEK_CUR);ExtCount=(4-bh.Ima
30、geWidth%4)%4;2007董吉文制作 版权所有写BMP图像文件：void BMPWrite(char * filename, BYTE * lpMemDataBuf)FILE * BMPFile;BYTE * lpLine;static BYTE zero=0;int i,j;struct RGBQUIDchar blue;char green;char red;char filler;rgb;if(BMPFile=fopen(filename,wb)=NULL) printf(cannot open the file %sn,filename);exit(0); #define BY
31、TE unsigned char定义调色板结构打开文件，此文件准备存储经处理后的数字图像2007董吉文制作 版权所有fseek(BMPFile,0,SEEK_SET);fwrite(&bh.BMPId, 2,1,BMPFile);fwrite(&bh.FileSize, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.Reserved1, 2,1,BMPFile);fwrite(&bh.Reserved2, 2,1,BMPFile);fwrite(&bh.ImageOffset, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.HeaderSize, 4,1,BMPFile);fwrite(&
32、bh.ImageWidth, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.ImageHeight, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.EquipLevel, 2,1,BMPFile);fwrite(&bh.BitsPerPixel, 2,1,BMPFile);fwrite(&bh.EncodeType, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.ImageSize, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.XPixelPerMeter, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.YPixelPerMeter, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh
33、.ColorUsed, 4,1,BMPFile);fwrite(&bh.ColorImportant, 4,1,BMPFile);rgb.filler=0;for(i=0;i256;i+)rgb.blue=i;rgb.green=i;rgb.red=i;fwrite(&rgb.blue, 1,1,BMPFile);fwrite(&rgb.green, 1,1,BMPFile);fwrite(&rgb.red, 1,1,BMPFile);fwrite(&rgb.filler, 1,1,BMPFile);写BMP文件头写调色板数据这些数据与输入文件相同2007董吉文制作 版权所有lpLine=lpMemDataBuf;for(i=0;ibh.ImageHeight;i+)for(j=0;jbh.ImageWidth;j+)fwrite(lpLine, 1,1,BMPFile);lpLine+;for(j=0;jExtCount;j+) fwrite(&zero, 1,1,BMPFile);fclose(BMPFile);保存图像数据2007董吉文制作 版权所有HW:编写对任一灰度图像进行对称变换(Y轴)的程序原始图像 关于Y轴对称
