數(shù)字圖像處理

1、 數(shù)字圖像處理講稿武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院第一章 緒論講解內(nèi)容 1.課程性質(zhì)、教學(xué)計(jì)劃和要求簡(jiǎn)介； 2. 數(shù)字圖像處理的基本概念、主要內(nèi)容、 系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及其應(yīng)用目的 1. 要求學(xué)生了解數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容及相關(guān)知識(shí)，熟悉數(shù)字圖像處理與其他學(xué)科的關(guān)系； 2.重點(diǎn)掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及應(yīng)用。第一章 緒論1.1 何謂數(shù)字圖像處理 1.1.1 圖像的概念 圖像是對(duì)客觀存在的物體的一種相似性的、生動(dòng)的寫真或描述。1.1.2 1.1.2 圖像的類別圖像的類別物體圖像數(shù)學(xué)函數(shù)不可見的物理圖像可見的圖像光圖像照片、圖與畫可見光成像和不可見光成像可見光成像和不可見光成像 400nm7

2、00nm紫外光紅外光546.1nm435.8nm780nm單波段、多波段和超波段圖像單波段、多波段和超波段圖像彩色與非彩色圖像彩色與非彩色圖像光與色三種典型地物的波譜反射特性消色體與有色體模擬圖像和數(shù)字圖像模擬圖像和數(shù)字圖像 1)模擬圖像 模擬圖像可用連續(xù)函數(shù)來描述。 其特點(diǎn)：光照位置和光照強(qiáng)度均為連續(xù)變化的。2)數(shù)字圖像 可用矩陣或數(shù)組來描述 像素或像元的屬性：空間位置和灰度。),(yxFI 1, 11 , 10 , 11, 11 , 10 , 11, 01 , 00 , 0,NMMMNNiiiiiiiiinmII1.1.3 圖像處理的概念 圖像處理 模擬圖像處理 數(shù)字圖像處理1.2數(shù)字圖像

3、處理學(xué)的內(nèi)容和與其它相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 1.2.1 圖像處理的內(nèi)容 它是研究圖像的獲取、傳輸、存儲(chǔ)，變換、顯示、理解與綜合利用的一門嶄新學(xué)科。 根據(jù)抽象程度不同可分為三個(gè)層次：狹義圖像處理、圖像分析和圖像理解。如圖1.2.1所示。 圖像分析圖像理解狹義處理高低抽象程度高層低層中層語義數(shù)據(jù)量操作對(duì)象小大符號(hào)象素目標(biāo)具體而言，數(shù)字圖像處理的內(nèi)容包括： 圖像的數(shù)字化圖像的數(shù)字化 圖像變換圖像變換 圖像變換目的在于：處理問題簡(jiǎn)化、有利于特征提取、加強(qiáng)對(duì)圖像信息的理解。 圖像變換算法很多，重點(diǎn)學(xué)習(xí)傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應(yīng)用。 如何由一幅模擬圖像獲取一幅滿足需求的數(shù)字圖像，使圖像便于計(jì)算機(jī)處理、分析。 圖像

4、增強(qiáng)圖像增強(qiáng) 圖像的恢復(fù)與重建圖像的恢復(fù)與重建 介紹各種增強(qiáng)方法及其應(yīng)用。增強(qiáng)圖像的有用信息，消弱噪聲的干擾。 把退化、模糊了的圖像復(fù)原.包括圖像輻射校正和幾何校正等內(nèi)容。 由斷層掃描重建二、三維圖像。 圖像編碼圖像編碼 簡(jiǎn)化圖像的表示，壓縮圖像的數(shù)據(jù)，便于存儲(chǔ)和傳輸。 256K 21k 圖像分割圖像分割 圖像分割是指將一幅圖像劃分為互不重疊的區(qū)域的處理。重點(diǎn)介紹圖像分割的方法及其應(yīng)用。 二值圖像處理與形狀分析二值圖像處理與形狀分析 介紹二值圖像的幾何概念、二值圖像連接成分的各種變形算法和二值圖像特征提取與分析的各種方法。 檢測(cè)或去掉小成分骨架提取 邊界提取 紋理分析紋理分析 主要介紹影像紋理

5、的概念、特征提取與分析的一些方法與應(yīng)用。 圖像識(shí)別圖像識(shí)別對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分類、描述和解譯。1.2.2 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 它與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等學(xué)科既相互聯(lián)系又相互區(qū)別。圖像理解描述狹義處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像理解客觀世界圖像(人)計(jì)算機(jī)視覺圖像符號(hào) 新技術(shù) 新工具 新理論模式識(shí)別圖像分析(轉(zhuǎn)換)1.3 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概述 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由硬件和軟件組成。 采集 顯示 存儲(chǔ) 通信 主機(jī) 圖像處理軟件 獲取數(shù)字圖像的設(shè)備即采集裝置。 掃描儀 數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼攝像機(jī) 1.3.1 圖像采集模塊圖像采集模塊 采集裝置都包括下面兩個(gè)部件：光敏感器件模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置1.3.2 圖像顯

6、示模塊圖像顯示模塊 圖像顯示的主要形式： 軟拷貝形式 硬拷貝形式 常用硬盤、軟盤、U盤、活動(dòng)硬盤、光盤、磁帶等 在海量圖像存儲(chǔ)備份系統(tǒng)中，采用磁盤陣列、磁帶庫(kù)、光 盤塔等存儲(chǔ)設(shè)備。1.3.3圖像存儲(chǔ)模塊圖像存儲(chǔ)模塊1.3.4 圖像通信模塊圖像通信模塊 圖像通信就是把圖像傳送到遠(yuǎn)方終端。按傳輸圖像種類分為 靜止圖像通信，如電報(bào)、傳真和圖文電視等 活動(dòng)圖像通信，如電視、可視電話等。1.3.51.3.5主機(jī)主機(jī) 以微機(jī)或工作站為主，配以圖像卡和外設(shè)構(gòu)成微型圖像處理系統(tǒng)采用大型機(jī)1.3.6 1.3.6 圖像處理軟件圖像處理軟件 由系統(tǒng)管理、圖像數(shù)據(jù)管理和圖像處理模塊三部分組成。1.4.1 數(shù)字圖像處理

7、的特點(diǎn)數(shù)字圖像處理的特點(diǎn) 精度高 對(duì)于一幅圖像而言，數(shù)字化時(shí)不管是用4比特、8比特還是其它比特表示，只需改變計(jì)算機(jī)中程序的參數(shù)，處理方法不變。所以從原理上講不管對(duì)多高精度的數(shù)字圖像進(jìn)行處理都是可能的。而在模擬圖像處理中，要想使精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，就必須對(duì)裝置進(jìn)行大幅度改進(jìn)。 再現(xiàn)性好 不管是什么數(shù)字圖像，均用數(shù)組或數(shù)組集合表示。在傳送和復(fù)制圖像時(shí)，只在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，這樣數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失或遭破壞，保持了完好的再現(xiàn)性。而在模擬圖像處理過程中，就會(huì)因?yàn)楦鞣N干擾因素而無法保持圖像的再現(xiàn)性。1.4 數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)及其應(yīng)用 通用性、靈活性強(qiáng) 對(duì)可見圖像和不可見光圖像（如X光圖像、熱紅外圖像和超聲波

8、圖像等），盡管這些圖像生成體系中的設(shè)備規(guī)模和精度各不相同，但當(dāng)把這些圖像數(shù)字化后，對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，都可同樣進(jìn)行處理，這就是數(shù)字處理圖像的通用性。 另外，改變處理圖像的計(jì)算機(jī)程序，可對(duì)圖像進(jìn)行各種各樣的處理，如上下滾動(dòng)、漫游、拼接、合成、變換、放大、縮小和各種邏輯運(yùn)算等，所以靈活性很高。 1.4.2 1.4.2 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用 數(shù)字處理圖像在生物醫(yī)學(xué) 、遙感 、工業(yè) 、軍事、通信、公安等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)：生物醫(yī)學(xué)：利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如顯微鏡圖像分析，DNA成像分析等；CT及核磁共振、超聲波、 X射線成像分析等。如三維測(cè)量可視化軟件系統(tǒng)可對(duì)各類醫(yī)學(xué)

9、斷層圖像進(jìn)行分析處理，提供診斷依據(jù)。遙感遙感：農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，地勢(shì)、地貌測(cè)繪以及地質(zhì)構(gòu)造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測(cè)等等。 RS Application in Monitoring the Changes of Landuse(1)RS Application in Monitoring the Changes of Landuse(2)1998年長(zhǎng)江（枝城-岳陽）洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)生產(chǎn)：無損探傷，石油勘探，生產(chǎn)過程自動(dòng)化（識(shí)別零件，裝配質(zhì)量檢查），工業(yè)機(jī)器人研制等。軍事：軍事：航空及衛(wèi)星偵察照片的測(cè)繪、判讀，雷達(dá)、 聲納圖像處理，導(dǎo)彈制導(dǎo)，軍事仿真

10、等。在軍事在軍事方面制作電子沙盤方面制作電子沙盤通信：通信：圖像傳真，數(shù)字電視、網(wǎng)絡(luò)可視聊天、可視電話網(wǎng)頁動(dòng)畫等。 獨(dú)特的獨(dú)特的Exact Time和和Auto Balance技術(shù)技術(shù)語音圖像唇形同步語音圖像唇形同步超凡卓越的音頻視頻表現(xiàn)超凡卓越的音頻視頻表現(xiàn)只需350毫秒HiHello地圖符號(hào)識(shí)別公安：公安：指紋識(shí)別，印簽、偽鈔識(shí)別，安檢，手跡、印記鑒別分析等。氣象預(yù)報(bào)：氣象預(yù)報(bào)：獲取氣象云圖進(jìn)行測(cè)繪、判讀等。風(fēng)云1號(hào) 風(fēng)云2號(hào)第二章 基本概念武漢大學(xué)第二章講解內(nèi)容 1. 圖像數(shù)字化概念、數(shù)字化參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響、數(shù)字化器性能評(píng)價(jià) 2. 圖像灰度直方圖的基本概念、計(jì)算、 性質(zhì)及其應(yīng)用 3.

11、數(shù)字圖像處理算法形式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4.圖像圖像文件格式與特征重點(diǎn)：圖像數(shù)字化、圖像灰度直方圖和圖像文件BMP格式難點(diǎn)：圖像數(shù)字化、直方圖應(yīng)用、圖像分層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)教學(xué)法：靈活應(yīng)用示例法、啟發(fā)式、提問法等目的： 1. 熟悉本章基本概念和圖像處理算法形式，了解圖像的特征； 2.重點(diǎn)掌握?qǐng)D像數(shù)字化圖像灰度直方圖的基本概念及應(yīng)用、圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與特征2.2 成象模型f(x，y)-理想成像面坐標(biāo)點(diǎn)（x，y） 的亮度i(x，y)-照度分量r(x，y)-反射分量，則 f(x，y)i(x，y)r(x，y) 其中 ：0 i(x，y) ， 0 r(x，y)1 3-D客觀場(chǎng)景到2-D成像平面的中心投影。物方點(diǎn)空間坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)

12、的像方點(diǎn)坐標(biāo)滿足幾何幾何透視變換關(guān)系（共線條透視變換關(guān)系（共線條件）件）。2.3圖像數(shù)字化 圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式數(shù)字圖像的過程。 模擬圖像 數(shù)字圖像 正方形點(diǎn)陣 具體來說，就是把一幅圖畫分割成如圖2.3.1所示 的一個(gè)個(gè)小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域 灰度用整數(shù)來表示，形成一幅點(diǎn)陣式的數(shù)字圖像。它包括采樣和量化兩個(gè)過程。像素的位置和灰度就是像素的屬性。 2.3.1采樣 將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)的操作稱為采樣。采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個(gè)很重要的參數(shù)。 當(dāng)對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)際的抽樣時(shí)，怎樣選擇各抽樣點(diǎn)的間隔是個(gè)非常重要的問題。關(guān)于這一點(diǎn)，圖像包含何種程度的細(xì)微的濃

13、淡變化，取決于希望忠實(shí)反映圖像的程度。 不同形狀的采樣孔徑2.3.2量化 經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的，還不能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程叫量化。 表示像素明暗程度的整數(shù)稱為像素的灰度級(jí)（或灰度值或灰度）。 一幅數(shù)字圖像中不同灰度級(jí)的個(gè)數(shù)稱為灰度級(jí)數(shù)，用G表示。 采樣方式:有縫、無縫和重迭 一般來說， ，g就是表示存儲(chǔ)圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。 若一幅數(shù)字圖像的量化灰度級(jí)數(shù)G=256=28級(jí)，灰度取值范圍一般是0255的整數(shù)，由于用8bit就能表示灰度圖像像素的灰度值，因此常稱8 bit 量化。 從視覺效果來看，采用大于或等于6比特位量化的

14、灰度圖像，視覺上就能令人滿意。 一幅大小為MN、灰度級(jí)數(shù)為G的圖像所需的存儲(chǔ)空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為 MNg （bit）gG2 灰度級(jí)數(shù)就代表一幅數(shù)字圖像的層次。圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多視覺效果就越好。 數(shù)字圖像根據(jù)灰度級(jí)數(shù)的差異可分為：黑白圖像、灰度圖像和彩色圖像。黑白圖像黑白圖像 圖像的每個(gè)像素只能是黑或白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為0或1。例如011100001I灰度圖像灰度圖像灰度圖像是指灰度級(jí)數(shù)大于2的圖像。但它不包含彩色信息。彩色圖像彩色圖像 彩色圖像是指每個(gè)像素由R、G、B分量構(gòu)成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級(jí)來描述。0025580025524

15、0240255R02550160255255801600G25525525524000160800B100220250180501202001500I2.3.3 量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系 數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化。 所謂“均勻”，指的是采樣、量化為等間隔方式。圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式。 非均勻采樣是根據(jù)圖象細(xì)節(jié)的豐富程度改變采樣間距。細(xì)節(jié)豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。 非均勻量化是對(duì)圖像層次少的區(qū)域采用間隔大量化，而對(duì)圖像層次豐富的區(qū)域采用間隔小量化。 采用非均勻采樣與量化，均會(huì)使問題復(fù)雜化，因此很少采用。 圖像的質(zhì)量1.平均亮度 2.對(duì)比度

16、是指一幅圖象中灰度反差的大小。 對(duì)比度=最大亮度/最小亮度3.清晰度 由圖像邊緣灰度變化的速度來描述。4.分解力或分辨率 一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)像素呈塊狀的國(guó)際棋盤效應(yīng)； 采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。 量化等級(jí)越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大； 量化等級(jí)越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小。 但在極少數(shù)情況下對(duì)固定圖像大小時(shí)，減少灰度級(jí)能改善質(zhì)量，產(chǎn)生這種情況的最可能原因是減少灰度級(jí)一般會(huì)增加圖像的對(duì)比度。例如對(duì)細(xì)節(jié)比較豐富的

17、圖像數(shù)字化。2.3.4 數(shù)字化器 數(shù)字化器必須能夠?qū)D像劃分為若干像素并分別給它們地址，能夠度量每一像素的灰度并量化為整數(shù)，能夠?qū)⑦@些整數(shù)寫入存儲(chǔ)設(shè)備。一、數(shù)字化器組成A采樣孔：保證單獨(dú)觀測(cè)特定的像素而不受其它部分的影響。B圖像掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔按預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)。C光傳感器：通過采樣孔測(cè)量圖像的每一個(gè)像素的亮度。D量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。E輸出存儲(chǔ)體：將像素灰度值存儲(chǔ)起來。它可以是固態(tài)存儲(chǔ)器，或磁盤等。 常用的數(shù)字化器是掃描儀、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)。 二、掃描儀工作原理 掃描儀是圖像輸入的常用設(shè)備。其工作步驟是: 1.將欲掃描的原稿正面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上;

18、2.啟動(dòng)掃描儀驅(qū)動(dòng)程序后，安裝在掃描儀內(nèi)部的可移動(dòng)光源 通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下帶動(dòng)裝著光學(xué)系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成掃描。 3.照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的縫隙，形成橫向光帶，又經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶，分別照到各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號(hào)，該信號(hào)又被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號(hào)。 4.將數(shù)字電子信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)起來。掃描儀的類型有很多種，按掃描儀所掃描對(duì)象來劃分，可分為反射式和透射式兩種。根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)，掃描儀可分為手持式、平板式和滾筒式等幾種。手持式

19、掃描儀手持式掃描儀這種掃描儀誕生于1987年，是當(dāng)年使用比較廣泛的掃描儀品種，最大掃描寬度為105mm，用手推動(dòng)，完成掃描工作，也有個(gè)別產(chǎn)品采用電動(dòng)方式在紙面上移動(dòng)，稱為自走式掃描儀。手持式掃描儀掃描幅面太窄，難于操作和捕獲精確圖像，掃描效果也很差。1995 1996年，各掃描儀廠家相繼停止生產(chǎn)這一產(chǎn)品，手持式掃描儀退出了歷史的舞臺(tái)鼓式掃描儀鼓式掃描儀 又稱為滾筒式掃描儀。鼓式掃描儀是專業(yè)印刷排版領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。 滾筒式掃描儀的結(jié)構(gòu)特殊，它的工作原理是把原圖貼放在一個(gè)有機(jī)玻璃滾筒上，讓滾筒以一定的速率圍繞一個(gè)光電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，探頭中的亮光源發(fā)射出的光線通過細(xì)小的錐形光圈照射在原圖上，一個(gè)像素

20、一個(gè)像素地進(jìn)行采樣。 這種掃描儀的光學(xué)分辨率高、色深高、動(dòng)態(tài)范圍寬，而且輸出的圖像普遍具有色彩還原逼真、陰影區(qū)細(xì)節(jié)豐富、放大效果優(yōu)良等特點(diǎn)。但它的體積大，價(jià)格也很高。平臺(tái)式掃描儀平臺(tái)式掃描儀 又稱平板式掃描儀、臺(tái)式掃描儀，這種掃描儀誕生于1984年，是目前掃描儀的主流產(chǎn)品。 它的掃描區(qū)域?yàn)橐粔K透明的平板玻璃，將原圖放在這塊玻璃平板上，光源系統(tǒng)通過一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作水平移動(dòng)，發(fā)射出的光線照射在原圖上，經(jīng)反射或透射后，由接收系統(tǒng)接收并生成模擬信號(hào)，再通過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，直接傳送到電腦，由電腦進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成掃描過程。平板式掃描儀的掃描速度、精度、質(zhì)量很好，已得到了很好的普及。 圖像數(shù)字化器的性

21、能評(píng)價(jià)項(xiàng)目項(xiàng) 目?jī)?nèi) 容空間分辨率單位尺寸能夠采樣的像素?cái)?shù)。由采樣孔徑與間距的大小和可變范圍決定?；?色)度分辨率量化為多少等級(jí)(位深度),顏色數(shù)(色深度)圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅量測(cè)特征數(shù)字化器所測(cè)量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度掃描速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度噪聲數(shù)字化器的噪聲水平(應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差)其他黑白/彩色，價(jià)格,操作性能等 2.4圖像灰度直方圖2.4.1 概念一、定義 灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率。以灰度級(jí)為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為灰度級(jí)的頻率，繪制頻率同灰度級(jí)的關(guān)系圖就是灰度直方圖。它是圖像的一個(gè)重要特征，反映了圖像灰度分布的情況。 下圖是一幅圖像的灰度直方圖

22、。 頻率的計(jì)算式為 nnvii灰度圖像的直方圖彩色圖像的分波段直方圖0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64ivi二、計(jì)算 該圖像像元總數(shù)為8*8=64, i=0,72.4.2 直方圖的性質(zhì)灰度直方圖只能反映圖像的灰度分布情況，而不能反映圖像像素的位置,即丟失了像素的位置信息。一幅圖像對(duì)應(yīng)唯一的灰度直方圖，反之不成立。不同的圖像可對(duì)應(yīng)相同的直方圖。圖2.4.2給出了一個(gè)不同的圖像具有相同直方圖

23、的例子。 圖2.4.2 不同的圖像具有相同直方圖一幅圖像分成多個(gè)區(qū)域，多個(gè)區(qū)域的直方圖之和即為原圖像的直方圖。2.4.3 直方圖的應(yīng)用用于判斷圖像量化是否恰當(dāng) (a) 恰當(dāng)量化 (b)未能有效利用 (c)超過了動(dòng)態(tài)范圍 圖2.4.4直方圖用于判斷量化是否恰當(dāng)用于確定圖像二值化的閾值 TyxfTyxfyxg),(1),(0),(具有二峰性的灰度圖象當(dāng)影像上目標(biāo)的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度區(qū)間已知時(shí)，可利用直方圖統(tǒng)計(jì)圖像中物體的面積。 A= (2.4-3) 計(jì)算圖像信息量H（熵） （2.4-4） Tiivn102logLiiiPPH2.5圖像處理算法的形式 2.5.1圖像處理基本功能的形式

24、按圖像處理的輸出形式，圖像處理的基本功能可分為三種形式。1）單幅圖像 單幅圖像 ,如圖2.5.1(a)。 2）多幅圖像 單幅圖像, 如圖2.5.1(b)。3）單（或多）幅圖像 數(shù)字或符號(hào)等，如圖2.5.1(c)。2.5.2圖像處理的幾種具體算法1.局部處理 鄰域鄰域 對(duì)于任一像素（i，j），該像素周圍的像素構(gòu)成的集合（i+p,j+q），p、q取合適的整數(shù)，叫做該像素的鄰域。如圖2.5.2（a）。 常用的鄰域如圖2.5.2（b）、(c),分別表示中心像素的4-鄰域、8-鄰域。 圖2.5.2 像素的鄰域局部處理 對(duì)輸入圖像IP（i,j）處理時(shí)，某一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像像素（i,j)及

25、其鄰域N(IP(i,j)中的像素值確定。這種處理稱為局部處理。 局部處理的計(jì)算表達(dá)式為 ),(),(jiIPNjiJPN例如 對(duì)一幅圖象采用33模板進(jìn)行卷積運(yùn)算。點(diǎn)處理點(diǎn)處理 在局部處理中，當(dāng)輸出值JP(i,j)僅與IP(i,j)有關(guān)，則稱為點(diǎn)處理點(diǎn)處理，如圖2.5.5。點(diǎn)處理的計(jì)算表達(dá)式為：)25 . 2(),(),(jiIPjiJPp圖2.5.5 點(diǎn)處理 大局處理 在局部處理中，輸出像素JP(i,j)的值取決于輸入圖像大范圍或全部像素的值，這種處理稱為大局處理。如圖5.6。其計(jì)算表達(dá)式為：)35.2(),(),(jiIPGjiJPG圖2.5.6 大局處理 2.迭代處理 反復(fù)對(duì)圖像進(jìn)行某種運(yùn)

26、算直至滿足給定的條件，從而得到輸出圖像的處理形式稱為迭代處理。如2.5.7圖像的細(xì)化處理過程。 3.跟蹤處理 選擇滿足適當(dāng)條件的像素作為起始像素，檢查輸入圖像和已得到的輸出結(jié)果，求出下一步應(yīng)該處理的像素，進(jìn)行規(guī)定的處理，然后決定是繼續(xù)處理下面的像素，還是終止處理。這種處理形式稱為跟蹤處理。 4.位置不變處理和位置可變處理 輸出像素JP(i，j)的值的計(jì)算方法與像素的位置(i，j)無關(guān)的處理稱為位置不變處理或位移不變處理。 隨位置不同計(jì)算方法也不同的處理稱為位置可變處理或位移可變處理。5.窗口處理和模板處理 對(duì)圖像的處理，一般采用對(duì)整個(gè)畫面進(jìn)行處理，但也有只對(duì)畫面中特定的部分進(jìn)行處理的情況。這種

27、處理方式的代表有窗口處理和模板處理。圖2.5.8窗口處理 單獨(dú)對(duì)圖像中選定的矩形區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行處理的方式叫做窗口處理 模板：任意形狀的區(qū)域；模板平面：一個(gè)和處理圖像相同大小的二維數(shù)組，用來存儲(chǔ)模板信息。一般是一幅二值圖像；模板處理：邊參照模板平面邊對(duì)圖象進(jìn)行某種操作。 希望單獨(dú)處理任意形狀的區(qū)域時(shí)，可采用模板處理。 若模板成矩形區(qū)域，則與窗口處理具有相同的效果，但窗口處理與模板處理不同之處是后者必須設(shè)置一個(gè)模板平面。 2.6 圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與特征 2.6.1 圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.組合方式 組合方式是一個(gè)字長(zhǎng)存放多個(gè)像素灰度值的方式。它能起到節(jié)省內(nèi)存的作用，但導(dǎo)致計(jì)算量增加，使處理程序復(fù)雜。解壓

28、壓縮組合方式圖像處理2.比特面方式 按比特位存取像素，即將所有像素的相同比特位用一個(gè)二維數(shù)組表示，形成比特面。n個(gè)比特位的灰度圖像采用比特面方式存取就有n個(gè)比特面。這種結(jié)構(gòu)能充分利用內(nèi)存空間，便于比特面之間的邏輯運(yùn)算，但對(duì)灰度圖像處理耗時(shí)多。 n-1 2 1 0 錐形結(jié)構(gòu)是對(duì)2k2k個(gè)像素形成的圖像，看成是分辨率不同的k+1幅圖像的層次集合， 即20202k2k。但2020不具有反映輸入圖像的信息。 如圖2.6.1所示，從輸入圖像I0開始，依序產(chǎn)生像素?cái)?shù)縱橫都按1/2遞減的一幅一幅的圖像I1，I2，Ik。此時(shí)，作為圖像Ii的各像素的值，就是它前一個(gè)圖像Ii-1的相應(yīng)的22像素的平均值(一般采用

29、平均值，但也可以采用能表示22像素的性質(zhì)的某個(gè)值)確定。 3.分層結(jié)構(gòu) 由原始圖像開始依次構(gòu)成像素?cái)?shù)愈來愈少的一幅幅圖像，就能使數(shù)據(jù)表示具有分層性，其代表有錐形(金字塔)結(jié)構(gòu)。 處理具有這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)像素?cái)?shù)少的圖像進(jìn)行處理，然后根據(jù)需要，進(jìn)到下面的像素?cái)?shù)多的圖像的對(duì)應(yīng)位置，使用較豐富的信息進(jìn)行處理。同只對(duì)原始圖像進(jìn)行處理的場(chǎng)合相比，這種先對(duì)粗圖像進(jìn)行處理，并限定應(yīng)該仔細(xì)進(jìn)行處理的范圍，再進(jìn)行精處理的方法，可使處理的效率得到提高。4.樹結(jié)構(gòu) 對(duì)于如圖所示的一幅二值圖像的行、列接連不斷地二等分，如果圖像被分割部分中的全體像素都變成具有相同的特征時(shí)，這一部分則不再分割。 用這種方法，可以把

30、圖像用樹結(jié)構(gòu)(4叉樹)表示。這可以用在特征提取和信息壓縮等方面。 5.多重圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 在獲取的彩色圖像（紅、綠、蘭）或多波段圖像中，每個(gè)像素包含著多個(gè)圖像的信息。對(duì)這類圖像數(shù)據(jù)的處理，以多譜圖像為例，有下列三種存儲(chǔ)方式：逐波段存儲(chǔ)，分波段處理時(shí)采用；逐行存儲(chǔ)，行掃描記錄設(shè)備采用；逐像素存儲(chǔ)，用于分類。 2.6.2 圖像文件格式 按不同的方式進(jìn)行組織或存儲(chǔ)數(shù)字圖像像素的灰度，就得到不同格式的圖像文件。圖像文件按其格式的不同具有相應(yīng)的擴(kuò)展名。常見的圖像文件格式按擴(kuò)展名分為：RAW格式、BMP格式、TGA格式、PCX格式、GIF格式、TIFF格式等。1.RAW格式 它是將像素按行列號(hào)順序存儲(chǔ)在文件

31、中。這種文件只含有圖像像素?cái)?shù)據(jù)，不含有信息頭，因此，在讀圖像時(shí)，需要事先知道圖像大?。ň仃嚧笮。?。它是最簡(jiǎn)單的一種圖像文件格式。 2.BMP格式由以下四個(gè)部分組成1）14字節(jié)的文件頭；2）40字節(jié)的信息頭；3）8字節(jié)的顏色定義；4）位圖數(shù)據(jù)。 1)位圖文件頭BITMAPFILEHEADER它的結(jié)構(gòu)如下： typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /*指定文件類型，必須是0 x424D，即字符串“BM” */ DWORD bfSize; /*指定文件大小 */ WORD bfReserved1;為/*保留字 */ WORD bfReserve

32、d2; /*保留字 */ DWORD bfOffBits;為/*文件頭到實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù) * / BITMAPFILEHEADER, FAR *LPBITMAPFILEHEADER;該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是固定的，為14個(gè)字節(jié) 。2）位圖信息頭BITMAPINFOHEADER結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為40個(gè)節(jié) ， 其結(jié)構(gòu)如下： typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD bfSize; /* 指定這個(gè)結(jié)構(gòu)的大小，為40個(gè)字節(jié) LONG biWidth; /*指定圖像的寬度，單位是像素 LONG biHeight; /*指定圖像的高度，單位是像素； WORD biPlan

33、es; /*必須是1 WORD biBitCount; /*指定表示顏色位數(shù)，1(黑白)8（256色）、24（真彩色） DWORD biCompression; /*指定是否壓縮,分別為BI_RGB、BI_RLE4、BI_RLE8 DWORD biSizeImage; /*指定實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)。 LONG biXPelsPerMeter; /*指定目標(biāo)設(shè)備的水平分辨率 LONG biYPersPerMeter; /*指定目標(biāo)設(shè)備的垂直分辨率 DWORD biClrUsed; /*指定本圖像實(shí)際用到的顏色數(shù) DWORD biClrImportant; /*指定本圖像中重要的顏色數(shù) BI

34、TMAPINFOHEADER, FAR *LPBITMAPINFOHEADER; 3)palette（調(diào)色板） 調(diào)色板實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組 ,數(shù)組中每個(gè)元素的類型為一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個(gè)字節(jié)。結(jié)構(gòu)定義如下：typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; BYTE rgbGreen; BYTE rgbRed; BYTE rgbReserved; RGBQUAD; 有些位圖，比如真彩色圖，沒有調(diào)色板。他們的位圖信息頭后直接是位圖數(shù)據(jù)。4)位圖數(shù)據(jù) 它分兩種情況：對(duì)于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值；對(duì)于真彩色圖，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R、G

35、、B值。 對(duì)于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色，因此一個(gè)字節(jié)可以表示8個(gè)像素； 對(duì)于16色位圖，用4位可以表示一個(gè)像素的顏色，所以1個(gè)字節(jié)可以表示2個(gè)像素； 對(duì)于256色位圖，一個(gè)字節(jié)剛好表示一個(gè)像素； a）位圖是1，4，8位時(shí)，有調(diào)色板。RGB對(duì)于真彩色圖，3個(gè)字節(jié)才能表示1個(gè)像素.b） 位圖是24位（真彩色）時(shí)，無調(diào)色板 Rn Gn Bn : R2 G2 B2 R1 G1 B12.7 圖像的特征1圖像的特征1）自然特征 光譜特征 幾何特征 時(shí)相特征 2）人工特征 直方圖特征 灰度邊緣特征 線、角點(diǎn)、紋理特征 圖像的特征有很多，按提取特征的范圍大小又可分為：點(diǎn)特征 僅由各個(gè)像素就能決定

36、的性質(zhì)。如單色圖像中的灰度值、彩色圖像中的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)成分的值。局部特征 在小鄰域內(nèi)所具有的性質(zhì)，如線和邊緣的強(qiáng)度、方向、密度和統(tǒng)計(jì)量(平均值、方差等)等。區(qū)域特征 在圖像內(nèi)的對(duì)象物 (一般是指與該區(qū)域外部有區(qū)別的具有一定性質(zhì)的區(qū)域)內(nèi)的點(diǎn)或者局部的特征分布，或者統(tǒng)計(jì)量，以及區(qū)域的幾何特征(面積、形狀)等。整體特征 整個(gè)圖像作為一個(gè)區(qū)域看待時(shí)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征等。圖2.6.3圖像的特征提取 2特征提取 獲取圖像特征信息的操作稱作特征提取。它作為模式識(shí)別、圖像理解或信息量壓縮的基礎(chǔ)是很重要的。通過特征提取，可以獲得特征構(gòu)成的圖像（稱作特征圖像）和特征參數(shù)。圖2.6.4 特征空間

37、聚類 3特征空間 把從圖像提取的m個(gè)特征量y1，y 2，ym，用m維的向量Yy1 y2ymt表示稱為特征向量。另外，對(duì)應(yīng)于各特征量的m維空間叫做特征空間。第三章講解內(nèi)容 1. 圖像變換的目的、要求和應(yīng)用 2. 傅立葉級(jí)數(shù)、 頻譜分析概念及其意義 3.一維、二維連續(xù)、離散傅立葉變換定義、 性質(zhì)及其應(yīng)用目的 1. 熟悉二維傅立葉變換定義、性質(zhì)及其應(yīng)用； 2. 掌握一維傅立葉變換算法及頻譜分析方法第三章第三章 圖像變換圖像變換圖像變換的目的在于：使圖像處理問題簡(jiǎn)化；有利于圖像特征提取；有助于從概念上增強(qiáng)對(duì)圖像信息的理解。圖像變換通常是一種二維正交變換。一般要求： 正交變換必須是可逆的； 正變換和反變

38、換的算法不能太復(fù)雜； 正交變換的特點(diǎn)是在變換域中圖像能量將集中分布在低頻率成分上，邊緣、線狀信息反映在高頻率成分上，有利于圖像處理。因此正交變換廣泛應(yīng)用在圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、特征提取、圖像壓縮編碼和形狀分析等方面。在此討論常用的傅立葉變換 。3.23.2傅立葉變換傅立葉變換 在學(xué)習(xí)傅立葉級(jí)數(shù)的時(shí)候，一個(gè)周期為T的函數(shù)f(t)在-T/2,T/2上滿足狄利克雷（Dirichlet)條件，則在-T/2,T/2可以展成傅立葉級(jí)數(shù)其復(fù)數(shù)形式為 其中 可見，傅立葉級(jí)數(shù)清楚地表明了信號(hào)由哪些頻率分量組成及其所占的比重，從而有利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理。 )sincos(2)(10nwtbnwtaatfnnnT

39、njnwtnTectf)(22)(1TTdtetfTcjnwtTn 3.2.1 連續(xù)函數(shù)的傅立葉變換 1. 一維連續(xù)函數(shù)的傅立葉變換一維連續(xù)函數(shù)的傅立葉變換 令f(x)為實(shí)變量x的連續(xù)函數(shù)，f(x) 的傅立葉變換用F(u)表示，則定義式為 若已知F(u)，則傅立葉反變換為 式（3.2-1）和（3.2-2）稱為傅立葉變換對(duì)。) 12 . 3()()(2dxexfuFuxj)22 . 3()()(2dueuFxfuxj這里f(x)是實(shí)函數(shù)，它的傅立葉變換F(u)通常是復(fù)函數(shù)。F(u)的實(shí)部、虛部、振幅、能量和相位分別表示如下： 32 . 3)2cos()()(dxuxxfuR實(shí)部) 42 . 3

40、()2sin()()(dxuxxfuI虛部)52 . 3()(2)(2)(21uIuRuF振幅) 62 . 3 ()()()()(222uIuRuFuE能量)72 . 3()()(tan)(1uRuIu相位) 82 . 3(2sin2cos2uxjuxeuxj傅立葉變換中出現(xiàn)的變量u 通常稱為頻率變量。 2. 2. 二維連續(xù)函數(shù)的傅立葉變換二維連續(xù)函數(shù)的傅立葉變換 傅立葉變換很容易推廣到二維的情況。如果f(x，y)是連續(xù)和可積的，且F(u，v)是可積的，則二維傅立葉變換對(duì)為 )102 . 3(),(),()92 . 3(),(),()(2)(2dudvevuFyxfdxdyeyxfvuFvyu

41、xjvyuxj二維函數(shù)的傅立葉譜、相位和能量譜分別為 |F(u，v) =R2(u，v)+I2 (u，v)1/2 (3.211) (u，v)=tan-1 I(u，v)R(u，v) (3.212) E(u，v)=R2(u，v)+I2(u，v) (3.213) 3.2.2 離散函數(shù)的傅立葉變換1.1.一維離散函數(shù)的傅立葉變換一維離散函數(shù)的傅立葉變換 假定取間隔x單位的抽樣方法將一個(gè)連續(xù)函數(shù)f(x)離散化為一個(gè)序列f(x0)，f(x0+x)，fx0+(N-1)x，如圖3.2.3所示。 將序列表示成 f(x)=f(x0+xx) (3.216)即用序列f(0)，f(1)，f(2)，f(N-1)代替f(x0

42、)，f(x0+x)，fx0+(N-1)x。被抽樣函數(shù)的離散傅立葉變換定義式為 F(u)=式中u=0，1，2，N1。反變換為 f(x)=式中x=0，1，2，N-1。10/21)(NxNuxjNexf10/2)(NxNuxjeuF 例如：對(duì)一維信號(hào)f(x)=1 0 1 0進(jìn)行傅立葉變換。 由得 u=0時(shí)， u=1時(shí),10/21)()(NxNuxjNexfuF2/ 1) 3 () 2 () 1 () 0 ( 1111 )()() 0 (413041304/ 0241ffffxfexfFxxx0) 3 () 2 () 1 () 0 (11 )() 1 (412/3041ffffjjexfFjx2/1)

43、3()2() 1 ()0( 1111 )()2(413041ffffexfFjxu=2時(shí),u=3時(shí),在N=4時(shí)，傅立葉變換以矩陣形式表示為F(u)= =Af(x)0) 3()2() 1 ()0(11 )() 3(412/33041ffffjjexfFxjxxy1-1j-j010111111111111141jjjj2.2.二維離散函數(shù)的傅立葉變換二維離散函數(shù)的傅立葉變換在二維離散的情況下，傅立葉變換對(duì)表示為 F(u，v)= (3.220)式中u=0，1，2，M-1；v=0，1，2，N-1。 f(x，y)= (3.221) 式中 x=0，1，2，M-1；y=0，1，2，N-1。一維和二維離散函數(shù)

44、的傅立葉譜、相位和能量譜也分別由前面式子給出，唯一的差別在于獨(dú)立變量是離散的。一般來說，對(duì)一幅圖像進(jìn)行傅立葉變換運(yùn)算量很大，不直接利用以上公式計(jì)算?，F(xiàn)在都采用傅立葉變換快速算法，這樣可大大減少計(jì)算量。為提高傅立葉變換算法的速度，從軟件角度來講，要不斷改進(jìn)算法；另一種途徑為硬件化，它不但體積小且速度快。 1010)/(21),(MxNyNvyMuxjMNeyxf 1010)/(2),(MuNvNvyMuxjevuF原圖離散傅立葉變換后的頻域圖例如例如 數(shù)字圖像的傅立葉變換數(shù)字圖像的傅立葉變換3.2.33.2.3二維離散傅立葉變換的若干性質(zhì) 離散傅立葉變換建立了函數(shù)在空間域與頻率域之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

45、在數(shù)字圖像處理中，經(jīng)常要利用這種轉(zhuǎn)換關(guān)系及其轉(zhuǎn)換規(guī)律，因此，下面將介紹離散傅立葉變換的若干重要性質(zhì)。 1周期性和共軛對(duì)稱性 若離散的傅立葉變換和它的反變換周期為N，則有 F(u，v)=F(u+N，v)=F(u，v+N)=F(u+N，v+N) （3.2-26)傅立葉變換存在共軛對(duì)稱性 F(u，v)=F*(-u，-v) (3.227) 這種周期性和共軛對(duì)稱性對(duì)圖像的頻譜分析和顯示帶來很大益處。 2.2.分離性分離性 一個(gè)二維傅立葉變換可由連續(xù)兩次一維傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)。 例如式(3.2-14)可分成下面兩式:10)292 . 3(1.10/2exp),(1),(NyNvNvyjyxfNvxF，103

46、02 . 31,.,1 , 0,/2exp),(1),(NxNvuNuxjvxFNvuF）（xyxvxv,F u v1-D離散傅立葉變換4.4.旋轉(zhuǎn)性質(zhì)旋轉(zhuǎn)性質(zhì) 平面直角坐標(biāo)改寫成極坐標(biāo)形式：平面直角坐標(biāo)改寫成極坐標(biāo)形式： sincosryrxsincosvu 做代換有：做代換有： ,Frfyxf 如果如果 被旋轉(zhuǎn)被旋轉(zhuǎn) , ,則則 被旋轉(zhuǎn)同一角度。即有傅立葉變換被旋轉(zhuǎn)同一角度。即有傅立葉變換對(duì)：對(duì)：yxf,0,F u v00,Frf7.7.卷積定理卷積定理第四章 圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)是采用一系列技術(shù)去改善圖像的視覺效果,或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適合于人或機(jī)器進(jìn)行分析和處理的形式。例如采用一系列技術(shù)

47、有選擇地突出某些感興趣的信息，同時(shí)抑制一些不需要的信息，提高圖像的使用價(jià)值。 圖像增強(qiáng)方法從增強(qiáng)的作用域出發(fā)，可分為空間域增強(qiáng)和頻率域增強(qiáng)兩種。 空間域增強(qiáng)是直接對(duì)圖像各像素進(jìn)行處理； 頻率域增強(qiáng)是對(duì)圖像經(jīng)傅立葉變換后的頻譜成分進(jìn)行處理，然后逆傅立葉變換獲得所需的圖像。 講解內(nèi)容圖像的代數(shù)運(yùn)算彩色變換及應(yīng)用偽彩色增強(qiáng)假彩色增強(qiáng)彩色增強(qiáng)同態(tài)濾波增強(qiáng)低通濾波高通濾波頻率域圖像銳化圖像平滑局部運(yùn)算局部統(tǒng)計(jì)法規(guī)定化均衡化直方圖修正法灰度變換點(diǎn)運(yùn)算空間域圖像增強(qiáng)目的1. 熟悉并掌握本章基本概念、空間域圖像增強(qiáng)的原理、方法及其特點(diǎn)； 2. 了解頻率域圖像增強(qiáng)的方法及其實(shí)現(xiàn)過程；3.重點(diǎn)掌握直方圖修正方法、

48、特點(diǎn)及其應(yīng)用；空間域平滑、銳化和彩色增強(qiáng)技術(shù)。4.1圖像增強(qiáng)的點(diǎn)運(yùn)算 4.1.2 灰度變換 灰度變換可調(diào)整圖像的灰度動(dòng)態(tài)范圍或圖像對(duì)比度，是圖像增強(qiáng)的重要手段之一。) 51 . 4 (), (), (ajifababajig黑白1線性變換 令圖像f(i，j)的灰度范圍為a,b，線性變換后圖像g(i，j)的范圍為a,b，如圖，g(i，j)與f(i，j)之間的關(guān)系式為： 在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會(huì)局限在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。這時(shí)在顯示器上看到的將是一個(gè)模糊不清、似乎沒有灰度層次的圖像。 下圖是對(duì)曝光不足的圖像采用線性變換對(duì)圖像每一個(gè)像素灰度作線性拉伸?？捎行У馗纳茍D像視覺效果。2分段線性

49、變換 為了突出感興趣目標(biāo)所在的灰度區(qū)間，相對(duì)抑制那些不感興趣的灰度區(qū)間，可采用分段線性變換。 設(shè)原圖像f(x,y)在0，Mf,感興趣目標(biāo)的灰度范圍在a,b,欲使其灰度范圍拉伸到c,d,則對(duì)應(yīng)的分段線性變換表達(dá)式為ffgMyxfbdbyxfbMdMbyxfacayxfabcdayxfyxfacyxg),(),()/()(),(),()/()(),(0),()/(),( 通過細(xì)心調(diào)整折線拐點(diǎn)的位置及控制分段直線的斜率，可對(duì)任一灰度區(qū)間進(jìn)行拉伸或壓縮。 3非線性灰度變換 當(dāng)用某些非線性函數(shù)如對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等，作為映射函數(shù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)圖像灰度的非線性變換。對(duì)數(shù)變換 對(duì)數(shù)變換的一般表達(dá)式為 ) 71

50、. 4 (ln1), (ln), (cbjifajig 這里a,b,c是為了調(diào)整曲線的位置和形狀而引入的參數(shù)。當(dāng)希望對(duì)圖像的低灰度區(qū)較大的拉伸而對(duì)高灰度區(qū)壓縮時(shí)，可采用這種變換，它能使圖像灰度分布與人的視覺特性相匹配。f (i,j)g(i,j)指數(shù)變換 指數(shù)變換的一般表達(dá)式為 這里參數(shù)a,b,c用來調(diào)整曲線的位置和形狀。這種變換能對(duì)圖像的高灰度區(qū)給予較大的拉伸。) 81 . 4 (1), (), (ajifcbjigg (i,j)f (i,j)4.1.3 直方圖修整法 灰度直方圖反映了數(shù)字圖像中每一灰度級(jí)與其出現(xiàn)頻率間的關(guān)系,它能描述該圖像的概貌。通過修改直方圖的方法增強(qiáng)圖像是一種實(shí)用而有效的

51、處理技術(shù)。 直方圖修整法包括直方圖均衡化直方圖均衡化及直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化兩類。1.直方圖均衡化直方圖均衡化 直方圖均衡化是將原圖像通過某種變換，得到一幅灰度直方圖為均勻分布的新圖像的方法。 直方圖均衡化 下面先討論連續(xù)變化圖像的均衡化問題，然后推廣到離散的數(shù)字圖像上。 設(shè)r和s分別表示歸一化了的原圖像灰度和經(jīng)直方圖修正后的圖像灰度。即 （4.1-9） 在0,1區(qū)間內(nèi)的任一個(gè)r值，都可產(chǎn)生一個(gè)s值，且 (4.1-10)1,0sr)(rTs T(r)作為變換函數(shù)，滿足下列條件： 在0r1內(nèi)為單調(diào)遞增函數(shù)，保證灰度級(jí)從黑到白的次序不變； 在0r1內(nèi)，有0T(r)1，確保映射后的像素灰度在允許的

52、范圍內(nèi)。反變換關(guān)系為 （4.1-11） T-1(s)對(duì)s同樣滿足上述兩個(gè)條件。 由概率論理論可知，如果已知隨機(jī)變量r的概率密度為pr(r),而隨機(jī)變量s是r的函數(shù)，則s的概率密度ps(s)可以由pr(r)求出。 假定隨機(jī)變量s的分布函數(shù)用Fs(s)表示，根據(jù)分布函數(shù)定義 )(1sTrrrssSdrrpdsspsF)121 . 4()()()( 利用密度函數(shù)是分布函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的關(guān)系，等式兩邊對(duì)s求導(dǎo)，有： （4.1-13） 可見，輸出圖像的概率密度函數(shù)可以通過變換函數(shù)T(r)控制原圖像灰度級(jí)的概率密度函數(shù)得到,因而改善原圖像的灰度層次,這就是直方圖修改技術(shù)的基礎(chǔ)。 從人眼視覺特性來考慮，一幅圖像的

53、直方圖如果是均勻分布的，即Ps(s)=k(歸一化時(shí)k=1)時(shí)，該圖像色調(diào)給人的感覺比較協(xié)調(diào)。因此將原圖像直方圖通過T(r)調(diào)整為均勻分布的直方圖，這樣修正后的圖像能滿足人眼視覺要求。 因?yàn)闅w一化假定 由（4.1-13）則有 )141 . 4(1)(sPsdrrpdsr)()()()(1sTdsdpdsdrpdrrpdsdsPrrrrs兩邊積分得 上式表明，當(dāng)變換函數(shù)為r的累積直方圖函數(shù)時(shí)，能達(dá)到直方圖均衡化的目的。 對(duì)于離散的數(shù)字圖像，用頻率來代替概率,則變換函數(shù)T(rk)的離散形式可表示為: 上式表明，均衡后各像素的灰度值sk可直接由原圖像的直方圖算出。)151 . 4()()(0rrdrr

54、prTskjjkjjrkknnrprTs00)()( 一幅圖像的sk與rk之間的關(guān)系稱為該圖像的累積灰度直方圖。rkPr(rk)rkS(rk)1.01.01.0下面舉例說明直方圖均衡過程。rknkpr(rk)=nk/nsk計(jì)sk并sknskpk(s)r0=07900.190.191/7s0=1/77900.19r1=1/710230.250.443/7s1=3/710230.25r2=2/78500.210.655/7s2=5/78500.21r3=3/76560.160.816/7 r4=4/73290.080.896/7s3=6/79850.24r5=5/72450.060.951 r6=

55、6/71220.030.981 r7=1810.021.001s4=14480.11例例 假定有一幅總像素為n=6464的圖像，灰度級(jí)數(shù)為8，各灰度級(jí)分布列于表中。對(duì)其均衡化計(jì)算過程如下：？ 若在原圖像一行上連續(xù)8個(gè)像素的灰度值分別為：0、1、2、3、4、5、6、7，則均衡后，他們的灰度值為多少？原圖像的直方圖均衡后圖像的直方圖直方圖均衡化示例 2.2.直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化 在某些情況下，并不一定需要具有均勻直方圖的圖像，有時(shí)需要具有特定的直方圖的圖像，以便能夠增強(qiáng)圖像中某些灰度級(jí)。直方圖規(guī)定化方法就是針對(duì)上述思想提出來的。直方圖規(guī)定化是使原圖像灰度直方圖變成規(guī)定形狀的直方圖而對(duì)圖像作修正

56、的增強(qiáng)方法。 可見，它是對(duì)直方圖均衡化處理的一種有效的擴(kuò)展。直方圖均衡化處理是直方圖規(guī)定化的一個(gè)特例。 對(duì)于直方圖規(guī)定化，下面仍從灰度連續(xù)變化的概率密度函數(shù)出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)，然后推廣出灰度離散的圖像直方圖規(guī)定化算法。 假設(shè)pr(r)和pz(z)分別表示已歸一化的原始圖像灰度分布的概率密度函數(shù)和希望得到的圖像的概率密度函數(shù)。 首先對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化，即求變換函數(shù)：假定已得到了所希望的圖像，對(duì)它也進(jìn)行均衡化處理，即它的逆變換是這表明可由均衡化后的灰度得到希望圖像的灰度。 若對(duì)原始圖像和希望圖像都作了均衡化處理，則二者均衡化的ps(s)和pv(v)相同，即都為均勻分布的密度函數(shù)。由s代替v 得

57、z=G-1(s)rrdrrprTs0)171.4()()()181 .4()()(0zzdrrpzGv)191 .4()(1vGz 這就是所求得的變換表達(dá)式。根據(jù)上述思想，可總結(jié)出直方圖規(guī)定化增強(qiáng)處理的步驟如下：對(duì)原始圖像作直方圖均衡化處理；按照希望得到的圖像的灰度概率密度函數(shù)pz(z)，求得變換函數(shù)G(z)；用步驟得到的灰度級(jí)s作逆變換z= G-1(s)。 經(jīng)過以上處理得到的圖像的灰度級(jí)將具有規(guī)定的概率密度函數(shù)pz(z)。 采用與直方圖均衡相同的原始圖像數(shù)據(jù)（6464像素且具有8級(jí)灰度），其灰度級(jí)分布列于表中。給定的直方圖的灰度分布列于表中。 對(duì)應(yīng)的直方圖如下： 原圖像的直方圖 規(guī)定化直方圖

58、 rj sknkps(sk)zkpz(zk)vkzk并nkpz(zk)r0s0=1/77900.19z0=00.000.00z000.00r1s1=3/710230.25z1=1/70.000.00z100.00r2s2=5/78500.21z2=2/70.000.00z200.00r3s3=6/7 z3=3/70.150.15z3s0=1/77900.19r4s3=6/79850.24z4=4/70.200.35z4s1=3/71023 0.25r5s4=1 z5=5/70.300.65z5s2=5/78500.21r6s4=1 z6=6/70.200.85z6s3=6/79850.24r7

59、s4=14480.1110.151.00z7s4=14480.11117/67/ 317/67/ 57/217/ 57/47/ 17/67/47/ 307763765275416430zrzrzrzrzrzrzrzr 原圖像的直方圖 規(guī)定的直方圖 規(guī)定化后圖像的直方圖？ 若在原圖像一行上連續(xù)8個(gè)像素的灰度值分別為：0、1、2、3、4、5、6、7，則規(guī)定化后，他們的灰度值為多少？ 利用直方圖規(guī)定化方法進(jìn)行圖像增強(qiáng)的主要困難在于要構(gòu)成有意義的直方圖。圖像經(jīng)直方圖規(guī)定化，其增強(qiáng)效果要有利于人的視覺判讀或便于機(jī)器識(shí)別。下面是一個(gè)直方圖規(guī)定化應(yīng)用實(shí)例。 圖(C)、(c)是將圖像(A)按圖(b)的直方圖進(jìn)

60、行規(guī)定化得到的結(jié)果及其直方圖。通過對(duì)比可以看出圖(C)的對(duì)比度同圖（B)接近一致，對(duì)應(yīng)的直方圖形狀差異也不大。這樣有利于影像融合處理，保證融合影像光譜特性變化小。1111111119111111111191模 板4.2 圖像的空間域平滑 任何一幅原始圖像，在其獲取和傳輸?shù)冗^程中，會(huì)受到各種噪聲的干擾，使圖像惡化，質(zhì)量下降，圖像模糊，特征淹沒，對(duì)圖像分析不利。 為了抑制噪聲改善圖像質(zhì)量所進(jìn)行的處理稱圖像平滑或去噪。它可以在空間域和頻率域中進(jìn)行。本節(jié)介紹空間域的幾種平滑法。4.2.14.2.1局部平滑法局部平滑法 局部平滑法是一種直接在空間域上進(jìn)行平滑處理的技術(shù)。假設(shè)圖像是由許多灰度恒定的小塊組成