數(shù)字圖像處理-第三版-知識(shí)總結(jié)及習(xí)題解答(岡薩雷斯版)

1、1.1圖像與圖像處理的概念圖像（Image）：使用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進(jìn)而產(chǎn)生視覺的實(shí)體。包括：各類圖片，如普通照片、X光片、遙感圖片；各類光學(xué)圖像，如電影、電視畫面：客觀世界在人們心目中的有形想象以及外部描述，如繪畫、繪圖等。數(shù)字圖像：為了能用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行加工，需要把連續(xù)圖像在坐標(biāo)空間和性質(zhì)空間都離散化，這種離散化了的圖像是數(shù)字圖像。圖像中每個(gè)基本單元叫做圖像的元素，簡稱像素（Pixel）。數(shù)字圖像處理（DigitalImageProcessing）：是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)來合成、變換已有的數(shù)字圖像，從而產(chǎn)生一種新的效果，并把加工處理后的圖

2、像重新輸出，這個(gè)過程稱為數(shù)字圖像處理。也稱之為計(jì)算機(jī)圖像處理（ComputerImageProcessing）1.2圖像處理科學(xué)的意義1圖像是人們從客觀世界獲取信息的重要來源人類是通過感覺器官從客觀世界獲取信息的，即通過耳、目、口、屛、手通過聽、看、味、嗅和接觸的方式獲取信息。在這些信息中，視覺信息占70%o視覺信息的特點(diǎn)是信息呈大，傳播速度快，作用距離遠(yuǎn)，有心理和生理作用，加上大腦的思維和聯(lián)想，具有很強(qiáng)的判斷能力。人的視覺十分完善，人眼靈敏度高，鑒別能力強(qiáng)，不僅可以辨別景物，還能辨別人的情緒。2圖像信息處理繪人類視覺延續(xù)的重要手段非可見光成像。如：丫射線、X射線、紫外線、紅外線、微波。利用圖

3、像處理技術(shù)把這些不可見射線所成圖像加以處理并轉(zhuǎn)換成可見圖像，可對(duì)非人類習(xí)慣的那些圖像源進(jìn)行加工。圖像處理技術(shù)對(duì)國計(jì)民生有重大意義圖像處理技術(shù)發(fā)展到今天，許多技術(shù)己口益趨于成熟，應(yīng)用也越來越廣泛。它滲透到許多領(lǐng)域，如遙感、生物醫(yī)學(xué)、通信、工業(yè)、航空航天、軍事、安全保衛(wèi)等。1.3數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)1.圖像信息量大每個(gè)像素的灰度級(jí)至少要用6bit（單色圖像）來表示，一般采用Sbit（彩色圖像），高粘度的可用12bit或16bito一般分辨率的圖像像素為256X256、512X512256x256xS=64kB512x512x8=256kB高分辨率圖像像素可達(dá)1024X1024、204SX20481O

4、24X1O24X8=1MB2048X204SXS=4MB如：X射線照片一般用64到256kB的數(shù)據(jù)雖一幅遙感圖像3240X2340X430Mb2圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)一般來說涉及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電視技術(shù)、電子技術(shù)，至于涉及到的數(shù)學(xué)、物理學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)就更多。3.圖像信息理論與通信理論密切相關(guān)圖像理論是把通信中的一維問題推廣到二維空間上來研究的。通信研究的是一維時(shí)間信息，時(shí)間域和頻率域的問題。任何一個(gè)隨時(shí)間變化的波形都足山許多頻率不同、振幅不同的正弦波組合而成的。圖像研究的是二維空間信息，研究的是空間域和空間頻率域（或變換域）之間的關(guān)系。任何一幅平面圖像繪由許多頻率、振幅不同的X-Y方向

5、的空間頻率波相疊加而成。1.4數(shù)字圖像處理的主要方法1空域法把圖像看作是平面中各個(gè)像素組成的集合，然后直接對(duì)這一二維函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。主要有兩大類：域處理法：包括梯度運(yùn)算，拉普拉斯算子運(yùn)算，平滑算子運(yùn)算和卷積運(yùn)算。-點(diǎn)處理法：包括灰度處理，而積、周長、體積、重心運(yùn)算等等。2變換域法數(shù)字圖像處理的變換域處理方法是首先對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，然后在施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結(jié)果。包括濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提収等處理。1.5數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容完整的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)大體上可分為如下幾個(gè)方而：1.圖像的信息的獲取(Imageinformationacquisition)把一幅圖像轉(zhuǎn)換

6、成適合輸入計(jì)算機(jī)和數(shù)字設(shè)備的數(shù)字信號(hào)。需要兩個(gè)部件以獲取數(shù)字圖像：物理設(shè)備，該設(shè)備對(duì)我們希望成像的物體發(fā)射的能星很敏感。數(shù)字化器，是一種把物理感知裝置的輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的設(shè)備。常見的圖像輸入設(shè)備有：掃描儀、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、圖像采集卡等?.圖像信息的存儲(chǔ)(Imageinformationstorage)主要有三類：處理過程中使用的快速存儲(chǔ)器；計(jì)算機(jī)內(nèi)存。幀緩存，通?？纱鎯?chǔ)多幅圖像并可以視頻速度讀収。它可以允許對(duì)圖像進(jìn)行放大、縮小，以及亞口翻轉(zhuǎn)和水平翻轉(zhuǎn)。用于比較快的重新調(diào)用的在線或聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器；磁盤，可存儲(chǔ)幾個(gè)Gbyte的數(shù)據(jù)：-磁光存儲(chǔ)器，可在51/4英寸的光片上存儲(chǔ)上Gbyte的數(shù)據(jù)；-光

7、盤塔，一個(gè)光盤塔可放幾十個(gè)到幾百個(gè)光盤，利用機(jī)械裝直插入或從光盤驅(qū)動(dòng)器中抽取光盤。不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫(檔案庫)存儲(chǔ)器。磁帶。長13英尺的磁帶可存儲(chǔ)近1Gbyte的數(shù)據(jù)，但儲(chǔ)藏壽命較短。一次寫多次讀(WORM)光盤?？稍?2英寸的光盤上存儲(chǔ)6Gbyte數(shù)據(jù)，在14英寸的光盤上存儲(chǔ)10Gbyte數(shù)據(jù)，并易于儲(chǔ)瞰。圖像信息的傳送(Imageinformationtransmission)可分為系統(tǒng)內(nèi)部傳送與遠(yuǎn)距離傳送：內(nèi)部傳送：指在不同設(shè)備間交換圖像數(shù)據(jù)。現(xiàn)在有許多用于局域通信的軟件和碩件以及各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。多采用DMA(DirectMemoryAccess)技術(shù)以解決速度問題。外部遠(yuǎn)距離傳送：主要問

8、題是圖像數(shù)據(jù)雖大而傳輸通道比較窄。這一狀況山于光纖和其他寬帶技術(shù)的發(fā)展，正在迅速得到改進(jìn)。另一方而，解決這個(gè)問題需要依靠對(duì)圖像數(shù)據(jù)壓縮。圖像的輸出與顯示圖像處理的最終EI的是為人或機(jī)器提供一幅更便于解釋和識(shí)別的圖像。因此圖像的輸出也是圖像處理的重要內(nèi)容之一。主要分兩類：(1)碩拷貝(記錄圖像)。如激光打印機(jī)、膠片照相機(jī)、熱敏裝置、噴墨裝擔(dān)和數(shù)字單元(如CD-ROM)等。(2)軟拷貝。如CRT(CatliodeRayTube)顯示、液晶顯示器(LCD)、場致發(fā)光顯示(FED)。，數(shù)字圖像處理(Digitalimageprocessing)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：幾何處理(GeometricalIm

9、ageProcessing)主要包括坐標(biāo)變換，圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，多個(gè)圖像配準(zhǔn)，全景畸變校正，扭曲校正，周長、面積、體積計(jì)算等。算術(shù)處理(ArithmeticProcessing)主要對(duì)圖像施以+、一、X、4等運(yùn)算，雖然該處理主要針對(duì)像素點(diǎn)的處理，但非常有用，如醫(yī)學(xué)圖像的減影處理就有顯著的效果。3)圖像增強(qiáng)(ImageEnhancement)就是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強(qiáng)。改善圖像的視覺效果，提高圖像成分的清晰度：使圖像變得更有利于計(jì)算機(jī)處理，便于進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)分或解釋。圖像復(fù)原(或恢復(fù))(ImageRestoration)就是盡可能地減少

10、或者左除圖像在獲収過程中的降質(zhì)(干擾和模糊)，恢復(fù)被退化圖像的本來而貌，從而改善圖像質(zhì)雖。關(guān)鍵是對(duì)每種退化(圖像品質(zhì)下降)建立一個(gè)合理的模型。5)圖像重建(ImageReconstruction)址從數(shù)據(jù)到圖像的處理。即輸入的是某種數(shù)據(jù),而處理結(jié)果得到的是圖像。典型應(yīng)用有CT技術(shù)和三維重建技術(shù)。圖像編碼(ImageEncoding)主要是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類視覺的生理學(xué)及心理學(xué)特征對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，其目的是壓縮數(shù)據(jù)呈，以解決數(shù)據(jù)雖大的矛質(zhì)。圖像識(shí)另ij(ImageRecognition)利用計(jì)算機(jī)識(shí)別出圖像中的目標(biāo)并分類、用機(jī)器的智能代替人的智能。它所研究的領(lǐng)域十分廣泛，如，機(jī)械

11、加工中寥部件的識(shí)別、分類：從遙感圖片中分辨農(nóng)作物、森林、湖泊和軍事設(shè)施：從氣象觀測數(shù)據(jù)或氣象衛(wèi)星照片準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣：從X光照片判斷是否發(fā)生腫瘤；從心電圖的波形判斷被檢查者足否患有心臟病:在交通中心實(shí)現(xiàn)交通管制、識(shí)別違章行駛的汽車及司機(jī)，等等。1.6數(shù)字圖像處理的起源與應(yīng)用數(shù)字圖像處理的起源：最早可追溯到20世紀(jì)20年代，借助打印設(shè)備進(jìn)行數(shù)字圖像的處理?；诠鈱W(xué)還原的技術(shù)，該技術(shù)在電報(bào)接收端用穿孔紙帶打出圖片。到1929年山早期的用5個(gè)灰度等級(jí)對(duì)圖像編碼，增加到15個(gè)等級(jí)。真正數(shù)字圖像處理技術(shù)的誕生可追溯到20世紀(jì)60年代早期。數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀(jì)60年代末和20世紀(jì)70年代初開始用于醫(yī)學(xué)圖

12、像、地球遙感監(jiān)測和天文學(xué)等領(lǐng)域。數(shù)字圖像處理主要應(yīng)用于下而的幾個(gè)領(lǐng)域：通訊按業(yè)務(wù)性能劃分可分為：電視廣播傳真、可視電話、會(huì)議電視、圖文電視、可視圖文以及電纜電視。按圖像變化性質(zhì)分可分為：掙止圖像和活動(dòng)圖像通信。遙感航空遙感和衛(wèi)星遙感圖像都需要數(shù)字圖像處理技術(shù)的加工處理，并提取出有用的信息。主要用于土地測繪,資源調(diào)查，氣候監(jiān)測，農(nóng)作物估產(chǎn)，白然災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)，環(huán)境污染監(jiān)測，氣象衛(wèi)星云圖處理以及地面軍事目標(biāo)的識(shí)別。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用最成功的例子就X射線CT(X-rayComputedTomography),20世紀(jì)70年代發(fā)明的計(jì)算機(jī)軸向斷層術(shù)(CAT),簡稱計(jì)算機(jī)斷層。

13、（4）工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用從70年代起得到了迅速的發(fā)展，圖像處理技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在生產(chǎn)線中對(duì)產(chǎn)品及部件進(jìn)行無損檢測，如食品、水果質(zhì)呈檢查，無損探傷，焊縫質(zhì)呈或表而缺陷等等。（5）軍事、公安等方面的應(yīng)用軍事目標(biāo)的偵察、制導(dǎo)和警戒系統(tǒng)、Fl動(dòng)滅火器的控制及反偽裝；公安部門的現(xiàn)場照片、指紋、手跡、人像等的處理和辨識(shí)：歷史文字和圖片檔案的修復(fù)和管理等。（6）教學(xué)和科研領(lǐng)域如科學(xué)可視化技術(shù)，遠(yuǎn)程培訓(xùn)及教學(xué)也將大呈使用圖像處理技術(shù)的成果。（7）電子商務(wù)如身份認(rèn)證、產(chǎn)品防偽、水印技術(shù)等。1.7數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向需進(jìn)一步研究的問題：1）在進(jìn)一步提高梢度的同時(shí)著重解決處理速度問題。（2）加強(qiáng)軟件研究、開

14、發(fā)新的處理方法。（3）加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究工作，促進(jìn)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。4）加強(qiáng)理論研究，逐步形成圖像處理科學(xué)白身的理論體系。（5）圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。未來發(fā)展動(dòng)向大致可歸納為：（1）圖像處理的發(fā)展將闈繞HDTV的研制，開展實(shí)時(shí)圖像處理的理論及技術(shù)研究，向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。（2）圖像、圖形相結(jié)合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。（3）硬件芯片研究。1*12f2)31210)31*21fr2/22022o2121-11-T11tX1012W101(C)(d?FigureP2.156試解釋為什么離散直方圖均衡技術(shù)一般不能得到平坦的直方圖？答：(翻譯答案)

15、所有均衡直方圖是大規(guī)模的映射組件。獲得一個(gè)統(tǒng)一的直方圖要求對(duì)像素強(qiáng)度進(jìn)行重新分配，這樣使n/L像素組具有相同的強(qiáng)度，L是離散的強(qiáng)度水平n二MN是輸入圖像的總像素。直方圖均衡方法沒有規(guī)定這類(人工)強(qiáng)度的再分配過程。(百度答案：)由于離散圖像的直方圖也是離散的，其灰度累積分布函數(shù)是一個(gè)不減的階梯函數(shù)。如呆映射后的圖像仍然能取到所有灰度級(jí)，則不發(fā)生任何變化。如果映射的灰度級(jí)小于256,變換后的直方圖會(huì)有某些灰度級(jí)空缺。即調(diào)整后灰度級(jí)的概率基本不能取得相同的值，故產(chǎn)生的直方圖不完全平坦。問題3.21分別應(yīng)用】匸23、25和45的方形均值掩膜處理下面一幅圖像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=23、45時(shí)，處理后圖像中左

16、下角的垂直豎條被模糊了，但是豎條與豎條之間的分割仍然很清楚。當(dāng)n=25時(shí),豎條卻已經(jīng)融入了整幅圖像，盡管產(chǎn)生這幅圖像的掩膜比45小得多，請(qǐng)解釋這一現(xiàn)象。I川II川鑫，aaaaaaa注：垂直線段是5個(gè)像素寬，100個(gè)像素高；它們的間隔是20個(gè)像素。3.22以下的三幅圖像是分別通過n=23,25和45的方形均值掩模處理后的模糊圖像。圖(a)和(c)中左下角的垂宜豎條被模糊了，但豎條與豎條之間的分割仍然很清楚。但圖(b)中的豎條卻已經(jīng)融人了整幅圖像，盡管產(chǎn)生這幅圖像的掩模要比處理圖像(c)的小得多，請(qǐng)解釋這1現(xiàn)象。解：從圖可知，垂直線有5個(gè)像素寬,100像素高，他們的間隔是20像素。問題是相關(guān)的現(xiàn)象

17、與水平之間的間隔線有關(guān)，所以我們可以簡化問題,考慮一個(gè)單一的掃描行通過線的圖像?；卮疬@個(gè)問題的關(guān)鍵在于實(shí)際之間的距離（無像素）開始的線條,下一個(gè)（其右面）是25個(gè)像素?？紤]掃描線，如圖，同樣顯示是一個(gè)斷面25X25掩膜。掩膜反應(yīng)包括的像素是平均的。我們注意到，當(dāng)一個(gè)像素掩膜移動(dòng)右面，它失去了左邊豎線的價(jià)值，可是它撿起一個(gè)相同的一個(gè)在右邊，所以反應(yīng)不會(huì)改變。事實(shí)上，多少像素屬于垂直線和包含在掩膜并不會(huì)改變，無論在掩膜的任何地方（只要是包含在線內(nèi)，而不是在邊緣附近線）。這一事實(shí)的線像素?cái)?shù)量低于掩膜并不會(huì)改變是由于特有的線條和分隔線之間的寬度的相當(dāng)于25像素。這個(gè)常數(shù)寬度的反應(yīng)是沒有看到白色的差距在

18、問題的聲明中圖像顯示的理由。注意這個(gè)常數(shù)不發(fā)生在23X23或45x45的掩膜，因?yàn)樗麄儾皇峭脚c線條寬度和將它們分開的距離。補(bǔ)充注意：在這張圖中還有明顯的邊界現(xiàn)象。這是因?yàn)闉榱耸固幚砗髨D像人小不變，在原始圖像的邊緣以外補(bǔ)0,經(jīng)處理后再去除添加區(qū)域的結(jié)果。而且濾波器越人邊界越寬。結(jié)論：空間均值處理是為得到感興趣物體的一個(gè)粗略的描述而模糊一幅圖像。較小物體與背景混合在一起，較大物體變得像“斑點(diǎn)”而易于檢測。而模板的人小由那些將融入背景中去的物體的尺寸決定。Problem51862.設(shè)一幅圖像的模糊是由于物體在x方向的勻加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。當(dāng)FR時(shí)物體靜止，在=0到QT間物體加速度是&（滬/2,求轉(zhuǎn)移函

19、數(shù)Hg。討論勻速運(yùn)動(dòng)和勻加速運(yùn)動(dòng)所造成的模糊的不同特點(diǎn)。FollowingtheprocedureinSection5.6.3,eJ2nuxt)dl0e-J2nu(l/2dtTeJuat2dtcos(7rua2)jsin(Truf2)dtoC(E7丿S(E7T)wherecosr2rfrandsands(z)=sint2dt.TheseareFresnelcosineandsineintegrals.Theycanbefound,forexample,theHandbookofMathematicalFunctions,byAbramowitz,orothersimilarreferenceP

20、roblem5.2261.成像時(shí)由于長時(shí)間曝光受到大氣干擾而產(chǎn)生的圖像模糊可以用轉(zhuǎn)移函數(shù)（qv）=eXp-（+*）/2。2表示。這噪聲可忽略，求恢復(fù)這類模糊的維納濾波器的方程。噪聲可忽略時(shí)，維納濾波器退化成理想的逆濾波器，所以戶（川）=G(s)戶（川）=G(s)G(uQexp-(w3+v3)/2ct2=exp(w2+v2)/2.）可知AA=100，所以工件需保持固定約小結(jié)傅立葉變換(FFT)具有快速算法，數(shù)字圖彖處理中最常用。需要復(fù)數(shù)運(yùn)算。可把整幅圖象的信息很好地用若干個(gè)系數(shù)來表達(dá)。余弦變換(DCT)有快速算法，只要求實(shí)數(shù)運(yùn)算。在相關(guān)性圖象的處理中，最接近最佳的KL變換，在實(shí)現(xiàn)編碼和維納濾波時(shí)

21、有用。同DFT樣，可實(shí)現(xiàn)很好的信息壓縮。沃爾什-哈達(dá)瑪變換(WHT)在數(shù)字圖象處理的碩件實(shí)現(xiàn)時(shí)有用。容易模擬但很難分析。在圖象數(shù)據(jù)壓縮、濾波、編碼中有應(yīng)用。信息壓縮效呆好。Haar變換非?？焖俚囊环N變換。在特征抽取、圖像編碼、圖像分析中有用。信息壓縮效果平平。Slant變換一種快速變換。圖像編碼中有用，有很好的信息壓縮功能。KL變換(KLT)在許多意義下是最佳的。無快速算法。在進(jìn)行性能評(píng)估和尋找最佳性能時(shí)有用。對(duì)小規(guī)模的向量有用，如彩色多譜或其他特征向量。對(duì)一組圖像集而言，具有均方差意義下最佳的信息壓縮效果。奇異值分解(SVD)對(duì)任何一幅給定的圖像而言，具有最佳的信息壓縮效果。無快速算法。設(shè)計(jì)有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器時(shí)，尋找線性方程的最小范數(shù)解時(shí)有用。潛在的應(yīng)用是圖像恢復(fù)，能量估計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮。5-1.有一種常見的圖像增強(qiáng)技術(shù)是將高頻增強(qiáng)和直方圖均衡化結(jié)合起來以達(dá)到使邊緣銳化的反差增強(qiáng)效果，以上兩個(gè)操作的先后次序?qū)υ鰪?qiáng)效果有影響嗎，為什么？【有，高頻增強(qiáng)是