數(shù)字圖像處理第1章緒論

數(shù)字圖像處理技術(shù)高等學(xué)校教材?計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)龔聲蓉劉純平王強(qiáng)等編著總目錄

第1章緒論第2章數(shù)字圖像表示及其處理第3章圖像增強(qiáng)第4章圖像編碼與壓縮第5章圖像復(fù)原第6章圖像重建第7章圖像分割技術(shù)第8章圖像特征提取與分析第9章圖像匹配與識(shí)別第10章基于MATLAB數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)第11章車輛牌照識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字圖像處理的研究?jī)?nèi)容數(shù)字圖像處理即計(jì)算機(jī)圖像處理，主要包括的內(nèi)容：幾何處理、算術(shù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像編碼、圖像識(shí)別、圖像理解。幾何處理：主要包括坐標(biāo)變換，圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等。算術(shù)處理：主要對(duì)圖像進(jìn)行加減乘除等運(yùn)算圖像增強(qiáng)：主要是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用的信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。主要方法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)法、灰度窗口等技術(shù)圖像復(fù)原：復(fù)原處理的目的是去除干擾和模糊，回復(fù)圖像的本來(lái)面目。如去噪處理，圖像噪聲包括隨機(jī)噪聲和相干噪聲，隨機(jī)噪聲表現(xiàn)為麻點(diǎn)干擾，相干噪聲表現(xiàn)為網(wǎng)紋干擾。去模糊也是復(fù)原處理的任務(wù)，這些模糊來(lái)自透鏡散焦，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大氣湍流，云層遮擋等，這些干擾可用維納濾波、逆濾波、同態(tài)濾波等方法加以去除。圖像重建：從數(shù)據(jù)到圖像的處理，如超聲CT，核磁共振等。三維重建是虛擬現(xiàn)實(shí)和科學(xué)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)。圖像編碼：屬于信息論中信源編碼范疇，其主要宗旨是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類視覺(jué)的生理學(xué)及心里學(xué)特性對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，即研究數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。很多編碼標(biāo)準(zhǔn)已制定：JPEG、H.261、H.263、MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7等。模式識(shí)別：模式識(shí)別方法大致有三種，即統(tǒng)計(jì)識(shí)別法，句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法，模糊識(shí)別法圖像理解：由模式識(shí)別發(fā)展起來(lái)的方法。該處理輸入的是圖像，輸出的是一種描述。這種描述并不僅僅是單純的用符號(hào)作出詳細(xì)的描繪，而且要利用客觀世界的知識(shí)使計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)想、思考及推論，從而理解圖像所表現(xiàn)的內(nèi)容。數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)參考書籍《數(shù)字圖像處理學(xué)》，阮秋琦編，電子工業(yè)出版社《數(shù)字圖像處理》，kenneth.R.Castleman著，朱志剛等譯，電子工業(yè)出版社《VC++數(shù)字圖像獲取處理及實(shí)踐應(yīng)用》，楊枝靈等編，人民郵電出版社參考書籍《VC++數(shù)字圖像處理》，何斌等編，人民郵電出版社《模式識(shí)別》，邊肇祺等編，清華大學(xué)出版社《圖像模式識(shí)別》，楊淑瑩等編，清華大學(xué)出版社《模式識(shí)別與智能計(jì)算》，楊淑瑩等編，電子工業(yè)出版社參考書籍《計(jì)算機(jī)視覺(jué)：一種現(xiàn)代的方法（影印版）》，福賽恩等著，清華大學(xué)出版社《OpenCV教程-基礎(chǔ)篇》，劉瑞禎等編著，北京航空航天大學(xué)出版社《基于openCv的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)》，陳勇勝等編，科學(xué)出版社《圖像工程》，章毓晉著，清華大學(xué)出版社第1章緒論

1.1數(shù)字圖像處理的發(fā)展1.2數(shù)字圖像處理的相關(guān)概念1.3數(shù)字圖像處理方法1.4數(shù)字圖像處理的主要研究?jī)?nèi)容1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用實(shí)例圖像是人類獲取信息、表達(dá)信息和傳遞信息的重要手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在人類接受的信息中，圖像等視覺(jué)信息所占的比重達(dá)到75%。數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程科學(xué)、地球科學(xué)等諸多方面的學(xué)者研究圖像的有效工具。

1.1數(shù)字圖像處理的發(fā)展

數(shù)字圖像處理起源于20世紀(jì)20年代。當(dāng)時(shí)，人們通過(guò)Bartlane海底電纜圖片傳輸系統(tǒng)，從倫敦到紐約傳輸了一幅經(jīng)過(guò)數(shù)字壓縮后的照片，從而把傳輸時(shí)間從一周多減少到不到3小時(shí)。為了傳輸圖片，該系統(tǒng)首先在傳輸端進(jìn)行圖像編碼，然后在接收端用特殊打印設(shè)備重構(gòu)該圖片。該應(yīng)用已經(jīng)包含了數(shù)字圖像處理的知識(shí)，但還稱不上真正意義的數(shù)字圖像處理，因?yàn)樗鼪](méi)有涉及到計(jì)算機(jī)。第一臺(tái)可以執(zhí)行有意義的圖像處理任務(wù)的大型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代早期。1964年，位于加利福尼亞的美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL實(shí)驗(yàn)室）處理了太空船“徘徊者七號(hào)”發(fā)回的月球照片，以校正航天器上電視攝像機(jī)中的各種類型的圖像畸變，標(biāo)志著圖像處理技術(shù)開始得到實(shí)際應(yīng)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀(jì)60年代末和20世紀(jì)70年代初開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)等領(lǐng)域。其后，軍事、氣象、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展也推動(dòng)了圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展。數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)融入到科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，成為工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等各學(xué)科之間學(xué)習(xí)和研究的對(duì)象。1.2數(shù)字圖像處理的相關(guān)概念1.2.1數(shù)字圖像及其組成要素

圖像是對(duì)客觀對(duì)象的一種相似性的、生動(dòng)的描述或表示。在其自然的形式下，圖像并不能直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。從人眼的視覺(jué)特點(diǎn)看，圖像分為可見圖像和不可見圖像。其中可見圖像又包括生成圖和光圖像兩類。圖形側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照及想象中的攝像機(jī)的成像幾何，生成一幅圖或像的過(guò)程。光圖像側(cè)重于用透鏡、光柵和全息技術(shù)產(chǎn)生的圖像。通常所指的圖像是后一類圖像。按波段多少，圖像可分為單波段、多波段和超波段圖像。單波段圖像在每個(gè)點(diǎn)只有一個(gè)亮度值。多光譜圖像上每一個(gè)點(diǎn)不止一個(gè)特性。例如紅、綠、藍(lán)三波段光譜圖像或彩色圖像在每個(gè)點(diǎn)具有紅、綠、藍(lán)三個(gè)亮度值，這三個(gè)值表示在不同光波段上的強(qiáng)度，人眼看來(lái)就是不同的顏色。按圖像空間坐標(biāo)和明暗程度的連續(xù)性可分為模擬圖像和數(shù)字圖像。模擬圖像指空間坐標(biāo)和明暗程度都是連續(xù)變化的、計(jì)算機(jī)無(wú)法直接處理的圖像。數(shù)字圖像是一種空間坐標(biāo)和灰度均不連續(xù)的、用離散的數(shù)字表示的圖像。這樣的圖像才能被計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字圖像：

數(shù)字圖像可以理解為圖像的數(shù)字表示，是時(shí)間和空間的非連續(xù)函數(shù)(信號(hào))，是為了便于計(jì)算機(jī)處理的一種圖像表示形式。它是由一系列離散單元經(jīng)過(guò)量化后形成的灰度值的集合，即像素(Pixel)的集合。1.2.2圖像處理對(duì)圖像進(jìn)行一系列的操作以達(dá)到預(yù)期的目的的技術(shù)稱作圖像處理。圖像處理可分為模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理兩種方式。利用光學(xué)、照相和電子學(xué)方法對(duì)模擬圖像的處理稱為模擬圖像處理。目前，許多軍用、宇航的處理仍采用光學(xué)模擬處理。利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行系列操作，從而獲得某種預(yù)期結(jié)果的技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理，又稱計(jì)算機(jī)圖像處理。通常，也簡(jiǎn)稱為圖像處理。

圖像處理的內(nèi)容相當(dāng)豐富，包括狹義的圖像處理、圖像分析與圖像理解。狹義的圖像處理著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換，是一個(gè)從圖像到圖像的過(guò)程，是比較低層的操作。狹義的圖像處理主要滿足對(duì)圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺(jué)效果，或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼以減少所需存儲(chǔ)空間或傳輸時(shí)間，達(dá)到傳輸通路的要求。特點(diǎn)：主要在像素級(jí)進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。1.2.3圖像分析圖像分析主要是對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，從而建立對(duì)圖像的描述。圖像分析主要研究用自動(dòng)或半自動(dòng)裝置和系統(tǒng)，從圖像中提取有用的測(cè)度、數(shù)據(jù)或信息，生成非圖像的描述或者表示。圖像分析的內(nèi)容分為特征提取、符號(hào)描述、目標(biāo)檢測(cè)、景物匹配和識(shí)別等幾個(gè)部分。特點(diǎn)：是一個(gè)從圖像到數(shù)據(jù)的過(guò)程，可以看作是中層處理。1.2.4圖像理解圖像理解是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來(lái)客觀場(chǎng)景的解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)。圖像理解有時(shí)也叫景物理解。圖像理解主要是高層操作，其處理過(guò)程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。1.2.5與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像處理是一門新的交叉學(xué)科。它與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多學(xué)科可以相互借鑒。從它的研究范圍來(lái)看，它與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)專業(yè)又互相交叉。宏觀世界圖像圖像數(shù)據(jù)(人)符號(hào)新技術(shù)新理論新工具圖像處理模式識(shí)別圖像分析計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像理解圖像理解(轉(zhuǎn)換)圖像處理與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系和區(qū)別1.3數(shù)字圖像處理方法數(shù)字圖像的處理方法種類繁多，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以得到不向的分類結(jié)果。根據(jù)對(duì)圖像作用域的不同，數(shù)字圖像處理方法大致可分為兩大類，即：空域算法和變換域算法。1.3.1空域處理方法空域處理方法是指在空間域內(nèi)直接對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理。在處理時(shí)，既可以直接對(duì)圖像各像素點(diǎn)進(jìn)行灰度上的變換處理，也可以對(duì)圖像進(jìn)行小區(qū)域模板的空域?yàn)V波等處理，以充分考慮像素鄰域像素點(diǎn)對(duì)其的影響。空域處理法主要有兩大類：(1)鄰域處理法(2)點(diǎn)處理法1.3.2變換域處理方法變換域處理方法首先主要是通過(guò)傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換或是比較新的小波變換等變換算法，將圖像從空間域變換到相應(yīng)的變換域，得到變換域系數(shù)陣列，然后在變換域中對(duì)圖像進(jìn)行處理，處理完成后再將圖像從變換域反變換到空間域，得到處理結(jié)果。1.4數(shù)字圖像處理的主要研究?jī)?nèi)容1.4.1圖像變換1.4.2圖像增強(qiáng)1.4.3圖像編碼與壓縮1.4.4圖像復(fù)原1.4.5圖像重建1.4.1圖像變換圖像變換是圖像處理和圖像分析的一個(gè)重要分支，它將圖像從空間域變換到另一個(gè)域，然后在變換域?qū)D像進(jìn)行處理和分析。圖像變換是許多圖像處理和分析技術(shù)的基礎(chǔ)，是圖像增強(qiáng)和復(fù)原的基本工具，也是圖像特征提取的重要手段。常用的圖像變換有傅立葉變換、DCT變換，小波變換等。1.4.4圖像復(fù)原圖像復(fù)原也叫圖像恢復(fù)。其目的是找出圖像降質(zhì)的起因，并盡可能消除它，使圖像恢復(fù)本來(lái)面目。常用的恢復(fù)有糾正幾何失真、從已知圖像信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性入手，用Wiener濾波等方法來(lái)改善信噪比等。1.4.3圖像編碼與壓縮圖像編碼就是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類視覺(jué)的生理學(xué)和心理學(xué)特性對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。圖像編碼的目的有三個(gè)：①盡量減少表示數(shù)字圖像時(shí)需要的數(shù)據(jù)量。②降低數(shù)據(jù)率以減少傳輸帶寬；③壓縮信息量,便于特征抽取，為識(shí)別作準(zhǔn)備。根據(jù)解壓重建后的圖像和原始圖像之間是否具有誤差，圖像編碼壓縮分為無(wú)誤差編碼和有誤差編碼兩大類。根據(jù)編碼方法作用域不同，圖像編碼分為空間域編碼和變換域編碼兩大類。1.4.2圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是指根據(jù)一定的要求，突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強(qiáng)的信息處理方法。根據(jù)增強(qiáng)處理過(guò)程所在的空間不同，圖像增強(qiáng)技術(shù)可分為基于空間域的增強(qiáng)方法和基于頻率域的增強(qiáng)方法兩類。圖像增強(qiáng)主要方法有直方圖增強(qiáng)、空域?yàn)V波法、頻率域?yàn)V波法以及彩色增強(qiáng)法等。1.4.5圖像重建重建處理則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。也就是說(shuō)輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理結(jié)果得到的是圖像