四章數(shù)字圖像處理技術ppt課件

1、人類離不開圖像，計算機圖像技術浸透人類離不開圖像，計算機圖像技術浸透到各個科技領域，百聞不如一見。畫面到各個科技領域，百聞不如一見。畫面比文字更籠統(tǒng)生動，人類比文字更籠統(tǒng)生動，人類70%70%以上信息以上信息來自視覺。來自視覺。“One picture is worth more than ten thousand words學好圖像處置能干什么？學好圖像處置能干什么？圖像處置在整個信號處置里面就業(yè)情勢最好圖像處置在整個信號處置里面就業(yè)情勢最好方式識別目前大部分都是基于圖像的方式識別方式識別目前大部分都是基于圖像的方式識別圖像處置是計算機視覺和視頻處置的根底圖像處置是計算機視覺和視頻處置的根底

2、醫(yī)學圖像是一個比較搶手的方向醫(yī)學圖像是一個比較搶手的方向圖像處置對編程的要求較高，可以去軟件公司圖像處置對編程的要求較高，可以去軟件公司主要大公司：主要大公司：圖像和視頻搜索：微軟、圖像和視頻搜索：微軟、google、yahoo和百度和百度醫(yī)學圖像：醫(yī)學圖像：Simens、GE、飛利浦和柯達、飛利浦和柯達一切與圖像靜止或者運動圖像有關的公司都是選擇。比如數(shù)碼相機、一切與圖像靜止或者運動圖像有關的公司都是選擇。比如數(shù)碼相機、顯微鏡成像、超聲成像、工業(yè)機器人控制、顯示器、電視、遙感等等顯微鏡成像、超聲成像、工業(yè)機器人控制、顯示器、電視、遙感等等什么是數(shù)字圖像什么是數(shù)字圖像?將一幅二維的圖像經過有限

3、個離散點來表示就成為了數(shù)字圖像，將一幅二維的圖像經過有限個離散點來表示就成為了數(shù)字圖像，其中的每個點稱為圖像元素，即像素。其中的每個點稱為圖像元素，即像素。像素值往往用來表示像素的灰度級、顏色、高度值、透明度等等。像素值往往用來表示像素的灰度級、顏色、高度值、透明度等等。什么是數(shù)字圖像什么是數(shù)字圖像?w留意：留意：“digitization 表示數(shù)字圖像是現(xiàn)實中圖像的近似值。表示數(shù)字圖像是現(xiàn)實中圖像的近似值。w在圖像處置軟件中，運用放大工具，對圖像的部分進展察看時。在圖像處置軟件中，運用放大工具，對圖像的部分進展察看時。1 pixel什么是數(shù)字圖像什么是數(shù)字圖像?w普通的，圖像格式包括普通的，

4、圖像格式包括:w每像素每像素1個樣值個樣值 (B&W or Grayscale)w每像素每像素3個樣值個樣值 (Red, Green, and Blue)w每像素每像素4個樣值個樣值(Red, Green, Blue, and “Alpha, a.k.a. Opacity)什么是數(shù)字圖像什么是數(shù)字圖像?如何獲取數(shù)字圖像？如何獲取數(shù)字圖像？圖像感知的要素圖像感知的要素: “場景場景+“照射光源照射光源+獲取圖像的傳感器獲取圖像的傳感器“場景場景“照射光源照射光源獲取圖像的傳感器獲取圖像的傳感器(1)單個傳感器獲取圖像單個傳感器獲取圖像(類似電視顯示圖像的逆過程類似電視顯示圖像的逆過程)(2)用帶

5、狀傳感器獲取圖像用帶狀傳感器獲取圖像(最典型的是如今廣泛運用的掃描儀最典型的是如今廣泛運用的掃描儀)(3)用傳感器陣列獲取圖像用傳感器陣列獲取圖像(最典型的是照相機最典型的是照相機)圖像數(shù)字化關鍵技術圖像數(shù)字化關鍵技術采樣采樣圖像數(shù)字化關鍵技術圖像數(shù)字化關鍵技術量化量化圖像數(shù)字化關鍵技術圖像數(shù)字化關鍵技術量化量化圖像數(shù)字化關鍵技術圖像數(shù)字化關鍵技術編碼編碼數(shù)字系統(tǒng)只能識別數(shù)字系統(tǒng)只能識別0和和1，怎樣才干表示更多的數(shù)碼、符號和字母呢？用，怎樣才干表示更多的數(shù)碼、符號和字母呢？用編碼可以處理此問題。編碼可以處理此問題。用文字、符號或數(shù)碼表示特定對象的過程稱為編碼。在數(shù)字電路中用二用文字、符號或數(shù)

6、碼表示特定對象的過程稱為編碼。在數(shù)字電路中用二進制代碼表示有關的信號稱為二進制編碼。進制代碼表示有關的信號稱為二進制編碼。例如：用一定位數(shù)的二進制數(shù)來表示十進制數(shù)碼、字母、符號等信息稱例如：用一定位數(shù)的二進制數(shù)來表示十進制數(shù)碼、字母、符號等信息稱為編碼。這一定位數(shù)的二進制數(shù)就稱為代碼。為編碼。這一定位數(shù)的二進制數(shù)就稱為代碼。對于對于N個信息，要用幾位的二進制數(shù)才干滿足編碼呢？個信息，要用幾位的二進制數(shù)才干滿足編碼呢？ 2n N 運用編碼技術可以大大減少數(shù)字電路系統(tǒng)中信號傳輸線的條數(shù)，同時便運用編碼技術可以大大減少數(shù)字電路系統(tǒng)中信號傳輸線的條數(shù)，同時便于信號的接納和處置。于信號的接納和處置。例如

7、：一個由例如：一個由8個開關組成的鍵盤，個開關組成的鍵盤， 直接接入：需求直接接入：需求8條信號傳輸線；條信號傳輸線； 編碼器：只需求編碼器：只需求3條數(shù)據線。每組輸入形狀對應一組條數(shù)據線。每組輸入形狀對應一組3位二進制代位二進制代碼碼圖像數(shù)字化關鍵技術圖像數(shù)字化關鍵技術編碼編碼熵編碼熵編碼Huffman編碼，算術編碼，游程編碼編碼，算術編碼，游程編碼變換編碼變換編碼K-L，DCT，子帶編碼，子帶編碼預測編碼與幀間緊縮方法預測編碼與幀間緊縮方法預測編碼機理預測編碼機理運動估值與運動補償運動估值與運動補償小波變換編碼小波變換編碼小波變換在圖像緊縮編碼中的運用小波變換在圖像緊縮編碼中的運用基于區(qū)域

8、和對象的編碼基于區(qū)域和對象的編碼外形編碼，紋理編碼，基于對象的分析綜合編碼外形編碼，紋理編碼，基于對象的分析綜合編碼分級視頻編碼分級視頻編碼分形編碼分形編碼w根據實施編碼所在的數(shù)據域劃分根據實施編碼所在的數(shù)據域劃分w空間域編碼空間域編碼w變換域編碼變換域編碼w其它編碼方法其它編碼方法w空間編碼：空間編碼：wPCM編碼編碼wDPCM編碼編碼wDelta調制調制w行程編碼行程編碼w幀間編碼幀間編碼w等值線編碼等值線編碼w變換域編碼：變換域編碼：wK-L變換編碼變換編碼wDCT變換編碼變換編碼w子帶編碼子帶編碼w自順應變換域編碼自順應變換域編碼w其它變換編碼其它變換編碼w其它方法：其它方法：w矢量量

9、化矢量量化w自順應矢量量化自順應矢量量化w基于模型的編碼基于模型的編碼w視頻網絡編碼視頻網絡編碼w分形編碼分形編碼w小波編碼小波編碼w混合編碼混合編碼圖像數(shù)字化關鍵技術圖像數(shù)字化關鍵技術編碼編碼圖像編碼例如圖像編碼例如-DCT變換變換DCT正變換正變換量化器量化器熵編碼器熵編碼器碼表闡明碼表闡明碼表闡明碼表闡明編碼器編碼器8*8塊塊源圖像數(shù)源圖像數(shù)據據基于基于DCT編碼的簡化框圖編碼的簡化框圖緊縮后的圖緊縮后的圖像數(shù)據像數(shù)據DCT變換的運用：變換的運用：JPEGDCT逆變換逆變換量化器量化器碼表闡明碼表闡明碼表闡明碼表闡明恢復的圖像數(shù)恢復的圖像數(shù)據據解碼器解碼器熵解碼器熵解碼器緊縮的圖像緊縮的

10、圖像數(shù)據數(shù)據基于基于DCT解碼器的框圖解碼器的框圖8*8塊塊DCT變換的運用：變換的運用：JPEG數(shù)字圖像表示數(shù)字圖像表示w數(shù)字圖像的數(shù)字表示是矩陣數(shù)字圖像的數(shù)字表示是矩陣:wMxN digital images in compact matrix formwImage element ， picture element ， pixel，or pelwSometimes we use traditional matrix notation to denote a digital image and its elements) 1, 1() 1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 ,

11、1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11,01 ,00,0NMMMNNaaaaaaaaaA數(shù)字圖像表示數(shù)字圖像表示圖像的數(shù)字化的參數(shù)及數(shù)據量計算圖像的數(shù)字化的參數(shù)及數(shù)據量計算圖像數(shù)字化的參數(shù)圖像數(shù)字化的參數(shù):采樣參數(shù)采樣參數(shù)(空間分辨率空間分辨率): 圖像的長圖像的長M和寬和寬N 量化參數(shù)量化參數(shù)(灰度級，灰度級分辨率灰度級，灰度級分辨率): 數(shù)字圖像的數(shù)據量計算數(shù)字圖像的數(shù)據量計算(單位單位:bit):kL2kNMb數(shù)字圖像的存儲數(shù)字圖像的存儲數(shù)字圖像處置的兩個主要義務：

12、數(shù)字圖像處置的兩個主要義務：如何利用計算機來改良圖像的質量以便于人類視覺分如何利用計算機來改良圖像的質量以便于人類視覺分析；析；對圖像數(shù)據進展存儲、傳輸和表示，便于計算機自動對圖像數(shù)據進展存儲、傳輸和表示，便于計算機自動化處置?；幹谩D像處置的范疇是一個受爭論的話題，因此也產生了圖像處置的范疇是一個受爭論的話題，因此也產生了其他的領域比如圖像分析和計算機視覺等等。其他的領域比如圖像分析和計算機視覺等等。圖像處置和計算機圖形學的結合日益嚴密，后者長期圖像處置和計算機圖形學的結合日益嚴密，后者長期遭到計算機游戲的推進遭到計算機游戲的推進數(shù)字圖像處置數(shù)字圖像處置數(shù)字圖像處置的歷史數(shù)字圖像處置的歷史

13、20世紀世紀20年代年代: 最早的運用之一是報紙業(yè)最早的運用之一是報紙業(yè)Bartlane 電纜圖片傳輸系統(tǒng)；電纜圖片傳輸系統(tǒng)；經過海底電纜將圖像從倫敦傳往紐約；經過海底電纜將圖像從倫敦傳往紐約；為了運用電纜傳輸，圖像需求首先編碼，并在接納端經過電報打為了運用電纜傳輸，圖像需求首先編碼，并在接納端經過電報打印機進展重構。印機進展重構。早期的數(shù)字圖像早期的數(shù)字圖像數(shù)字圖像處置的歷史數(shù)字圖像處置的歷史20世紀世紀20年代中期到末期年代中期到末期: 改良改良Bartlane 系統(tǒng)后，圖像質量得系統(tǒng)后，圖像質量得到了提高到了提高打印過程采用了新的光學復原技術打印過程采用了新的光學復原技術添加了圖像的灰度

14、等級添加了圖像的灰度等級改良后的數(shù)字圖像改良后的數(shù)字圖像早期早期15級顏色的數(shù)字圖像級顏色的數(shù)字圖像數(shù)字圖像處置的歷史數(shù)字圖像處置的歷史w20世紀世紀60年代年代: 由于信息技術的快速開展，出現(xiàn)了一批數(shù)字圖像由于信息技術的快速開展，出現(xiàn)了一批數(shù)字圖像處置處置w1964: “游覽者游覽者7號號拍攝的圖像經過計拍攝的圖像經過計算機進展處置并提算機進展處置并提高了圖像質量；高了圖像質量；w此技術也在阿波此技術也在阿波羅載人登月飛行羅載人登月飛行等空間探測器中等空間探測器中得到運用。得到運用。由由“游覽者游覽者7號登陸前拍攝的圖像號登陸前拍攝的圖像數(shù)字圖像處置的歷史數(shù)字圖像處置的歷史w20世紀世紀70

15、年代年代: 數(shù)字圖像處置開場運用于醫(yī)學領域數(shù)字圖像處置開場運用于醫(yī)學領域w1979: Godfrey N. Hounsfield先生以及先生以及Allan M. Cormack 教教授由于發(fā)明了授由于發(fā)明了“斷層斷層CT技術技術 ，共同獲得了諾貝爾醫(yī)學獎，共同獲得了諾貝爾醫(yī)學獎，其背后的思想是計算機軸向斷層技術其背后的思想是計算機軸向斷層技術(Computerised Axial Tomography (CAT)數(shù)字圖像處置的歷史數(shù)字圖像處置的歷史20世紀世紀70年代末年代末:隨著人工智能的興起和開展，開場隨著人工智能的興起和開展，開場計算機視覺的研討，由計算機視覺的研討，由2D圖象中獲取圖象

16、中獲取3D空間信息空間信息數(shù)字圖像處置的歷史數(shù)字圖像處置的歷史20世紀世紀80年代至今：數(shù)字圖像處置技術呈爆炸性開展，年代至今：數(shù)字圖像處置技術呈爆炸性開展，如今已在大量領域擔負著大量的任務：如今已在大量領域擔負著大量的任務：圖像加強圖像加強/恢復恢復藝術級效果藝術級效果醫(yī)學可視化醫(yī)學可視化工業(yè)檢驗工業(yè)檢驗法律執(zhí)行法律執(zhí)行人機交互人機交互舉例：舉例： 圖像加強圖像加強DIP技術最常見的用途是：提高質量，消除噪音等等技術最常見的用途是：提高質量，消除噪音等等舉例：舉例： Hubble 望遠鏡望遠鏡w1990年發(fā)射的年發(fā)射的“哈勃號太空望遠哈勃號太空望遠鏡可以拍攝超遠間隔的物體，但是鏡可以拍攝超遠

17、間隔的物體，但是由于鏡子出現(xiàn)誤差，拍攝到的圖像由于鏡子出現(xiàn)誤差，拍攝到的圖像就失去了價值，而借助于圖像處置就失去了價值，而借助于圖像處置技術便可以修復。技術便可以修復。舉例：藝術效果舉例：藝術效果藝術效果是指經過特藝術效果是指經過特效或者圖像合成等方法，效或者圖像合成等方法，使得圖像具有更強的視使得圖像具有更強的視覺效果。覺效果。舉例：醫(yī)學舉例：醫(yī)學經過經過MRI核磁共振掃描到的犬類心臟切片，我們可以找出其核磁共振掃描到的犬類心臟切片，我們可以找出其中各種組織的邊境限中各種組織的邊境限:灰度圖表示組織密度灰度圖表示組織密度運用適宜的濾波器來加強邊緣運用適宜的濾波器來加強邊緣取自狗心臟的原始MR

18、I圖像邊緣檢測圖像舉例：GIS地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)Geographic Information Systems，GIS)，數(shù)字圖像處置技術廣泛用于：數(shù)字圖像處置技術廣泛用于：氣候學氣候學地形分類地形分類操作衛(wèi)星圖像操作衛(wèi)星圖像舉例：舉例：GIS全球夜間燈光數(shù)據集全球夜間燈光數(shù)據集可以提供全球人類可以提供全球人類居住區(qū)的匯總情況。居住區(qū)的匯總情況。 不難想象這些數(shù)據不難想象這些數(shù)據需求進展分析和處需求進展分析和處理。理。從圖像可以看出用電量區(qū)別，也根本從圖像可以看出用電量區(qū)別，也根本可以看出貧富區(qū)別?？梢钥闯鲐毟粎^(qū)別。舉例：舉例：GIS遙感圖像：遙感圖像：農業(yè)普查；森林覆蓋計算；水利工程等的

19、客觀估計計算；森林火災農業(yè)普查；森林覆蓋計算；水利工程等的客觀估計計算；森林火災監(jiān)護客觀反映火災情況、面積監(jiān)護客觀反映火災情況、面積舉例：工業(yè)檢驗舉例：工業(yè)檢驗操作人員需求破費大量的精神，卻又慢又不可靠；操作人員需求破費大量的精神，卻又慢又不可靠；運用機器替代；運用機器替代；工業(yè)可視化系統(tǒng)廣泛運用于各類產業(yè)工業(yè)可視化系統(tǒng)廣泛運用于各類產業(yè) 舉例：印刷電路板檢測舉例：印刷電路板檢測印刷電路板檢測印刷電路板檢測(Printed Circuit Board inspection, PCB)運用機器檢測零件能否完好以及焊接能否合格運用機器檢測零件能否完好以及焊接能否合格常規(guī)成像和常規(guī)成像和X光成像相結

20、合光成像相結合舉例：法律執(zhí)行舉例：法律執(zhí)行圖像處置技術被法律執(zhí)行者廣泛采用圖像處置技術被法律執(zhí)行者廣泛采用高速相機或者自動收費系統(tǒng)用于牌照識別高速相機或者自動收費系統(tǒng)用于牌照識別指紋識別指紋識別閉路電視閉路電視(Close Circuit Television, CCTV)中圖像的加強中圖像的加強舉例：舉例：HCI使得人機交互使得人機交互Human Computer Interaction變得更加自然變得更加自然面部識別面部識別手勢識別手勢識別數(shù)字圖像處置的關鍵步驟數(shù)字圖像處置的關鍵步驟圖像采集圖像采集圖像復原圖像復原形狀學處置形狀學處置分割分割表示表示&描畫描畫圖像加強圖像加強對象識別對象識

21、別問題域問題域彩色圖像處置彩色圖像處置圖像緊縮圖像緊縮數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：圖像采集數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：圖像采集圖像采集圖像采集圖像復原圖像復原形狀學處置形狀學處置分割分割表示表示&描畫描畫圖像加強圖像加強對象識別對象識別問題域問題域彩色圖像處置彩色圖像處置圖像緊縮圖像緊縮數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：圖像加強數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：圖像加強圖像采集圖像采集圖像復原圖像復原形狀學處置形狀學處置分割分割表示表示&描畫描畫圖像加強圖像加強對象識別對象識別問題域問題域彩色圖像處置彩色圖像處置圖像緊縮圖像緊縮數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：圖像復原數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：圖像復原圖像采集圖像采集圖像復原圖像復

22、原形狀學處置形狀學處置分割分割表示表示&描畫描畫圖像加強圖像加強對象識別對象識別問題域問題域彩色圖像處置彩色圖像處置圖像緊縮圖像緊縮數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：形狀學處置數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：形狀學處置圖像采集圖像采集圖像復原圖像復原形狀學處置形狀學處置分割分割表示表示&描畫描畫圖像加強圖像加強對象識別對象識別問題域問題域彩色圖像處置彩色圖像處置圖像緊縮圖像緊縮數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：分割數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：分割圖像采集圖像采集圖像復原圖像復原形狀學處置形狀學處置分割分割表示表示&描畫描畫圖像加強圖像加強對象識別對象識別問題域問題域彩色圖像處置彩色圖像處置圖像緊縮圖像緊縮數(shù)字圖像處置的關鍵步驟：對象識別數(shù)字圖像