數(shù)字圖象處理概述

數(shù)字圖象處理概述第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日教學(xué)資源——教材

教材：章毓晉，《圖像處理》（圖像工程上冊(cè)），清華大學(xué)出版社，2006李云紅，《數(shù)字圖像處理》，北京大學(xué)出版社，2012.5參考書：①何東健等.數(shù)字圖像處理.西安:西安電子科技大學(xué),2003②朱虹等.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ).北京:科學(xué)出版社，2005③K.R.Castleman,朱志剛等譯.數(shù)字圖像處理.北京:電子工業(yè)出版社,1998第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日教學(xué)資源④阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué).北京:電子工業(yè)出版社,2001⑤余成波編著.數(shù)字圖像處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn).重慶:重慶大學(xué)出版社,2003⑥孫兆林編著.MATLAB6.X圖像處理.北京:清華大學(xué)出版社,2002第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日課程的意義

數(shù)字圖像處理是模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、圖像通訊、多媒體技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)，是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。

第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第一部分介紹數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，圖像處理系統(tǒng)的基本組成和作用，圖像和視覺基礎(chǔ)，基本圖像變換。第二部分介紹基本的處理技術(shù)，圖像增強(qiáng)，圖像恢復(fù)和重建，圖像編碼。第三部分介紹圖像識(shí)別的初步知識(shí)，圖像分割，模式識(shí)別方法等等。主要內(nèi)容第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日教學(xué)基本要求1、了解數(shù)字圖像處理的發(fā)展、應(yīng)用以及當(dāng)前國際國內(nèi)研究的熱點(diǎn)和重要成果；2、理解數(shù)字圖像處理中圖像的分析與理解的內(nèi)容；3、掌握數(shù)字圖像處理中最基本、最廣泛應(yīng)用的概念、原理、理論和算法以及基本技術(shù)和方法；4、能夠運(yùn)用一門高級(jí)語言編寫基本的圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)圖像處理在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第一章緒論1.1圖像和圖像處理1.2數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容1.3圖像技術(shù)和圖像工程1.4圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用

第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

一、圖像

(一)什么是圖像圖——物體投射或反射光的分布，是客觀存在；像——人的視覺系統(tǒng)對(duì)圖的接收在大腦中形成的印象或認(rèn)識(shí)，是人的感覺；圖像——圖像是圖和像的有機(jī)結(jié)合，既反映物體的客觀存在，又體現(xiàn)人的心理因素；圖像是對(duì)客觀存在物體的一種相似性的生動(dòng)模仿或描述。

是客觀和主觀的結(jié)合。1.1圖像和圖像處理第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像的概念——圖像模型物體圖像數(shù)學(xué)函數(shù)不可見的物理圖像可見的圖像光圖像照片、圖、畫2維條碼第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日照片第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像的概念——圖、畫第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日二維條碼第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像的概念

——數(shù)學(xué)函數(shù)分形（藝術(shù)）圖第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像的概念

——數(shù)學(xué)函數(shù)分形（仿真）圖第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像的概念

——不可見圖像紅外圖像(美國攻打阿富汗)CT圖像(肺與皮膚)第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理(二)圖像分類

根據(jù)圖像空間坐標(biāo)和幅度（亮度或色彩）的連續(xù)性可分為模擬（連續(xù)）圖像和數(shù)字圖像。模擬圖像是空間坐標(biāo)和幅度都連續(xù)變化的圖像，而數(shù)字圖像是空間坐標(biāo)和幅度均用離散的數(shù)字（一般是整數(shù)）表示的圖像。

第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理數(shù)字圖像數(shù)字圖像是圖像的數(shù)字表示，像素是其最小的單位。數(shù)字圖像的描述有：

1）無彩色圖像

2）彩色圖像第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理二、圖像處理

1.概念:

對(duì)圖像信息進(jìn)行加工(處理)和分析,以滿足:①人的視覺、心理需要；

②實(shí)際應(yīng)用或某種目的（如機(jī)器識(shí)別）的要求。

第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理2.分類（1）模擬處理(光學(xué)處理)：光學(xué)透鏡處理、光學(xué)照相等

優(yōu)：實(shí)時(shí)處理，速度快；

缺：精度低，靈活度差，難有判斷功能。（2）數(shù)字圖像處理：用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理。

優(yōu)：精度高、內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高；

缺：處理速度較慢。（3）光電結(jié)合處理：用光學(xué)方法處理運(yùn)算量巨大的頻譜變換等，而用計(jì)算機(jī)對(duì)其頻譜進(jìn)行處理分析。這是一個(gè)值得注意的研究方向，隨著集成光學(xué)的發(fā)展，在光學(xué)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，圖像處理技術(shù)會(huì)出現(xiàn)全新的巨大突破。第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理三、圖像的表示

（一）圖像的數(shù)學(xué)表示

一幅圖像所包含的信息首先表現(xiàn)為光的強(qiáng)度intensityintensity）,即一幅圖像可看成是空間各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上的光強(qiáng)度I的集合，其普遍數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I=f（x，y，z，λ，t）

式中x,y,z是空間坐標(biāo)，λ是波長，t是時(shí)間，I是光點(diǎn)x,y,z的強(qiáng)度或幅度。上式表示一幅運(yùn)動(dòng)的(t)、彩色或多光譜的(λ)、立體的（x,y,z）圖像。第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理（一）圖像的數(shù)學(xué)表示（續(xù)）

靜止圖像，與時(shí)間t無關(guān)；單色圖像（也稱灰度圖像），波長λ為一常數(shù)；平面圖像，則與坐標(biāo)z無關(guān)。即在每一種情況下，圖像的表示可省略掉一維，即（1）靜止圖像：I=f（x，y，z,λ）（2）灰度圖像：I=f（x，y，z，t）（3）平面圖像：I=f（x，y,λ,t）而對(duì)于平面上的靜止灰度圖像，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可簡化為：

I=f（x，y）第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.1圖像和圖像處理（一）圖像的數(shù)學(xué)表示（續(xù)）

運(yùn)動(dòng)圖像可用（靜止）圖像序列表示，彩色圖像可分解成三基色圖像，三維圖像可由二維重建。因此本書主要針對(duì)平面上的靜止灰度圖像進(jìn)行論述。（二）圖像的特點(diǎn)（1）空間有界:人的視野有限，一幅圖像的大小也有限。（2）幅度（強(qiáng)度）有限：即對(duì)于所有的x，y都有：

其中Bm為有限值。第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像編碼、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像分析與描述、圖像的理解和識(shí)別。第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像數(shù)字化：將非數(shù)字形式的圖像信號(hào)通過數(shù)字化設(shè)備轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，包括采樣和量化。

第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像變換：對(duì)圖像信息進(jìn)行變換以便于在頻域?qū)D像進(jìn)行更有效的處理，包括：傅立葉變換Walsh變換離散余弦變換小波變換

……空間域變換域第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像增強(qiáng)：增強(qiáng)圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲，提高圖像的清晰度，突出圖像中感興趣的部分。主要技術(shù)：直方圖修正圖像平滑圖像銳化同態(tài)系統(tǒng)偽彩色技術(shù)

第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像增強(qiáng)(1)第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像增強(qiáng)(2)第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像壓縮編碼：

對(duì)待處理圖像進(jìn)行壓縮編碼以減少描述圖像的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)省圖像傳輸、處理時(shí)間、減少存儲(chǔ)空間。主要方法：熵編碼預(yù)測(cè)法編碼變換編碼分形編碼……第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像復(fù)原：是尋找圖像降質(zhì)的起因，盡可能恢復(fù)圖像本來面目。主要技術(shù)：復(fù)原的代數(shù)方法逆濾波最小二乘法濾波約束去卷積空間復(fù)原技術(shù)第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D像恢復(fù)(1)

運(yùn)動(dòng)模糊圖像

恢復(fù)圖像第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像分割：根據(jù)選定的特征將圖像劃分成若干個(gè)有意義的部分，這些選定的特征包括圖像的邊緣、區(qū)域等。

目的：提取出感興趣的對(duì)象，為進(jìn)一步的理解和識(shí)別做準(zhǔn)備。主要方法：灰度閾值分割基于紋理的分割區(qū)域生長法第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.2數(shù)字圖像處理的內(nèi)容圖像分析與描述：主要是對(duì)已經(jīng)分割的或正在分割的圖像各部分的屬性及各部分之間的關(guān)系進(jìn)行分析表述。

圖像識(shí)別分類：根據(jù)從圖像中提取的各目標(biāo)物的特征，與目標(biāo)物固有的特征進(jìn)行匹配、識(shí)別，以識(shí)別出目標(biāo)物。

第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.3圖像技術(shù)和圖像工程

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，目前主要指數(shù)字（計(jì)算機(jī)）圖像技術(shù)，包括圖像處理、圖像分析和圖像理解三個(gè)層次。把這三個(gè)層次綜合集成在一個(gè)整體框架上進(jìn)行，這個(gè)框架就是圖像工程。第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.3圖像技術(shù)和圖像工程1.圖像處理——著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換廣義——泛指各種圖像技術(shù)；

狹義——對(duì)圖像進(jìn)行各種加工（處理），達(dá)到

①改善人的視覺效果

②為自動(dòng)識(shí)別打基礎(chǔ)

③壓縮編碼第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.3圖像技術(shù)和圖像工程2.圖像分析——圖像到數(shù)據(jù)

對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)物進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對(duì)圖像的描述。3.圖像理解

重點(diǎn)是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)物的性質(zhì)和它們間的相互關(guān)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及原來客觀場(chǎng)景的理解，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)（比如機(jī)器人視覺、機(jī)器人足球賽等）。第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日

圖像工程三層次示意圖第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像通信

一個(gè)基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像輸入、圖像存儲(chǔ)、圖像通信、圖像處理和分析五個(gè)模塊組成。如下圖所示：圖像輸入處理和分析圖像輸出圖像存儲(chǔ)第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像輸入模塊:也稱圖像采集或圖像數(shù)字化

為采集數(shù)字圖像，需要兩種裝置（器件）：一種是對(duì)某個(gè)電磁能量譜波段（如X射線、紫外線、可見光、紅外線等）敏感的物理器件；另一種稱為數(shù)字化器，它能將上述（模擬）電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字（離散）的形式。如：x射線透視成像儀、CCD攝像頭、數(shù)碼相機(jī)等。第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像輸出模塊：

對(duì)圖像處理來說，處理的結(jié)果主要用于顯示給人看。對(duì)圖像分析來說，分析的結(jié)果也可以借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換為圖像形式直觀地展示。

如CRT顯示器、液晶顯示器和投影儀等。第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像存儲(chǔ)模塊：

圖像包含有大量的信息，因而存儲(chǔ)圖像也需要大量的空間。在圖像處理和分析系統(tǒng)中，大容量和快速的圖像存儲(chǔ)器是必不可少的。用于圖像處理和分析的數(shù)字存儲(chǔ)器可分為3類：（1）處理和分析過程中使用的快速存儲(chǔ)器；（2）用于比較快地重新調(diào)用的在線或聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器;

（3）不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫（檔案庫）存儲(chǔ)器。

如計(jì)算機(jī)內(nèi)存、硬盤、軟盤、閃存盤、CD光盤、DVD光盤等。第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像通信模塊

對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和通信。由于圖像數(shù)據(jù)量很大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前必須對(duì)表示圖像信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，以減少圖像數(shù)據(jù)量。第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像處理與分析模塊

為了各種目的，而對(duì)圖像進(jìn)行的一系列處理，是圖像處理系統(tǒng)的核心模塊，也是我們學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。

包括處理算法、實(shí)現(xiàn)軟件和計(jì)算機(jī)，一般包括下面三種形式：第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)圖像處理與分析模塊（續(xù)）通用圖像處理：適用于功能要求靈活，圖像數(shù)據(jù)量大，但實(shí)時(shí)性要求不高的圖像處理與分析算法，也可輔之方便靈活的操作界面。

專用圖像處理系統(tǒng)：對(duì)于象CT、核磁共振、彩色B超、機(jī)場(chǎng)安檢等專用影像處理，可采用能滿足實(shí)際應(yīng)用的專用計(jì)算機(jī)和專用圖像處理算法等，來構(gòu)成專用圖像處理系統(tǒng)。圖像處理芯片：將許多圖像處理功能集成在一個(gè)很小的芯片上，形成專用或通用的圖像處理芯片。

第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用航天航空生物醫(yī)學(xué)工程通訊領(lǐng)域工業(yè)軍事公安文化藝術(shù)……第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用1：航空航天登月、火星照片處理飛機(jī)遙感、衛(wèi)星遙感氣象預(yù)報(bào)第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用2：生物醫(yī)學(xué)工程CT、MRI（核磁共振）、B超顯微圖像：紅細(xì)胞、白細(xì)胞、染色體的分析X光、心電圖……第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用3：通訊領(lǐng)域圖像信息傳輸、電視電話、衛(wèi)星通信、數(shù)字電話等。主要是壓縮圖像數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)圖像（序列）傳送。發(fā)展趨勢(shì)：多媒體通訊電話、電視、計(jì)算機(jī)三網(wǎng)合一第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用4：工業(yè)印刷電路板質(zhì)量和缺陷的檢測(cè)無損探傷、石油氣勘測(cè)將CAD和CAM技術(shù)應(yīng)用于磨具和零件優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人視覺零件檢測(cè)郵政信件的自動(dòng)分揀……第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用5：軍事公安導(dǎo)彈制導(dǎo)偵察照片的處理指紋識(shí)別、人臉識(shí)別……車牌自動(dòng)識(shí)別第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用6：文化藝術(shù)電視畫面的數(shù)字編輯動(dòng)畫制作游戲紡織工藝品設(shè)計(jì)發(fā)型設(shè)計(jì)文物資料圖片的修復(fù)……第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用7:天氣預(yù)報(bào)天氣云圖測(cè)繪、傳輸，氣象衛(wèi)星云圖的處理和識(shí)別等。應(yīng)用8:考古

珍貴文物圖片、名畫、壁畫的輔助恢復(fù)。第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用新領(lǐng)域：

信息安全：信息隱藏與數(shù)字水印，指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別和面部識(shí)別等；圖像檢索：基于內(nèi)容的圖像檢測(cè)、識(shí)別與檢索；體育運(yùn)動(dòng)：運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的分析、評(píng)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用應(yīng)用示例火車識(shí)別系統(tǒng)系統(tǒng)概況：對(duì)開過來的一列貨車，判別是否掛有棚車，如果有，棚車的車門是否關(guān)閉并上鎖（鉛封）第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日貨車安全狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)目標(biāo)：當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過檢測(cè)點(diǎn)時(shí)可實(shí)時(shí)檢測(cè)其裝載狀態(tài)第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日貨車安全狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)車門為關(guān)閉狀態(tài)第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日貨車安全狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)車門為開啟狀態(tài)第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日二維條碼身份證系統(tǒng)系統(tǒng)概況：給身份證一種防偽的手段，要求偽造困難，識(shí)別可靠。還有一點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)方便，成本低。

主要技術(shù)：二維條碼的編碼與解碼圖像壓縮，圖像識(shí)別第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日3.視頻跟蹤系統(tǒng)目標(biāo)的跟蹤要求對(duì)所判定的目標(biāo)可以進(jìn)行快速的跟蹤，要求鏡頭隨目標(biāo)的移動(dòng)而跟蹤移動(dòng)。在目標(biāo)特征發(fā)生變化時(shí)，仍舊可以鎖定目標(biāo)。第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日4.弱可視環(huán)境下的圖像清晰化該項(xiàng)技術(shù)是為了解決對(duì)在很微弱的情況下獲取的圖像進(jìn)行處理，獲得現(xiàn)場(chǎng)的某些細(xì)節(jié)信息。第六十一頁，共八十頁，