圖像處理(一).doc

現(xiàn)代圖像處理技術教學進度表華 東 師 范 大 學 教 學 進 度 表教學周 20 周講 課 27 學時實 驗 9 學時機 動 4 學時總 共 40 學時 2010 2011 學年第一學期數(shù)學系 數(shù)學與應用數(shù)學_專業(yè) 07_年級 教研室主任（簽字） 課程名稱：圖像處理 任課教師：潘仁良 教材名稱（版次）：自編出版社名稱： 教材編者：潘仁良 出版時間： 日期周次講課內容分章和分節(jié)的名稱課堂時數(shù)課外時數(shù)習題課、課堂討論或課堂練習內容課堂時數(shù)課外時數(shù)實驗、實習或科學研究名稱月日10288緒論31149圖像的運算31110圖像的變換31811實驗一32512圖像的增強312213圖像的分析3914實驗二31615圖像的復原32316圖像的形態(tài)學操作33017實驗三31618復習31319復習上機32020考試3333本課程所用到的基礎數(shù)學工具非常廣泛。例如，線性代數(shù)中矩陣分析理論，微分方程中的常微分方程、偏微分方程及穩(wěn)定性理論，復變函數(shù)中的積分變換理論，概率論中的離散隨機過程理論，數(shù)值分析中的常用計算方法及更進一步人工神經網絡、小波分析、形態(tài)學、系統(tǒng)學等理論。有些在基礎課中未學過的內容在本課程進行過程中作適當補充。但與純數(shù)學課程的演繹推理體系有較大區(qū)別，并不著意追求理論上的深度與廣度，而重在介紹基本思想與方法。本課程所講授內容盡量結合計算機仿真，并引入數(shù)學軟件MATLAB平臺中的圖像處理工具箱Image Processing Toolbox及與圖像處理有關的MATLAB其它工具箱。目的想通過這門課程的學習使學生獲得數(shù)字圖像處理的基本思想、基本方法及應用背景，為能解決實際問題和更深入學習信息處理、圖像處理方向的后繼課程（模式識別、圖像識別、計算機視覺、動漫、虛擬現(xiàn)實等）打下良好基礎。增強學生應用數(shù)學知識，提取數(shù)學問題，解決實際問題的能力。（講）：工作平臺: MATLABImage Processing Toolbox及與圖像處理有關的MATLAB其它工具箱一、 引言（或介紹一些與圖像處理有關的概念）1圖像圖（Picture）：原意指圖片、圖畫、各種照片以及各種光照影像等，是物體反射或透視光的分布，是自然界的人、物、景的模擬，它是客觀存在的。像（Image）：是客觀世界通過光學系統(tǒng)的視覺印象。是人的視覺系統(tǒng)所接受到的圖在人腦中所形成的印象或認識，帶有主觀性。圖像是以各種觀察系統(tǒng)用不同的形式和手段觀察客觀世界而獲得的，它可以直接或間接地作用于人眼并進而產生視覺印象的實體。圖像信息不僅包含光通量的分布，而且還包含人類視覺的主觀感受。人類社會已經進入了信息時代，對信息的獲取、處理、傳輸?shù)葮嫵闪爽F(xiàn)代社會的基礎性工作?？茖W研究和統(tǒng)計表明，人類所獲得的外界信息約有75% 是通過人的視覺系統(tǒng)，也就是通過圖像獲得的。圖像中帶有大量的信息，古人云“百聞不如一見”，就充分說明了這個道理。隨著計算機技術和網絡技術的空前發(fā)展，即計算機計算速度和大規(guī)模存儲容量以幾何級數(shù)增長，網絡和通信速度的飛速提高，顯示系統(tǒng)的逐步成熟，數(shù)字圖像處理技術已深入到各學科領域，學習和掌握數(shù)字圖像處理技術已成為信息處理中的一項重要內容。圖像分模擬（或物理）圖像和數(shù)字圖像我們只討論數(shù)字圖像。2數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理具有精度高，處理內容豐富、方便，可進行復雜的非線性處理等，且具有非常靈活的變通能力即重復性好，便于傳輸和保存等。(講) 圖像最一般的數(shù)學表達式： 亮度函數(shù) 其中是空間坐標，是波長（光譜的波長與色度有關），是時間，而I是坐標點（像素）處的光的強度。上式表示活動的、彩色的、三維的視頻圖像。特別，對于靜止圖像，則與時間無關；對于單色圖像，則波長是常數(shù)；對于平面圖像，則與坐標無關。對于平面上靜止的單色圖像，其則數(shù)學表達式可簡化為： 特別如果是彩色圖像，則是以三基色（RGB）的明亮度作為分量的二維矢量函數(shù)來表示。即數(shù)字圖像處理和分析系統(tǒng)：數(shù)字圖像處理系統(tǒng)基本的三個部件是：處理圖像的計算機、圖像數(shù)字化儀、圖像顯示設備。（1） 處理圖像的計算機包括計算機硬件和處理圖像的計算機軟件。處理圖像的計算機軟件有Visual C+、Photoshop、3D Studio MAX等。例如Photoshop，該軟件具有良好的人機交互界面，操作簡單易學，能夠實現(xiàn)圖像的顯示、幾何運算、著色、增亮、表面材質、增強、濾波等一系列的操作，效果非常不錯。且該軟件生成的圖像文件格式目前已被國際標準予以應用。但圖像處理Photoshop。事實上，Photoshop只是一種通用的圖像處理軟件，一般是用來提高視覺感受和效果的，而實際的圖像處理工作主要是針對不同的應用領域以提取圖像的不同信息加以研究，這是Photoshop不擅長甚至于不支持的。針對不同的應用領域的不同問題，需要不同的圖像處理算法，MATLAB(講)MATLAB的Image Processing Toolbox及與圖像處理有關的MATLAB其它工具箱（2）圖像數(shù)字化儀包括數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、掃描儀等。計算機只能接受和處理離散數(shù)據，連續(xù)信號必須離散化才能被計算機接受和處理。連續(xù)信號，以為采樣間隔或周期(通常記)對進行采樣，得到一個數(shù)列（時間序列）： 或令=1（一個單位）， 或從用數(shù)學表示：其中為廣義的單位脈沖函數(shù)，且，且。稱為移動的單位脈沖函數(shù)。對一個連續(xù)信號進行采樣也就是該連續(xù)信號與一個等間隔的單位脈沖序列共同作用的結果。因為只有在時刻才能被采樣其中為在時刻的值。任何一個序列可看作單位脈沖的移動加權和。推廣到二維情況：有 對模擬信號采樣使它離散化的程度取決于采樣周期T，即T愈小，離散序列愈接近于原來的信號，但離散序列的數(shù)據量就愈大。反之T愈大，離散序列與原來的信號接近的程度就差，但離散序列的數(shù)據量就小。并且當采樣周期T大到超過某個限制時，就會使離散序列和原來的信號之間產生不可逆轉的誤差。采樣周期T的這個限制由采樣定理來確定。采樣定理：對一個頻譜有限的（）連續(xù)信號進行采樣，當采樣頻率滿足條件時，采樣函數(shù)便能無失真地恢復原來的連續(xù)信號。為信號的有效頻譜的最大角頻率，為采樣頻率，一般來說圖像信號是二維空間的信號，通常記為，例如黑白圖像或灰度值圖像表示一幅圖像在水平和垂直兩個方向上的光照強度的變化。一幅圖像必須要在空間和灰度上都離散化才能被計算機接受和處理。這種離散化了的圖像就是數(shù)字圖像，相應的過程稱為圖像的數(shù)字化。圖像在二維空間采樣時常用的方法是對進行均勻采樣，取得各點的亮度值，構成一個離散函數(shù)。如果是彩色圖像，則是以三基色（RGB）的明亮度作為分量的二維矢量函數(shù)來表示。即相應的離散值為例1：圖像的RGB分解clear all,close allRGB=imread(C18.bmp);subplot(2,2,1);imshow(RGB);R(:,:,1)=RGB(:,:,1);R(:,:,2)=0;R(:,:,3)=0;subplot(2,2,2);imshow(R);title(R分量);G(:,:,2)=RGB(:,:,2);G(:,:,1)=0;G(:,:,3)=0;subplot(2,2,3);imshow(G);title(G分量);B(:,:,3)=RGB(:,:,3);B(:,:,1)=0;B(:,:,2)=0;subplot(2,2,4);imshow(B);title(B分量);同一維信號一樣，圖像信號的采樣也要遵循采樣定理。二維信號采樣定理與一維信號采樣定理類似。圖像信息的采樣定理：對一個頻譜有限的（）圖像信號進行采樣，當采樣頻率滿足，條件時，采樣函數(shù)便能無失真地恢復原來的連續(xù)信號。分別為信號在兩個方向的頻域上的有效頻譜的最大角頻率；分別為二維采樣頻率，。模擬（或物理）圖像掃描、采樣、量化數(shù)字化表格或矩陣可在MATLAB平臺上操作。數(shù)字圖像就是經過采樣和量化后的圖像。由于原始圖像是可以用亮度函數(shù)表示的二維函數(shù)，所以，數(shù)字圖像就是被采樣和量化后的二維函數(shù)。通常是用矩形網格采樣并對圖像像素點的亮度幅值進行均勻量化實現(xiàn)的，所以數(shù)字圖像表現(xiàn)為一個二維矩陣。一幅圖像由許許多多的像素點構成，每個像素點包含著反映圖像在讀點的明暗和顏色變化等信息，這種圖像叫做位圖圖像（bitmap）。（3）圖像顯示設備包括顯示器（熒屏顯示）、打印機、傳真機等。3圖像處理技術的發(fā)展從廣義上說，圖像技術是各種與圖像有關的技術的總稱目前人們主要研究的是數(shù)字圖像，通常結合計算機和其它電子設備來完成一系列工作，例如圖像的采集、獲取、編碼、存儲和傳輸，圖像的合成和產生，圖像的顯示和輸出，圖像的變換、增強、恢復（復原）和重建，圖像的分割，目標的檢測、表達和描述，特征的提取和測量，序列圖像的校正，3-D景物的重建復原，圖像數(shù)據庫的建立、索引和抽取，圖像的分類、表示和識別，圖像模型的建立和匹配，圖像與場景的解釋和理解，以及基于它們的判斷決策和行為規(guī)劃等等另外，圖像技術還可包括為完成上述功能而進行的硬件設計及制作等方面的技術。 數(shù)字圖像處理的歷史可以追溯到20世紀20年代報紙業(yè)中采用的Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)。當時把一幅照片的數(shù)據橫跨大西洋傳輸需要一個星期，而Bartlane系統(tǒng)通過編碼技術把時間減少到了3個小時。 精確地說，上述例子引用的圖像處理技術并沒有考慮到計算機技術，不能算是真正意義上的數(shù)字圖像處理。盡管計算機技術的歷史可追溯到1946年世界上第1臺電子計算機的誕生，但在20世紀50年代，計算機主要還是用于數(shù)值計算，滿足不了處理大數(shù)據量對象（如圖像數(shù)據量）的要求。 20世紀60年代，第3代計算機的研制成功以及快速傅里葉變換算法的發(fā)現(xiàn)和應用使得對圖像的某些計算得以實現(xiàn)，人們逐步開始利用計算機對圖像進行加工處理真正意義上的數(shù)字圖像技術的誕生是這一時期圖像處理技術在空間開發(fā)項目上的應用。比較著名的例子就是1964年科學家利用計算機對“旅行者7號”發(fā)回的第一張月球照片作幾何校正。與此同時，數(shù)字圖像處理技術在醫(yī)學圖像、地球遙感檢測和天文學等領域也逐漸得到廣泛應用。 20世紀70年代，圖像技術有了長足的進展，并且第一本重要的圖像處理專著 Digital Picture Processing Rosenfeld，1976也得以出版在這個時期發(fā)明的計算機軸向斷層技術（也稱為計算機斷層或CT）是圖像處理在醫(yī)學領域最重要的應用。從那個時期開始，醫(yī)學圖像處理成為圖像處理最活躍的應用領域之一。 20世紀80年代，各種硬件的發(fā)展使得人們不僅能處理靜態(tài)圖像，而且可以處理動態(tài)圖像。許多能獲取動態(tài)圖像的設備和處理分析動態(tài)圖像的系統(tǒng)被研制成功，圖像技術得到了廣泛的應用。除了醫(yī)學和空間項目的應用外，在地球物理學領域，圖像處理技術被用來從航空和衛(wèi)星傳送回來的圖片中研究污染模型。圖像增強和復原技術用于不可修復物體的已損圖像在考古領域，使用圖像處理方法已經成功地復原了模糊的圖片。在物理學的一些領域，圖像處理技術也用于增強高能等離子和電子顯微鏡等產生的實驗圖像。此外，圖像處理技術也成功地應用于天文學、生物學、核醫(yī)學、國防及工業(yè)領域。 進入20世紀90年代，圖像技術已逐步滲透到人類生活和社會發(fā)展的各個方面。比較有代表性的有多媒體（multi-media）技術、虛擬現(xiàn)實（VR）技術、動漫技術等。一個越來越值得注意的事實是，如今的圖像處理技術在不斷地與網絡技術，特別是互聯(lián)網技術相融合。 上面所敘述的應用中，圖像處理的結果主要是作為人類進行圖像分析的輔助手段。同樣，數(shù)字圖像技術也可以用來解決機器感知問題，這是一個用計算機處理的形式從圖像中提取信息的過程。在機器感知中，使用圖像處理技術的典型問題有自動字符識別、軍事識別、指紋的自動處理、用于生產線檢測和公寓檢測機器視覺、用于天氣預報和環(huán)境鑒定的航空與衛(wèi)星圖像的機器處理等。4數(shù)字圖像處理研究的主要內容：（1） 圖像數(shù)據的變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲和傳輸。（2） 提高圖像的視感質量，如進行圖像的亮度和色彩變換，增強或抑制圖像的某些成份，對圖像進行幾何變換等，以改善圖像的視覺效果。（3） 提取圖像中所包含的某些特征或某些特殊信息，如圖像的頻率特征、灰度或顏色特征、邊界或區(qū)域特征、紋理或形態(tài)特征、拓撲結構和關系結構等。數(shù)字圖像處理概括的說主要包括圖像的轉換和存儲、圖像的視覺優(yōu)化和圖像的理解三個層次。描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)有三個，即：圖像分辨率、圖像深度和圖像數(shù)據容量。 1)圖像分辨率 圖像分辨率（resolutio）實際上是指對原始圖像的采樣分辨率，也就是指圖像水平或垂直方向單位長度上所包含的采樣點數(shù)。單位是“像素點單位長度”，例如：像素點毫米（ Pixelmm）、像素點英寸（ pixelinch）。 為了方便，在描述顯示器的圖像分辨率時，往往簡單地以顯示屏的有效范圍內水平方向（掃描線）上的像素點總數(shù)和垂直方向上的掃描線總數(shù)的乘積來界定。例如， 的VGA顯示器的分辨率在水平方向為640個像素點，垂直方向為480個像素點。 2)圖像深度 在位圖圖像中，各像素點的亮度或色彩信息用二進制數(shù)位來表示，這一數(shù)據位的位數(shù)稱為像素深度，也叫圖像深度（ image deepness）。 例如，深度為1位的圖像，當取值為0時表示黑（暗）色，取值為1時表示白（亮）色，也就是一幅黑白（二值）圖像。如果一個像素點用4位二進制數(shù)位表示，若是彩色圖像，每個4位的像素點就可以表示16種顏色中的任何一種顏色；如果不是彩色圖像，每個4位的像素點就可以表示 16個不同黑白程度的灰度級別之一。常用的圖像深度是8位，這時，每個像素點可表示256種顏色（256級灰度），16位可表示65536種顏色， 24位可表示16777216種顏色。圖像深度愈深，能夠表現(xiàn)的顏色的數(shù)量愈多，圖像的色彩也就愈真實。 3）圖像數(shù)據量圖像數(shù)據量是一幅圖像的總像素點數(shù)目與每個像素點所需字節(jié)數(shù)的乘積。注：實際上人眼只能分辨40級灰度，這意味著黑白之間的灰度范圍被分為超過40個以上的等級，則相鄰的灰度級對人眼來說看上去是相同的。常用圖像格式：數(shù)字圖像處理通常會產生大量的含有數(shù)字圖像的文件，而且文件的數(shù)據量相當大。它們必須被存檔，而且經常需要在不同的用戶以及系統(tǒng)間進行交換。這就要求有一些用于數(shù)字圖像文件存儲和交換的標準圖像文件格式。圖像格式是多種多樣的，有未經壓縮的格式（如位圖BMP格式）和壓縮的格式（如GIF格式）。主要的圖像數(shù)據文件的格式如下所示：bit-mapped format .BMP Microsoft Wndows格式Isoft image file fomat .PCX 通用的標準圖像文件格式graphical interchange format .GIF CompuServe圖形格式tagged image file fomat .TIF 掃描儀生成的圖像格式Trucvision fomat .TGA 國際上的圖形、圖像工業(yè)廣泛采用的格式Macintosh format .PICT Apple Macintosh圖像格式Photoshop fomat .PSD Photoshop圖像格式Portable network graphics format .PNG 新興的Web圖像格式JPEG file interchanse format JPG 靜止圖像壓縮國際標準格式等而MATLAB圖像的格式或類型：MATLAB圖像處理工具箱三種不同的的數(shù)據存儲類型：雙精度浮點（64位）8位無符號整型數(shù)據（unit8）16位無符號整型數(shù)據（unit16）注：MATLAB主包中只有一種數(shù)據存儲類型即雙精度浮點（64位）若unit8、unit16的圖像要在MATLAB主包中進行運算，必須用im2double函數(shù)（或語句）把unit8、unit16的圖像化為雙精度浮點的圖像（例如下面例2中的程序）。且有四種不同的圖像類型：（1） 二值圖像（）每個像素取兩個離散值0、1中的一個，0-1矩陣?？梢允莡nit8，也可以是雙精度的，但不可以是unit16。（2） 索引圖像（X，map）包括一個數(shù)據矩陣，一個調色板矩陣，其中為調色板中顏色的數(shù)目為。對應調色板矩陣中第行，?？偸请p精度的，可以是unit8，可以是unit16，也可以是雙精度的。（3） 灰度圖像（）可以是unit8，可以是unit16，也可以是雙精度的。（4） RGB圖像（）可以是unit8，可以是unit16，也可以是雙精度的。不同的圖像類型之間可互相轉換。（講）MATLAB圖像的讀寫和顯示：讀：imread 外內寫：imwrite內外顯示：MATLAB內部顯示 imshow（講）5MATLAB圖像處理初步例2: 圖像的反轉顯示clear all,close allI=imread(I2.bmp);I1=im2double(I); J=255-I1; %或J=imadjust(I,0 1,1 0);subplot(121), imshow(I,);subplot(122), imshow(J,) 圖像的反轉類似于照片的底片，將灰度值為i的像素點按255-i(二值圖像按1-i)顯示。J就是得到的反轉圖像。圖中同時顯示了原圖像和反轉圖像，可以作比較。例3: 圖像暴光不足(或暴光太足或圖像灰度值過于集中) 的例子clear all,close allI=imread(pout.tif);J=histeq(I);subplot(221),imshow(I)subplot(222),imshow(J)subplot(223),imhist(I)subplot(224),imhist(J)為了便于觀察直方圖均衡化前后圖像的對比度的變化，先產生一幅質量較差（偏暗或者偏亮或灰度值集中）的圖像，均衡化后，原圖像的對比度得到了增強，原圖像的直方圖相應地變得平坦，灰度值均勻地分布在0255。例4: 二維低通FIR濾波器設計（解釋圖像濾波為什么用FIR濾波器）一維FIR濾波器設計有：fir1(或fir2) 窗口函數(shù)法remez 等波紋最佳一致逼近firls 最小二乘逼近等頻率變換方法：首先設計一個性能較好的一維FIR濾波器