第1章 緒論01785

1、 數(shù)字圖像處理黃 卉huanghui_關(guān)于本課程l了解數(shù)字圖象處理的基本概念和基本理論l理論與實(shí)踐并重，總課時(shí)48小時(shí)，3學(xué)分課堂授課部分32小時(shí)，分為16講；實(shí)驗(yàn)16小時(shí)，共8次實(shí)驗(yàn)有興趣的同學(xué)可以在課后自行完成其他實(shí)驗(yàn)第一章 緒論講解內(nèi)容 數(shù)字圖像處理的基本概念、數(shù)字圖象處理系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及其應(yīng)用目的 1. 要求學(xué)生了解數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容及相關(guān)知識(shí) 2. 重點(diǎn)掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及應(yīng)用。What is an image?A person receives information from: sight 60% (3D) sound smell touch tast

2、e圖像信息處理是人類視覺(jué)延續(xù)的重要手段圖像信息處理是人類視覺(jué)延續(xù)的重要手段m圖像數(shù)學(xué)函數(shù)不可見(jiàn)的物理圖像可見(jiàn)的圖像光圖像照片、圖與畫(huà)可見(jiàn)光成像和不可見(jiàn)光成像可見(jiàn)光成像和不可見(jiàn)光成像 400nm700nm紫外光紅外光546.1nm435.8nm780nm單波段、多波段和超波段圖像單波段、多波段和超波段圖像數(shù)字圖像處理的起源數(shù)字圖像處理的起源 數(shù)字圖像處理的歷史可追溯至二十世紀(jì)二數(shù)字圖像處理的歷史可追溯至二十世紀(jì)二十年代。最早應(yīng)用之一是在報(bào)紙業(yè)，當(dāng)時(shí)，引入十年代。最早應(yīng)用之一是在報(bào)紙業(yè)，當(dāng)時(shí)，引入巴特蘭電纜圖片傳輸系統(tǒng)，圖像第一次通過(guò)海底巴特蘭電纜圖片傳輸系統(tǒng)，圖像第一次通過(guò)海底電纜橫跨大西洋從倫

3、敦送往紐約傳送一幅圖片。電纜橫跨大西洋從倫敦送往紐約傳送一幅圖片。1929年通過(guò)海底電纜從倫敦到紐約傳輸?shù)囊环掌?數(shù)字圖像處理作為一門(mén)學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期。早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對(duì)象，以改善人的視覺(jué)效果為目的。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。 圖示出了由徘徊者圖示出了由徘徊者7 7號(hào)號(hào)在在19641964年年7 7月月3131日上午（東日上午（東部白天時(shí)間）部白天時(shí)間）9 9點(diǎn)點(diǎn)0909分在光分在光線影響月球表面前約線影響月球表面前約1717分鐘分鐘時(shí)攝取的第一張?jiān)虑驁D像。時(shí)攝

4、取的第一張?jiān)虑驁D像。這也是美國(guó)航天器取得的第這也是美國(guó)航天器取得的第一幅月球圖像。一幅月球圖像。 與空間應(yīng)用同時(shí)，數(shù)字圖像處理技術(shù)在與空間應(yīng)用同時(shí)，數(shù)字圖像處理技術(shù)在2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代末和年代末和7070年代初開(kāi)始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球年代初開(kāi)始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)領(lǐng)域。遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)領(lǐng)域。 早在早在2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代計(jì)算機(jī)軸向斷層年代計(jì)算機(jī)軸向斷層( (CAT)CAT)、簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)斷層簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)斷層( (CT)CT)是圖像處理在醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)是圖像處理在醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用中最重要的事件之一。用中最重要的事件之一。 斷層技術(shù)是斷層技術(shù)是Godfrey N. Godfrey

5、 N. HounsfielaHounsfiela和和Allan Allan M.CormackM.Cormack教授分別發(fā)明教授分別發(fā)明的，他們共同獲得的，他們共同獲得19791979年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。圖像分析圖像理解狹義處理高低抽象程度高層低層中層語(yǔ)義數(shù)據(jù)量操作對(duì)象小大符號(hào)象素目標(biāo) 從從2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代至今，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展年代至今，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，目前已成為工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息迅速，目前已成為工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)甚科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域中各學(xué)科之間學(xué)習(xí)和研究的至社會(huì)科學(xué)等

6、領(lǐng)域中各學(xué)科之間學(xué)習(xí)和研究的對(duì)象。如今圖像處理技術(shù)已給人類帶來(lái)了巨大對(duì)象。如今圖像處理技術(shù)已給人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。不久地將來(lái)它不僅在理論的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。不久地將來(lái)它不僅在理論上會(huì)有更深入的發(fā)展，在應(yīng)用上亦是科學(xué)研究、上會(huì)有更深入的發(fā)展，在應(yīng)用上亦是科學(xué)研究、社會(huì)生產(chǎn)乃至人類生活中不可缺少的強(qiáng)有力的社會(huì)生產(chǎn)乃至人類生活中不可缺少的強(qiáng)有力的工具。工具。1.2 1.2 圖像處理技術(shù)的分類圖像處理技術(shù)的分類 模擬圖像處理 數(shù)字圖像處理。（1 1） 模擬圖像處理模擬圖像處理( (Analog image Analog image processing)processing)； 模擬處理包括

7、：光學(xué)處理（利用透鏡）和電子模擬處理包括：光學(xué)處理（利用透鏡）和電子處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號(hào)處處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號(hào)處理等，電視圖像是模擬信號(hào)處理的典型例子，理等，電視圖像是模擬信號(hào)處理的典型例子，它處理的是活動(dòng)圖像，它處理的是活動(dòng)圖像，25幀幀/秒。秒。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 模擬圖像處理的特點(diǎn)是速度快，一般為實(shí)時(shí)處理，模擬圖像處理的特點(diǎn)是速度快，一般為實(shí)時(shí)處理，理論上講可達(dá)到光的速度，并可同時(shí)并行處理。理論上講可達(dá)到光的速度，并可同時(shí)并行處理。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 模擬圖像處理的缺點(diǎn)是精度較差，靈活性差，模擬圖像處理的缺點(diǎn)是精度較差，靈活性差，很難有判斷能力和非線性處理能力

8、。很難有判斷能力和非線性處理能力。（ 2 2 ） 數(shù) 字 圖 像 處 理數(shù) 字 圖 像 處 理 ( ( D i g i t a l I m a g e D i g i t a l I m a g e processing)processing)： 數(shù)字圖像處理一般都用計(jì)算機(jī)處理，因此也稱數(shù)字圖像處理一般都用計(jì)算機(jī)處理，因此也稱之謂計(jì)算機(jī)圖像處理（之謂計(jì)算機(jī)圖像處理（Computer Image processing）。）。 1.3 1.3 數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)（1 1）圖像信息量大、數(shù)據(jù)量也大；）圖像信息量大、數(shù)據(jù)量也大； 在數(shù)字圖像處理中，一幅圖像可看成是由圖像在數(shù)字圖像處理

9、中，一幅圖像可看成是由圖像矩陣中的像素（矩陣中的像素（pixelpixel）組成的，每個(gè)像素的組成的，每個(gè)像素的灰度級(jí)至少要灰度級(jí)至少要6 6bitbit（單色圖像）來(lái)表示，一般單色圖像）來(lái)表示，一般采用采用8 8bitbit（彩色圖像），高精度的可用彩色圖像），高精度的可用1212bitbit或或1616bitbit。 （2 2） 圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)；圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)； （3 3）圖像信息理論與通信理論密切相關(guān)。）圖像信息理論與通信理論密切相關(guān)。 早在早在19481948年年ShannonShannon發(fā)表了發(fā)表了“A mathematical Theory A mathematica

10、l Theory of Communication”of Communication”（通信中的數(shù)學(xué)理論）一文，它通信中的數(shù)學(xué)理論）一文，它奠定了信息論的基礎(chǔ)。此后，信息理論已滲透到了各奠定了信息論的基礎(chǔ)。此后，信息理論已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域。圖像信息論也屬于信息論科學(xué)中的一個(gè)分支。個(gè)領(lǐng)域。圖像信息論也屬于信息論科學(xué)中的一個(gè)分支。 1.4 1.4 數(shù)字圖像處理的主要方法及主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的主要方法及主要內(nèi)容1.4.11.4.1 數(shù)字圖像處理方法：數(shù)字圖像處理方法： 兩大類：兩大類： 空域法和變換域法?？沼蚍ê妥儞Q域法。 A A、空域法：這種方法是把圖像看作是平面空域法：這種方法是把圖像看作是平

11、面中各個(gè)像素組成的集合，然后直接對(duì)這一二維中各個(gè)像素組成的集合，然后直接對(duì)這一二維函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。B B、變換域法：變換域法： 數(shù)字圖像處理的變換域處理方法是首數(shù)字圖像處理的變換域處理方法是首先對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，得到變換域系先對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，得到變換域系數(shù)陣列，然后再施行各種處理，處理后數(shù)陣列，然后再施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結(jié)果。再反變換到空間域，得到處理結(jié)果。 這類處理包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特這類處理包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取等處理。征提取等處理。1.4.21.4.2 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： 它是研究圖像的獲取

12、、它是研究圖像的獲取、傳輸、存儲(chǔ)，變換、顯傳輸、存儲(chǔ)，變換、顯示、理解與綜合利用的示、理解與綜合利用的一門(mén)嶄新學(xué)科。一門(mén)嶄新學(xué)科。 圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化 圖像數(shù)字化是將一幅畫(huà)面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式數(shù)字圖像的過(guò)程。 模擬圖像 數(shù)字圖像 正方形點(diǎn)陣 具體來(lái)說(shuō)，就是把一幅圖畫(huà)分割成如圖所示 的一個(gè)個(gè)小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域 灰度用整數(shù)來(lái)表示，形成一幅點(diǎn)陣式的數(shù)字圖像。它包括采樣和量化兩個(gè)過(guò)程。像素的位置和灰度就是像素的屬性。 數(shù)字圖像根據(jù)灰度級(jí)數(shù)的差異可分為：黑白圖像、灰度圖像和彩色圖像。黑白圖像黑白圖像 圖像的每個(gè)像素只能是黑或白，沒(méi)有中間的過(guò)渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為

13、0或1。例如011100001I灰度圖像灰度圖像灰度圖像是指灰度級(jí)數(shù)大于2的圖像。但它不包含彩色信息。彩色圖像彩色圖像 彩色圖像是指每個(gè)像素由R、G、B分量構(gòu)成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級(jí)來(lái)描述。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B100220250180501202001500I 幾何處理幾何處理 幾何處理主要包括座標(biāo)變換、圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、多個(gè)圖像配準(zhǔn)，全景畸變校正，扭曲校正，周長(zhǎng)、面積、體積計(jì)算等。 算術(shù)處理算術(shù)處理圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)處理主要是突出圖像中感興趣的圖像增強(qiáng)

14、處理主要是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。主要方法用信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。主要方法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)法( (pseudo color)pseudo color)、灰度窗口等技術(shù)?；叶却翱诘燃夹g(shù)。增強(qiáng) - 對(duì)比度拉伸增強(qiáng)-偽彩增強(qiáng) 去噪聲增強(qiáng) - 銳化圖像復(fù)原圖像復(fù)原 圖像復(fù)原處理的主要目的是去掉干擾和模糊，圖像復(fù)原處理的主要目的是去掉干擾和模糊，恢復(fù)圖像的本來(lái)面目。典型的例子如去噪就屬恢復(fù)圖像的本來(lái)面目。典型的例子如去噪就屬于復(fù)原處理。圖像噪聲包括隨機(jī)噪聲和

15、相干噪于復(fù)原處理。圖像噪聲包括隨機(jī)噪聲和相干噪聲，隨機(jī)噪聲干擾表現(xiàn)為麻點(diǎn)干擾，相干噪聲聲，隨機(jī)噪聲干擾表現(xiàn)為麻點(diǎn)干擾，相干噪聲表現(xiàn)為網(wǎng)紋干擾。表現(xiàn)為網(wǎng)紋干擾。 去模糊也是復(fù)原處理的任務(wù)。這些模糊去模糊也是復(fù)原處理的任務(wù)。這些模糊來(lái)自透鏡散焦，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大氣湍流，來(lái)自透鏡散焦，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大氣湍流，云層遮擋等。這些干擾可用維納濾波、云層遮擋等。這些干擾可用維納濾波、逆濾波、同態(tài)濾波等方法加以去除。逆濾波、同態(tài)濾波等方法加以去除。 圖像重建圖像重建 幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原都是從圖像到圖像的處理，復(fù)原都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖像，處理即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖

16、像，處理后輸出的也是圖像，而重建處理后輸出的也是圖像，而重建處理則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。也就則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。也就是說(shuō)輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理是說(shuō)輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理結(jié)果得到的是圖像。結(jié)果得到的是圖像。 圖像編碼圖像編碼 圖像編碼的研究屬于信息論中信源圖像編碼的研究屬于信息論中信源編碼范疇，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，編碼范疇，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，即研究數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以解決數(shù)據(jù)量大即研究數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。的矛盾。256k21k 圖像分割圖像分割 圖像分割是指將一幅圖像劃分為互不重疊的區(qū)域的處理。 圖像識(shí)別圖像識(shí)別 對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分類、描述和解譯。1.5 1.

17、5 數(shù)字圖像處理的硬件設(shè)備數(shù)字圖像處理的硬件設(shè)備 輸入設(shè)備A/D計(jì)算機(jī)A/D圖像顯示器鍵盤(pán)監(jiān)視器數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.6 1.6 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué) 利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如顯微鏡圖像分析，DNA成像分析等遙感遙感 農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，地勢(shì)、地貌測(cè)繪以及地質(zhì)構(gòu)造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測(cè)等等。獲取氣象云圖進(jìn)行測(cè)繪、判讀等。風(fēng)云1號(hào) 風(fēng)云2號(hào)安全保障、公安等方面的應(yīng)用安全保障、公安等方面的應(yīng)用 該領(lǐng)域?qū)⒉捎媚Ｊ阶R(shí)別等方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)該領(lǐng)域?qū)⒉捎媚Ｊ阶R(shí)別等方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、指紋檔案、案件偵破、交通管理等?？?、指紋檔案、案件偵破、交通管理等。1.7 1.7 數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向 在該領(lǐng)域中需進(jìn)一步研究的問(wèn)題，不外乎如下四在該領(lǐng)域中需進(jìn)一步研究的問(wèn)題，不外乎如下四個(gè)方面：個(gè)方面： （1）在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度）在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度問(wèn)題。如在航天遙感、氣象云圖處理方面，巨大的數(shù)問(wèn)題。如在航天遙感、氣象云圖處理方面，巨大的數(shù)據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。 （2 2）、加強(qiáng)軟件研究、開(kāi)發(fā)新的處理方法，特別）、加強(qiáng)軟件研究、開(kāi)發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學(xué)科的技術(shù)和研