圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)

數(shù)字（醫(yī)學(xué)）圖像處理Digital(Medical)ImageProcessing第一章圖像技術(shù)基礎(chǔ)第一章數(shù)字圖像處理的基本概念圖像和像素圖像技術(shù)及分類圖像表示圖像顯示圖像存儲與格式視覺基礎(chǔ)顏色視覺和色度學(xué)1.1圖像和像素圖像是用各種觀測系統(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而產(chǎn)生視知覺的實體。簡而言之，圖像可簡單表述為人眼對于客觀世界的視覺響應(yīng)。人類從外界獲得的信息約有75％來自視覺系統(tǒng)1.1.1圖像分類（1）“物理圖像”(physicalimages)

物質(zhì)或能量的實際分布“可見的圖像”(visibleimage)“圖片”包括“照片”(photograph)、“圖”(drawings指用線條畫成的)和“畫”(paintings)，“圖片”等價于“圖像”，也就是說“picture”經(jīng)常和“image”一詞混用；“光圖像”(opticalimages)，即用透鏡、光柵和全息術(shù)產(chǎn)生的圖像，如熒幕、屏幕上出現(xiàn)的影像。光(學(xué))圖像是光強度的空間分布?！安豢梢姷膱D像”，如溫度、壓力、高度以及人口密度等的分布圖。按照圖像的存在形式分1.1.1圖像分類（2）抽象圖像即“數(shù)學(xué)圖像”，包括連續(xù)函數(shù)和離散函數(shù)。離散函數(shù)圖像就是計算機可以處理的形式。物理圖像必須要變成離散函數(shù)才能被計算機處理。1.1.1圖像分類彩色圖像，又稱為“多光譜圖像”圖像上的每個點有多于一個的局部特征。彩色電視中重現(xiàn)的三基色圖像，每個像素點就需要有紅、綠、藍三個基色的三個亮度值表示。遙感圖像可以提供多達7個不同通道的信息。黑白圖像，又稱“灰度圖像”、“亮度圖像”、“單色圖像”等，每個像素點只有一個亮度值。黑白照片黑白電視畫面。按照圖像的色彩特性分1.1.1圖像分類“可見光圖像”；“紅外光圖像”；“雷達圖像”；“聲吶圖像”。按照圖像的光譜特性分1.1.1圖像分類“動態(tài)圖像”隨時間變化的圖像，如電視和電影畫面?！办o止圖像”不隨時間變化的圖像，如各類圖片。按照圖像的時間特性分1.1.2圖像信息的分類三類符號信息景物信息情緒信息圖像信息——(1)符號信息一般是用文字、符號、圖形等表示的具體的或抽象的事物。電路圖、機械圖、打印的文件等，一般用二值圖像表示。地圖中也包含大量符號，但需要關(guān)注顏色信息，因為它們都有確定的物理含義，如藍色一般表示濕地。圖像信息——(2)景物信息是一種能夠使人產(chǎn)生主觀感覺，但不取決于人本身的客觀場景中包含的信息。景物信息內(nèi)容豐富，較難以表達，只有在明確目標(biāo)的前提下，才能得到正確處理如衛(wèi)星云圖中蘊含著氣旋信息，氣旋的位置與強度是一種客觀存在。圖像信息——(3)情緒信息依賴于觀察者，如藝術(shù)圖片的效果就與觀看者本身的生理、心理、修養(yǎng)有很大的關(guān)系，此類信息無法刻畫。1.1.3圖像處理的基本方法圖像處理（imageprocessing）對圖像加工的各種技術(shù)方法的統(tǒng)稱，它已被廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域?；痉椒M圖像處理數(shù)字圖像處理1.2圖像技術(shù)及分類圖像處理技術(shù)目的在于解決圖像采集、存儲、傳輸、使用圖像信息問題圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱1.2圖像技術(shù)及分類伴隨計算機技術(shù)發(fā)展而來，成型于登月競賽時代1946年第一臺電子計算機60年代，第三代計算機JPL圖像增強和圖像復(fù)原70年代遙感和醫(yī)學(xué)圖片

Rosenfeld，197680年代3D圖像獲取設(shè)備以及分析系統(tǒng)90年代人類生活和社會發(fā)展的各個方面美國航天器傳送的第一張月球照片，“旅行者7號”1964年7月31日9點09分在光線影響月球前17分鐘前攝取的圖像1.2圖像技術(shù)及分類圖像處理指所有涉及與圖像信息加工相關(guān)的技術(shù)主要功能包括： 對圖像的各種加工 基于加工結(jié)果的判斷決策和行為規(guī)劃 為此進行的硬件設(shè)計及制作1.2圖像技術(shù)及分類分為三個層次圖像處理（圖像——>圖像）

對圖像的增強、傳輸、儲存等，改善人眼獲得的視覺信息圖像分析（圖像——>數(shù)據(jù)）從視覺信息中發(fā)掘表達信息特征的抽象數(shù)據(jù)圖像理解（圖像——>解釋）對圖像特征的理解，主觀感受信息圖像工程的三個層次圖像工程的三個層次3個層次圖像技術(shù)分類及名稱圖像處理圖像采集、獲取及存儲圖像重建圖像變換、濾波、增強、恢復(fù)、拼接圖像壓縮編碼等圖像分析邊緣檢測、圖像分割目標(biāo)表達、描述、測量目標(biāo)顏色、形狀、紋理、空間、運動分析目標(biāo)檢測、跟蹤、提取、識別、分類等圖像理解圖像解釋、推理序列圖像配準、融合圖像建模等圖像工程相關(guān)學(xué)科主要相關(guān)學(xué)科：

圖形學(xué)：原指用圖形、圖表、繪圖等形式表達數(shù)據(jù)信息的科學(xué)，而計算機圖形學(xué)研究的就是如何利用計算機技術(shù)來產(chǎn)生這些形式 圖像模式識別：試圖把圖像分解成可用符號較抽象地描述的類別

計算機視覺：主要強調(diào)用計算機實現(xiàn)人的視覺功能，目前的研究內(nèi)容主要與圖像理解相結(jié)合

圖像工程與相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的聯(lián)系和區(qū)別圖像處理應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域示例視頻通信：可視電話，電視會議，按需電視，遠程教育；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；生物醫(yī)學(xué)：紅白學(xué)球計數(shù)，染色體分析、X光、CT、MRI、 PET圖像分析，醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬規(guī)劃，遠程醫(yī)療；遙感測繪：巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，無人駕駛飛機飛行，精確制導(dǎo)，礦 藏勘探，資源探測，氣象預(yù)報，自然災(zāi)害監(jiān)測；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，移動機器人，無損探測，金相分析，印刷板質(zhì)量檢驗，精細印刷品缺陷檢測；軍事公安：雷達圖像分析、巡航導(dǎo)彈路徑規(guī)劃/制導(dǎo)，罪犯臉 形合成、識別，指紋、印章的鑒定識別；交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。1.3圖像表示圖像表示

M*N矩陣

列矢量行矢量

1.3圖像表示像素空間排列——鄰域像素的鄰域

4-鄰域——N4(p)：

對角鄰域——ND(p)：

8-鄰域——N8(p)：像素鄰域鄰域表達了兩重意義：像素間的空間排列關(guān)系像素間的關(guān)系像素間的鄰接，連接和連通連接和連通 兩個像素是否連接：

(1)是否鄰接 (2)灰度值是否滿足某個特定的相似準 則，如灰度值具有相似性。連接分類三種連接

(1)4-連接： 2個像素p和r在V中取值且r在N4(p)中 (2)8-連接： 2個像素p和r在V中取值且r在N8(p)中連接分類(3)m-連接（混合連接）： 2類像素

p和

r在V中取值 且滿足下列條件之一

①r在N4(p)中 ②r在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(r)是空集 （這個集合是由p和r的在V中取值的

4-連接像素組成的）混合連接像素集合的鄰接和連通

對2個圖像子集S和T來說，如果S中的一個或一些像素與T中的一個或一些像素鄰接，則可以說2個圖像子集S和T是鄰接的 完全在一個圖像子集中的像素組成的通路上的像素集合構(gòu)成該圖像子集中的一個連通組元 如果S中只有1個連通組元，即S中所有像素都互相連通，則稱S是一個連通集像素間距離距離量度函數(shù)

3個像素p，q，r，坐標(biāo)(x,y)，(s,t)，(u,v)

(1)

兩個像素之間的距離總是正的

(2)

距離與起終點的選擇無關(guān)

(3)

最短距離是沿直線的像素距離度量函數(shù)表達距離量度函數(shù)

(1)歐氏（Euclidean）距離—模2距離

(2)城區(qū)（city-block）距離—模1距離 (3)棋盤（chessboard）距離—模無窮距離像素間距離等距離輪廓圖案D4距離 D8距離像素距離像素距離計算示意DE=5D4=7D8=41.4圖像顯示圖像顯示

圖像處理的結(jié)果多是供觀察的 圖像數(shù)據(jù)亮度模式顯示顯示設(shè)備 電視顯示器，液晶顯示器 陰極射線管（CRT) 打印設(shè)備 轉(zhuǎn)換到幻燈片、照片或透明膠片上半調(diào)輸出

一般打印設(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，通過控制二值點模式的形式（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像轉(zhuǎn)化為二值圖像的技術(shù) 輸出二值圖像，看到灰度圖像

半調(diào)輸出用15種色調(diào)的設(shè)備，從倫敦到紐約，用電纜進行傳送的Perihing

和Fozh兩將軍未經(jīng)修飾的圖片半調(diào)輸出調(diào)制模板

每個輸出單元內(nèi)包含若干個基本二值點 每個模板對應(yīng)一個輸出單元

22

5

種灰度半調(diào)輸出調(diào)制模板

3

3

10種灰度

半調(diào)輸出半調(diào)技術(shù)犧牲圖像的空間點數(shù)而增加圖像的灰度級數(shù)要保持細節(jié)，灰度級數(shù)就有限抖動技術(shù)抖動（dithering）輸出技術(shù)引入隨機運算，誤差傳遞到鄰近像素（抖動）提高灰度等級抖動技術(shù)Floyd-Steinberg算法

灰度級別的范圍從b(black)到w(white)，中間值t為（b+w）/2，對應(yīng)256級灰度，b=0；w=255；t=127.5；設(shè)原圖中像素的灰度為g，誤差值為e，則新圖中對應(yīng)像素的值用如下的方法得到：ifg>tthen打白點e=g-welse打黑點e=g-b

3/8*e加到右邊的像素3/8*e加到下邊的像素1/4*e加到右下方的像素抖動技術(shù)通過誤差傳遞導(dǎo)致整體灰度平衡，如灰度130，灰度250，灰度5等1.5圖像存儲及格式圖像存儲依賴于圖像系統(tǒng)存儲器可移動存儲器CompactFlash卡（CF）SmartMedia卡（SD）ATAFlash在線存儲器磁盤、光盤、光盤塔圖像數(shù)據(jù)存儲格式圖像數(shù)據(jù)一般以文件形式存儲包含兩類信息：圖像頭文件+數(shù)據(jù)區(qū)圖像頭文件包含對圖像數(shù)據(jù)文件組織的描述信息，如圖像總體特征、調(diào)色板、編碼算法等等圖像數(shù)據(jù)區(qū)即圖像像素數(shù)據(jù)區(qū)圖像表示格式矢量格式用線段或線段的組合體來表示圖像，是對繪圖方法的描述光柵格式用許多圖像點的集合來表示圖像BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG格式

圖像文件主要特征（1）描述圖像的高度、寬度以及各種物理特征的數(shù)據(jù)；（2）彩色定義：每點bit數(shù)(決定顏色的數(shù)量)、彩色平面數(shù)，非真彩色圖像要提供一個調(diào)色板；（3）描述圖像的位圖數(shù)據(jù)體：將該圖像由一個數(shù)據(jù)矩陣描述出來，該矩陣的結(jié)構(gòu)由圖像的高、寬及每點bit數(shù)決定。如果圖像采用了壓縮，每行數(shù)據(jù)都用特定壓縮算法壓縮過，使用前需解碼。BMP格式圖像三部分組成：表頭——格式長度固定為54字節(jié)，包括圖像文件類型、大小、位圖陣列起始位置等位圖信息（調(diào)色板）——包括像素位寬、壓縮方法等位圖陣列——數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，常見彩色圖像為3字節(jié)為一個像素，分別表示該像素的紅、綠、藍光譜分量信息常見圖像存儲格式英文名稱類型說明Taggedimagefileformat*.TIFDOS,UNIX及Macintosh圖像EncapsulatedPostScript*.EPS出版業(yè)使用格式Graphicalinterchangeformat*.GIFCompuSever圖形格式JointPhotographicExpertsGroup*.JPEG數(shù)碼相機圖像Bit-Mappedformat*.BMPMicrosoftWindows標(biāo)準格式1.6視覺基礎(chǔ)視覺生理/視覺特性/視覺模型/視覺應(yīng)用視覺研究基礎(chǔ)研究視覺心理現(xiàn)象法則（心理學(xué)）視覺信息加工機理（生理學(xué)）應(yīng)用研究視環(huán)境的改善和視機能應(yīng)用（照明工程學(xué)、人類工程學(xué)）圖像改善和評價（圖像工程）模擬視覺機能的信息處理（信息工程、人工智能心理測定模擬技術(shù)視覺過程

15/100=2.55/17視覺生理特點對圖像處理方法的影響很大人眼的結(jié)構(gòu)視錐細胞和視桿細胞在視網(wǎng)膜上的分布錐狀（cone）視覺：白晝視覺，色彩；桿狀（rod）視覺：夜視覺，低照度敏感。視覺過程視覺＝“視”＋“覺”

亮度感受分辨力在不同的亮度適應(yīng)級，人眼的分辨力不同，如圖所示，I是背景光強，I是光強的變化，稱為韋伯比，表示光強分辨力

光強分辨力的典型韋伯比分辨力馬赫帶效應(yīng)同時對比效應(yīng)圖1、圖像質(zhì)量評價與視覺心理對圖像質(zhì)量的最終評價是由人的感覺器官和心理狀態(tài)來決定的。與圖像內(nèi)容以及觀察者的心理因素有關(guān)。從圖像信息傳輸角度出發(fā)，圖像系統(tǒng)評價的真正尺度應(yīng)該是發(fā)出信息者的意圖為接收信息者所理解的程度，而不是對發(fā)出信息者發(fā)出的圖像像素信息集合的簡單接收。圖像質(zhì)量評價方法1.客觀評價信噪比等缺點是不容易取得客觀評價指標(biāo)的計算，不能反映視覺心理2.主觀評價根據(jù)視覺效果進行評分一般方法1.7顏色視覺和色度學(xué)顏色視覺色度學(xué)色度圖RGB模型HIS模型彩色視覺模型Thomas—Young三色假說

g3g1g2d3d2d1e3e1e2線性系統(tǒng)-黃綠色視錐感受器藍色視錐感受器綠色視錐感受器LOGLOGLOG+-+H2(Wx,Wy)H1(Wx,Wy)H3(Wx,Wy)神經(jīng)信號彩色視覺模型彩色響應(yīng)在上圖模型中，e1、e2、e3代表視網(wǎng)膜三個具有S1()、S2()、S3()譜靈敏度的感受器，其輸出分別為

C()為入射光譜的能量分布函數(shù)

彩色信息融合e1、e2、e3經(jīng)對數(shù)傳傳遞后合并為d1、d2、d3輸出：色度學(xué)3個基本顏色——紅（R,red）、綠(G,green)和藍(B,blue)國際照明委員會（CIE），1931年規(guī)定3種基本色的波長為R:700nm,G:546.1nm,B:435.8nm。三色系統(tǒng)彩色加法系統(tǒng)（左）與減法系統(tǒng)（右）利用3基色疊加可產(chǎn)生光的3補色：品紅（M,magenta，即紅加藍）、藍綠（C,cyan，即綠加藍）、黃（Y,yellow，即紅加綠）。按一定的比例混合3基色或?qū)?個補色與相對的基色混合就可以產(chǎn)生白色。光的混合滿足加色定理。色度圖xyz相對三色系數(shù)（色品坐標(biāo)）x+y+z=1,(x,y)CIE色度圖。對應(yīng)于x=y=0.33的E點，稱等能量點，CIE標(biāo)準白光。0.800.20.8xy520nm700-770nm紅藍綠NTSCPAL紫

色度圖色品坐標(biāo)系顏色特征區(qū)分顏色通常用3種基本特性：亮度色調(diào)飽和度。色調(diào)和飽和度合起來稱為色度。顏色可以用亮度和色度共同表示坐標(biāo)系為組成某種顏色所需的紅、綠、藍的量稱為3個刺激量，分別用R、G、B表示。

顏色還可以用色品值r、g、b（相對色系數(shù)）表示，定義如下

主要彩色匹配規(guī)則：任何彩色可以用不多于三個基色配成；混合色的光亮度等于各分量亮度之和；人眼不能分解混合彩色的各個分量；在某一亮度等級上的彩色匹配可適用于較寬的亮度范圍；通用的彩色模型RGB模型HSI模型（1）RGB模型（2）HSI模型視覺生理模型色調(diào)（H，Hue）、色飽和度（S，Saturation）以及亮度（I，Intensity在特定應(yīng)用環(huán)境中，用于圖像分析有特殊的優(yōu)勢在只有光照亮度發(fā)生變化的應(yīng)用中，不考慮亮度，只使用色度進行區(qū)域分割。圓錐體模型RGB到HSIHSI到RGB1.8圖像噪聲噪聲的特征噪聲的來源噪聲模型（1）噪聲的特征圖像信號，f(x,y)噪聲，n(x,y)，隨機性的，可以用隨機過程來描述。一般常用統(tǒng)計特征來描述，如均值、方差、相關(guān)函數(shù)等。均值E[n(x,y)]反映噪聲的直流分量，均方值E{n2(x,y)}反映噪聲的總功率，均方差E{(n(x,y)-E[n(x,y)])2}描述噪聲的交流功率，均值的平方[E{n(x,y)}]2，表示噪聲的直流功率。（2）噪聲的來源外部噪聲：從處理系統(tǒng)外來的影響，如電磁波干擾。內(nèi)部噪聲：(1)由光和電的基本性質(zhì)引起的噪聲。(2)機械運動產(chǎn)生的噪聲。(3)元器件材料本身的缺陷帶來的噪聲。(4)系統(tǒng)內(nèi)部電路噪聲。噪聲分類從統(tǒng)計觀點看平穩(wěn)噪聲凡是統(tǒng)計特征不隨時間變化的；非平穩(wěn)噪聲統(tǒng)計特征隨時間變化的。從噪聲幅度分布的統(tǒng)計來看其密度函數(shù)有高斯型、瑞利型等，分別稱為高斯噪聲和瑞利噪聲。按噪聲頻譜形狀命名的，如頻譜均勻分布的噪聲稱為白噪聲，頻譜與頻率成反比的稱為1/f噪聲，頻譜與頻率平方成正比的稱為三角噪聲（3）噪聲的模型加法性噪聲：g(x,y)=f(x,y)+n(x,y)

乘法噪聲：g(x,y)=f(x,y)[1+n(x,y)]=f(x,y)+f(x,y)n(x,y)

數(shù)字圖像，數(shù)字化（1）連續(xù)畫面空間坐標(biāo)離散化——采樣：方形、三角形、正六角形點陣等。采樣點陣（2）采樣點（像素）幅值（實數(shù)）取整——量化：均勻、非均勻/矢量、標(biāo)量1、圖像的均勻采樣yxxy典型的采樣方式二維采樣定理對于二維有限帶寬信號fc(x,y)，如果其二維傅立葉變換只在的范圍內(nèi)不為零，那么采樣間隔必須滿足這樣才能保證信號可以重構(gòu)。該條件稱為Nyquist采樣定理

2、圖像的量化q1

q0

q2

qN-1

0f0f1f2

fN-1

fNfq量化過程量化的準則是：若則

量化誤差“量化誤差”“量化失真”由量化誤差產(chǎn)生的圖像失真稱為量化失真。數(shù)字圖像舉例xy0g(x,y)只改變空間分辨率512、256、128、64、32、16改變空間分辨率只改變灰度級：8、16、32、64、128、2561.9圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成構(gòu)造特點面向?qū)ο蟆⒚嫦驊?yīng)用基本成分硬件、軟件分類專用、通用硬件結(jié)構(gòu)圖像數(shù)字化設(shè)備圖像處理設(shè)備（計算機）圖像顯示設(shè)備圖像存儲設(shè)備圖像處理設(shè)備終端輸出圖像存儲輸入圖像存儲圖像采集及數(shù)字化設(shè)備圖像顯示設(shè)備程序庫數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的構(gòu)成圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成圖示圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成圖像采集：？電信號（電流、電壓）圖像數(shù)字化設(shè)備：將圖像轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字形式，通常用數(shù)字矩陣表示轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖像處理設(shè)備（計算機）：包括硬件設(shè)備和軟件兩部分，即圖像存儲設(shè)備、CPU、程序庫等，其中軟件或算法是本課程研究的重點。圖像顯示設(shè)備：包括永久顯示設(shè)備和暫時顯示設(shè)備CRT、LED等為暫時顯示設(shè)備打印機、照片等可永久顯示圖象顯示設(shè)備的性能評價通常由人眼觀察的圖像效果決定。圖像處理系統(tǒng)性能主要衡量指標(biāo)圖像分辨率：“空間分辨率”，圖像處理系統(tǒng)具有的分辨圖像細節(jié)的能力，線對/數(shù)字圖像的點陣數(shù)般來說，高分辨率的不應(yīng)低于1024768點陣，中分辨率的為512512或576768點陣，低分辨率的則為256256點陣。圖像分解力：是指圖像系統(tǒng)對圖像明暗程度或色彩的分解能力，bit數(shù)表示，bit數(shù)越高，性能越好衡量指標(biāo)：標(biāo)稱值/實際值兩種標(biāo)稱值指系統(tǒng)A/D取的bit數(shù)實際值則指系統(tǒng)實際所達到的bit位數(shù)，實際值常用有效bit位數(shù)表示。指標(biāo)硬件指標(biāo):處理功能圖像的代數(shù)運算、邏輯運算、直方圖統(tǒng)計、卷積、FFT、二值化以及圖像的形態(tài)學(xué)運算等。功能參數(shù)。主機功能：主要指軟件的功能和環(huán)境包括處理功能、處理速度。主機處理還涉及軟件環(huán)境（DOS/Windows/Unix），以及編程語言、庫函數(shù)、菜單形式等?，F(xiàn)狀與趨勢大量的工作集中在算法和應(yīng)用軟件的研制上，將涌現(xiàn)更多的應(yīng)用系統(tǒng)圖像硬件系統(tǒng)的發(fā)展則集中在高速圖像處理系統(tǒng)和各種專業(yè)系統(tǒng)的研制1.10數(shù)字圖像處理的幾個基本術(shù)語數(shù)字化(digitizing)將一幅圖像從其原來的形式轉(zhuǎn)