圖像工程-上冊圖像處理課件第一章緒論

1、數(shù)字圖像處理Digital Image Processing第一章 緒論數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing, DIP)的基本概念與界定的范圍DIP的發(fā)展及應(yīng)用實例DIP的基本步驟及內(nèi)容（課程結(jié)構(gòu)）數(shù)字圖象處理系統(tǒng)簡介醫(yī)學(xué)圖像發(fā)展概況對數(shù)字圖像處理方法研究的興趣源于兩個主要應(yīng)用領(lǐng)域：一是為方便人們分析而對圖像信息進行改善；二是為機器自動感知圖像而對圖像數(shù)據(jù)進行處理、存儲、傳送和表示。什么是DIP 圖像的概念：圖：光的折射或者反射光的分布像：人的視覺系統(tǒng)對圖的感知這里圖像是比較廣義的，例如照片、繪圖、視像等等。圖像的表示方法： 一副（靜態(tài)）圖像可以表示成一個二維函數(shù)：f

2、(x,y)(x,y) 為空間或平面坐標(biāo)，f的幅度稱亮度、強度或灰度級。 當(dāng)（x,y)及f值都是有限離散量時，稱為數(shù)字圖像。 當(dāng)靜態(tài)圖像為彩色時，還應(yīng)有波長的信息，即加入波長變量：f(x,y,); 如果是動態(tài)圖像，還要有時間信息：f(x,y,t);簡單示例：DIP可以簡單地指通過數(shù)字計算機來處理一副數(shù)字圖像。一副數(shù)字圖像中的一個元素稱為圖像元素或象素（Pixels)。人眼所看到的圖像限于電磁波譜中的可見光部分。DIP可以覆蓋整個電磁波譜（從超聲到無線電波）成的像、電子顯微圖像和計算機產(chǎn)生的圖像等，大大超過人的視覺能力范圍，擴大了DIP的應(yīng)用領(lǐng)域。 相關(guān)學(xué)科：暨DIP與圖像分析（理解）、計算機視覺

3、、計算機圖形學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系區(qū)別：計算視覺主要目標(biāo)是用計算機來模仿人的視覺，并做出推斷和采取行動，是人工智能的一個分支。圖像分析介于DIP和計算機視覺之間（三者之間沒有截然分開的界限），計算機圖形學(xué)主要是根據(jù)特定的模型來由計算機來產(chǎn)生圖形圖像。DIP定義計算機處理圖像通常分為三個層次：低級、中級、高級本課程界定DIP在如下范圍：輸入輸出是圖像；同時包括從圖像中提取屬性，并直到單個對象的辨識。因此涵蓋狹窄的DIP定義圖像分析兩部分。更詳細的說明如下：DIP的起源、發(fā)展及應(yīng)用實例1. DIP的第一個應(yīng)用發(fā)生在報紙行業(yè)。1920s早期，Bartlane電纜圖片傳送系統(tǒng)使得穿越大西洋的倫敦和紐約之間的一

4、副圖片的傳遞時間由原來的幾個星期減少到三個小時。（一端編碼，一端重構(gòu)）通過打印字符模擬中間色調(diào)打印出來的灰度圖像（5級灰度）基于圖片再生技術(shù)用穿孔紙帶打印的圖像2. 真正的DIP極大地依賴于數(shù)字計算機及相關(guān)技術(shù)，如存儲、顯示和傳送等技術(shù)的發(fā)展。而真正的現(xiàn)代計算機是1940s由John Von Neumann提出兩個重要的概念才開始的：1）內(nèi)存；2）條件分支。第一臺真正可以執(zhí)行圖像處理任務(wù)的足夠強大的計算機出現(xiàn)在1960s早期，此時DIP的發(fā)展也得益于這時的空間計劃。由旅行者7號于1964年7月31號在東部白天時間上午9：09發(fā)回的第一張美國航天器拍攝（著陸前17分鐘的月球表面圖像，網(wǎng)狀標(biāo)記表示

5、經(jīng)過了幾何校正。3. DIP的空間應(yīng)用取得不斷進展時，于1960s末和1970s開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感探測和天文學(xué)等尖端科學(xué)領(lǐng)域。CAT (Computerized axial Tomography，簡稱CT）（Prof. Hounsfield and Cormack)是DIP在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。4. 從1960s至今，DIP已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍更加廣闊。計算機程序用于增強對比度，或者將圖像強度編碼成彩色以便于解釋X射線和用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)及生物科學(xué)領(lǐng)域的其他圖像，地理學(xué)者用相同的技術(shù)從航空和衛(wèi)星圖像中研究污染模式。圖像增強和復(fù)原過程用于處理不可修復(fù)物體的有損圖像或者造價

6、昂貴而不可復(fù)現(xiàn)的實驗結(jié)果。在考古學(xué)領(lǐng)域，使用圖像處理方法已成功復(fù)原了模糊的圖片，這些圖片那些丟失或損壞了的稀有物品的唯一現(xiàn)存記錄。在物理學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域，計算機技術(shù)通常增強如高能等離子和電子顯微鏡方法等得到的實驗圖像。同時，DIP還成功應(yīng)用在天文學(xué)、核醫(yī)學(xué)、法律實施、國防及工業(yè)等領(lǐng)域中。5. 在DIP的第二類主要應(yīng)用領(lǐng)域，即機器感知問題（利用的信息主要有：統(tǒng)計矩、Fourier變換系數(shù)、多維距離測度等）上，典型的有：自動字符識別、由于生產(chǎn)線及檢測的工業(yè)機器視覺、軍事識別、指紋的自動處理、X射線和血樣分類處理、用于天氣預(yù)報和環(huán)境鑒定的航空與衛(wèi)星圖像的機等器處理。隨著計算機性價比的不斷提高，和萬維網(wǎng)及

7、互聯(lián)網(wǎng)通信帶寬的擴展，為DIP的持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機會。其中一些應(yīng)用領(lǐng)域在下面以圖像來源（電磁波譜圖像、顯微圖像、合成圖像等）為類別舉例進行說明。其中每一個實例都要用到以后的某種DIP技術(shù)進行處理。DIP應(yīng)用領(lǐng)域舉例根據(jù)光子能量分布排列的電磁波譜電磁波譜（electromagnetic spectrum)來源于電磁波譜輻射的圖像是人們最熟悉的，特別是在X射線和可見光譜帶的圖像。電磁波可以看成是不同以各種波長在傳遞的正弦波，也可以看出是無質(zhì)量的粒子束。每一束能量即稱為一個光子。電磁波譜可以按每光子的能量或波長來進行分組。A. Gamma-Ray imaging其主要用途包括核醫(yī)學(xué)核天文觀測

8、。PET：positron emission tomographyGamma射線成像：a)骨骼掃描b)骨骼PET圖像；c)天鵝座星環(huán)(Cygnus Loop)；d)來自反應(yīng)堆電子管的Gamma輻射；B. X-Ray Imaging上：胸部X射線下：大動脈（aortic)血管造影（angiogram)X-Ray是最早用于成像的電磁輻射之一，最熟悉的X-Ray應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)學(xué)診斷，但其還被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如天文學(xué)。C. Imaging in the Ultraviolet Band 紫外線的應(yīng)用范圍較廣，包括平版印刷術(shù)（lithography)、工業(yè)檢測、顯微鏡、激光、生物成像、航天觀察等。其中

9、，紫外熒光顯微技術(shù)是今年來發(fā)展最迅速的顯微技術(shù)之一。a) 正常的谷物b)得了黑穗病的谷物c) 天鵝座星環(huán)D. 可見光及紅外波段成像由于電磁波譜可見光波段是所有波段中我們最熟悉的，因此，在這一波段的成像應(yīng)用領(lǐng)域遠遠超過其他波段就不足為期了。紅外波段常用于與可見光相結(jié)合成像。光學(xué)顯微鏡成像的幾個例子：紫衫酚（抗癌藥物），放大250倍；b) 膽固醇，放大40倍；c) 微處理器，放大60倍；d) 氧化鎳薄片；e) 音軌CD表面，放大1750倍；f) 有機超導(dǎo)體，放大450倍由NOAA（國家海洋與大氣管理局）的 GEOS拍攝的颶風(fēng)Andrew的多譜圖像E. 微波成像其主要應(yīng)用是雷達，雷達的最大優(yōu)勢是其不

10、受氣候、光照等的影響，可以在任何時間、任何環(huán)境下使用。在許多情況下，雷達是探測地表不可接近地區(qū)的唯一方法。Tibet東南部山脈的太空雷達圖像（NASA提供）F. 無線電波成像MRI：magnetic resonance imagingMRI圖像：a) 膝蓋；b) 脊柱；G: 其他成像模式主要如：聲音成像、電子顯微鏡和合成圖像。聲音分低頻段（幾百赫茲）(地質(zhì)勘探）、超聲波（百萬赫茲）（醫(yī)學(xué)超聲等）利用聲波低頻段得到的地震模型的橫斷面圖像超聲波圖像電子顯微圖像TEM: transmission Electron microscope；SEM: scanning electronmicroscope

11、DIP的基本步驟及內(nèi)容（課程結(jié)構(gòu)）DIP的幾個重要階段醫(yī)學(xué)圖像發(fā)展概況現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像已趨于完全數(shù)字化，或者說數(shù)字圖像技術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。1. 倫琴（Rontgen）開創(chuàng)了人體圖像的先河Rontgen指環(huán)圖 人類第一張X 線圖像經(jīng)過百年的發(fā)展，應(yīng)用X 線機可觀察人體內(nèi)部的骨骼、肺結(jié)核病變等，通過造影技術(shù)，可以觀察心臟、血管及消化道等管狀器官。X 線機是臨床醫(yī)院必備的醫(yī)療設(shè)備。隨著相關(guān)科技的發(fā)展，X線投影成像技術(shù)，一直在不斷地改進和發(fā)展。2. CT技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)成像20世紀(jì)6070年代，隨著美國阿波羅登月計劃的結(jié)束，大批科學(xué)家、工程技術(shù)人員將研究方向轉(zhuǎn)移到生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，促進了該學(xué)科

12、領(lǐng)域技術(shù)水平的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了人類觀察自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新的里程碑X 射線斷層成像技術(shù)（X ray computed tomography, CT）。First GenerationOne detectorTranslation-rotationParallel-beam(From G. Wang)Second GenerationMultiple detectorsTranslation-rotationSmall fan-beam(From G. Wang)Third & Fourth Generations(From Picker)(From Siemens)3. PET功能醫(yī)學(xué)成像及其他的成像模式80年代相繼出現(xiàn)了基于現(xiàn)代物理技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)設(shè)備，如數(shù)字減影血管造影(Digital subtraction angigraphy, DSA)，磁共振成像技術(shù)（Magnetic resonance imaging, MRI）、發(fā)射型斷層成像技術(shù)（Emission computed tomography,ECT），包括單光子發(fā)射型斷層成像技術(shù)（Single photon emission computed tomography,SPECT）和正