數(shù)字圖象處理清華大學(xué)課件

1、共三十九頁教材(jioci)和主要參考書 圖象工程(gngchng)（第2版） 上冊：圖象處理 中冊：圖象分析 下冊：圖象理解章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁教材(jioci)和主要參考書 學(xué)習(xí)圖象技術(shù)所需的基礎(chǔ)知識數(shù)學(xué)：線性代數(shù)，隨機(jī)過程(guchng)計(jì)算機(jī)科學(xué)：軟件編程電子學(xué)：信號處理，電路原理 圖象技術(shù)數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1-D信號的推廣，特殊的模式識別技術(shù)章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁第1章 緒論(xln)1.1圖象基本概念 1.2圖象工程簡介(jin ji)1.3圖象處理系統(tǒng)1.4主要內(nèi)容和安排章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.1圖象(t xin)基本概念1

2、.1.1圖象和數(shù)字(shz)圖象1.1.2圖象的表達(dá) 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.1.1 圖象(t xin)和數(shù)字圖象(t xin)圖象：用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進(jìn)而產(chǎn)生視知覺的實(shí)體圖象（廣義/抽象） 圖像（狹義/具體）圖象和信息(xnx)：人類從外界（客觀世界）獲得的信息約有75%來自視覺系統(tǒng) 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.1.1 圖象(t xin)和數(shù)字圖象(t xin)圖象類型廣義圖片，動畫，繪圖，文字/檔，.狹義單幅(dn f) 序列圖象，.靜止 運(yùn)動圖象（視頻），.2-D 3-D，彩色，立體對，多光譜,多

3、視場圖象，. 灰度 深度，紋理圖象，. 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.1.2 圖象(t xin)的表達(dá)圖象表示2-D數(shù)組f (x, y)x ， y：2-D空間XY中坐標(biāo)(zubio)點(diǎn)的位置f：代表圖象在(x, y)的性質(zhì)F 的數(shù)值f，x，y 的值可以是任意實(shí)數(shù)性質(zhì)F : 可對應(yīng)不同物理量 灰度圖象里用灰度表示章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.1.2 圖象(t xin)的表達(dá)圖象表示 矩陣(j zhn) 矢量 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.1.2 圖象(t xin)的表達(dá)章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2圖象(t xin)工程簡介1.2.1圖象技術(shù)和圖

4、象工程1.2.2圖象工程的三個(gè)層次1.2.3圖象工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域1.2.4圖象工程的技術(shù)應(yīng)用1.2.5圖象工程文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)(tngj)分類 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.1 圖象技術(shù)(jsh)和圖象工程圖象技術(shù)圖象技術(shù)在廣義上是各種與圖象有關(guān)的技術(shù)的總稱主要功能/作用(zuyng)包括：對圖象的各種加工（見下）基于加工結(jié)果的判斷決策和行為規(guī)劃為此進(jìn)行的硬件設(shè)計(jì)及制作 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.2 圖象(t xin)工程的三個(gè)層次圖象工程：不同層次圖象技術(shù)的有機(jī)(yuj)結(jié)合及應(yīng)用圖象工程三層次：圖象處理（圖象 圖象）圖象分析（圖象 數(shù)據(jù)）圖象理解（圖象 解釋）

5、章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.2 圖象工程(gngchng)的三個(gè)層次章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.3 圖象工程相關(guān)(xinggun)學(xué)科和領(lǐng)域章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.3 圖象(t xin)工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域主要相關(guān)學(xué)科：圖形學(xué)：原指用圖形、圖表(tbio)、繪圖等形式表達(dá)數(shù)據(jù)信息的科學(xué)，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的就是如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來產(chǎn)生這些形式圖象模式識別：試圖把圖象分解成可用符號較抽象地描述的類別計(jì)算機(jī)視覺：主要強(qiáng)調(diào)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，目前的研究內(nèi)容主要與圖象理解相結(jié)合 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.4 圖象工程的技

6、術(shù)(jsh)應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域示例(1)視頻通信：可視電話，電視會議，按需電視，遠(yuǎn)程教育；(2)文字檔案：文字識別，過期檔案復(fù)原，郵件分撿，支票，簽名 辮偽，辦公自動化；(3)生物醫(yī)學(xué)：紅白學(xué)球計(jì)數(shù)，染色體分析、X光、CT、MRI、 PET圖象分析，醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬規(guī)劃，遠(yuǎn)程醫(yī)療；(4)遙感測繪：巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，無人駕駛飛機(jī)飛行，精確制導(dǎo)，礦 藏勘探，資源探測，氣象預(yù)報(bào)，自然災(zāi)害監(jiān)測；(5)工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)檢測，工業(yè)探傷，自動生產(chǎn)流水線監(jiān)控，移動 機(jī)器人，無損探測，金相分析，印刷板質(zhì)量檢驗(yàn)， 精細(xì)印刷品缺陷檢測；(6)軍事公安：雷達(dá)圖象分析、巡航導(dǎo)彈路徑規(guī)劃 / 制導(dǎo)，罪犯(zufn)臉 形合成、識別，指紋

7、、印章的鑒定識別；(7)交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.5 圖象(t xin)工程文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分類中國圖象工程綜述（中國圖象圖形學(xué)報(bào), 5月期）文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分類 共統(tǒng)計(jì)15種刊物 已進(jìn)行10年（1996-2005） 涉及到18819篇論文(lnwn) 選取了4032篇論文章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.5 圖象(t xin)工程文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分類圖象(t xin)工程期刊（1）CT： CT理論與應(yīng)用研究（2）CX： 測繪學(xué)報(bào)（3）DC： 電子測量與儀器學(xué)報(bào)（4）DK： 電子科學(xué)學(xué)刊（5）DX： 電子學(xué)報(bào)（6）JX： 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)（7）MR

8、： 模式識別與人工智能（8）SC： 數(shù)據(jù)采集與處理（9） TX： 通信學(xué)報(bào)（10） XC： 信號處理（11） YX： 遙感學(xué)報(bào)（12） ZS： 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)（13） Zti：中國體視學(xué)和圖象分析（14） Ztu：中國圖象圖形學(xué)報(bào)（15） ZX： 自動化學(xué)報(bào) 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.5 圖象工程文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)(tngj)分類章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.2.5 圖象工程文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)(tngj)分類章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3圖象處理系統(tǒng)(xtng)1.3.1系統(tǒng)(xtng)構(gòu)成框圖 1.3.2圖象采集 1.3.3圖象顯示打印 1.3.4圖象存儲 1

9、.3.5圖象處理章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成(guchng)框圖章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.2 圖象(t xin)采集圖象采集裝置 為采集數(shù)字圖象，需要兩種裝置（器件）： (1)對某個(gè)電磁能量譜波段（如X射線、紫外線、可見光、紅外線等）敏感的物理器件，它能產(chǎn)生與所接受(jishu)到的電磁能量成正比的（模擬）電信號； (2)數(shù)字化器，它能將上述（模擬）電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字（離散）的形式。 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖象(t xin)顯示打印圖象顯示圖象處理的結(jié)果(ji gu)多是供觀察的圖象數(shù)據(jù) 亮度模式顯示顯示設(shè)備電視顯示器

10、，液晶顯示器陰極射線管（CRT)打印設(shè)備轉(zhuǎn)換到幻燈片、照片或透明膠片上章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖象顯示(xinsh)打印半調(diào)（halptone）輸出 多數(shù)打印設(shè)備僅能直接顯示輸出二值圖半調(diào)技術(shù)：利用人眼的集成特性(txng)，通過控制二值點(diǎn)模式的形式（包括數(shù)量，尺寸，形狀等）來獲得視覺上不同的灰度感覺一種將灰度圖象轉(zhuǎn)化為二值圖象的技術(shù)輸出二值圖象，看到灰度圖象 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖象顯示(xinsh)打印幅度調(diào)制（AM） 通過調(diào)整輸出黑點(diǎn)的尺寸來顯示不同的灰度例如，早期報(bào)紙上的圖片(tpin)在每個(gè)空間位置打印一個(gè)其尺寸反比于該處灰度的

11、黑圓點(diǎn)二值點(diǎn)是規(guī)則的排成網(wǎng)格的點(diǎn)點(diǎn)的形狀并不是決定性的因素 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖象顯示(xinsh)打印頻率調(diào)制（FM） 輸出黑點(diǎn)的尺寸是固定的其在空間的分布（點(diǎn)間的間隔或一定區(qū)域內(nèi)點(diǎn)出現(xiàn)的頻率）取決于所需表示的灰度 缺點(diǎn)：點(diǎn)增益（打印單元尺寸相對于原始單元尺寸的增加(zngji)量）增加(zngji)導(dǎo)致打印圖灰度范圍的減少或壓縮 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖象顯示(xinsh)打印調(diào)制(tiozh)模板 每個(gè)輸出單元內(nèi)包含若干個(gè)基本二值點(diǎn)每個(gè)模板對應(yīng)一個(gè)輸出單元 2 2 5 種灰度 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖

12、象顯示(xinsh)打印調(diào)制(tiozh)模板 3 3 10 種灰度 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.3 圖象顯示(xinsh)打印抖動(dudng)（dithering）輸出技術(shù)利用隨機(jī)變化 -2(6-b) -2(5-b) f (x, y) + 0 2(5-b) 2(6-b)半調(diào)技術(shù) 犧牲圖象的空間點(diǎn)數(shù)而增加圖象的灰度級數(shù) 要保持細(xì)節(jié)，灰度級數(shù)就有限章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.4 圖象(t xin)存儲圖象存儲數(shù)據(jù)(shj)量度單位比特（bit），字節(jié)（byte = 8 bit）千字節(jié)（ K byte）兆（10 6）字節(jié)（M byte）吉（10 9）字節(jié)（G

13、byte）太（10 12）字節(jié)（T byte）章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.4 圖象(t xin)存儲圖象存儲器(1) 處理過程中使用的快速存儲器計(jì)算機(jī)內(nèi)存，幀緩存 (2) 較快重新(chngxn)調(diào)用的在線或聯(lián)機(jī)存儲器磁盤，磁光盤 (3) 不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫（檔案庫）存儲器磁帶，光盤，光盤塔 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁1.3.4 圖象(t xin)存儲格式（表示格式和文件格式）(1) 矢量格式 用線段或線段的組合體來表示圖象(t xin)(2) 光柵格式 用許多圖象點(diǎn)的集合來表示圖象BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG 格式 章毓晉 (TH-EE-IE)

14、共三十九頁1.3.5 圖象處理圖象處理對圖象的增強(qiáng)以改善圖象視覺質(zhì)量對退化圖象的恢復(fù)以消除(xioch)各種干擾的影響根據(jù)對場景的多個(gè)投影來重建場景的圖象對圖象進(jìn)行編碼以減少表達(dá)圖象的數(shù)據(jù)量，從而有利于存儲和傳輸給圖象加入數(shù)字水印以保護(hù)圖象的所有權(quán) 章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁課 程 介 紹 授課進(jìn)度(jnd)和安排 小測驗(yàn) 小測驗(yàn)章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁課 程 介 紹 總結(jié)和復(fù)習(xí)1. 各節(jié)小結(jié)和文獻(xiàn)介紹 每節(jié)主要內(nèi)容的概況(gikung)進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的參考（近200篇文獻(xiàn)）2. 思考題和練習(xí)題共260個(gè)，對其中137個(gè)提供了參考答案章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁 通信地址：北京清華大學(xué)電子工程系 郵政編碼(yu zhn bin m)：100084 辦公地址：清華大學(xué)東主樓，9區(qū)307室 辦公電話：(010)62781430 傳真號碼：(010)62770317 電子郵件：zhangyj 個(gè)人主頁：/zhangyujin/ 實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)：聯(lián) 系 信 息章毓晉 (TH-EE-IE)共三十九頁內(nèi)容摘要教材和主要參考書。2-D數(shù)組f (x, y)。x ， y：2-D空間XY中坐標(biāo)點(diǎn)的