数字图像处理讲座课件

DigitalImageProcessing数字图像处理主讲：李丹丹哈工大-开立联合实验室数字图像处理数字图像概论图像的模板运算图像的几何变换图像分割与识别其他图像处理技术图像的点运算边缘检测与轮廓跟踪图像复原与重建数字图像处理概论什么是图像图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼进而产生视知觉的实体。图像的类型物体图像数学函数不可见的物理图像可见的图象光图像照片、图、画什么是数字图像为了能用计算机对图像进行处理，需要把连续的图像在坐标空间XY和性质空间F都离散化，这种离散化了的图像是数字图像。可以分为彩色图像和灰度图像一幅图像可以用一个二维数组f(x,y)表示x和y表示二维空间XY中的一个坐标点的位置f代表图像在点(x,y)的某种性质的值（例如灰度值）位置和性质均为连续描述一般用image代表离散化了的数字图像，而图像中的每个基本单元叫做像素（pixel）。对于采集一系列二维图像构建成的三维图像，其基本单元叫做体素（voxel）。数字图像处理概论什么是数字图像数字图像的两种坐标系统YXO计算中采用OCR显示中采用数字图像处理概论什么是数字图像数字图像的矩阵表示形式1,11,10,11,11,10,11,01,00,0],[nmmmnniiiiiiiiinmII图像大小为：m*n像素值：对于灰度图像来说是光照强度数字图像处理概论什么是数字图像数字图像处理概论数字图像的分类黑白图像是指图象的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，故又称为二值图象。二值图像的像素值为0或1。011100001I数字图像处理概论数字图像的分类灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图象，没有彩色信息。灰度图像的像素值为0到255之间的整数。100220250180501202001500I数字图像处理概论数字图像的分类彩色图像彩色图象是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图象，其中RGB是由不同的灰度级来描述的。R、G、B的取值为0到255之间的整数。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B数字图像处理概论数字图像处理概论图像技术计算机图像技术包括利用计算机和其他电子设备进行和完成的一系列工作。图像的采集、获取、编码、存储和传输图像的合成和生成图像的显示和输出图像的变换、增强、复原和重建图像的分割目标的检测、表达和描述特征的提取和测量序列图像的校正三维景物的重建复原图像数据库的建立、索引和抽取图像的分类、表示和识别图像模型的建立和匹配图像和场景的解释和理解数字图像处理概论图像工程图像工程是既有联系又有区别的图像处理、图像分析和图像理解三者的有机结合，以及相关工程应用。图像处理着重强调在图像之间进行的变换。对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果对图像进行压缩编码以满足特定需求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。图像理解的重点是在图像分析的基础上，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，从而指导和规划行动。数字图像处理概论图像工程图像处理、图像分析、图像理解是处在三个抽象程度和数据量各有特点的不同层次上。图像理解图像分析图像处理符号目标像素操作对象小大数据量高层中层低层语义高低抽象程度原始数据经过一系列的处理过程逐步转化为更有组织和用途的信息。数字图像处理概论相关学科和领域从研究方法来看，图像处理与数学、物理学、心理学、电子学、计算机科学等许多学科可以相互借鉴。从研究范围来看，图像处理与模式识别、计算机视觉、计算机图形学等多个专业又相互交叉。图像处理的研究进展与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑等理论和技术都有密切的联系。图像处理的发展应用与医学、遥感、通信、文档处理和工业自动化等许多领域也是不可分割的。数字图像处理概论主要研究内容图像的数字化如何将一幅光学图像表示成一组数字，既不失真又便于计算机分析处理。图像的增强加强图象的有用信息，消弱干扰和噪声。图像的恢复把退化、模糊了的图像复原。图像的编码简化图像的表示，压缩表示图像的数据，以便于存储和传输。图像的重建由二维图像重建三维图像。数字图像处理概论主要研究内容图像的分析对图像中的不同对象进行分割、分类、识别和描述、解释。图像分割与特征提取图像分割是指将一幅图像的区域根据分析对象进行分割。图像的特征提取包括了形状特征、纹理特征、颜色特征等等。图像隐藏数字水印图像的信息伪装数字图像处理数字图像概论图像的模板运算图像的几何变换图像分割与识别其他图像处理技术图像的点运算边缘检测与轮廓跟踪图像复原与重建图像的几何变换几何变换的基本概念图像的几何变换是在不改变图像内容的前提下对图像像素的进行空间几何变换图像的平移变换图像的镜像变换图像的缩放图像的旋转图像的几何变换改变了像素的空间位置，建立一种原图像像素与变换后图像像素之间的映射关系。向前映射：原图像任意像素计算该像素在变换后图像的坐标位置（经常会出现映射不完全和映射重叠）向后映射：变换后图像的任意像素在原图像的坐标位置（不会出现映射不完全和映射重叠）图像的几何变换几何变换的基本概念映射不完全：输入图像的像素总数小于输出图像，这样输出图像中的一些像素找不到在原图像中的映射。映射重叠：根据映射关系，输入图像的多个像素映射到输出图像的同一个像素上。图像的几何变换图像的平移变换在图像平面内，将图像整体沿某一方向由一个位置平移到另一个位置，叫做平移变换，简称平移，平移前后互相重合的点叫做对应点。图像的几何变换图像的镜像变换图像的镜像变换分为两种：水平镜像和垂直镜像。水平镜像以图像垂直中线为轴，将图像的左右半部对调。图像的几何变换图像的镜像变换图像的镜像变换分为两种：水平镜像和垂直镜像。垂直镜像以图像水平中线为轴，将图像的上下半部对调。图像的几何变换图像的缩放变换图像的缩放主要用于改变图像的大小，缩放后图像的图像的宽度和高度会发生变化，而且会涉及到插值运算。图像的几何变换图像的旋转在图像平面内，将图像整体绕图像中某点旋转指定的角度叫做旋转变换，简称旋转。图像在旋转后其宽度和高度都会发生变化，其坐标原点会发生变化。图像的几何变换图像的旋转旋转变换原图像的像素坐标要经过三次坐标变换将坐标原点由图像的左上角变换到旋转中心以旋转中心为原点，图像旋转角度旋转结束后，将坐标原点变换到旋转后图像的左上角00100cossin01001[1]010sincos001010011xyxyxylefttopOO【注意】原图像的左上角在旋转后不一定是旋转后图像的左上角，有可能是右下角。所以在计算旋转后图像的宽度就不能使用原图右上角旋转后的横坐标减去原图像左下角旋转后的横坐标，高度也是如此。图像的几何变换插值算法数字图像像素坐标是离散型非负整数，在进行变换的过程中有可能产生浮点坐标值，需采用插值算法处理这些浮点坐标。最邻近插值：也被称为零阶插值法，其算法是浮点坐标的像素值等于距离该点最近的输入图像的像素值。双线性插值：一个浮点坐标必定会被四个整数坐标所包围，将这个四个整数坐标的像素值按照一定的权重相加就可以求出浮点坐标的像素值。权重取值为该点距离浮点坐标的距离。数字图像处理数字图像概论图像的模板运算图像的几何变换图像分割与识别其他图像处理技术图像的点运算边缘检测与轮廓跟踪图像复原与重建图像的点运算图像的反色所谓的点运算是指像素值通过运算改变之后，可以改善图象的显示效果。这是一种像素的逐点运算。图像反色：反色的实际含义是将RGB值反转。若颜色的量化级别是256，则新图的RGB值为255减去原图的RGB值。图像的点运算图像对比度扩展图像对比度扩展是点对点的灰度级的映射，目的是把感兴趣的灰度范围拉开，使得该范围内的象素亮的越亮、暗的越暗，从而实现增强对比度。1(1)2(2)oldnewnewoldoldnewoldoldagggbgggcgg01122255oldoldoldoldoldoldoldggggggg图像的点运算图像对比度扩展右图是对左图取g1old=100，g2old=150，b=3.0进行对比度扩展的结果。可以看出亮的区域(雕塑)变得更亮，暗的区域(手)变得更暗。图像的点运算图像对比度扩展削波是对比度扩展的一个特例，令对比度扩展中的a=c=0就实现了削波。上图是对原图取g1old=150，g2old=200进行削波的结果，把亮的区域(雕塑)提取了出来。图像的点运算图像对比度扩展阈值化也可以看做对比度扩展的一个特例，令削波中的g1old=g2old就实现了削波。上图是对原图阈值取128，阈值化处理后的结果，是一幅黑白图。图像的点运算图像灰度窗口变换灰度窗口变换将某一区间的灰度级和其它部分(背景)分开，可以检测出在某一灰度窗口范围内的所有象素。清除背景灰度窗口变换把不在灰度窗口范围内的象素都赋值为0，在灰度窗口范围内的象素都赋值为255。保留背景灰度窗口变换把不在灰度窗口范围内的象素保留原灰度值，在灰度窗口范围内的象素都赋值为255。图像的点运算图像灰度窗口变换原图去除背景窗口变换保留背景窗口变换图像的点运算图像直方图修正灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图象中该灰度级的像素的个数。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图象中该灰度级出现的个数。1234566432211664663456661466231364661426545654321灰度直方图图像直方图修正灰度直方图的性质所有的空间信息全部丢失每一灰度级的像素个数可直接得到灰度直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图象是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。假设某图象的灰度直方图具有二峰性，则表明这个图象的较量的区域和较暗的区域可以较好地分离，取这一点为阈值点，可以得到好的二值处理的效果。图像的点运算图像直方图修正灰度图的灰度直方图图像的点运算图像直方图修正根据灰度直方图选择阈值对图像进行二值化处理图像的点运算图像的点运算图像直方图修正灰度直方图修正通过一个灰度映射函数Gnew=F(Gold)，修正图象的直方图，使重新组织后的具有一种期望的直方图的形状。灰度直方图均衡化一种最常用的灰度直方图修正，是指将一个已知灰度分布的图像经过一种变换，使之变成一幅具有均匀灰度分布的新图像。算法：设r、s分别为原图象和处理后的图象。像素的灰度归一处理。hr为原图象的灰度分布，则有2550)(krskhNdxxhyxsyxrs)(),(),(0srsNkhkh/)()(均衡化处理后的图象只能是近似均匀分布，均衡化图象的动态范围扩大了，但可能会出现伪轮廓。图像直方图修正图像的点运算根据灰度直方图均衡化对图像进行处理假彩色与伪彩色假彩色是指将一幅彩色图像映射为另一幅彩色图像，从而达到增强对比度的目的。采用伪彩色增强是由于人眼分辨不同彩色的能力比分别不同的灰度级的能力强，因此，把人眼无法区别的灰度变化，施以不同的彩色可以提高识别率。LLL图像的点运算假彩色与伪彩色图像的点运算数字图像处理数字图像概论图像的模板运算图像的几何变换图像分割与识别其他图像处理技术图像的点运算边缘检测与轮廓跟踪图像复原与重建图像的模板运算图像的平滑设当前的待处理像素为f(m,n),给