第一章《光電圖像處理》概述

1、電子科技大學(xué)電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院光電信息學(xué)院 二一二年二一二年2月月20日日第一章第一章光電圖像處理光電圖像處理概述概述彭真明彭真明E-mail: pengzm_主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例百聞不如一見One picture is worth more than t

2、en thousand words. Anonymous人類通過眼、耳、鼻、舌、身接收信息，人類通過眼、耳、鼻、舌、身接收信息，感知世界。約有感知世界。約有75%的信息是通過人眼的信息是通過人眼(視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng))獲取的。獲取的。一、引言 因此，因此，數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理就是用數(shù)字計(jì)算就是用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理所獲取信息的技術(shù)。機(jī)處理所獲取信息的技術(shù)。圖像存儲系統(tǒng)圖像存儲系統(tǒng)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)n基本圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一、引言一、引言“圖像”為“事件或事物的一種表示、寫真或臨摹，或一個(gè)生動的或圖形化的描述”。“圖”是物體透射光或反射

3、光的分布；“像”是人的視覺系統(tǒng)對圖的接收在大腦中形成的印象或認(rèn)識；“圖像”是兩者的結(jié)合；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。一、引言模擬圖像（物理圖像）： 直接從觀測系統(tǒng)（輸入系統(tǒng)）獲得、未經(jīng)采樣和量化的圖像；模擬圖像在空間分布和亮度取值上均為連續(xù)分布。數(shù)字圖像： 圖像的數(shù)字表示或經(jīng)過采樣和量化的圖像，像素就是離散單元，量化的灰度就是數(shù)字量值。電磁輻射與可見光電磁輻射與可見光一、引言 顏色的表觀特征：n明度（明度（Luminance）：）：顏色明亮的程度；一幅顏色明亮的程度；一幅灰度圖像只有明度特征，而彩色圖像還具有色灰度圖像只有明度特征，而彩色圖像還具有

4、色調(diào)和飽和度兩個(gè)色度特征；調(diào)和飽和度兩個(gè)色度特征；n色調(diào)（色調(diào)（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表示顏色接近光譜色的程度。任何一種顏色都可以看著是某種光譜色程度。任何一種顏色都可以看著是某種光譜色與白色混合的結(jié)果，光譜色所占的比例越大，與白色混合的結(jié)果，光譜色所占的比例越大，顏色接近光譜色的程度就越高，顏色的飽和度顏色接近光譜色的程度就越高，顏色的飽和度就愈高。飽和度高，顏色就深而艷。就愈高。飽和度高，顏色就深而艷。一、引言人對光的感覺是靠視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞（椎狀和桿狀）人對光的感覺是靠視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞（椎狀和桿狀）椎狀

5、細(xì)胞：感覺彩色色調(diào)椎狀細(xì)胞：感覺彩色色調(diào)桿狀細(xì)胞：提取亮度信息桿狀細(xì)胞：提取亮度信息椎狀細(xì)胞椎狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞一、引言 顏色的定量描述nLHS描述：描述： Luminance、 Hue、 Saturation描述法描述法nRGB描述：描述： Red 、Green、Blue描述法描述法 三基色原理三基色原理一、引言一、引言一、引言 基于基于CCDCCD光電耦器件的輸入光電耦器件的輸入 攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像 數(shù)字相機(jī) 平板掃描儀 基于光電倍增管的輸入設(shè)備 滾筒掃描儀 基于采集卡輸入設(shè)備一、引言n圖像顯示模擬電視掃描原理逐行掃描隔行掃描一、引言n常見電視制式主要參數(shù)對比制式參數(shù)NTSC（美國）（美

6、國）1952年年 制定制定PAL（西德）（西德）1962年年 制定制定總掃描行數(shù)總掃描行數(shù)525625行頻（行頻（z）1575015625隔行掃描隔行掃描2/12/1場頻（場頻（z）60（59.94）50幀頻（幀頻（z）3025行同步寬度行同步寬度(um)4.7+-0.14.7+-0.2行消隱寬度行消隱寬度(um)10.9+-0.212+-0.3高寬比高寬比4/34/3一、引言主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例二、數(shù)字圖像基本概念n圖像的數(shù)字化：采樣和

7、量化為了便于計(jì)算機(jī)處理，圖像函數(shù)f(x,y)在空間和取值上必須數(shù)字化。連續(xù)圖像數(shù)字圖像離散化NMn圖像的數(shù)字化：采樣和量化 圖像的采樣（圖像的采樣（Sampling)：空間坐標(biāo)(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣確定水平和垂直方向上的像素個(gè)數(shù)N 、 M像素（pixel)二、數(shù)字圖像基本概念n圖像的數(shù)字化：采樣和量化 圖像的量化圖像的量化(Quantization)：取值的數(shù)字化：取值的數(shù)字化：被稱為圖像灰度級量化被稱為圖像灰度級量化量化處理：量化處理：將將f 映射到映射到Z的處理的處理Z的最大取值：的最大取值：確定像素的灰度級數(shù)確定像素的灰度級數(shù)G = 2m。二、數(shù)字圖像基本概念fZn數(shù)字圖像的數(shù)

8、學(xué)表示：) 1, 1() 1 , 1() 0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 () 0 , 1 () 1, 0() 1 , 0() 0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf像素坐標(biāo)像素的灰度（Gray scale)二、數(shù)字圖像基本概念n數(shù)字圖像的數(shù)學(xué)表示：) 1, 1() 1 , 1() 0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 () 0 , 1 () 1, 0() 1 , 0() 0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf二、數(shù)字圖像基本概念n空間分辨率（Spatial Resolution)采樣引起的空間分辨率與圖像質(zhì)量數(shù)碼相機(jī)：數(shù)碼相機(jī)： 307223

9、047077888(700萬像素萬像素) 259219445038848(500萬像素萬像素)二、數(shù)字圖像基本概念n灰度分辨率（Gray Resolution)量化引起的灰度分辨率與圖像質(zhì)量二、數(shù)字圖像基本概念原圖低色調(diào)低對比度低飽和度主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例三、數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史 20世紀(jì)20年代，紐約倫敦海底電纜傳輸數(shù)字化的新聞圖片。傳遞時(shí)間從一個(gè)多星期減少到3個(gè)小時(shí)。19211921年電報(bào)打印機(jī)采用特年電報(bào)打印機(jī)采用特殊字符在編碼紙

10、帶得到的殊字符在編碼紙帶得到的圖像。圖像。19221922年在信號兩次穿越大年在信號兩次穿越大西洋后，從穿孔紙得到的西洋后，從穿孔紙得到的圖像。圖像。圖像通信系統(tǒng)信源圖像通信系統(tǒng)信源編碼和信道編碼。編碼和信道編碼。19291929年從倫敦到紐約年從倫敦到紐約1515級色調(diào)通過電級色調(diào)通過電纜傳遞照片。從早期纜傳遞照片。從早期5 5個(gè)灰度到個(gè)灰度到1515灰灰度。度?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)、移動通信再次歷經(jīng)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)、移動通信再次歷經(jīng)這個(gè)過程。這個(gè)過程。 2020世紀(jì)五十年代中期在太空計(jì)劃的推動下開始這項(xiàng)技術(shù)的研究。重要標(biāo)世紀(jì)五十年代中期在太空計(jì)劃的推動下開始這項(xiàng)技術(shù)的研究。重要標(biāo)志是志是19641964年

11、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（年美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPLJPL）正式使用數(shù)字計(jì)算機(jī)對）正式使用數(shù)字計(jì)算機(jī)對“徘徊者徘徊者7 7號號”太空船送回的四千多張?jiān)虑蛘掌M(jìn)行了處理。太空船送回的四千多張?jiān)虑蛘掌M(jìn)行了處理。美國航天器傳送的第一張?jiān)旅绹教炱鱾魉偷牡谝粡堅(jiān)虑蛘掌?，球照片?9641964年年7 7月月3131日在光日在光線影響月球表面線影響月球表面1717分鐘攝取分鐘攝取的圖像。的圖像。2007年年10月月24日日18時(shí)時(shí)05分分04秒秒西昌衛(wèi)星發(fā)射中西昌衛(wèi)星發(fā)射中心心“嫦娥一號嫦娥一號”衛(wèi)星，衛(wèi)星，11月月20日日傳回的首張圖片傳回的首張圖片月球背面一個(gè)典型的輻射線撞擊坑月球背面一個(gè)典型的輻射線

12、撞擊坑 三、數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史通過反演得到三維圖通過反演得到三維圖 n生物醫(yī)學(xué)圖像處理三、數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例四、圖像處理包括的內(nèi)容n按顏色類別：二值圖像(Binary Image)灰度圖像(Grayscale Image)多光譜彩色圖像(Multi-Spectrum Image)n按成像傳感器類別：電視圖像(TV/Visible Image)紅外圖像(Infrared Image)雷達(dá)圖像(Radar Imag

13、e)超聲圖像(Ultrasonic Image) 核磁共振(Magnetic resonance imaging,MRI)X-RAY圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容n不同傳感器圖像對比：電視圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容紅外圖像n不同傳感器圖像對比：發(fā)熱癥狀四、圖像處理包括的內(nèi)容可見光可見光紅外紅外四、圖像處理包括的內(nèi)容可見光可見光紅外紅外n不同傳感器圖像對比：可見光圖像合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容nX-Ray與超聲圖像X-光片超聲圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容nMRI圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容nPET-正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像它將人體代謝所必須的物質(zhì)，如葡萄糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂肪酸等，

14、標(biāo)記上極微量的短壽命正電子核素，制成顯像計(jì)注入人體，再用特殊的探測裝置檢測這些正電子標(biāo)記物在體內(nèi)的分布青況。人體不同組織的代謝狀態(tài)不同，所以這些核素標(biāo)記物質(zhì)在人體各種組織中的分布也不同，這些特點(diǎn)可通過圖像方式反映出來，從而可對病變進(jìn)行分析和診斷。四、圖像處理包括的內(nèi)容n顯微圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容n按動態(tài)與靜態(tài)分類：靜態(tài)圖像(Static Image)動態(tài)圖像(Dynamic Image)四、圖像處理包括的內(nèi)容n按應(yīng)用方式分類：圖像增強(qiáng)(Image Enhancement)圖像恢復(fù)(Image Restoration)圖像重建(Image Reconstruction)圖像分割(Image

15、Segmentation)圖像壓縮(Image Compression)圖像識別(Image Recognition)圖像跟蹤(Image Track)四、圖像處理包括的內(nèi)容圖像融合(Image Fusion)n圖像增強(qiáng)(主觀)四、圖像處理包括的內(nèi)容原圖像增強(qiáng)圖像n圖像恢復(fù)(客觀）四、圖像處理包括的內(nèi)容原圖像增強(qiáng)圖像n圖像重建n圖像變換與重建圖像變換與重建四、圖像處理包括的內(nèi)容n圖像邊緣檢測與分割四、圖像處理包括的內(nèi)容n圖像壓縮壓縮倍數(shù) 10.26，PSNR 36.51 壓縮倍數(shù) 98.70，PSNR 25.22Lena 1994Lena 1974四、圖像處理包括的內(nèi)容n圖像識別與分析四、圖像

16、處理包括的內(nèi)容紋理識別紋理識別指紋識別指紋識別人臉識別人臉識別筆跡簽定筆跡簽定車牌識別車牌識別圖像處理包括的內(nèi)容n圖像跟蹤n圖像融合四、圖像處理包括的內(nèi)容n圖像融合四、圖像處理包括的內(nèi)容n按理論方法分類：點(diǎn)處理、代數(shù)處理、幾何處理變換域處理與分析隨機(jī)統(tǒng)計(jì)等現(xiàn)代信號處理方法小波、形態(tài)學(xué)、分形等先進(jìn)數(shù)學(xué)工具人工智能方法：如模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等四、圖像處理包括的內(nèi)容主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例五、數(shù)字圖像處理的應(yīng)用 “道爾道爾” 野戰(zhàn)地空導(dǎo)彈

17、武野戰(zhàn)地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，是世界上最先采用垂器系統(tǒng)，是世界上最先采用垂直發(fā)射方式的近程防空系統(tǒng)，直發(fā)射方式的近程防空系統(tǒng)，同時(shí)也是一種全天候、全自動、同時(shí)也是一種全天候、全自動、三位一體三位一體(目標(biāo)搜索、跟蹤和目標(biāo)搜索、跟蹤和導(dǎo)彈發(fā)射裝置同時(shí)裝在一輛車導(dǎo)彈發(fā)射裝置同時(shí)裝在一輛車上上)的新一代高性能防空導(dǎo)彈的新一代高性能防空導(dǎo)彈發(fā)射車。它具有警戒、指揮與發(fā)射車。它具有警戒、指揮與控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)與發(fā)射等眾多控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)與發(fā)射等眾多功能，既可以獨(dú)立作戰(zhàn)，也可功能，既可以獨(dú)立作戰(zhàn)，也可以和發(fā)射連的其它發(fā)射車協(xié)同以和發(fā)射連的其它發(fā)射車協(xié)同作戰(zhàn)。它可在低空、超低空和作戰(zhàn)。它可在低空、超低空和近程區(qū)域內(nèi)攔

18、截多種非隱身與近程區(qū)域內(nèi)攔截多種非隱身與隱身空襲目標(biāo)，如固定翼飛機(jī)、隱身空襲目標(biāo)，如固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)以及巡航導(dǎo)彈、直升機(jī)、無人機(jī)以及巡航導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、精確空地導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)炸彈等，主要用于保護(hù)陸制導(dǎo)炸彈等，主要用于保護(hù)陸地作戰(zhàn)部隊(duì)和一些重要目標(biāo)免地作戰(zhàn)部隊(duì)和一些重要目標(biāo)免遭敵人空襲，其性能在同類系遭敵人空襲，其性能在同類系統(tǒng)中是出類拔萃的。統(tǒng)中是出類拔萃的。 B2轟炸機(jī)的單價(jià)高達(dá)轟炸機(jī)的單價(jià)高達(dá)22.2億美元，是世億美元，是世界上迄今為止最昂貴的飛機(jī)。北約在對南聯(lián)盟界上迄今為止最昂貴的飛機(jī)。北約在對南聯(lián)盟空襲中，首次動用了空襲中，首次動用了2架架B2隱形戰(zhàn)略

19、轟炸機(jī)，隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)，使這種飛機(jī)第一次用于實(shí)戰(zhàn)。使這種飛機(jī)第一次用于實(shí)戰(zhàn)。B2轟炸機(jī)由美轟炸機(jī)由美國諾思羅普公司為美國空軍研制，采用了眾多國諾思羅普公司為美國空軍研制，采用了眾多的隱形技術(shù)，特別是它怪異的外形，機(jī)翼出奇的隱形技術(shù)，特別是它怪異的外形，機(jī)翼出奇的長，全身漆黑，就像一只巨大的蝙蝠，而且的長，全身漆黑，就像一只巨大的蝙蝠，而且外面看不到任何武器。該型機(jī)沒有機(jī)身，機(jī)身外面看不到任何武器。該型機(jī)沒有機(jī)身，機(jī)身與機(jī)體完全融為一體。它的高度約與機(jī)體完全融為一體。它的高度約5.18米，長米，長約約21米，翼展達(dá)米，翼展達(dá)52.42米。目前，美國空軍有米。目前，美國空軍有20架架B2轟炸機(jī)，并

20、正在研制一種轟炸機(jī)，并正在研制一種“綽號綽號”為為“金冠球座金冠球座”（TEESAM）的空對空、空）的空對空、空對地和空對艦三維遠(yuǎn)程攻擊導(dǎo)彈。揚(yáng)言，對地和空對艦三維遠(yuǎn)程攻擊導(dǎo)彈。揚(yáng)言，B2轟炸機(jī)能在接到命令后數(shù)小時(shí)內(nèi)自美國本土起轟炸機(jī)能在接到命令后數(shù)小時(shí)內(nèi)自美國本土起飛，攻擊世界任何地區(qū)的目標(biāo)。飛，攻擊世界任何地區(qū)的目標(biāo)。 主要內(nèi)容u引言引言u數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念u數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像的發(fā)展歷史u數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容u數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例幾點(diǎn)要求幾點(diǎn)要求n教學(xué)日歷：（教學(xué)日歷：（每周4個(gè)學(xué)時(shí)，周一1-2節(jié)，周四5-6節(jié)） 1-121-12周，包括課堂教學(xué)周，包括課堂教學(xué)(40)(40)與上機(jī)練習(xí)與上機(jī)練習(xí)(8).(8).n作業(yè)與考試：作業(yè)與考試： 作業(yè)作業(yè)5-65-6次，平時(shí)成績（次，平時(shí)成績（2020分）、實(shí)驗(yàn)（分）、實(shí)驗(yàn)（2020分）與期末考試（分）與期末考試（6060分）分）n至少掌握一門編程語言：至少掌握一門編程語言： VC+ VC+ 或或 MatlabMatlab 教教 材：材： 光電圖像處理及應(yīng)用光電圖像處理及應(yīng)用，彭真明等，電子科技大學(xué)出版社，彭真明等，電子科技大學(xué)出版社，20