第一章圖像概論

1、第一章第一章 概概 論論 1.1 1.1 數(shù)字圖像處理及其特點數(shù)字圖像處理及其特點1.2 1.2 數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容1.3 1.3 圖像工程與相關(guān)學科圖像工程與相關(guān)學科1.4 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.5 1.5 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用1.6 1.6 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向 1.1 1.1 數(shù)字圖像處理及其特點數(shù)字圖像處理及其特點1.1.1 1.1.1 數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理 數(shù)字圖像數(shù)字圖像以數(shù)字格式存放的圖像以數(shù)字格式存放的圖像計算機方便處理計算機方便處理數(shù)字化數(shù)字化像素像素7

2、667522572277667用二維矩陣表示用二維矩陣表示灰度信息數(shù)字化灰度信息數(shù)字化將模擬圖像數(shù)字化的主要設(shè)備是掃描儀。將模擬圖像數(shù)字化的主要設(shè)備是掃描儀。將視頻畫面數(shù)字化的設(shè)備有圖像采集卡。將視頻畫面數(shù)字化的設(shè)備有圖像采集卡。數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機。數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機。數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理利用計算機利用計算機7667522572277667進行進行去除噪聲、去除噪聲、 增強、復原、分割、提取特征增強、復原、分割、提取特征等理論、等理論、 方法和技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理方法和技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理（Digital Image ProcessingDigital Image Processi

3、ng）1.1.1 1.1.1 數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理 在醫(yī)學領(lǐng)域，最具有代表性的就是在醫(yī)學領(lǐng)域，最具有代表性的就是X X射線射線CTCT（Computed TomographComputed Tomograph， 計算機斷層攝像）。計算機斷層攝像）。 圖像處理應(yīng)用圖像處理應(yīng)用電電腦腦人人像像藝藝術(shù)術(shù)電電視視中中的的特特殊殊效效果果自動售貨機鈔票的識別自動售貨機鈔票的識別郵政編碼的自動識別郵政編碼的自動識別利用指紋、利用指紋、 面部等特征的身份識別面部等特征的身份識別1.1.1 1.1.1 數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展（容量大，處（

4、容量大，處理速度快）理速度快）數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)學的發(fā)展數(shù)學的發(fā)展（離散數(shù)學（離散數(shù)學理論）理論）軍事、醫(yī)學和工軍事、醫(yī)學和工業(yè)等方面的需求業(yè)等方面的需求1.1.1 1.1.1 數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理 經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，數(shù)字圖像處理的理論和經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，數(shù)字圖像處理的理論和方法進一步完善，應(yīng)用范圍更加廣闊，已經(jīng)成為一方法進一步完善，應(yīng)用范圍更加廣闊，已經(jīng)成為一門新興的學科，并在向更高級的方向發(fā)展。如圖像門新興的學科，并在向更高級的方向發(fā)展。如圖像處理已由二維處理發(fā)展到三維理解或解釋。處理已由二維處理發(fā)展到三維理解或解釋。1.

5、1.1 1.1.1 數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理 1.1.2 1.1.2 數(shù)字圖像處理的特點數(shù)字圖像處理的特點易于控制處理易于控制處理效果效果處理精度高，處理精度高，再現(xiàn)性好再現(xiàn)性好處理的多樣性處理的多樣性圖像數(shù)據(jù)量龐大圖像數(shù)據(jù)量龐大處理費時處理費時圖像處理技術(shù)綜圖像處理技術(shù)綜合性強合性強特點特點1.2.1 1.2.1 數(shù)字圖像處理的目的數(shù)字圖像處理的目的1.1.提高圖像的視感質(zhì)量，提高圖像的視感質(zhì)量， 以達到賞心悅目的目的以達到賞心悅目的目的。2.2.提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，便于計算機分析。提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，便于計算機分析。3.3.對圖像數(shù)據(jù)

6、進行變換、編碼和壓縮，便于圖像的存儲和傳輸。對圖像數(shù)據(jù)進行變換、編碼和壓縮，便于圖像的存儲和傳輸。 1.2.2 1.2.2 數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容圖像獲取、表示圖像獲取、表示圖像復原圖像復原圖像增強圖像增強圖像分割圖像分割圖像分析圖像分析內(nèi)內(nèi)容容圖像重建圖像重建壓縮編碼壓縮編碼1.3 1.3 圖像工程與相關(guān)學科圖像工程與相關(guān)學科 1.3.1 1.3.1 圖像工程的內(nèi)涵圖像工程的內(nèi)涵 圖像理解符號目標像素高層中層低層高低抽象程度數(shù)據(jù)量操作對象小大語義圖像分析圖像處理重點重點1.3.2 1.3.2 相關(guān)學科和領(lǐng)域相關(guān)學科和領(lǐng)域研究方法研究方法數(shù)學數(shù)學物理學物理學生理學生理學心

7、理學心理學電子學電子學計算機科學計算機科學研究范圍研究范圍模式識別模式識別計計算算機機視視覺覺計計算算機機圖圖形形學學研究進展研究進展人工智能人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法遺傳算法模糊邏輯模糊邏輯發(fā)展發(fā)展應(yīng)用應(yīng)用醫(yī)學醫(yī)學遙感遙感通信通信文檔處理文檔處理工業(yè)自動化工業(yè)自動化1.3.2 1.3.2 相關(guān)學科和領(lǐng)域相關(guān)學科和領(lǐng)域圖像（轉(zhuǎn)換）圖像理解圖像分析計算機視覺模式識別計算機圖形學客觀世界圖像理解圖像處理人圖像符號數(shù)據(jù)新理論新概念新工具1.3 1.3 圖像工程與相關(guān)學科圖像工程與相關(guān)學科 1.4 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 1.4.1 1.4.1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件數(shù)字圖像處理

8、系統(tǒng)硬件 電視攝像機電視攝像機 掃描儀掃描儀 數(shù)碼照相機數(shù)碼照相機 遙感圖像獲取設(shè)備遙感圖像獲取設(shè)備 計算機計算機圖像輸入卡（采集卡圖像輸入卡（采集卡) )顯示卡顯示卡圖像存貯裝置圖像存貯裝置圖像數(shù)字化設(shè)備圖像數(shù)字化設(shè)備輸入圖像輸入圖像輸出圖像輸出圖像打印機打印機繪圖儀繪圖儀圖像處理計算機圖像處理計算機圖像輸出設(shè)備圖像輸出設(shè)備1.4.2 1.4.2 圖像處理系統(tǒng)軟件圖像處理系統(tǒng)軟件圖像處理系統(tǒng)平臺多為圖像處理系統(tǒng)平臺多為Microsoft WindowsMicrosoft Windows，開發(fā)的主流工具為，開發(fā)的主流工具為MicrosoftMicrosoft公司的公司的VC+VC+。這是因為。

9、這是因為VC+VC+是一種具有高度綜合性能的軟件開發(fā)是一種具有高度綜合性能的軟件開發(fā)工具，工具， 用它開發(fā)出來的程序有著運行速度快、用它開發(fā)出來的程序有著運行速度快、 可移植能力強等優(yōu)點。可移植能力強等優(yōu)點。MATLABMATLAB具有相當強大的矩陣具有相當強大的矩陣運算和操作功能，運算和操作功能， MATLABMATLAB圖像處理工具箱提供了豐富圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，靈活運用這些函數(shù)幾乎可以完成所有的的圖像處理函數(shù)，靈活運用這些函數(shù)幾乎可以完成所有的圖像處理工作，大大節(jié)省編寫低層算法代碼的時間，圖像處理工作，大大節(jié)省編寫低層算法代碼的時間， 避免程序設(shè)計中的重復勞動，避免程

10、序設(shè)計中的重復勞動， 達到事半功倍的效果。達到事半功倍的效果。1.4.2 1.4.2 圖像處理系統(tǒng)軟件圖像處理系統(tǒng)軟件1.5 1.5 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用宇宙探測宇宙探測遙感遙感生物醫(yī)學生物醫(yī)學工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)軍事、公安軍事、公安機器人視覺機器人視覺視頻和多媒體系統(tǒng)視頻和多媒體系統(tǒng)科學可視化科學可視化電子商務(wù)電子商務(wù)通迅通迅1.6 1.6 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向 （1 1） 在進一步提高精度的同時著重解決處理速度問題。在進一步提高精度的同時著重解決處理速度問題。（2 2） 加強軟件研究、開發(fā)新的處理方法加強軟件研究、開發(fā)新的處理方法。（3 3） 加

11、強邊緣學科的研究工作加強邊緣學科的研究工作。 （4 4） 加強理論研究，形成圖像處理科學自身的理論體系加強理論研究，形成圖像處理科學自身的理論體系（5 5） 圖像處理領(lǐng)域的標準化。圖像處理領(lǐng)域的標準化。 圖像處理技術(shù)未來發(fā)展大致可歸納為：圖像處理技術(shù)未來發(fā)展大致可歸納為： （1 1）圖像處理的發(fā)展將圍繞）圖像處理的發(fā)展將圍繞HDTVHDTV（高清晰度電視）的研制，（高清晰度電視）的研制， 開展實時開展實時 圖像處理的理論及技術(shù)研究，向著高速、高分辨率、圖像處理的理論及技術(shù)研究，向著高速、高分辨率、 立體化、多立體化、多 媒體化、媒體化、 智能化和標準化方向發(fā)展。智能化和標準化方向發(fā)展。（2 2

12、）圖像、圖形相結(jié)合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。）圖像、圖形相結(jié)合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。（3 3） 硬件芯片研究。把圖像處理的眾多功能固化在芯片上，硬件芯片研究。把圖像處理的眾多功能固化在芯片上， 使之更便使之更便 于應(yīng)用。于應(yīng)用。 （4 4） 新理論與新算法研究。新理論與新算法研究。 1.6 1.6 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向 什么是數(shù)字圖像?l將一幅二維的圖像通過有限個離散點來表示就成為了數(shù)字圖像，其中的每個點稱為圖像元素，即像素。什么是數(shù)字圖像?(續(xù))l像素值往往用來表示像素的灰度級、顏色、高度值、透明度等等。什么是數(shù)字圖像?(續(xù))l注意：“digi

13、tization” 表示數(shù)字圖像是現(xiàn)實中圖像的近似值。l在圖像處理軟件中，使用放大工具，對圖像的局部進行觀察時1 pixel什么是數(shù)字圖像?(續(xù))l一般的，圖像格式包括:l每像素1個樣值 (B&W or Grayscale)l每像素3個樣值 (Red, Green, and Blue)l每像素4個樣值(Red, Green, Blue, and “Alpha”, a.k.a. Opacity)什么是數(shù)字圖像處理?l數(shù)字圖像處理的兩個主要任務(wù)：l如何利用計算機來改進圖像的品質(zhì)以便于人類視覺分析；l對圖像數(shù)據(jù)進行存儲、傳輸和表示，便于計算機自動化處理。l圖像處理的范疇是一個受爭論的話題，因

14、此也產(chǎn)生了其他的領(lǐng)域比如圖像分析和計算機視覺等等。l圖像處理和計算機圖形學的結(jié)合日益緊密，后者長期受到計算機游戲的推動數(shù)字圖像處理的歷史l20世紀20年代: 最早的應(yīng)用之一是報紙業(yè)lBartlane 電纜圖片傳輸系統(tǒng)；l通過海底電纜將圖像從倫敦傳往紐約；l為了使用電纜傳輸，圖像需要首先編碼，并在接收端通過電報打印機進行重構(gòu)。早期的數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理的歷史(續(xù))l20世紀20年代中期到末期: 改進Bartlane 系統(tǒng)后，圖像質(zhì)量得到了提高l打印過程采用了新的光學還原技術(shù)l增加了圖像的灰度等級改進后的數(shù)字圖像早期15級色調(diào)的數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理的歷史(續(xù))l20世紀60年代: 由于信息技術(shù)的快

15、速發(fā)展，出現(xiàn)了一批數(shù)字圖像處理l1964: “旅行者7號”拍攝的圖像通過計算機進行處理并提高了圖像質(zhì)量；l此技術(shù)也在阿波羅載人登月飛行等空間探測器中得到應(yīng)用。由“旅行者7號”登陸前拍攝的圖像數(shù)字圖像處理的歷史(續(xù))l20世紀70年代: 數(shù)字圖像處理開始應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域l1979: Godfrey N. Hounsfield先生以及Allan M. Cormack 教授由于發(fā)明了“斷層（CT）技術(shù)” ，共同獲得了諾貝爾醫(yī)l學獎，其背后的思想是計算l機軸向斷層技術(shù)l(Computerised AxiallTomography (CAT)數(shù)字圖像處理的歷史(續(xù))l20世紀70年代末:隨著人工智能的興起

16、和發(fā)展，開始計算機視覺的研究，由2D圖象中獲取3D空間信息數(shù)字圖像處理的歷史(續(xù))l20世紀80年代至今：數(shù)字圖像處理技術(shù)呈爆炸性發(fā)展，如今已在大量領(lǐng)域擔負著大量的工作：l圖像增強/恢復l藝術(shù)級效果l醫(yī)學可視化l工業(yè)檢驗l法律執(zhí)行l(wèi)人機交互舉例： 圖像增強lDIP技術(shù)最常見的用處是：提高質(zhì)量，消除噪音等等舉例： Hubble 望遠鏡l1990年發(fā)射的“哈勃”號太空望遠鏡能夠拍攝超遠距離的物體，但是由于鏡子出現(xiàn)誤差，拍攝到的圖像就失去了價值，而借助于圖像處理技術(shù)便可以修復舉例：藝術(shù)效果l藝術(shù)效果是指通過特效或者圖像合成等方法，使得圖像具有更強的視覺效果舉例：醫(yī)學l通過MRI（核磁共振）掃描到的犬

17、類心臟切片，我們可以找出其中各種組織的邊界線:l灰度圖表示組織密度l使用合適的濾波器來增強邊緣取自狗心臟的原始MRI圖像邊緣檢測圖像舉例：GISl地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS)，數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛用于：l氣象學l地形分類l操作衛(wèi)星圖像舉例：GIS(續(xù))l全球夜間燈光數(shù)據(jù)集l可以提供全球人類居住區(qū)的匯總情況 l不難想象這些數(shù)據(jù)需要進行分析和處理舉例：GIS(續(xù))l遙感圖像：l農(nóng)業(yè)普查l森林覆蓋計算l水利工程等的客觀估計計算l森林火災監(jiān)護客觀反映火災情況、面積舉例：工業(yè)檢驗l操作人員需要花費大量的精力，卻又慢又不可靠；l使用機器代替；l工業(yè)可

18、視化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)業(yè) 舉例：印刷電路板檢測l印刷電路板檢測(Printed Circuit Board inspection, PCB)l使用機器檢測零件是否完整以及焊接是否合格l常規(guī)成像和X光成像相結(jié)合舉例：法律執(zhí)行l(wèi)圖像處理技術(shù)被法律執(zhí)行者廣泛采用l高速相機或者自動收費系統(tǒng)用于牌照識別l指紋識別l閉路電視(Close Circuit Television, CCTV)中圖像的增強舉例：HCIl使得人機交互（Human Computer Interaction）變得更加自然l面部識別l手勢識別數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵步驟圖像采集圖像復原形態(tài)學處理分割表示&描述圖像增強對象識別問題域彩色圖像處理圖像壓縮數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵步驟：圖像采集圖像采集圖像復原形態(tài)學處理分割表示&描述圖像增強對象識別問題域彩色圖像處理圖像壓縮數(shù)字圖像處