數(shù)字圖像 緒論課件

1、數(shù)字圖像處理安玉磊 人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取的。數(shù)字圖象處理是用數(shù)字計算機處理所獲取視覺信息的技術。第一章 緒論一、數(shù)字圖像處理的發(fā)展概況及應用發(fā)展：上世紀20年代 Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)（紐約和倫敦之間海底電纜）傳輸一幅圖片所需的時間由一周多減少到小于3個小時；上世紀50年代，計算機的發(fā)展，數(shù)字圖像處理才真正地引起人們的巨大興趣；1964年，數(shù)字圖像處理有效地應用于美國噴氣推進實驗室（J.P.L）對“徘徊者七號”太空船發(fā)回的大批月球照片的處理；隨后幾年，繼續(xù)用于空間研究計劃；同時，在生物醫(yī)學、工業(yè)生產(chǎn)、軍事上得到應用；1.2

2、數(shù)字圖像處理的主要應用與趨勢1.2.1 數(shù)字圖像處理的主要應用1.2.2 數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢1.2.1 數(shù)字圖像處理的主要應用遙感圖像應用：資源調(diào)查、災害監(jiān)測、農(nóng)林業(yè)規(guī)劃、城市 規(guī)劃、環(huán)境保護等醫(yī)學圖像應用:計算機斷層攝影計算成像CT技術、X射線、 染色體分析等工業(yè)和實驗圖像應用:無損探傷、自動檢查和識別、智能機 器人等1.2 數(shù)字圖像處理的主要應用與趨勢1.2.1 數(shù)字圖像處理的主要應用辦公室自動化圖像應用：郵政編碼圖像識別、OCR（字符識別系統(tǒng)）、自動判卷系統(tǒng)、各類圖紙自動識別與錄入系統(tǒng)等軍事公安圖像應用：自動跟蹤技術、指紋識別、不完整圖片的復原、監(jiān)控等文化藝術圖像應用：服裝設計、照片

3、的復制和修復、運動員動作分析等圖像數(shù)據(jù)傳輸應用：圖像的存儲、刻盤、互聯(lián)網(wǎng)傳輸，以及其它衛(wèi)星傳輸、無線傳輸?shù)?數(shù)字圖像輸入輸出設備1.3 工程應用簡介1.3.1 遙感圖像處理1.3.2 工業(yè)與實驗圖像處理1.3.3 醫(yī)學圖像處理1.3.4 辦公圖像處理1.3.5 公安圖像處理1.3.6 影視圖像處理遙感圖像高分辨率遙感圖像1高分辨率遙感圖像2香港新機場遙感圖像航片地表覆蓋1.3.2 工業(yè)與實驗圖像處理自動裝配生產(chǎn)線： 實時圖像處理機器人視覺： 立體圖像對處理無損探傷： 高能X射線探測金屬內(nèi)部車輛牌照識別： 交通管制流動顯示與測速： PIV 粒子圖像測速識別棉花中的雜質(zhì)工件裂紋檢測1.3.3 醫(yī)學

4、圖像處理病理圖像分析：顯微圖像、染色體圖像X射線圖像處理：X射線透視和照片增強超聲圖像處理：黑白超和彩超、動態(tài)CT圖像重建：斷層圖像計算CT切片圖像CT邊緣提取B超圖像1.3.4 辦公圖像處理郵政編碼識別：手寫數(shù)字圖像處理識別印刷體文字識別：OCR 文字圖像識別機械圖樣自動錄入：線條跟蹤、擬合1.3.5 公安圖像處理指紋圖像處理：刑偵、司法鑒定、自動門衛(wèi)槍紋圖像處理：刑偵、司法鑒定面孔圖像處理：自動門衛(wèi)印章比對：司法鑒定、銀行支票筆跡比對：刑偵、司法鑒定指紋識別1.3.6 影視圖像處理照片去模糊處理： 焦距模糊、運動模糊綠幕剪影： 圖像合成變臉特技： 幀間插值處理靜止圖像壓縮： JPEG標準、

5、網(wǎng)絡傳輸動態(tài)圖像壓縮： MPEG標準、VCD和DVD數(shù)字電影院： 未來電影技術由黑白圖像轉換的偽彩色圖像以通過遙感圖像處理分析為例，可涉及圖像處理的主要技術數(shù)據(jù)壓縮和轉換技術通過數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)轉換技術的研究，減少數(shù)據(jù)載體空間，節(jié)省運算時間，實現(xiàn)不同星系遙感數(shù)據(jù)應用的一體化。圖像校正 在理想情況下，衛(wèi)星圖像上的像素值只依賴于進入傳感器的輻射強度；而輻射強度又只與太陽照射到地面的輻射強度和地物的輻射特性（反射率和發(fā)射率）有關，使圖像上灰度值的差異直接反映了地物目標光譜輻射特性的差異，從而區(qū)分地物目標。 而實際上，由于大氣層的存在，也由于傳感器內(nèi)探測器性能的差異，使得進入傳感器的輻射發(fā)生畸變，引起圖

6、形模糊，對比度下降等。另一方面，由于衛(wèi)星飛行時姿態(tài)變化及地球形狀等因素影響，圖像中地物目標的幾何位置也會發(fā)生畸變。為了使圖像更好地滿足使用要求，必須盡可能地通過處理消除畸變，恢復圖像的本來面目。 要用到的主要圖像處理技術：圖像增強處理、圖像分割技術（區(qū)域、邊緣提?。?、圖像特征提取、圖像描述等。自動目標識別技術（Automatic Target Recognition簡稱ATR）實時光學圖像相關識別系統(tǒng)的核心技術是自動目標識別技術。由于ATR技術在軍事上是導彈精確制導和武器防御系統(tǒng)的關鍵技術之一，是武器智能化程度的一個重要標準，也代表著一個國家的國防高科技的水平。以軍事應用為例 可能涉及圖像處理

7、的主要技術因此，從20世紀60年代開始，美、英、俄、法等國家已投入大量人力、物力和財力開展ATR的理論研究和實際應用推廣，并取得顯著成果，美國在中東戰(zhàn)爭中的精確武器打擊是最典型的成功范例。 當前精確制導武器所取得的成果還是有限的，最主要的問題是目前主要還是依靠人在導彈發(fā)射前發(fā)現(xiàn)目標，然后人工鎖定首幀目標圖像進行自動跟蹤，而不能實現(xiàn)不需人工參與的由導彈自動識別目標，做不到“打了不管”。特別是在復雜背景下，機器如何像人一樣自動識別目標，目前是相當困難的。 雖然從20世紀70年代開始人工智能、智能信息處理技術、計算機視覺的理論研究取得了重大的進展，但是由于ATR領域中研究的背景和對象的復雜性和多樣性

8、，特別是在實際環(huán)境中，背景與目標不僅有很大的動態(tài)變化范圍，而且它們以未知的方式變化。目前的ATR的研究都是在一定假設條件下建立的，一旦這些假設條件不成立或不再完全成立時，其ATR系統(tǒng)就不再有效。另外，目前國內(nèi)外研究的很多ATR方法和算法，除了存在很大的局限性外，在實時實現(xiàn)方面還有很大的距離。因此，當前國外發(fā)達國家鑒于精確制導武器在未來戰(zhàn)爭中的重要地位，還在投入大量人力財力開展ATR研究，如美國國防部已將ATR技術列為二十一世紀的關鍵技術之一。 我國從二十世紀七十年代以來對ATR技術研究也投入較大的人力財力。國防科工委、航天部、電子工業(yè)部等很多研究所以及國內(nèi)重點高校如國防科大、哈工大、北理工、華

9、中科技大學、東南大學等都在開展此項研究，取得不少重要研究成果。但總的來看還是處于理論方法和算法的研究，所研制的ATR系統(tǒng)還處于實驗室樣機階段，其性能還有待提高，離真正實戰(zhàn)的要求還有較大的距離。 涉及圖像處理的主要技術圖像分割：雖然國內(nèi)外學者已提出很多種圖像分割算法，但由于背景的多變性和復雜性，至今為止還沒有一種能適用于各種背景的圖像分割算法。當前提出的小波分析、模糊集、分形等新的智能信息處理方法有可能找到新的圖像分割方法。 特征提?。河嬎忝枋瞿繕说奶卣?，如目標的幾何形狀特征、統(tǒng)計特征、矩特征、紋理特征等 圖像識別：統(tǒng)計模式識別、模糊模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等 圖像跟蹤 數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容

10、圖像增強 數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容圖像復原二、圖像與數(shù)字圖像1、“圖”與“像”的定義：“圖”是物體透射或反射光的分布；“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識。2、模擬圖像的表示（物理圖像，人眼能看到的圖像）圖像處理 圖像處理（image processing）就是對圖像信息進行加工處理和分析，以滿足人的視覺心理需要和實際應用或某種目的（如壓縮編碼或機器識別）的要求。圖像處理可分為以下3類 ： 模擬圖像處理（analogue image processing） ； 數(shù)字圖像處理（digital image processing）； 光電結合處理（optoelectronic p

11、rocessing）。模擬圖像處理：也稱光學圖像處理，它是利用光學透鏡或光學照相方法對模擬圖像進行的處理，其實時性強、速度快、處理信息量大、分辨率高，但是處理精度低，靈活度差，難有判斷功能 。1.1 圖像和圖像處理1.1 圖像和圖像處理數(shù)字圖像處理：即利用計算機對數(shù)字圖像進行處理 ，它具有精度高、處理內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高等優(yōu)點。但是它的處理速度受到計算機和數(shù)字器件的限制，一般也是串行處理，因此處理速度較慢。光電結合處理：用光學方法完成運算量巨大的處理（如頻譜變換等），而用計算機對光學處理結果（如頻譜）進行分析判斷等處理。該方法是前兩種方法的有機結合，它集結了二者的優(yōu)點。光電結合處理是今

12、后圖像處理的發(fā)展方向，也是一個值得關注的研究方向。 圖像的表示圖像的數(shù)學表示：一幅圖像所包含的信息首先表現(xiàn)為光的強度（intensity）,即一幅圖像可看成是空間各個坐標點上的光強度I 的集合，其普遍數(shù)學表達式為： I = f (x，y，z，t) 式中(x,y,z)是空間坐標， 是波長，t是時間，I是光點(x,y,z)的強度（幅度）。 上式表示一幅運動的(t)、彩色/多光譜的( )、立體的(x,y,z)圖像。1.1 圖像和圖像處理1.1 圖像和圖像處理 靜止圖像，與時間t無關；單色圖像（也稱灰度圖像），波長為一常數(shù)；平面圖像，則與坐標z無關。 即在每一種情況下，圖像的表示可省略掉一維，即 （1

13、） 靜止圖像： I = f（x，y，z, ） （2） 灰度圖像： I = f（x，y，z，t ） （3） 平面圖像： I = f（x，y,t ）而對于平面上的靜止灰度圖像，其數(shù)學表達式可簡化為： I = f（x，y） 1.1 圖像和圖像處理 運動圖像可用（靜止）圖像序列表示，彩色圖像可分解成三基色圖像，三維圖像可由二維重建。因此本課程主要針對平面上的靜止灰度圖像進行論述。 圖像的特點：（1）空間有界:人的視野有限，一幅圖像的大小也有限。 （2）幅度（強度）有限 ：即對于所有的x，y都有 0f(x,y) Bm 其中Bm為有限值 。數(shù)字圖像一般用可用矩陣或數(shù)組來描述像素或像元的屬性：空間位置和灰度

14、 數(shù)字圖像處理的基本步驟 圖像信息的獲?。翰捎脠D像掃描儀等將圖像數(shù)字化。 圖像信息的存儲：對獲取的數(shù)字圖像、處理過程中的圖像信息以及處理結果存儲在計算機等數(shù)字系統(tǒng)中。 圖像信息的處理：即數(shù)字圖像處理，它是指用數(shù)字計算機 或數(shù)字系統(tǒng)對數(shù)字圖像進行的各種處理 。 圖像信息的傳輸：要解決的主要問題是傳輸信道和數(shù)據(jù)量的矛盾問題，一方面要改善傳輸信道，提高傳輸速率，另外要對傳輸?shù)膱D像信息進行壓縮編碼，以減少描述圖像信息的數(shù)據(jù)量。 圖像信息的輸出和顯示：用可視的方法進行輸出和顯示。1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容和方法 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容和方法 圖像數(shù)字化：將非數(shù)字形式的圖像信號通過數(shù)字化設備 轉換成數(shù)字圖像，

15、包括采樣和量化。 圖像變換：對圖像信息進行變換以便于在頻域?qū)D像進行更有效的處理。 圖像增強：增強圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲，提高圖像的清晰度，突出圖像中所感興趣的部分。 圖像恢復（復原）：對退化的圖像進行處理，使處理后的圖像盡可能地接近原始（清晰）圖像。 1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容和方法 圖像壓縮編碼：對待處理圖像進行壓縮編碼以減少描述圖像的數(shù)據(jù)量。 圖像分割：根據(jù)選定的特征將圖像劃分成若干個有意義的部分，這些選定的特征包括圖像的邊緣、區(qū)域等。 圖像分析與描述：主要是對已經(jīng)分割的或正在分割的圖像各部分的屬性及各部分之間的關系進行分析表述。 圖像識別分類：根據(jù)從圖像中提取的各目標物的特征

16、，與目標物固有的特征進行匹配、識別，以作出對各目標物類屬的判別。1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容和方法 一個基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像輸入、圖像存儲、圖像通信、圖像處理和分析五個模塊組成。如下圖所示：1.3 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成 數(shù)字圖像輸入模塊：也稱圖像采集或圖像數(shù)字化，是利用圖像采集設備（數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等）來獲取數(shù)字圖像，或通過數(shù)字化設備（如圖像掃描儀）將要處理的連續(xù)圖像轉換成適于計算機處理的數(shù)字圖像。 數(shù)字圖像存儲模塊：用于圖像處理和分析的數(shù)字圖像存儲器可分為三類：處理和分析過程中使用的快速存儲器；在線或聯(lián)機存儲器；不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫（檔案庫）存儲器。如計算機內(nèi)存、硬盤、軟盤、閃存盤

17、、CD光盤、DVD光盤等。 1.3 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成 1.3 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成 數(shù)字圖像輸出模塊：在圖像分析、識別和理解中，一般需要將處理前后的圖像顯示出來，或?qū)⑻幚斫Y果永久保存。前者稱為軟拷貝或顯示，使用設備包括CRT顯示器、液晶顯示器和投影儀等。后者稱為硬拷貝，使用設備包括照相機、激光拷貝和打印機等。 數(shù)字圖像通信模塊：對圖像數(shù)據(jù)進行傳輸和通信。由于圖像數(shù)據(jù)量很大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前必須對表示圖像信息的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以減少圖像數(shù)據(jù)量。 數(shù)字圖像處理與分析模塊：包括處理算法、實現(xiàn)軟件和計算機，一般包括下面三種形式：通用圖像處理：適用于功能要求靈活，圖像

18、數(shù)據(jù)量大，但實時性要求不高的圖像處理與分析算法，也可輔之于方便靈活的操作界面。專用圖像處理系統(tǒng)：對于象CT、核磁共振、彩色B超、機場安檢等專用影像處理，可采用能滿足實際應用的專用計算機和專用圖像處理算法等，來構成專用圖像處理系統(tǒng)。圖像處理芯片：將許多圖像處理功能集成在一個很小的芯片上，形成專用或通用的圖像處理芯片 。 1.3 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成 1.5 課程內(nèi)容簡介本章要求及作業(yè)本章要求： 了解圖像及圖像處理的概念、圖像的表達方法、圖像處理系統(tǒng)的構成及數(shù)字圖像處理技術的應用。 本章作業(yè)： （1）思考：1.1，1.2，1.3，1.7。 （2）必做：1.4，1.5，1.6。四、 數(shù)字圖像處理的特點：處理信息量大；5125128bit256KB 256KB25幀/s6400KB=6.25MB占用的頻帶較寬（圖像帶寬5.6MHZ，語音僅4