數字圖像處理復習

1、數字圖像處理數字圖像處理u引言引言u數字圖像的基本概念數字圖像的基本概念u數字圖像的發(fā)展歷史數字圖像的發(fā)展歷史u數字圖像處理的研究內容數字圖像處理的研究內容u數字圖像的應用舉例數字圖像的應用舉例顏色明亮的程度；一幅灰度圖顏色明亮的程度；一幅灰度圖像只有明度特征，而彩色圖像還具有色調和飽和度兩個像只有明度特征，而彩色圖像還具有色調和飽和度兩個色度特征；色度特征；n色調色調（Hue）：）：反映顏色的類別反映顏色的類別n飽和度飽和度（Saturation）：）：表示顏色接近光譜色的程度表示顏色接近光譜色的程度。n“圖像圖像”為為“事件或事物的一種表示、寫真或臨摹，或一個生事件或事物的一種表示、寫真或

2、臨摹，或一個生動的或圖形化的描述動的或圖形化的描述”。圖像是客觀景物通過某種系統(tǒng)的一種映。圖像是客觀景物通過某種系統(tǒng)的一種映射；從廣義上說，是自然界景物的客觀反映。射；從廣義上說，是自然界景物的客觀反映。n模擬圖像（物理圖像）模擬圖像（物理圖像）：直接從觀測系統(tǒng)（輸入系統(tǒng)）獲得、直接從觀測系統(tǒng)（輸入系統(tǒng)）獲得、未經采樣和量化的圖像；未經采樣和量化的圖像；模擬圖像在空間分布和亮度取值上均模擬圖像在空間分布和亮度取值上均為連續(xù)分布。為連續(xù)分布。n數字圖像數字圖像：圖像的數字表示或經過采樣和量化的圖像圖像的數字表示或經過采樣和量化的圖像，像素就像素就是離散單元是離散單元，量化的灰度就是數字量值，量化

3、的灰度就是數字量值圖像輸入系統(tǒng)圖像輸入系統(tǒng)圖像處理與圖像處理與分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)圖像輸出系統(tǒng)圖像輸出系統(tǒng)3. 基本圖像處理系統(tǒng)的結構基本圖像處理系統(tǒng)的結構圖像存儲系統(tǒng)圖像存儲系統(tǒng)4. 數字圖像的獲取數字圖像的獲取 （1 1） 基于基于CCDCCD光電耦器件的輸入光電耦器件的輸入 攝像機、數字攝像 數字相機 平板掃描儀 （2 2）基于光電倍增管的輸入設備）基于光電倍增管的輸入設備 滾筒掃描儀 （3 3）基于采集卡輸入設備）基于采集卡輸入設備5. 圖像質量與圖像質量與空間分辨率空間分辨率和和灰度分辨率灰度分辨率的關系的關系 影響圖像清晰度的因素影響圖像清晰度的因素6. 圖像處理包括的內容圖像處理包括

4、的內容圖像增強圖像增強(Image Enhancement)圖像恢復圖像恢復(Image Restoration)圖像重建圖像重建(Image Reconstruction)圖像分割圖像分割(Image Segmentation)圖像壓縮圖像壓縮(Image Compression)圖像識別圖像識別(Image Recognition)圖像跟蹤圖像跟蹤(Image Track)圖像融合圖像融合(Image Fusion)空間探索、遙感應用空間探索、遙感應用生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程工業(yè)應用工業(yè)應用視覺檢驗、零部件選取、過程控制、交通監(jiān)控、視覺檢驗、零部件選取、過程控制、交通監(jiān)控、自動駕駛等。自動

5、駕駛等。軍事軍事/公安公安指紋識別、人臉識別、筆跡鑒定、目標探測與跟蹤。指紋識別、人臉識別、筆跡鑒定、目標探測與跟蹤。農業(yè)應用農業(yè)應用農作物選種農作物選種數字娛樂數字娛樂網絡數字媒體、視頻特技、虛擬現實、視頻會議等。網絡數字媒體、視頻特技、虛擬現實、視頻會議等。8. 數字圖像處理的應用數字圖像處理的應用1. 視覺感覺要素視覺感覺要素n 瞳孔：瞳孔：控制進入人眼內之光通量控制進入人眼內之光通量(照相機光圈作用照相機光圈作用)。n 晶狀體：晶狀體：其曲率可調節(jié)，以改變焦距，使不同距離的圖其曲率可調節(jié)，以改變焦距，使不同距離的圖在視網膜上成象。在視網膜上成象。n 視細胞：視細胞：視網膜上的視細胞分為

6、兩類：視網膜上的視細胞分為兩類：錐狀細胞、桿錐狀細胞、桿(柱柱)狀細胞。狀細胞。p 錐狀體細胞（錐狀體細胞（600-700w600-700w）：明視細胞：明視細胞, ,在強光下在強光下檢測亮度和顏色檢測亮度和顏色p桿桿( (柱柱) )狀體細胞狀體細胞(7500-15000w)(7500-15000w)：暗視細胞，在弱光下暗視細胞，在弱光下檢測亮度，檢測亮度， 無色彩感覺無色彩感覺( (微光視覺微光視覺/ /暗視覺暗視覺) )。視細胞視細胞視神經視神經視經中樞視經中樞光信號光信號生理電信號生理電信號成像成像大腦大腦2.人眼成象過程人眼成象過程 視覺的空間特性視覺的空間特性 人眼的空間分辨能力為人

7、眼的空間分辨能力為1(1/60度度)；灰度分辨能力大；灰度分辨能力大約約64級。級。 視覺的時間特性視覺的時間特性 活動圖像的幀頻至少是活動圖像的幀頻至少是15幀幀/s的時候，人眼才有圖的時候，人眼才有圖像連貫的感覺。像連貫的感覺。3.視覺感覺要素視覺感覺要素4 .數字圖像的取樣和量化數字圖像的取樣和量化p 采樣：空間上的離散化采樣：空間上的離散化p 量化：灰度上的離散化量化：灰度上的離散化灰度級灰度級L=2L=2k k, ,稱為稱為k k位圖像位圖像5.空間和灰度分辨率空間和灰度分辨率6.圖像的收縮與放大圖像的收縮與放大空間分辨率空間分辨率: :圖像中可分辨的最小細節(jié)，主要由圖像中可分辨的最

8、小細節(jié)，主要由采樣間隔采樣間隔值值決定決定, ,采樣間隔值越小，空間分辨率越高采樣間隔值越小，空間分辨率越高. .灰度分辨率灰度分辨率: : 灰度級別中灰度級別中可辨別的最小變化可辨別的最小變化，通常也把灰，通常也把灰度級度級L L稱為灰度分辨率稱為灰度分辨率（1）圖像的收縮）圖像的收縮 行、列刪除行、列刪除（2 2）圖像的放大）圖像的放大 創(chuàng)立新的象素位置；創(chuàng)立新的象素位置； 給新象素賦灰度值給新象素賦灰度值內插法內插法：最近鄰內插，雙線最近鄰內插，雙線性內插和雙三次內插性內插和雙三次內插7、 圖像處理的算術操作圖像處理的算術操作 算數運算算數運算是指對兩幅或多幅輸入圖像進行是指對兩幅或多幅

9、輸入圖像進行點對點的加、減、點對點的加、減、乘、除乘、除計算而得到輸出圖像的運算（計算而得到輸出圖像的運算（。p 加法：加法：去除去除“疊加性疊加性”噪音噪音 ，生成圖像的疊加效果生成圖像的疊加效果p 減法：減法：去除不需要的疊加性圖案；檢測兩幅圖像之間的差別；去除不需要的疊加性圖案；檢測兩幅圖像之間的差別； 計算物體邊界的梯度（差分運算）計算物體邊界的梯度（差分運算）；8. 圖像處理的空間操作圖像處理的空間操作1. 單象素操作：單象素操作：( )(2.620)sT z原圖像中象素的灰度值；原圖像中象素的灰度值；處理后圖像中象素的灰度值處理后圖像中象素的灰度值z s 2. 鄰域操作：鄰域操作：

10、( , )( , )xySf x yx y 中中以以任任意意一一點點為為中中心心的的一一個個鄰鄰域域的的坐坐標標集集；( , )1( , )( , )(2.621)xyr cSg x yf r cmn 鄰域處理的局部平均：鄰域處理的局部平均：3. 幾何空間變換幾何空間變換 4. 圖像處理的概率方法圖像處理的概率方法概率方法應用的前提：直將圖像的概率方法應用的前提：直將圖像的灰度值灰度值看成是看成是隨機變量隨機變量p 圖象增強圖象增強p 目的目的 1.1.改善圖象的視覺效果，提高圖像的清晰度；改善圖象的視覺效果，提高圖像的清晰度； 2.2.圖像更適合于圖像更適合于人眼觀察人眼觀察和和機器分析識別

11、機器分析識別的形式的形式p 基本方法基本方法空間域處理：空間域處理：點處理（圖象灰度變換、直方圖均衡等）點處理（圖象灰度變換、直方圖均衡等）； 鄰域處理（線性、非線性平滑和銳化等）；鄰域處理（線性、非線性平滑和銳化等）；頻域處理頻域處理 ： 空間濾波空間濾波 灰度級變換函數：灰度級變換函數： s = T (r) r:變換前像素，變換前像素，s:變變 換后像素換后像素 三種基本類型三種基本類型 1.線性的線性的(正比或反比正比或反比) 2.對數的對數的(對數和反對數的對數和反對數的) 3.冪次的冪次的(n次冪和次冪和n次方根變換）次方根變換） 4.分段線性變換函數分段線性變換函數 1. 圖象灰度

12、變換圖象灰度變換圖像反轉圖像反轉對數變換對數變換冪次變換冪次變換 rLs1)1log(rcscrs 2. 直方圖處理直方圖處理直方圖直方圖：()kkh rn 0,1kkkrLnr其其中中：灰灰度度級級；灰灰度度級級為為 的的象象素素個個數數歸一化直方圖：歸一化直方圖：n 其其中中：象象素素總總數數10( ),01,0,1,2,.1( )1kkrkrkLrkrnp rprLnp r krrp 原始圖象原始圖象灰度分布的概率密度函數灰度分布的概率密度函數直方圖直方圖和圖像清晰度的關系和圖像清晰度的關系：p 直方圖均衡化處理直方圖均衡化處理p 直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化：將原始圖象的直方圖轉換為期望將

13、原始圖象的直方圖轉換為期望的直方圖的形狀的直方圖的形狀3.空間濾波基礎空間濾波基礎 圖像的平滑、銳化都是利用掩模操作來完成的。通過圖像的平滑、銳化都是利用掩模操作來完成的。通過掩模掩模操作操作實現一種鄰域運算實現一種鄰域運算p 掩模運算的數學含義是掩模運算的數學含義是（或（或）運算；）運算；p 掩模子圖像中的值是系數值，而不是灰度值；掩模子圖像中的值是系數值，而不是灰度值；p 掩膜版與圖像的相關和卷積運算掩膜版與圖像的相關和卷積運算4. 空間平滑濾波空間平滑濾波 p 平滑線性濾波器（均值濾波器，濾波器領域模板平滑線性濾波器（均值濾波器，濾波器領域模板內像素的簡單平均）內像素的簡單平均） 用途：

14、用途：用于模糊處理和減少噪聲。用于模糊處理和減少噪聲。p 中值濾波器（統(tǒng)計濾波器的一種，模板領域內像中值濾波器（統(tǒng)計濾波器的一種，模板領域內像素排序，取中間值）素排序，取中間值） 主要用途：去除主要用途：去除“椒鹽椒鹽”噪聲噪聲5. 空間銳化濾波器空間銳化濾波器銳化處理的目的：銳化處理的目的：是突出圖像中的細節(jié)或者增強被模糊是突出圖像中的細節(jié)或者增強被模糊了的細節(jié)了的細節(jié). .p 一階微分算子一階微分算子p 拉普拉斯算子拉普拉斯算子p 梯度算子梯度算子p RobertRobert交叉梯度算子交叉梯度算子n 圖像是二維信號，其坐標軸是二維空間坐標軸，圖像本圖像是二維信號，其坐標軸是二維空間坐標軸

15、，圖像本身所在的域稱為身所在的域稱為空間域空間域（S Spacepace D Domainomain）。）。n 圖像灰度值隨空間坐標變化的快慢也用頻率來度量，稱圖像灰度值隨空間坐標變化的快慢也用頻率來度量，稱為為空間頻率空間頻率（S Spatial patial F Frequencyrequency）。）。n 利用傅里葉變換的特性，將時間信號正變換到頻率利用傅里葉變換的特性，將時間信號正變換到頻率域后進行處理（例如低通、高通或帶通），然后再反域后進行處理（例如低通、高通或帶通），然后再反變換成時間信號，即可完成對信號的濾波。變換成時間信號，即可完成對信號的濾波。1.一維（連續(xù)）傅里葉變換一維

16、（連續(xù)）傅里葉變換1( )( )( )exp j2d( )( )( )expj2dFf xF uf xuxxFF uf xF uuxu 一維離散傅里葉變換一維離散傅里葉變換21j021j0( )1( )( )e0,1,1( )( )e0,1,1mnNNnmnNNmx nX mx nmNNx nX mnN則如果為一數字序列，其離散傅里葉正反變換：其中其中( , )f x y( , )( , )exp j2()d d( , )( , )expj2()d dF u vf x yuxvyx yf x yF u vuxvyu v 2. 二維連續(xù)函數二維連續(xù)函數 的傅里葉變換的傅里葉變換11-j2(/)0

17、011j2(/)001( , )( , )e( , )( , )eMNux Mvy NxyMNux Mvy NuvF u vf x yMNf x yF u v 二維離散傅里葉變換二維離散傅里葉變換3. 頻域中的濾波頻域中的濾波思想：思想：通過濾波器函數以某種方式來修改圖像變換，通過濾波器函數以某種方式來修改圖像變換，然后通過取結果的反變換來獲得處理后的輸出圖像。然后通過取結果的反變換來獲得處理后的輸出圖像。（1） 陷波濾波器（帶阻濾波）陷波濾波器（帶阻濾波）0( , )(,)( , )221MNu vH u v 其其它它（2）低通濾波器（低通濾波器（模糊）模糊）類比空間域濾波的平滑處理，類比空

18、間域濾波的平滑處理，如如均值濾波器均值濾波器（3）高通濾波器（）高通濾波器（銳化）銳化）類比空間域的類比空間域的梯度算子梯度算子、拉拉普拉斯算子普拉斯算子4、使用頻率濾波器平滑圖像（、使用頻率濾波器平滑圖像（低通低通）平滑理想低通濾波器理想低通濾波器巴特沃斯低通濾波器巴特沃斯低通濾波器高斯低通濾波器高斯低通濾波器5、使用頻率域濾波器銳化圖像（、使用頻率域濾波器銳化圖像（高通高通）理想高通濾波器理想高通濾波器巴特沃斯高通濾波器巴特沃斯高通濾波器高斯高通濾波器高斯高通濾波器銳化此外此外：頻率域的拉普拉斯算子；銳化模板、高提升濾波和高頻率域的拉普拉斯算子；銳化模板、高提升濾波和高頻強調濾波頻強調濾波

19、；同態(tài)濾波同態(tài)濾波n 圖像退化圖像退化 圖像在形成、記錄、處理和傳輸過程中圖像在形成、記錄、處理和傳輸過程中,由于成像系統(tǒng)、記由于成像系統(tǒng)、記錄設備、傳輸介質和處理方法得不完善，導致圖像質量下錄設備、傳輸介質和處理方法得不完善，導致圖像質量下降，稱為降，稱為圖像退化圖像退化。n 圖像退化的原因圖像退化的原因 成像系統(tǒng)的散焦成像系統(tǒng)的散焦 成像設備與物體的相對運動引起運動模糊成像設備與物體的相對運動引起運動模糊 成像器材的固有缺陷成像器材的固有缺陷 外部干擾等外部干擾等。n 圖像復原圖像復原即根據退化的原因即根據退化的原因, ,分析引起退化的環(huán)境因素分析引起退化的環(huán)境因素, ,建立相應建立相應的

20、數學模型的數學模型, ,并并沿著使圖像降質的逆過程恢復圖像沿著使圖像降質的逆過程恢復圖像。因此因此, ,復原技術就是把退化模型化復原技術就是把退化模型化, ,并采用相反的過程進行處理并采用相反的過程進行處理, ,以便復原出原圖像以便復原出原圖像。 與圖像增強相似，與圖像增強相似，圖像復原的目的也是改善圖像質量。圖像復原的目的也是改善圖像質量。 圖像增強主要是一個主觀過程，而圖像復原主要是一個圖像增強主要是一個主觀過程，而圖像復原主要是一個客觀過程?？陀^過程。 圖像復原技術可以使用圖像復原技術可以使用空間域或頻率域濾波器空間域或頻率域濾波器實現。實現。( , )( , )*( , )( , )g

21、 x yh x yf x yx y( , )( , ) ( , )( , )G u vH u v F u vN u vn 圖像退化圖像退化/復原過程的模型復原過程的模型2( )( )juxF uf x edx退化函數退化函數 H復原濾波復原濾波 退化退化 復原復原( , )( , )*( , )( , )g x yh x yf x yx y1. 一些重要的噪聲一些重要的噪聲p 高斯噪聲高斯噪聲 p 瑞利噪聲瑞利噪聲 p 伽馬（愛爾蘭）噪聲伽馬（愛爾蘭）噪聲 p 指數分布噪聲指數分布噪聲 p 均勻分布噪聲均勻分布噪聲 p 脈沖噪聲（椒鹽噪聲）脈沖噪聲（椒鹽噪聲）2. 只存在噪聲的復原只存在噪聲的

22、復原空間濾波空間濾波（1）均值濾波器）均值濾波器p 算術均值濾波器算術均值濾波器p 諧波均值濾波器諧波均值濾波器p 逆諧波均值濾波器逆諧波均值濾波器（2）順序統(tǒng)計濾波器）順序統(tǒng)計濾波器中值、最大值、最小值，中點濾波器及修正后的中值、最大值、最小值，中點濾波器及修正后的阿爾法均值濾波器阿爾法均值濾波器（3）自適應濾波器）自適應濾波器(1)(1)自適應、局部噪聲消除濾波器自適應、局部噪聲消除濾波器(2) (2) 自適應中值濾波器自適應中值濾波器( (可用于處理更大概率密度得可用于處理更大概率密度得沖激噪聲沖激噪聲) )（4 4）帶阻濾波器）帶阻濾波器 頻率濾波消減頻率濾波消減周期噪聲周期噪聲（3）線性、位置不變的退化）線性、位置不變的退化由于退化模型為卷積的結果由于退化模型為卷積的結果, ,且圖像復原需要濾波器且圖像復原需要濾波器, ,應此應此術語術語”圖像去卷積圖像去卷積”常用于表示線性圖像復原常用于表示線性圖像復原, ,而用于復而用于復原處理的濾波器稱為原處理的濾波器稱為“去卷積濾波器去卷積濾波器”. .估計退化函數的方法估計退化函數的方法: :(1)觀察法觀察法(2)實驗法實驗法(3)數學建模法數學建模法n 圖像復原圖像復原（1 1）逆濾波）逆濾波（2 2）最小均方差誤差濾波）最小均方差