第1章 緒論(附：工程應用簡介)2010

數(shù)字圖像處理及分析

DigitalImageProcessing王培珍安徽工業(yè)大學電氣信息學院

E-mail:pzhwang@主教材[美]RefaelC.Gonzalez&RichardE.Woods．數(shù)字圖像處理（第二版）．阮秋琦，阮宇智，等譯．北京：電子工業(yè)出版，2003參考讀物[1]張弘，數(shù)字圖像處理與分析，機械工業(yè)出版社，2007

．[2]K.R.Castleman．DigitalImageProcessing．清華大學出版社，2002[3]章毓晉．圖像工程．清華大學出版社，2006[4]夏良正．數(shù)字圖像處理．東南大學出版社，1999[5]徐建華編著，圖像處理與分析，科學出版社，1992[6]王潤生編著，圖像理解，國防科技大學出版社，1995[7][美]?？?MilanSonka)，VaclavHlavac，RogerBoyle著，圖像處理、分析與機器視覺，人民郵電出版社

2003[8]阮秋琦編著，數(shù)字圖像處理學（第二版），電子工業(yè)出版社,2007第1章緒論1.1數(shù)字圖像的基本概念1.2數(shù)字圖像處理1.3相關學科和領域1.4數(shù)字圖像處理的主要應用與發(fā)展趨勢1.5工程應用簡介1.1數(shù)字圖像的基本概念圖：反射光或透射光的分布，或自身發(fā)出的能量(客觀)像：人的視覺系統(tǒng)對圖的接收在大腦中形成的印象或認識，是對客觀存在的物體的一種相似性的、生動的寫真或描述。（主觀）觀察系統(tǒng)使用的光波段：可見光、紅外、X射線、微波、超聲波、射線等圖像：靜止——文字、圖片等運動——飛行物、心臟圖

物體圖像數(shù)學圖像不可見的物理圖像可見的圖像光圖像照片、圖與畫如紅外、遙感圖像數(shù)學函數(shù)分類（Castleman）400nm700nm紫外光紅外光546.1nm435.8nm780nm單波段、多波段和超波段圖像三種典型地物的波譜反射特性

色彩：黑白、彩色1.1

數(shù)字圖像的基本概念1.1數(shù)字圖像的基本概念模擬圖像（Analogimage）用連續(xù)函數(shù)來描述(光照位置和光照強度均為連續(xù)變化的)數(shù)字圖像（Digitalimage)可用矩陣或數(shù)組來描述,

像素或像元的屬性：空間位置和灰度由連續(xù)的模擬圖像采樣和量化而得，基本單位是像素，是像素的集合整數(shù)坐標和整數(shù)灰度值1.1數(shù)字圖像的基本概念圖像是人類信息獲取的重要手段數(shù)字圖像的分辨率逐步提高數(shù)字圖像可以充分利用現(xiàn)代化的數(shù)字通訊和信息傳輸技術數(shù)字圖像可以長期保存和永不失真1.2.1圖像處理的基本概念1.2.2數(shù)字圖像處理的基本特點1.2.3數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容1.2數(shù)字圖像處理

圖像處理:

是對圖像信息進行加工處理，以滿足人的視覺心理和實際應用的需求圖像處理方法：光學方法、電子學方法1.2.1

數(shù)字圖像的基本概念1.2.1圖像處理的基本概念模擬圖像處理(Analogimageprocessing)：包括光學處理（利用透鏡）和電子處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號處理等，電視圖像是模擬信號處理的典型例子，它處理的是活動圖像，25幀/秒。優(yōu)點：速度快，一般為實時處理，理論上講可達到光的速度，并可同時并行處理。缺點：精度較差，靈活性差，很難有判斷能力和非線性處理能力。

數(shù)字圖像處理(DigitalImageprocessing)：亦稱計算機圖像處理，指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式并利用計算機對數(shù)據(jù)進行處理的過程。

優(yōu)點：精度高，內(nèi)容豐富，可進行復雜的非線性處理，靈活的變通能力，一只要改變軟件就可以改變處理內(nèi)容。1.2.1圖像處理的基本概念發(fā)展簡史：20世紀20年代，紐約－倫敦海底電纜傳輸數(shù)字化的新聞圖片。數(shù)字壓縮技術：1星期減少到3小時1921年電報打印機采用特殊字符在編碼紙帶打印。輸出設備從專用到通用再到專用。1929年從倫敦到紐約15級色調(diào)通過電纜傳遞照片。從早期5個灰度到15灰度。采用了數(shù)字壓縮技術.現(xiàn)在的網(wǎng)絡、移動通信再次歷經(jīng)這個過程。1922年兩次穿越大西洋，穿孔紙得到圖像。圖像通信系統(tǒng)信源編碼和信道編碼。1.2.1圖像處理的基本概念1964年美國噴氣推進實驗室（JPL）正式使用數(shù)字計算機對“徘徊者7號”（Ranger7)太空船送回的四千多張月球照片進行了處理（校正畸變），效果顯著，標志著圖像處理技術開始得到實際應用。60年代末，數(shù)字圖像處理這門新興學科正式誕生。美國航天器傳送的第一張月球照片，1964年7月31日9:09（東部白天時間）在光線影響月球表面17分鐘攝取的圖像。1.2.1圖像處理的基本概念70年代，CT（斷層技術）的發(fā)明，血球自動分類儀的商業(yè)化CT發(fā)明獲得1979年諾貝爾醫(yī)學獎。X射線（1895年發(fā)現(xiàn)）1901年物理學獎。1.2.1圖像處理的基本概念1.2.2數(shù)字圖像處理的基本特點信息量大圖像數(shù)據(jù)量龐大，一幅1024×1024不經(jīng)壓縮的真彩色圖像，數(shù)據(jù)量達3MB（即1024×1024×8bit×3=24Mb），X射線照片一般用64～256Kb的數(shù)據(jù)量，一幅遙感圖像為3240×2340×4＝30Mb占用的頻帶較寬：電視圖像的帶寬5～6MHz，而語言帶寬4KHz，頻帶越寬，技術實現(xiàn)難度越大像素相關性大：壓縮潛力大評價受人的影響大處理的多樣性，設計不同的圖像處理程序，可以實現(xiàn)各種不同的處理目的通用性、靈活性強，不管是可視圖像還是X光圖像、熱紅外圖像、超聲波圖像等不可見光圖像，圖像數(shù)字化后，都可同樣進行處理

提高圖像的視感質(zhì)量，以達到賞心悅目的目的。如去噪，改變圖像的亮度、顏色，增強圖像中的某些成份、抑制某些成份，對圖像進行幾何變換等。提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計算機分析，如用作模式識別、計算機視覺的預處理等。對圖像數(shù)據(jù)進行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲和傳輸。信息可視化。溫度場、流速場、生物組織內(nèi)部信息安全需要。數(shù)字水印、圖像信息隱藏1.2.3數(shù)字圖像處理的目的表達：建模，圖像采樣、數(shù)字化圖像和視覺基礎圖像變換：提高圖像質(zhì)量圖像處理圖像基礎圖像增強： 改善圖像質(zhì)量圖像幾何處理：平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲圖像復原： 去噪聲、去模糊圖像重建： 重建原始圖像圖像編碼壓縮，減少存儲量和傳輸量1.2.4數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容1.2.4數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容圖像增強1.2.4數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容圖像復原1.2.5圖像工程?圖像分析(ImageAnalysis)

圖像分析主要是對圖像中感興趣的目標進行分割，紋理、形狀等特征的提取、檢測和測量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對圖像的描述，有利于計算機對圖像進行分類、識別和理解。圖像處理:從圖像到圖像圖像分析:

從圖像到數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)可以是目標特征的測量結(jié)果，或是基于測量的符號表示，它們描述了目標的特點和性質(zhì)。

1.2.5圖像工程圖像理解(ImageUnderstanding)

圖像理解的重點是在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目標的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對圖像內(nèi)容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋，從而指導決策。圖像分析:主要是以觀察者為中心研究客觀世界.圖像理解:在一定程度上就是以客觀世界為中心，借助知識、經(jīng)驗等來把握整個客觀世界（包括沒有直接觀察到的事物）。1.2.5圖像工程圖像/模式識別（Image/PatternRecognition）作為一門學科有其系統(tǒng)的理論基礎和技術方法。在數(shù)字圖像處理中，指在圖像增強、分析等基礎上，提取圖像的有關特征，進而對圖像中的物體進行分類、描述和解譯。

1.2.5圖像工程1.3.1數(shù)字信號處理學1.3.2計算機圖形學1.3.3計算機視覺1.3相關學科和領域1.3.1數(shù)字信號處理學

數(shù)字信號處理 圖像處理研究對象： 一維數(shù)字信號二維數(shù)字信號研究內(nèi)容： 數(shù)字濾波器、數(shù)字 圖像濾波器、圖像 正交變換、數(shù)字編 正交變換、圖像編 碼等 碼等數(shù)字信號處理與圖像處理是緊密相關學科。

1.3.2計算機圖形學

計算機圖形學圖像處理研究對象：圖形 圖像研究內(nèi)容：圖形生成、透視、圖像處理、圖像分 消隱 割、圖像分析過程：由數(shù)學公式生成仿由原始圖像處理出 真圖形或圖像 分析結(jié)果計算機圖形學與圖像處理是逆過程。1.3.2計算機圖形學

圖像

描述圖像處理計算機圖形學圖像識別圖像理解1.3.3計算機視覺

計算機視覺圖像處理研究對象：圖像或圖像序列圖像研究內(nèi)容：視覺感知、圖像處理、圖像分割、 圖像理解圖像分析

過程：由圖像特征感知、由原始圖像處理出 識別和理解三維場景分析結(jié)果

1.4數(shù)字圖像處理的主要應用與趨勢1.4.1數(shù)字圖像處理的主要應用1.4.2數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢1.4.1數(shù)字圖像處理的主要應用遙感圖像應用：資源調(diào)查、災害監(jiān)測、農(nóng)林業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃、環(huán)境保護等醫(yī)學圖像應用:計算機斷層攝影計算成像CT技術、X射線、染色體分析等工業(yè)和實驗圖像應用:無損探傷、自動檢查和識別、智能機器人等1.4數(shù)字圖像處理的主要應用與趨勢1.4.1數(shù)字圖像處理的主要應用辦公室自動化圖像應用：郵政編碼圖像識別、OCR（字符識別系統(tǒng)）、自動判卷系統(tǒng)、各類圖紙自動識別與錄入系統(tǒng)等軍事公安圖像應用：自動跟蹤技術、指紋識別、不完整圖片的復原、監(jiān)控等文化藝術圖像應用：服裝設計、照片的復制和修復、運動員動作分析等圖像數(shù)據(jù)傳輸應用：圖像的存儲、刻盤、互聯(lián)網(wǎng)傳輸，以及其它衛(wèi)星傳輸、無線傳輸?shù)葟牡头直媛氏蚋叻直媛拾l(fā)展從二維（2D）向三維（3D）發(fā)展從靜止圖像向動態(tài)圖像發(fā)展從單態(tài)圖像向多態(tài)圖像發(fā)展結(jié)合應用數(shù)學新進展1.4.2數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢1.5工程應用簡介1.5.1

遙感圖像處理1.5.2

工業(yè)與實驗圖像處理1.5.3

醫(yī)學圖像處理1.5.4

辦公圖像處理1.5.5

公安圖像處理1.5.6

影視圖像處理1.5.1

遙感圖像處理軍事偵察： 戰(zhàn)略目標定位、多光譜去偽裝導彈末制導： 紅外、雷達圖像處理農(nóng)作物估產(chǎn)： 多光譜圖像分析地質(zhì)研究： 宏觀地質(zhì)結(jié)構、探礦災情估計： 紅外圖像統(tǒng)計氣象云圖： 圖像幾何處理與拼接遙感圖像增強前后的

遙感圖像高分辨率遙感圖像1高分辨率遙感圖像2香港新機場遙感圖像航片遙感多光譜圖例（7個波段）處理前后遙感：農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長勢監(jiān)測，自然災害監(jiān)測、預報，地勢、地貌測繪以及地質(zhì)構造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測等等。QuickBird示例影像:

北京頤和園高分辨率衛(wèi)星影像，拍攝時間為2003年9月。

地表覆蓋

水體界線的確定在近紅外圖像上，水體呈黑色1998年長江（枝城-岳陽）洪澇災害監(jiān)測遙感應用1.5.2工業(yè)與實驗圖像處理自動裝配生產(chǎn)線：實時圖像處理機器人視覺：立體圖像對處理無損探傷： 高能X射線探測金屬內(nèi)部車輛牌照識別： 交通管制流動顯示與測速：PIV粒子圖像測速識別棉花中的雜質(zhì)車牌識別工件裂紋檢測1.5.3醫(yī)學圖像處理病理圖像分析： 顯微圖像、染色體圖像X射線圖像處理： X射線透視和照片增強超聲圖像處理： 黑白超和彩超、動態(tài)CT圖像重建： 斷層圖像計算X光圖像增強CT切片圖像CT邊緣提取B超圖像染色體CT及核磁共振、超聲波、X射線成像分析等。如三維測量可視化軟件系統(tǒng)可對各類醫(yī)學斷層圖像進行分析處理，提供診斷依據(jù)。1.5.4辦公圖像處理郵政編碼識別： 手寫數(shù)字圖像處理識別印刷體文字識別： OCR

文字圖像識別機械圖樣自動錄入： 線條跟蹤、擬合1.5.5公安圖像處理指紋圖像處理： 刑偵、司法鑒定、自動門衛(wèi)