圖形與圖像處理 第一章引言

第一章引言——數(shù)字圖像處理1.1圖像的重要性人類離不開圖像，計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)滲透到各個(gè)科技領(lǐng)域，百聞不如一見。畫面比文字更形象生動(dòng)，人類70%信息來自視覺。

21世紀(jì)信息技術(shù)時(shí)代，衛(wèi)星通訊、數(shù)據(jù)傳輸、壓縮、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體、人工智能等技術(shù)都離不開圖象。圖象處理識(shí)別的過程：人類：一幅圖象——圖上有字——中文字含義計(jì)算機(jī)：采集—— 分析——識(shí)別（判斷）一、圖象處理是交叉邊緣學(xué)科：是計(jì)算機(jī)、傳感器、信息技術(shù)、信號(hào)處理、人工智能、模式識(shí)別、應(yīng)用對(duì)象等的交叉學(xué)科和技術(shù)。

二、圖象處理分類：

模擬圖像處理－－實(shí)時(shí)光學(xué)（實(shí)時(shí)，速度快）但只是有限處理）如：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、哈哈鏡、透鏡、膠片合成照相、凸透鏡－－實(shí)時(shí)FFT變換

計(jì)算機(jī)圖像處理：圖象處理技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)處理速度和數(shù)據(jù)量增加發(fā)展起來的。第

階段：科學(xué)計(jì)算，有限個(gè)原始數(shù)據(jù)；第

階段：數(shù)據(jù)管理應(yīng)用；第

階段：數(shù)字圖像處理。如一幅衛(wèi)片spot星

8000×8000×7(波段)=64M×7(數(shù)據(jù)量之大少見之)三、圖像技術(shù)應(yīng)用：

我國(guó)發(fā)射衛(wèi)星中，80%左右屬軍事偵察。如96年科學(xué)衛(wèi)星實(shí)際上也是軍事偵察。微機(jī)普及－－圖像民用、普及、計(jì)算機(jī)成熟是圖像技術(shù)普及應(yīng)用基礎(chǔ)。數(shù)字圖象處理技術(shù)已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，以下舉幾個(gè)例子：

1．遙感圖像：農(nóng)業(yè)普查、森林覆蓋計(jì)算、水利工程等的客觀估計(jì)、計(jì)算。

2．石油管線鋪設(shè)：周期短、效率高。

3．應(yīng)用遙感圖像技術(shù)可普查北京市垃圾有多少。4．森林火災(zāi)監(jiān)護(hù)－－客觀反映火災(zāi)情況、面積。5．巡艦彈：圖象識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈的精確未制導(dǎo)，使其精確打擊目標(biāo)。如：機(jī)場(chǎng)、橋梁等。6．軍事、公安、安全：指紋、掌紋、虹膜等識(shí)別。7．醫(yī)學(xué)應(yīng)用：CT、MRI、PET、B超、DSA、血管造影、紅外乳腺、顯微病理、電子顯微鏡、遠(yuǎn)程醫(yī)療圖像、皮膚圖象、X線、γ刀與χ刀腦外科等等離不開圖像。8．工業(yè)圖像：X線控探傷（軸）、X線檢察、三維測(cè)量（定位、形狀測(cè)量）機(jī)器人視覺、商檢。9．民用：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字視頻、照片掃描、計(jì)算機(jī)邏輯管理等。1.2圖像處理的內(nèi)容一、圖像的定義：客觀對(duì)象（物體）一種仿真的或模擬的描述，一種生動(dòng)的圖形表述。圖像指廣義的概念：

ImageImage是Object之一子集

可見不可見數(shù)學(xué)函數(shù)

光學(xué)畫面照片可測(cè)量的物理量

溫度壓力等曲線

圖像處理定義圖像處理是對(duì)圖像進(jìn)行分析、加工、和處理，使其滿足視覺、心理以及其他要求的技術(shù)。圖像處理是信號(hào)處理在圖像域上的一個(gè)應(yīng)用。目前大多數(shù)的圖像是以數(shù)字形式存儲(chǔ)，因而圖像處理很多情況下指數(shù)字圖像處理。圖像處理是信號(hào)處理的子類，另外與計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域也有密切的關(guān)系。傳統(tǒng)的一維信號(hào)處理的方法和概念很多仍然可以直接應(yīng)用在圖像處理上，比如降噪、量化等。然而，圖像屬于二維信號(hào)，和一維信號(hào)相比，它有自己特殊的一面，處理的方式和角度也有所不同。圖像處理軟件Corel公司的CorelDraw、Adobe公司的Illustrator、Macromedia公司的Freehand、三維動(dòng)畫制作軟件3Dmax等；此外，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等工程領(lǐng)域，常用的圖形處理軟件還包括：AutoCAD，GHCAD，Pro/E，UG，CATIA，MDT，CAXA電子圖版等等。這些軟件可以繪制矢量圖形，以數(shù)學(xué)方式定義頁(yè)面元素的處理信息，可以對(duì)矢量圖形及圖元獨(dú)立進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)和扭曲等變換，并可以不同的分辨率進(jìn)行圖形輸出。二、數(shù)字圖像數(shù)學(xué)模型：一幅數(shù)字圖象可描述為如下模型：(pictureelement=pixel)抽象為數(shù)字矩陣：

f：代表該象素彩色或灰度值；腳碼代表象素的坐標(biāo)位置。

三、數(shù)字化：由模擬照片到數(shù)字圖象的過程。采樣：將圖象分成離散的（橫豎均勻的）網(wǎng)格點(diǎn)。采樣是將時(shí)間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號(hào)，在采樣脈沖的作用，轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散（時(shí)間上有固定間隔）、但幅值上仍連續(xù)的離散模擬信號(hào)。所以采樣又稱為波形的離散化過程。量化：將圖象上各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的黑白及彩色程度做數(shù)字量化，如：256級(jí)，由0到255，亮度從黑到白變化，人眼僅能分辨50左右級(jí)灰度。人眼分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前儀器設(shè)備分辨率，但圖像質(zhì)量最終判別依據(jù)是人。幾何：80點(diǎn)/mm，黑白：12bit－－4096層(人眼僅看40多層)

四、處理：經(jīng)過一系列操作得到所需結(jié)果。

①點(diǎn)處理：與原始數(shù)據(jù)

②局域處理：與原始數(shù)據(jù)及其鄰域

③全局處理：與原始數(shù)據(jù)及全圖處理包括如下幾類：①圖像預(yù)處理——改善象質(zhì)，以便于目視判讀。校正技術(shù)：對(duì)形狀變形的圖象進(jìn)行幾何校正、輻射校正。增強(qiáng)技術(shù)：去除干擾，突出主要特征，包括：平滑與銳化技術(shù)?；謴?fù)技術(shù)：忠實(shí)原圖，去除干擾，恢復(fù)原圖像，實(shí)用中往往干擾復(fù)雜，模型不清，難能準(zhǔn)確恢復(fù)。②圖像分析（測(cè)量）（analysis）：密度（灰度）、平面幾何參數(shù)，三維參數(shù)測(cè)量技術(shù)。③圖像識(shí)別（recognition）：模式識(shí)別與景物分析1.3圖像處理的特點(diǎn)：·再現(xiàn)性好：數(shù)字圖像可多次拷貝，不失真，不退化。·精度高：采樣量化一定，多次處理可保精度?！みm用面寬：可處理抽象數(shù)據(jù)、可做非線性處理（光學(xué)只作線性處理）

圖形學(xué)與圖像處理廣義上講密切相關(guān)。

二者之間許多基礎(chǔ)是相同的，只不過研究角度不同，服務(wù)對(duì)象不同，產(chǎn)生社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益不同。imagedescriptionprocessingrecognition判別

Graphics繪畫

1.4圖象的數(shù)據(jù)格式從數(shù)據(jù)組織角度來談圖像數(shù)據(jù)基本格式，而不是從人的感受角度來談。四類用緊湊程度不同的表達(dá)方式：①灰度的彩色圖象：灰度級(jí)：0～255，1字節(jié)/pixel彩色：RGB224=16M真色彩

0～2550～2550～2553字節(jié)/pixel彩色R(紅)叫一個(gè)波段，對(duì)單一波彩可看作灰度圖像。關(guān)于各種標(biāo)準(zhǔn)圖像格式：Tiff、BMP、TAG、GIF、DXF、JPG等不介紹。②二值圖像：黑或白1bit/pixel是指每個(gè)像素不是黑就是白，其灰度值沒有中間過渡的圖像。二值圖像一般用來描述文字或者圖形，其優(yōu)點(diǎn)是占用空間少，缺點(diǎn)是，當(dāng)表示人物，風(fēng)景的圖像時(shí)，二值圖像只能描述其輪廓，不能描述細(xì)節(jié)。這時(shí)候要用更高的灰度級(jí)。二值圖像是每個(gè)像素只有兩個(gè)可能值的數(shù)字圖像。人們經(jīng)常用黑白、B&W、單色圖像表示二值圖像，但是也可以用來表示每個(gè)像素只有一個(gè)采樣值的任何圖像，例如灰度圖像等。二值圖像經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)字圖像處理中作為圖像掩碼或者在圖像分割、二值化和dithering的結(jié)果中出現(xiàn)。一些輸入輸出設(shè)備，如激光打印機(jī)、傳真機(jī)、單色計(jì)算機(jī)顯示器等都可以處理二值圖像。二值圖像經(jīng)常使用位圖格式存儲(chǔ)。③連續(xù)曲線：僅保留黑的連續(xù)點(diǎn)坐標(biāo)。

④多邊形：

vector僅保留直線端點(diǎn)。

存貯數(shù)據(jù)量由①－④逐漸降低。

1.5視覺現(xiàn)象客觀存在是不變的，而人的感覺是與周圍環(huán)境有關(guān)的，人感覺是會(huì)變的。①人眼對(duì)亮度的適應(yīng)能力：人眼的適應(yīng)亮度范圍很寬1010(最大與最小之差)光強(qiáng)度量用勒克斯：Lux0.02LuxCCD黑白太陽光度:白天10000Lux

同時(shí)識(shí)別亮度范圍很有限的：（適應(yīng)的范圍寬，同時(shí)識(shí)別范圍窄）。如從亮屋到黑屋什么都看不見（需適應(yīng)20～30秒），從黑屋到白屋適應(yīng)較快（僅需1～2秒）。光強(qiáng)客觀是存在的，主觀感覺是以光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系（正比）的。

②同時(shí)對(duì)比度：人眼對(duì)亮度有適應(yīng)能力，因此很難判別亮度絕對(duì)值。即使相同亮度，但若背景亮度不同，人眼的主觀感覺的亮度亦不一致。③對(duì)比靈敏度：人眼剛能分辨光強(qiáng)出差別ΔI與背景光強(qiáng)I的關(guān)系ΔI/I。在相當(dāng)范圍內(nèi)為0.02（50層），但當(dāng)Ｉ很大或很小時(shí)比值加大。

解釋：256級(jí)灰度，8bits，計(jì)算機(jī)處理方便

8bits→6bits眼睛感覺不到。

④分辨率以分辨率為1024×768的屏幕來說，即每一條水平線上包含有1024個(gè)像素點(diǎn)，共有768條線，即掃描列數(shù)為1024行，行數(shù)為768列。分辨率不僅與顯示尺寸有關(guān)，還受顯像管點(diǎn)距、視頻帶寬等因素的影響。其中，它和刷新頻率的關(guān)系比較密切，嚴(yán)格地說，只有當(dāng)刷新頻率為“無閃爍刷新頻率”，顯示器能達(dá)到最高多少分辨率，才能稱這個(gè)顯示器的最高分辨率為多少。分辨率是和圖像相關(guān)的一個(gè)重要概念，它是衡量圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)力的技術(shù)參數(shù)。但分辨率的種類有很多，其含義也各不相同。正確理解分辨率在各種情況下的具體含義，弄清不同表示方法之間的相互關(guān)系，是至關(guān)重要的一步。一些同學(xué)往往把分辨率和點(diǎn)距混為一談，其實(shí)，這是兩個(gè)截然不同的概念。點(diǎn)距是指象素點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，象素?cái)?shù)越多，其分辨率就越高，因此，分辨率通常是以象素?cái)?shù)來計(jì)量的，如：640×480，其象素?cái)?shù)為307200。注：640為水平象素?cái)?shù)，480為垂直象素?cái)?shù)。由于在圖形環(huán)境中，高分辨率能有效地收縮屏幕圖象，因此，在屏幕尺寸不變的情況下，其分辨率不能越過它的最大合理限度，否則，