数字图像处理第1章.

DigitalImageProcessing数字图像处理DigitalImageProcessing前言数字图像处理（DigitalImageProcessing）是一门关于如何用计算机对图象进行处理的学科。本课程主要讲解基本原理和方法，也兼顾编程实践（MATLAB实现）。教材：数字图像处理，许录平，科学出版社，2007参考书：1.DigitalImageProcessing,R.C.Gonzalez,PrenticeHall,2002.(中文版，阮秋琦译，电子工业出版社)2.数字图像处理及MATLAB实现，余成波，重庆大学出版社，20033.数字图像处理学VisualC++实现，郎锐编，北京希望电子出版社，2002DigitalImageProcessing◆1.1图像和图像处理◆1.2数字图像处理的步骤和方法◆1.3数字图像处理系统的组成◆1.4数字图像处理的主要应用◆1.5课程内容简介第1章绪论DigitalImageProcessing1.1.1图像什么是图像：“图”是物体透射或反射光的分布，是客观存在的。“像”是人的视觉系统对图在大脑中形成的印象或认识，是人的感觉。图像（image）是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的心理因素；是客观对象的一种可视表示，它包含了被描述对象的有关信息。图像分类：根据图像空间坐标和幅度（亮度或色彩）的连续性可分为模拟（连续）图像和数字图像。模拟图像是空间坐标和幅度都连续变化的图像，而数字图像是空间坐标和幅度均用离散的数字（一般是整数）表示的图像。1.1图像和图像处理DigitalImageProcessing什么是数字图象？数字图象是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。对于单色即灰度图象而言，每个象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。如下图所示：DigitalImageProcessing125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,…………111,114,114,123,126,121,116,110,107,116,116,129,135,134,131,120,126,121,85,32,29,43,33,37,52,32,105,114,117,118,123,122,116,113,118,112,104,108,111,105,113,126,123,107,51,27,25,34,40,35,39,36,灰度图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(26x31)）DigitalImageProcessing图像是一种空间信息，它具体地表明了事物的形态、位置和色彩等，以便人们进行观察、测量和识别。图像包含了丰富的信息，它直观地提供了景物的颜色、亮度、纹理、位置和形状等。上述信息成为人们理解该图像所表现的事物的基础。图像在人类接收和传递信息中都起着重要的作用。因为图像比起声音、文字信息有其突出的长处，那就是图像的直观性、客观性，它能原封不动地将客观事物的原形展现在眼前。而声音、文字信息则是通过描述来表达事物，即属于描述性的信息。会受到描述者的许多因素的影响，诸如主观、片面、专业、情绪、状态等都会使描述偏离客观事物。图像信息的重要性DigitalImageProcessing图像信息的重要性还在于人们的视觉系统有着瞬间获取图像、分析图像、识别图像和理解图像的能力。从视觉接受信息的角度看，可认为图像是空间客观景物在眼球视网膜上形成的像。视觉系统和大脑具有高超的能力，能区分图像中的物体与背景；能感知颜色、亮度、形状、方向、位置、运动等信息的细微差别；能将有意义的信息综合成一体；有很强的信息存储能力；具有高效地进行平行处理的能力等等。其实，人们在生活和非自动化生产中，都离不开用视觉获取图像和处理图像。DigitalImageProcessing人类通过眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。约有75%的信息是通过视觉系统获取的。数字图象处理是用数字计算机处理所获取视觉信息的技术。DigitalImageProcessing1.1.2图像处理图像处理（imageprocessing）就是对图像信息进行加工处理和分析，以满足人的视觉心理需要和实际应用或某种目的（如压缩编码或机器识别）的要求。图像处理可分为以下3类：▓模拟图像处理（analogueimageprocessing）；▓数字图像处理（digitalimageprocessing）；▓光电结合处理（optoelectronicprocessing）。模拟图像处理：也称光学图像处理，它是利用光学透镜或光学照相方法对模拟图像进行的处理，其实时性强、速度快、处理信息量大、分辨率高，但是处理精度低，灵活度差，难有判断功能。1.1图像和图像处理DigitalImageProcessing1.1图像和图像处理数字图像处理：即利用计算机对数字图像进行处理，它具有精度高、处理内容丰富、方法易变、灵活度高等优点。但是它的处理速度受到计算机和数字器件的限制，一般也是串行处理，因此处理速度较慢。光电结合处理：用光学方法完成运算量巨大的处理（如频谱变换等），而用计算机对光学处理结果（如频谱）进行分析判断等处理。该方法是前两种方法的有机结合，它集结了二者的优点。光电结合处理是今后图像处理的发展方向，也是一个值得关注的研究方向。DigitalImageProcessing1.1.3图像的表示图像的数学表示：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I的集合，其普遍数学表达式为：I=f(x,y,z,λ,t)式中(x,y,z)是空间坐标，λ是波长，t是时间，I是光点(x,y,z)的强度（幅度）。上式表示一幅运动的(t)、彩色/多光谱的(λ)、立体的(x,y,z)图像。1.1图像和图像处理DigitalImageProcessing1.1图像和图像处理静止图像，与时间t无关；单色图像（也称灰度图像），波长λ为一常数；平面图像，则与坐标z无关。即在每一种情况下，图像的表示可省略掉一维，即（1）静止图像：I=f(x,y,z,λ)（2）灰度图像：I=f(x,y,z,t)（3）平面图像：I=f(x,y,λ,t)而对于平面上的静止灰度图像，其数学表达式可简化为：I=f(x,y)DigitalImageProcessing1.1图像和图像处理运动图像可用（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。因此本课程主要针对平面上的静止灰度图像进行论述。图像的特点：（1）空间有界:人的视野有限，一幅图像的大小也有限。（2）幅度（强度）有限：即对于所有的x，y都有0≤f(x,y)≤Bm其中Bm为有限值。DigitalImageProcessing1.2.1数字图像处理的基本步骤▓图像信息的获取：采用图像扫描仪等将图像数字化。▓图像信息的存储：对获取的数字图像、处理过程中的图像信息以及处理结果存储在计算机等数字系统中。▓图像信息的处理：即数字图像处理，它是指用数字计算机或数字系统对数字图像进行的各种处理。▓图像信息的传输：要解决的主要问题是传输信道和数据量的矛盾问题，一方面要改善传输信道，提高传输速率，另外要对传输的图像信息进行压缩编码，以减少描述图像信息的数据量。▓图像信息的输出和显示：用可视的方法进行输出和显示。1.2数字图像处理的步骤和方法DigitalImageProcessing1.2.2数字图像处理的内容和方法▓图像数字化：将非数字形式的图像信号通过数字化设备转换成数字图像，包括采样和量化。▓图像变换：对图像信息进行变换以便于在变换域对图像进行更有效的处理。▓图像增强：增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，提高图像的清晰度，突出图像中所感兴趣的部分。▓图像恢复（复原）：对退化的图像进行处理，使处理后的图像尽可能地接近原始（清晰）图像。1.2数字图像处理的步骤和方法DigitalImageProcessing▓图像压缩编码：对待处理图像进行压缩编码以减少描述图像的数据量。▓图像分割：根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，这些选定的特征包括图像的边缘、区域等。▓图像分析与描述：主要是对已经分割的或正在分割的图像各部分的属性及各部分之间的关系进行分析表述。▓图像识别分类：根据从图像中提取的各目标物的特征，与目标物固有的特征进行匹配、识别，以作出对各目标物类属的判别。1.2数字图像处理的步骤和方法DigitalImageProcessing一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像通信、图像处理和分析五个模块组成。如下图所示：1.3数字图像处理系统的组成图像通信处理和分析图像输入图像输出图像存储DigitalImageProcessingDigitalImageProcessing▓数字图像输入模块：也称图像采集或图像数字化，是利用图像采集设备（数码相机、数码摄像机等）来获取数字图像，或通过数字化设备（如图像扫描仪）将要处理的连续图像转换成适于计算机处理的数字图像。▓数字图像存储模块：用于图像处理和分析的数字图像存储器可分为三类：处理和分析过程中使用的快速存储器；在线或联机存储器；不经常使用的数据库（档案库）存储器。如计算机内存、硬盘、软盘、闪存盘、CD光盘、DVD光盘等。1.3数字图像处理系统的组成DigitalImageProcessing1.3数字图像处理系统的组成▓数字图像输出模块：在图像分析、识别和理解中，一般需要将处理前后的图像显示出来，或将处理结果永久保存。前者称为软拷贝或显示，使用设备包括CRT显示器、液晶显示器和投影仪等。后者称为硬拷贝，使用设备包括照相机、激光拷贝和打印机等。▓数字图像通信模块：对图像数据进行传输和通信。由于图像数据量很大，而能提供通信的信道传输率又有限，因此传输前必须对表示图像信息的数据进行压缩编码，以减少图像数据量。▓数字图像处理与分析模块：包括处理算法、实现软件和计算机，一般包括下面三种形式：DigitalImageProcessing通用图像处理：适用于功能要求灵活，图像数据量大，但实时性要求不高的图像处理与分析算法，也可辅之于方便灵活的操作界面。专用图像处理系统：对于象CT、核磁共振、彩色B超、机场安检等专用影像处理，可采用能满足实际应用的专用计算机和专用图像处理算法等，来构成专用图像处理系统。图像处理芯片：将许多图像处理功能集成在一个很小的芯片上，形成专用或通用的图像处理芯片。1.3数字图像处理系统的组成DigitalImageProcessing1.4数字图像处理的主要应用▓宇宙探测中的应用：主要是星体图片的获取、传送和处理。▓通信方面的应用：图像信息传输、电视电话、卫星通信、数字电话等。主要是压缩图像数据和动态图像（序列）传送。▓遥感方面的应用：（航空遥感和卫星遥感），地形、地质、资源的勘测，自然灾害监测、预报和调查，环境监测、调查等。▓生物医学方面的应用：细胞分析、染色体分类、放射图像处理、血球分类、各种CT、核磁共振图像分析、DNA显示分析、显微图像处理、癌细胞识别、心脏活动的动态分析、超声图像成像、生物进化的图像分析等等。DigitalImageProcessing1.4数字图像处理的主要应用▓军事公安方面的应用：军事：军事目标的侦察和探测、导弹制导、各种侦察图像的判读和识别，雷达、声纳图像处理、指挥自动化系统等。公安：现场实景照片、指纹、足迹的分析与鉴别，人像、印章、手迹的识别与分析，集装箱内物品的核辐射成像检测，人随身携带物品的X射线检查等。