數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理第1頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/112基于以下兩個(gè)原因：改進(jìn)圖像（照片）的質(zhì)量，使人能更好地解釋（看清楚）圖像;通過(guò)處理圖像（包括圖像獲取、存儲(chǔ)、傳輸、表示等），讓機(jī)器能夠理解圖像。為什么我們需要研究數(shù)字圖象處理？第2頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/113.一幅圖像可以用一個(gè)二維函數(shù)f(x,y)來(lái)表示：

其中：(x,y)----代表圖像平面中一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo).f----表示該點(diǎn)(x,y)的圖像亮度或灰度值.數(shù)字圖像

將上述的坐標(biāo)點(diǎn)和亮度（灰度）值離散化后獲得的圖像稱之為數(shù)字圖像，且一般情況下：f,x和y均為有限值..像素

數(shù)字圖像中的一個(gè)點(diǎn)稱之為像素.數(shù)字圖象處理

被認(rèn)為是從一幅圖像到另一幅圖像的處理，是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域

1.1什么是數(shù)字圖像?第3頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1141.2數(shù)字圖像處理的起源.最早的應(yīng)用可以追朔到上個(gè)世紀(jì)20年代的報(bào)刊業(yè)第4頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/115其實(shí)它們還不是真正意義上的數(shù)字圖像處理，只是一種圖像編碼、傳輸以及解碼打印而已。到了上世紀(jì)六十年代，由于計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的發(fā)明，真正意義上的數(shù)字圖像處理開(kāi)始了。兩件重大的事情推動(dòng)了數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展：1）太空計(jì)劃---人類(lèi)首次月球探險(xiǎn)(美國(guó),1964);2）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域---CATorCT(計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，1970s，通過(guò)X射線來(lái)產(chǎn)生圖像第5頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/116

1.改進(jìn)圖像質(zhì)量，以便人能更好地理解它。如：圖像增強(qiáng)，圖像恢復(fù)等。2.處理圖像以及從圖像中提取某些有用的信息以便機(jī)器識(shí)別和理解。如：圖像分析、圖像識(shí)別等。

1.3數(shù)字圖像處理的目標(biāo)第6頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/117

.低層次處理:直接針對(duì)像素處理，如：去噪、增強(qiáng)對(duì)比度等

通常是從圖像到圖像的過(guò)程，主要用于改進(jìn)圖像的質(zhì)量;

.中層次處理:

從圖像中提取某些屬性，如：分割圖像、提取圖像的輪廓等。

.高層次處理:

識(shí)別圖像中的目標(biāo)以便機(jī)器自動(dòng)分析圖像。

數(shù)字圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)之間并不存在明顯的差別。

計(jì)算機(jī)視覺(jué):基于視覺(jué)的機(jī)器理解或使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人類(lèi)視覺(jué)。圖像識(shí)別就是屬于這一范疇。

1.4數(shù)字圖像處理的三個(gè)層次第7頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/118

.數(shù)字化一幅圖像(將連續(xù)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像).增強(qiáng)一幅圖像(使一幅圖像能更好地適應(yīng)于某個(gè)特定的應(yīng)用).恢復(fù)一幅圖像(讓一幅被損壞的圖像盡可能恢復(fù)到原貌).壓縮一幅圖像(用更少的字節(jié)數(shù)來(lái)存儲(chǔ)它).分割一幅圖像(將一幅圖像從背景中提出來(lái)并分成若干個(gè)目標(biāo)).識(shí)別一幅圖像(讓機(jī)器說(shuō)出圖像的目標(biāo)或物體是什么)

1.5數(shù)字圖像處理系統(tǒng)能做些什么？第8頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/119xF(x,y)YX.采樣(如圖中的網(wǎng)格).量化1.5.1數(shù)字化一幅圖像它是數(shù)字圖象處理系統(tǒng)工作的第一步第9頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1110.原始圖像增強(qiáng)后的圖像1.5.2增強(qiáng)一幅圖像第10頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1111

當(dāng)圖像損壞了，我們可以恢復(fù)它裂痕部分撕破了1.5.3恢復(fù)一幅圖像第11頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1112

皺折原始圖像

恢復(fù)后的圖像

恢復(fù)一幅圖像第12頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1113

破損部分

原始圖像恢復(fù)后的圖像恢復(fù)一幅圖像第13頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1114

原始圖像257kb壓縮后的圖像147kb

冗余信息1.5.4壓縮一幅圖像第14頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1115

原始圖像

分割后的圖像1.5.5分割一幅圖像第15頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1116

原始圖像

分割后的圖像分割一幅圖像第16頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1117

分割一幅圖像(咖啡豆分離)第17頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1118

以汽車(chē)車(chē)牌號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別為例1.5.6識(shí)別一幅圖像第18頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1119.二者之間的差異可用下圖表示：

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像1圖像2計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖像3圖像1與圖像2一般情況下是不同的圖像:圖像2是由圖像1經(jīng)過(guò)處理后獲得的;圖像3是通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的，他也許是一幅虛擬的圖像,某些例子如下：1.6數(shù)字圖像處理與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第19頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1120一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)繪制一個(gè)圓，通過(guò)輸入圓心坐標(biāo)(x,y)和半徑R即可產(chǎn)生圓。(x,y)R表達(dá)二者差異性的例子第20頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1121現(xiàn)在，數(shù)字圖象處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)經(jīng)常結(jié)合在一起，應(yīng)用于同一個(gè)系統(tǒng)中，如：基于人臉照片的三維人臉生成系統(tǒng)

----基于圖像的三維幾何建模三維建模時(shí)，有時(shí)從照片（圖像中）獲取對(duì)象的幾何信息會(huì)使建模變得更容易----基于圖像的渲染對(duì)三維幾何模型進(jìn)行渲染時(shí)，直接從照片（圖像中）提取色彩、紋理等信息更為簡(jiǎn)單一個(gè)實(shí)際例子（來(lái)自我的研究生課題）：三維人臉與表情生成系統(tǒng)數(shù)字圖像處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)相結(jié)合第21頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1122.從通用人臉三維幾何模型到特定人臉幾何模型定義特征點(diǎn)輸入某人的兩張照片交互式操作后產(chǎn)生特定人臉三維幾何模型，大小吻合第二次變換實(shí)例第22頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1123.

在本系統(tǒng)中，將人臉視為彈性體，通過(guò)建立彈性變換方程來(lái)計(jì)算其特征點(diǎn)的位置。

渲染后真正的三維人臉細(xì)微變換從通用人臉模型到特定人臉模型第23頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1124.人臉面部表情動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)

與建立人臉模型一樣，也可以通過(guò)彈性變換生成人臉面部表情動(dòng)畫(huà)

另一個(gè)實(shí)例第24頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1125眨眼睛的動(dòng)畫(huà)模擬第25頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1126張嘴巴的動(dòng)畫(huà)模擬

第26頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1127攝像或掃描原始圖像數(shù)字化圖象預(yù)處理圖像增強(qiáng)圖像處理圖像恢復(fù)圖像壓縮圖像識(shí)別圖像分析處理后的圖像處理后的圖像控制信號(hào)受控設(shè)備1.7典型圖像處理系統(tǒng)的組成第27頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/11281.8數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本要素圖像采集:數(shù)碼相機(jī)、掃描儀或視頻攝像機(jī);圖像存儲(chǔ):各類(lèi)存儲(chǔ)裝置，如：硬盤(pán)、光盤(pán)等;圖像處理:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)軟件圖像顯示:顯示器及各種硬拷貝設(shè)備第28頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1129

可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、教育、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域(1)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

如：溫度控制系統(tǒng)

基于火焰顏色而自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度

1.9數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用第29頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1130(2)指紋識(shí)別第30頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1131指紋圖像分析第31頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1132.指紋圖像分析第32頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1133.公安部門(mén)借助于指紋識(shí)別系統(tǒng)破獲案件.個(gè)人身份認(rèn)證

將指紋信息存儲(chǔ)與身份證中.入口管理---重要會(huì)議入口檢查

---多入口大型公園應(yīng)用指紋系統(tǒng)的應(yīng)用第33頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1134

基于車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別的交通管理系統(tǒng)：---利用攝像頭獲取車(chē)牌圖像---圖像增強(qiáng)處理Adjustingthedistributionofthegraylevelinanimage---SegmentationSegmentinglettersordigitalsintheplate---RecognitionTellingwhatthelettersordigitalsare(3)交通管理第34頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1135.Itcanbewidelyusedtothefollowingaspects

..Chargeautomaticallyonfreeway---Auto-recordthecarlicenseplate---Distinguishthetypeofcar---Recognizetheplate---Connectingthecreditcardsystemautomatically(4)TrafficControl第35頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1136..ParkmanagementAutomaticallyrecordthecarlicenseplateandrecognizeitandcontrolpassing-bartoswitchonoroff.

..Monitorthedriverwithover-speedonfreewayautomaticallyrecordthecarlicenseplatewithover-speedandrecognizeit.(5)TrafficControl第36頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1137Anexample---Humanfacebeautifying(6)Entertainment第37頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1138第38頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1139第39頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1140Theelectromagneticspectrumarrangedaccordingtoenergyperphoton.

(2)X-rayandVisualbandsofspectrumarethemostfamiliarimagesinactualapplication,suchasX-rayinmedicalinspectionandsoon.1.10SomeexamplesofUsingDIPBasedonEMspectrum第40頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1141(3)Gamma-RayImaging

Nuclearmedicine:Injectapatientwitharadioactiveisotopethatcanemitgamma-ray.Itisusedinlocatingsitesofbonepathology,suchasinfectionortumors.PET---PositronEmissionTomograph第41頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1142第42頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1143(4)X-rayImagingBewidelyusedinMedicaldiagnostics,Industry,Astronomyandsoon.WhenX-rayspenetrateanobjects,thereisadifferentamountofabsorptionfordifferentpartsintheobject,soanimageisgeneratedinthefilmtobesensitivetoX-rayenergy.第43頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1144第44頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1145(5)

ImagingintheUltravioletBandApplicationsofultraviolet“l(fā)ight”includelithography,industrialinspection,microscopy,lasers,biologicalimaging,andastronomicalobservations.i)Ultravioletlightisusedinfluorescencemicroscopy.ii)Fluorescencemicroscopyisanexcellentmethodforstudyingmaterialthatcanbemadetofluorescene.

第45頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1146(6)ImagingintheVisibleandInfraredBandsThevisualbandoftheelectromagneticspectrumisthemostfamiliarinouractivities.Sotheirapplicationsarealsothewidestcomparedwithotherbands.Andinfraredbandisoftenviewedvisuallight.HereweshowsomeapplicationsofthevisuallightinlightMicroscopy,astronomy,remotesensing,industry,andlawenforcement.i)Someexamplesofimagesobtainedwithalightmicroscope.

第46頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1147Theseexamplesrangefrompharmaceuticalsandmicro-inspectiontomaterialscharacterization.

第47頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1148ii)Someapplicationsarefromremotesensing.Hereshowstheso-calledthematicbandsinNASA’sLANDSATsatellite.第48頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1149Weobtainedsomeimagesincludingfeaturessuchasbuilding,roads,vegetation,andamajorriver(thePotomac)goingthroughthecityinWashingtonD.CaccordingtotheTable1.1.第49頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1150DigitalImageProcessingiii)Weatherobservationandpredictionalsoaremajorapplicationsofmulti-spectralimagingfromsatellites.第50頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1151iv)AnapplicationofinfraredimagingfromtheNighttimeLightsoftheWorlddataset,whichprovidesaglobalinventoryofhumansettlements.第51頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1152v)Theapplicationsinautomatedvisualinspectionofmanufacturedgoods.(a)Acircuitboard.(b)Packagedpills.(c)Bottles.(d)Bubblesinclear-plasticproduct.(e)Cereal.(f)Imageofintraocularimplant.

第52頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1153vi)Someotherapplicationsofthevisualspectrum.第53頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1154(7)ImagingintheMicrowaveBandAtypicalapplicationinthemicrowavebandisradar.第54頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1155(8)ImagingintheRadioBandThemajorapplicationsintheradiobandareinmedicineandastronomy.Inmedicineradiowavesareusedinmagneticresonanceimaging(MRI).第55頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1156Comparisonwithotherbands第56頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1157(9)ExamplesinwhichOtherImagingModalitiesAreUsedDigitalImageProcessingAcousticimaging,electronmicroscopyandsyntheticimagingarealsoimportantbesidesimagingintheelectromagneticspectrum.Imagingusing“sound”findsapplicationingeologicalexploration,industry,andmedicine.第57頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1158Thebestknownapplicationsoftheultrasoundimagingareinmedicine,especiallyinobstetrics.第58頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1159Atransmissionelectronmicroscope(TEM)worksmuchlikeaslideprojector.Ascanningelectronmicroscope(SEM)scanstheelectronbeamandrecordstheinteractionofbeamandthesampleateachlocation.Electronmicroscopesarecapableofveryhighmagnification.第59頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1160Lastly,imagesgeneratedbycomputers.第60頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1161Foranimagewemustdigitizeitsothatitcanbeprocessedbycomputers.Foranimage,weusuallyusetheintensityfunctionf(x,y)torepresentit.

(x,y)---thelocationofapointintheimage;f(x,y)---theintensityofthepoint(x,y);Itisobviousthat0<f(x,y)<

1.11Howtodigitizeanimage第61頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1162Asimplemodelisf(x,y)=i(x,y)r(x,y)

i(x,y)---intensityoftheincidentlight0<i(x,y)<r(x,y)---thecoefficientofthereflection,dependontheobjectlightcasts

0<r(x,y)<1

第62頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1163Takeapictureasanexample.

f(x,y)YX第63頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1164Sampling---Digitizethespatialcoordinates(pixel)Quantizing---Digitizetheintensityfunctionf(x,y)Animageprocessedbysamplingandquantizingiscalledthedigitalimage.

Itisalsotheprocedurefromacontinuousimagetoadiscreteone.Uniformsampling---IfallsampledpointsareequalspacesUniformquantizing---Ifallgrey-levelintervalsarethesame(Fromthedarkesttothebrightest)

第64頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1165SupposethereareNpixelsalonghorizontaldirectionXandMpixelsalongverticaldirectionY.andthereareLgraylevels,adigitalimagecabberepresentedbythefollowingmatrix.第65頁(yè)/共74頁(yè)2023/4/1166Foranypoint(x,y)inthedigitalimageUsually,

andSothenumber,