第1章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

數(shù)字圖像處理

DigitalImageProcessing張濤華北水利水電高校機械學(xué)院E_mail:ztncwu@126參考書目阮秋琦，數(shù)字圖像處理學(xué)，電子工業(yè)出版社KennethR.Castleman(美),DigitalImageProcessing.張德豐，詳解matlab數(shù)字圖像處理，電子工業(yè)出版社姚敏等，數(shù)字圖像處理，北京：機械工業(yè)出版社，2006

考核方式平常成果（50%）+期末考試（50%)主要內(nèi)容圖像灰度變換圖像運算圖像形態(tài)學(xué)處理彩色圖像處理

圖像平滑銳化圖像正交變換圖像壓縮編碼圖像分割第1章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理概述圖像數(shù)字化圖像質(zhì)量圖像格式1.1數(shù)字圖像處理概述為什么學(xué)習(xí)圖像處理圖像處理技術(shù)應(yīng)用圖像特點為什么學(xué)習(xí)圖像處理二、圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用越來越廣。它的應(yīng)用已滲透到了工程、工業(yè)、醫(yī)療保健、航空航天，軍事、科研、平安保衛(wèi)等各個方面，在國計民生及國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來越大的作用。

學(xué)科 應(yīng)用內(nèi)容

物理、化學(xué)

結(jié)晶分析、譜分析

生物、醫(yī)學(xué)

細(xì)胞分析、染色體分類、

血球分類、X光照片分析、CT 環(huán)境愛護(hù) 水質(zhì)及大氣污染調(diào)查 地質(zhì) 資源勘探、地圖繪制、GIS

農(nóng)林 植被分布調(diào)查、農(nóng)作物估

海洋魚群探查、海洋污染監(jiān)測

水利河流分布、水利及水害調(diào)

氣象 云圖分析等

通信 傳真、電視、多媒體通信

工業(yè)、交通工業(yè)探傷、鐵路選線、機器人、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測

經(jīng)濟(jì) 電子商務(wù)、身份認(rèn)證、防偽

軍事軍事偵察、導(dǎo)彈制導(dǎo)、電子沙盤、軍事訓(xùn)練 法律 指紋識別、人臉識別等安全 加密、信息隱藏、數(shù)字水印等X射線CTMRI成像B超圖像歸檔與管理模塊

影像顯示圖像處理模塊報告模塊（4）、工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量限制：在生產(chǎn)線中對生產(chǎn)的產(chǎn)品及部件進(jìn)行無損檢測也是圖像處理技術(shù)的一個廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。馬路路面破損圖像識別網(wǎng)裂龜裂三、圖像處理技術(shù)的分類

模擬圖像處理數(shù)字圖像處理。（1）模擬圖像處理(Analogimageprocessing)；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(dá)到光的速度，并可同時并行處理。缺點：精度較差，敏捷性差，很難有推斷實力和非線性處理實力。（2）數(shù)字圖像處理(DigitalImageprocessing)：數(shù)字圖像處理一般都用計算機處理，因此也稱之謂計算機圖像處理（ComputerImageprocessing）。優(yōu)點：處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進(jìn)行困難的非線性處理，有敏捷的變通實力，一般來說只要變更軟件就可以變更處理內(nèi)容。缺點：處理速度是一個重要問題，特殊是進(jìn)行困難的處理更是如此。一般狀況下處理靜止畫面居多，假照實時處理一般精度的數(shù)字圖像須要具有100Mips的處理實力。（1）圖像信息量和數(shù)據(jù)量大在數(shù)字圖像處理中，一幅圖像可看成是由圖像矩陣中的像素（pixel）組成的，每個像素的灰度級至少要6bit（單色圖像）來表示，一般接受8bit（彩色圖像），高精度的可用12bit或16bit。

例如：256×256×8=64Kbytes512×512×8=256Kbytes1024×1024×8=1Mbytes2048×2048×8=4Mbytes

X光照片一般用64Kb～256Kb的數(shù)據(jù)量，一幅遙感圖像3240×2340×4=30Mbits，因此，大數(shù)據(jù)量給存儲、傳輸和處理都帶來巨大的困難。

（2）圖像處理技術(shù)綜合性強；在數(shù)字圖像處理中涉及的基礎(chǔ)學(xué)問和專業(yè)技術(shù)相當(dāng)廣泛。一般來說涉及通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)，至于涉及到的數(shù)學(xué)、物理等方面的基礎(chǔ)學(xué)問就更多。

當(dāng)今的圖像處理理論大多是通信理論的推廣，只是把通信中的一維問題推廣到二維，以便于分析，在此基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展自己的理論體系。因此，圖像處理技術(shù)與通信技術(shù)休戚相關(guān)。在圖像處理工程中的信息獲得和顯示技術(shù)主要源于電視技術(shù)，其中的攝像、顯示、同步等各項技術(shù)是必不行少的。計算機已是圖像處理的常規(guī)工具，在圖像處理中涉及到軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、接口等多項技術(shù)，特殊是并行處理技術(shù)在實時圖像處理中顯得特別重要。圖像處理技術(shù)的發(fā)展涉及越來越多的基礎(chǔ)理論學(xué)問，雄厚的數(shù)理基礎(chǔ)及相關(guān)的邊緣學(xué)科學(xué)問對圖像處理科學(xué)的發(fā)展有越來越大的影響?？傊畧D像處理科學(xué)是一項涉及多學(xué)科的綜合性科學(xué)。（3）圖像信息理論與通信理論親密相關(guān)。早在1948年Shannon發(fā)表了“AmathematicalTheoryofCommunication”（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個領(lǐng)域。圖像信息論也屬于信息論科學(xué)中的一個分支。從當(dāng)今的理論發(fā)展看，我們可以說，圖像信息論是在通信理論探討的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖像理論是把通信中的一維問題推廣到二維空間上來探討的，也就是說，通信探討的是一維時間信息；圖像探討的是二維空間信息；

總之，通信中的一維問題都可推廣到二維，盡管有些理論尚不完全貼切，但對圖像自身理論體系的形成有極大的借鑒意義。1.2圖像數(shù)字化大多數(shù)傳感器的輸出是連續(xù)電壓波形為了產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像，須要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式包括兩種處理：采樣和量化采樣：圖像空間坐標(biāo)的數(shù)字化量化：圖像函數(shù)值（灰度值）的數(shù)字化1.2.1采樣采樣：指將空域上或時域上連續(xù)的圖像(模擬圖像)變換成離散采樣點(像素)集合的一種操作。即：空間坐標(biāo)的離散化。圖像采樣(柵格化)圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量量化：把采樣后所得的各像素灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。即：灰度的離散化。1.2.2量化圖像尺寸計算為像素的大小圖像大?。娇臻g辨別率和灰度辨別率空間辨別率(spatialresolution)：圖像空間中可辨別的最小細(xì)微環(huán)節(jié)。一般用單位長度上采樣的像素數(shù)目或單位長度上的線對數(shù)目表示?；叶缺鎰e率(contrastresolution)：圖像灰度級中可辨別的最小變更。一般用灰度級或比特數(shù)表示。1.3圖像的質(zhì)量灰度級：表示像素明暗程度的整數(shù)量.例如：像素的取值范圍為0-255，就稱該圖像為256個灰度級的圖像.層次：表示圖像實際擁有的灰度級的數(shù)量.例如：具有32種不同取值的圖像，可稱該圖像具有32個層次.圖像數(shù)據(jù)的實際層次越多，視覺效果就越好256個層次的圖像64個層次的圖像16個層次的圖像圖像層次對比度：是指一幅圖像中灰度反差的大小對比度=最大亮度/最小亮度圖像對比度圖像清晰度亮度對比度尺寸大小微小層次顏色飽和度與清晰度相關(guān)的主要因素1、亮度2、對比度3、尺寸大小4、微小層次5、顏色飽和度1.4圖像文件格式

圖像文件格式分兩大類：一類是靜態(tài)圖像文件格式，一類是動態(tài)圖像文件格式。靜態(tài)圖像格式有GIF，TIF，BMP，PCX，JPG，PSD等；動態(tài)圖像格式有AVI，MPG等。①PSD和EPS是Adobe公司開發(fā)的圖像專用格式.②BMP、PCX和TIFF是Windows平臺常用的圖像文件格式.③GIF、JPG和PNG是網(wǎng)上最流行的圖像文件格式。1、PSD格式能夠保存圖像信息，而且進(jìn)行了壓縮，壓縮后不失真。2、PDF格式圖像文件的加密格式，須輸入正確密碼才能運用。3、EPS格式是Adobe公司開發(fā)的打印機及其他輸出設(shè)備的頁面描述語言。4、JPG格式定義了圖像文件通用的壓縮編碼，是一種高效的壓縮文件格式。在保存文件時刪除人眼無法辨別的圖像信息，節(jié)約存儲空間，但被刪除圖像信息無法在解壓時還原。JPEG可以自由設(shè)置壓縮比，但壓縮率越高導(dǎo)致圖像質(zhì)量越差。與GIF相比，JPEG壓縮成同樣大小時，圖像質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GIF圖像。5、GIF是圖像交換格式，只支持256色以內(nèi)的圖像；接受無損壓縮存儲，在不影響圖像質(zhì)量的狀況下，可以生成很小的文件；支持透亮色，可以使圖像出現(xiàn)在背景之上；GIF文件可以制作動畫。6、PNG格式特地為用于網(wǎng)頁圖片而優(yōu)化壓縮圖像設(shè)計成功的文件圖像格式。PNG漸漸替代GIF、JPEG成為網(wǎng)絡(luò)圖像的流行格式。7、BMP格式是最一般的位圖圖像文件格式8、TIFF格式是現(xiàn)存圖像文件格式中最困難的一種，供應(yīng)存儲各種信息的完備手段，可以存儲特地的信息而不違反格式宗旨。9、PCX格式是最早支持彩色圖像的一種文件格式，支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，但不支持Alpha通道。BMP文件結(jié)構(gòu)BMP圖像文件格式

BMP圖像文件的結(jié)構(gòu)一般可分為三部分：文件頭、位圖信息頭和圖像數(shù)據(jù)。文件頭BITMAPFILEHEADERbfType文件類型標(biāo)識“BM”bfSize文件總字節(jié)數(shù)bfReserved1保留字“0”bfReserved2保留字“0”biSize信息頭結(jié)構(gòu)體長度，為40biWidth圖像寬度，單位是像素biHeight圖像高度，單位是像素biPlanes必需為1，暫無意義biCompression指定位圖是否壓縮biSi