圖像處理介紹及應(yīng)用實(shí)例

1、數(shù)數(shù) 字字 圖圖 像像 處處 理理主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的概念圖像處理的起源圖像處理技術(shù)分類(lèi)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)組成數(shù)字圖像處理主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理應(yīng)用數(shù)字圖像處理發(fā)展方向 1數(shù)字圖像處理的概念什么是圖像？數(shù)字圖像處理的概念照片數(shù)字圖像處理的概念圖、畫(huà)二維條碼數(shù)字圖像處理的概念數(shù)學(xué)函數(shù) （分形） 圖數(shù)字圖像處理的概念數(shù)學(xué)函數(shù) （仿真）圖數(shù)字圖像處理的概念紅外圖像(美國(guó)攻打阿富汗)CT圖像(肺與皮膚)不可見(jiàn)圖像數(shù)字圖像處理的概念數(shù)字圖像是指由被稱作像素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個(gè)小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。 每個(gè)像素包括兩個(gè)屬性：位置和亮度（或色彩）。對(duì)灰度圖像而言，每個(gè)像

2、素的亮度用一個(gè)數(shù)值（即灰度值）來(lái)表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級(jí)別。什么是數(shù)字圖像什么是數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理的概念數(shù)字圖像處理的概念 數(shù)字圖像的特點(diǎn)數(shù)字圖像的特點(diǎn)信息量大 （計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性難度大）冗余性（象素間相關(guān)性大圖像壓縮的前提）頻帶寬視覺(jué)效果的主觀性大 數(shù)字圖像處理的概念 由于數(shù)字圖像處理是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，因此充斥著相互矛盾和不準(zhǔn)確的定義。 數(shù)字圖像處理：是指將一幅圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环鶊D像。 數(shù)字圖像分析：是指將一幅圖像轉(zhuǎn)換為一種非圖像的表示。但數(shù)字圖像處理通常又包括數(shù)字圖像分析。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：用計(jì)算機(jī)將由概念或數(shù)學(xué)描述所

3、表示的物體圖像（非實(shí)物）進(jìn)行處理和顯示的過(guò)程。如機(jī)械圖、建筑圖等，動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)等（可視化）。 計(jì)算機(jī)視覺(jué)：基于圖像的測(cè)量技術(shù)；用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展能夠理解自然景物的視覺(jué)系統(tǒng)。（輸出是參數(shù)或者描述）數(shù)字圖像處理術(shù)語(yǔ)數(shù)字圖像處理術(shù)語(yǔ)2圖像處理的起源最早應(yīng)用于20世紀(jì)20年代，報(bào)紙業(yè) 1921年電報(bào)打印機(jī)采用特殊字符在編碼紙帶打印。輸出設(shè)備從專(zhuān)用到通用再到專(zhuān)用。1922年兩次穿越大西洋，穿孔紙得到圖像檢測(cè)誤差。圖像通信系統(tǒng)信源編碼和信道編碼。1929年從倫敦到紐約15級(jí)色調(diào)通過(guò)電纜傳遞照片。從早期5級(jí)灰度到15級(jí)灰度?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信再次歷經(jīng)這個(gè)過(guò)程。圖像處理的起源數(shù)字圖像處理作為一門(mén)學(xué)科追溯到6

4、0年代，1964年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)對(duì)“徘徊者7號(hào)”太空船送回的四千多張?jiān)虑蛘掌M(jìn)行了處理。 美國(guó)航天器傳送的第一張?jiān)虑蛘掌?964年7月31日在光線影響月球表面17分鐘攝取的圖像。圖像處理的起源 60年代末，數(shù)字圖象處理形成一個(gè)比較完整的理論與技術(shù)體系，從而構(gòu)成了一門(mén)獨(dú)立的技術(shù) 70年代，CT的發(fā)明，血球自動(dòng)分類(lèi)儀的商業(yè)化CT發(fā)明獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。X射線1901年物理學(xué)獎(jiǎng)。 70年代以來(lái)迅猛發(fā)展。廣泛應(yīng)用于太空探索，遙感應(yīng)用，生物醫(yī)學(xué)工程工業(yè)應(yīng)用，軍事應(yīng)用等方面。3圖像處理技術(shù)分類(lèi)模擬圖像處理：光學(xué)、電信號(hào)處理，包括光學(xué)透鏡處理、照相、廣播電視等優(yōu)點(diǎn)處理速度快，一般是實(shí)

5、時(shí)處理缺點(diǎn)精度低，抗干擾性差，靈活性差，沒(méi)有對(duì)圖像的理解能力和非線性處理能力，不易保存 數(shù)字圖像處理：采用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化形式的圖像進(jìn)行處理優(yōu)點(diǎn)精度高，處理內(nèi)容豐富，處理手段靈活缺點(diǎn)計(jì)算量大，速度慢，且保持靜止圖像處理技術(shù)分類(lèi) 數(shù)字圖像處理功能分類(lèi)數(shù)字圖像處理功能分類(lèi) 將一幅圖像變?yōu)榱硪环?jīng)過(guò)加工的圖像，是圖像到圖像的過(guò)程。（面向人）將一幅圖像轉(zhuǎn)化為一種非圖像的表示，如一個(gè)決策等。（面向機(jī)器） 4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)組成 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像數(shù)字化設(shè)備、圖像處理計(jì)算機(jī)和圖像輸出設(shè)備組成。圖像數(shù)字化設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝象機(jī)與圖像采集卡等圖像處理計(jì)算機(jī)：PC、工作站等（通常將存儲(chǔ)設(shè)備也包括在

6、內(nèi)）圖像輸出設(shè)備：打印機(jī)、繪圖儀等數(shù)字圖像處理系統(tǒng)組成圖像傳感器特殊圖像處理硬件計(jì)算機(jī)大規(guī)模存儲(chǔ)圖像顯示圖像處理軟件硬拷貝問(wèn)題域網(wǎng)絡(luò)5數(shù)字圖像處理內(nèi)容圖像增強(qiáng)去除干擾；突出主要特征；提高圖像對(duì)比度。包括平滑（去噪）與銳化技術(shù)圖像復(fù)原將降質(zhì)圖像（畸變、模糊）恢復(fù)到原真實(shí)圖像（逆問(wèn)題，需要降質(zhì)模型）圖像壓縮編碼（圖像傳輸與存儲(chǔ)需要）圖像分析包括特征提取、圖像分割、圖像描述、圖像理解（模式識(shí)別）圖像重建由多幅二維圖像恢復(fù)物體的三維結(jié)構(gòu)圖像變換（數(shù)學(xué)方法） 離散付氏變換、余弦變換、沃爾什（哈達(dá)瑪）變換、K-L變換、小波變換等6數(shù)字圖像處理應(yīng)用航天及遙感月球圖像火星圖像數(shù)字圖像處理應(yīng)用颶風(fēng)的多光譜圖像西

7、藏東南山區(qū)雷達(dá)圖像數(shù)字圖像處理應(yīng)用美洲的紅外線圖像 高分辨率遙感影像道路提取 1用灰度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差檢測(cè)直線用灰度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差檢測(cè)直線 假設(shè)圖像空間中的一條角度為假設(shè)圖像空間中的一條角度為 、截距為、截距為 的直的直線線 ，映射其灰度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)方差到參數(shù)空間，映射其灰度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)方差到參數(shù)空間上的一點(diǎn)上的一點(diǎn) ，該點(diǎn)的值，該點(diǎn)的值 可由以下公式求可由以下公式求得得 q( )ytgxq( , )q( , )wq-120-101-( , )-2550( , )0,01( , )( , )NiiNiiif x yMNNwqNMf x yf x yN，其中， ，是圖像上所有滿足y =tg()x+q的點(diǎn), 該變換的原理如

8、圖所示該變換的原理如圖所示qqyl0qoq4545o00( ,)qxyo11(,)NNxya)圖像空間 b) 在方向上投影 c)映射方差特征到參數(shù)空間 2梯度矢量均值約束的線目標(biāo)檢測(cè)梯度矢量均值約束的線目標(biāo)檢測(cè) 對(duì)原始圖像進(jìn)行梯度變換，對(duì)梯度矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用梯度對(duì)原始圖像進(jìn)行梯度變換，對(duì)梯度矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用梯度矢量均值來(lái)代替上一節(jié)矢量均值來(lái)代替上一節(jié) 處的值，就得到了梯度矢量在處的值，就得到了梯度矢量在參數(shù)空間中的統(tǒng)計(jì)特性。參數(shù)空間中的統(tǒng)計(jì)特性。( , )q數(shù)字圖像處理應(yīng)用工業(yè)檢測(cè)電路板； 封裝丸劑；瓶裝液體；塑料中氣泡；谷物； 目鏡攙雜物數(shù)字圖像處理應(yīng)用網(wǎng) 裂龜 裂公路損害檢測(cè)公路損害檢測(cè)數(shù)

9、字圖像處理應(yīng)用醫(yī)療診斷胸部胸部X X射線成像射線成像血管造影圖像血管造影圖像頭部頭部CTCT圖像圖像數(shù)字圖像處理應(yīng)用超聲波成像的例子超聲波成像的例子不同角度的胎不同角度的胎兒成像兒成像甲狀腺；受損甲狀腺；受損肌肉層肌肉層數(shù)字圖像處理應(yīng)用多器官偽彩顯示多器官偽彩顯示三維彩色三維彩色CTCT技術(shù)技術(shù)數(shù)字圖像處理應(yīng)用（觀察角度變化）（觀察角度變化）生物醫(yī)學(xué)圖像的處理 細(xì)胞圖像自動(dòng)分割流程圖邊緣檢測(cè)目標(biāo)定位區(qū)域生長(zhǎng)目標(biāo)分割免疫細(xì)胞圖像自動(dòng)分割的過(guò)程示意圖a)一幅免疫細(xì)胞圖像 b)邊緣檢測(cè)的結(jié)果 c)目標(biāo)定位并與b)疊加的結(jié)果 d) 計(jì)算目標(biāo)中心點(diǎn) e) 計(jì)算目標(biāo)所在矩形 f) 在矩形框內(nèi)分割圖像 a)

10、 b) c) d) e) f ) a)原圖 b)邊緣檢測(cè)的結(jié)果 橢圓目標(biāo)的位置檢測(cè)過(guò)程示意圖c)c)從邊緣點(diǎn)沿梯度方向做扇形d)累加器累加的結(jié)果e)對(duì)d取閾值并與b疊加 f)計(jì)算中心點(diǎn)數(shù)字圖像處理應(yīng)用生物個(gè)體特征識(shí)別人臉人臉臉部熱量圖臉部熱量圖指紋指紋幾種常見(jiàn)的生物個(gè)體特征幾種常見(jiàn)的生物個(gè)體特征數(shù)字圖像處理應(yīng)用手形手形手部血管手部血管分布分布 虹膜虹膜視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜 簽名簽名 聲音聲音人臉檢測(cè)系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)模塊關(guān)鍵技術(shù)包括圖像讀取、光線補(bǔ)償、色度空間轉(zhuǎn)換、圖像二值化、圖像膨脹、圖像腐蝕、圖像建模、目標(biāo)中心點(diǎn)獲取等技術(shù)。軟件由三個(gè)模塊組成：人臉大致定位模塊、眼睛定位模塊、嘴巴定位模塊。檢測(cè)系

11、統(tǒng)總體流程圖人臉大致定位人臉大致定位嘴巴定位嘴巴定位勾勒人臉勾勒人臉眼睛定位眼睛定位人臉大致定位讀取圖像讀取圖像光線補(bǔ)償光線補(bǔ)償色度空間轉(zhuǎn)換色度空間轉(zhuǎn)換修正去掉假修正去掉假人臉區(qū)域人臉區(qū)域腐蝕腐蝕膨脹膨脹皮膚顏色建模皮膚顏色建模再次膨脹、再次膨脹、腐蝕腐蝕大致定位人大致定位人臉區(qū)域臉區(qū)域眼睛定位修正去掉假修正去掉假眼睛區(qū)域眼睛區(qū)域定位眼睛中心點(diǎn)定位眼睛中心點(diǎn)眼睛亮度匹配眼睛亮度匹配眼睛匹配眼睛匹配眼睛色度匹配眼睛色度匹配嘴巴定位嘴巴匹配嘴巴匹配腐蝕腐蝕去除離散點(diǎn)去除離散點(diǎn)定位嘴巴中心點(diǎn)定位嘴巴中心點(diǎn)光線補(bǔ)償 光線補(bǔ)償是為消除圖像中可能存在的光線不平衡的情況，同時(shí)由于系統(tǒng)中要用到Y(jié)CrCb色度空

12、間，所以要進(jìn)行光線補(bǔ)償。其基本思路是：把圖像中亮度最大的5%的像素提取出來(lái)，然后線性放大，使得這些像素的平均亮度達(dá)到255，根據(jù)求得的系數(shù)把整個(gè)圖像的亮度進(jìn)行線性放大。色度空間轉(zhuǎn)換 為更好地進(jìn)行膚色匹配，在人臉檢測(cè)系統(tǒng)中常用到Y(jié)CrCb(YCC)色度模型，因此要進(jìn)行色度空間的轉(zhuǎn)換。人臉顏色建模 建模就是根據(jù)已經(jīng)知道的特征為對(duì)象建立一個(gè)模型，借此對(duì)對(duì)象實(shí)現(xiàn)判斷、檢測(cè)、繪制、控制等功能。人臉建模一般可以分為幾何建模和色彩建模，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。相對(duì)而言，幾何建模實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，而且匹配速度較慢，但精度相對(duì)較高。色彩建模比較簡(jiǎn)單，其建模公式如下：2222()()1cossinsincosxxbx

13、ryxecyecabCcxCcy 膨脹、腐蝕、閉操作 膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中，使邊界向外部擴(kuò)張的過(guò)程?？梢杂脕?lái)填補(bǔ)物體中的空洞。 腐蝕可以把小于結(jié)構(gòu)元素的物體刪去，這樣選取不同大小的結(jié)構(gòu)元素，就可以去掉不同大小的物體。 閉操作等形態(tài)學(xué)運(yùn)算填平小湖（即小孔），彌合小裂縫，而總的位置和形狀不變。去掉非人臉區(qū)域 對(duì)于圖像中的非人臉區(qū)域，如果不去掉，則會(huì)影響后續(xù)的操作。因?yàn)榉侨四槄^(qū)域面積比較小，可以根據(jù)這一條件把它們?nèi)コ?。再次膨脹和腐蝕操作 進(jìn)行再次膨脹和腐蝕操作，主要是為了得到人臉區(qū)域的像素點(diǎn)，這對(duì)后續(xù)操作是非常有用的。人臉區(qū)域定位 因?yàn)槿四樒つw建模是根據(jù)皮膚顏色來(lái)確定的，有

14、可能把脖子肩膀等區(qū)域也包括進(jìn)去了，所以得到的只能是人臉的大致區(qū)域。這所以要定位出這個(gè)區(qū)域，主要是可以方便后續(xù)的處理，因?yàn)閳D像處理的速度是較慢的，所以要盡量減少處理的像素?cái)?shù)，當(dāng)定位出人臉區(qū)域的時(shí)候，就可以只對(duì)區(qū)域內(nèi)部的像素點(diǎn)進(jìn)行處理了，這樣就大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。同時(shí)定位出這個(gè)區(qū)域還有助于眼睛、嘴巴的定位。在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)，常用遞歸的方法進(jìn)行。眼睛的色度匹配 色度匹配就是根據(jù)已知的條件設(shè)定顏色的上下限來(lái)對(duì)眼睛進(jìn)行提取操作。YCC色度空間中的色度操作就是對(duì)Cr、Cb分量的操作。眼睛的亮度匹配 眼睛的亮度匹配是根據(jù)圖像像素的亮度值來(lái)確定的，可以用YCC色度空間的Y亮度值進(jìn)行，也可以另外采用一個(gè)計(jì)算值進(jìn)行。眼

15、睛的雙重匹配 僅僅依靠亮度或色度來(lái)進(jìn)行眼睛的定位都是不夠準(zhǔn)確的，還要把兩者結(jié)合起來(lái)。常用的算法是：在進(jìn)行亮度匹配和色度匹配時(shí)，把匹配成功的點(diǎn)都做上標(biāo)記，最后只要檢測(cè)3個(gè)標(biāo)志數(shù)組即可確定眼睛位置。去掉非眼睛區(qū)域 經(jīng)過(guò)前面的操作，眼睛的位置基本已確定出來(lái)了，但除了眼睛區(qū)域外，還有一些其他的區(qū)域留在圖像中，為了準(zhǔn)確的檢測(cè)出人眼，必須去掉這些區(qū)域。去掉這些區(qū)域是根據(jù)人臉區(qū)域來(lái)進(jìn)行的。把在人臉區(qū)域以下的區(qū)域，全部定義為非眼睛區(qū)域。膨脹眼睛區(qū)域 為連接人眼中不連續(xù)的區(qū)域和點(diǎn)，使得一些離散的點(diǎn)合并為兩個(gè)眼睛區(qū)域塊，需要再次對(duì)眼睛區(qū)域進(jìn)行膨脹處理。獲得人眼中心點(diǎn) 定位出人眼區(qū)域后，得到兩個(gè)比較大的區(qū)域，為了更

16、加精確的定位出人眼，還要進(jìn)行中心點(diǎn)定位的操作。其基本算法是計(jì)算兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域的形心。嘴巴的定位 嘴巴的定位和眼睛的定位思路類(lèi)似，不再冗述。腐蝕出嘴巴區(qū)域 腐蝕的作用是進(jìn)行去噪，把不屬于嘴巴的像素點(diǎn)去除。為過(guò)考慮到嘴巴是狹長(zhǎng)形狀，因此應(yīng)只進(jìn)行水平方向上的腐蝕。去離散點(diǎn) 進(jìn)一步將不屬于嘴巴的離散點(diǎn)去除掉，其基本算法是：掃描整圖像，如果遇到一個(gè)白色的點(diǎn)，就判斷和這個(gè)白色點(diǎn)直接或間接相連的白色點(diǎn)的個(gè)數(shù)是否足夠大，如果足夠大，說(shuō)明其不是離散點(diǎn)，否則是，將其去除。定位嘴巴中心點(diǎn) 和得到眼睛中心點(diǎn)相似，也是計(jì)算其形心即可。勾勒人臉 得到了眼睛和嘴巴的位置后，已經(jīng)可以比較精確地定位出人臉來(lái)了。兩個(gè)人眼和嘴巴用三

17、角形勾勒出來(lái)，整個(gè)人臉用橢圓來(lái)近似（圖形學(xué)技術(shù)）?；诤缒さ纳矸葑R(shí)別人眼的窄視場(chǎng)圖像人眼的窄視場(chǎng)圖像根據(jù)虹膜的根據(jù)虹膜的8條圓環(huán)抽取條圓環(huán)抽取出虹膜的紋理出虹膜的紋理對(duì)識(shí)別系統(tǒng)的要求系統(tǒng)必須是在對(duì)個(gè)人影響最小的情況下獲取信息的。一段時(shí)間前后，同一人的生物特征碼前后差異必須很小。個(gè)人的生物特征必須與他人的生物特征有很明顯區(qū)別。系統(tǒng)對(duì)“虛假數(shù)據(jù)”有較強(qiáng)的免疫力。對(duì)于特殊應(yīng)用，系統(tǒng)的性價(jià)比要高。常用生物特征性能的分析比較獲取信息的方便性：指紋、人臉、虹膜、DNA依次為一般、好、好、差。小類(lèi)內(nèi)差異：好、一般、很好、很好。大類(lèi)間差異：好、好，很好，很好。防止假冒方面：好、好、很好、很好。性價(jià)比：一般、一

18、般、一般、差。系統(tǒng)硬件組成通用計(jì)算機(jī)，提供用戶界面以及測(cè)量控制和視頻處理單元的接口。攝像機(jī)云臺(tái)，安裝三個(gè)攝像頭，捕捉寬視場(chǎng)圖像和近視場(chǎng)圖像。云臺(tái)控制單元視頻處理單元，有專(zhuān)門(mén)硬件進(jìn)行立體視頻的實(shí)時(shí)處理。系統(tǒng)硬件組成二維Gabor小波與（0,0）處虹膜圖像的相關(guān)運(yùn)算虹膜紋理的知識(shí)表示位于（0,0）處的Gabor小波，散差參數(shù)是和虹膜紋理最終表示為一個(gè)2048維的二值向量，黑色表示0，白色表示1。將Gabor濾波器與虹膜圖像進(jìn)行鄰域相關(guān)計(jì)算，結(jié)果的正負(fù)號(hào)確定了代碼的每一位。在相關(guān)計(jì)算之前，必須對(duì)人眼圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)規(guī)范化處理。虹膜圖像識(shí)別算法用寬視場(chǎng)視頻和基于相關(guān)的立體視覺(jué)算法，確定最前面的人頭位置。用

19、模板法確定人臉特征的位置，然后確定左（右）眼位置x,y,z。根據(jù)x,y,z，利用近視場(chǎng)單色攝像頭對(duì)準(zhǔn)人眼中心，捕捉人眼的清晰圖像I。采用專(zhuān)門(mén)的圖像處理軟件，從人眼圖像I得到2048位虹膜代碼Q。采用異或（XOR）運(yùn)算將虹膜代碼Q與數(shù)據(jù)庫(kù)中的代碼相匹配。如果兩代碼的差異小于K位，則返回該人的ID；則返回“reject”。虹膜海明距離分布同一個(gè)體的虹膜海明距離分布（左邊），不同個(gè)體的虹膜海明距離分布（右邊）數(shù)字圖像處理應(yīng)用軍事偵察、高精度制導(dǎo)（夜視紅外傳感；智能火炮/圖像制導(dǎo)視頻跟蹤；毫米波成像）視頻跟蹤示例視頻跟蹤示例監(jiān)視目標(biāo)監(jiān)視目標(biāo)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)攝攝像像頭頭云臺(tái)云臺(tái)數(shù)字圖像處理應(yīng)用數(shù)字圖像處理應(yīng)用通訊（圖像壓縮編碼；可視電話）其它 數(shù)字水印技術(shù)數(shù)字水印技術(shù)指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號(hào)。被嵌入的記號(hào)通常是不可見(jiàn)或不可察的，但是通過(guò)一些計(jì)算操作可以被檢測(cè)或者被提取。水印與源數(shù)據(jù)（如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù)）緊密結(jié)合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而保存下來(lái)。數(shù)字圖像處