數(shù)字圖像處理學(xué)參考課件全部教學(xué)-第1章緒論11講

數(shù)字圖像處理第1（第一講數(shù)字圖像處阮秋工參考1、DigitalImageProcessing(SecondR.C.Gonzalez，R.E.Woods2、數(shù)字圖像交大，阮秋琦譯（中譯本）3、ComputerImageProcessingandPatternRecognition，E.L.HallUniversityofTennessee4、圖像處理學(xué)，W.K.Pratt5、數(shù)字圖像處理（DigitalPictureProcessing）A.Rosenfeld，中譯本余英林等。6、DigitalImageprocessingusingRafaelC.Gonzalez.RichardE.Woods.L.7、PatternRecognitionPrinciple，R.C.Gonzalez，J.Tou。8、圖像處理和分析，章毓晉編著9、數(shù)字圖像處理（DigitalImageprocessing），Kenneth.R.castleman著林學(xué)訚等譯10、DigitalImageProcessingUsingRafaelC.GonzalezRichardE.WoodsStevenL.Eddins前人類傳遞信息的主要媒介是語(yǔ)音和圖像。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在人類接受的信息中，聽覺信息占0視覺信息占60％，其他如味覺、觸覺、嗅覺總起來不過占20％。所以，作為傳遞信息的重要和－--圖像信息是十分重要的，俗話說“百聞不如一見”。圖像處理技術(shù)的最早應(yīng)用當(dāng)屬遙感與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。從世界上出現(xiàn)第一幅（1839年）及意大利人乘飛機(jī)拍攝了第一張（1909年）通常被認(rèn)為是遙感技術(shù)的，也是圖像處理技術(shù)的興起。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中利用圖像進(jìn)行直觀可追溯1895年X射線的發(fā)現(xiàn)。德國(guó)維爾茨堡他偶然發(fā)現(xiàn)X射線可以肌肉照出手骨輪廓，他為夫人拍攝的手部圖像是第一張具有歷史意義的圖像。后來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，同時(shí)也促進(jìn)了圖像技術(shù)的發(fā)展。一、數(shù)字圖像處理的數(shù)字圖像處理的歷史可追溯至二十世紀(jì)二十年代。最早應(yīng)用之一是在報(bào)紙業(yè)，當(dāng)時(shí)，引入巴特蘭電纜傳輸系統(tǒng)，圖像第一次通過海底電纜橫跨從倫敦送往紐約傳送一幅。為了用電纜傳輸，首先進(jìn)行編碼，然后在接收端用特殊的打印設(shè)備重現(xiàn)該。按照1929年的技術(shù)水平，如果不壓縮，需要一個(gè)多星期，壓縮后傳輸時(shí)間減少到3個(gè)小時(shí)。19291921年經(jīng)編碼后用電報(bào)打印的圖1922年兩次通過后打印的數(shù)字圖數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相連。事實(shí)上，數(shù)字圖像要求如此之大的和計(jì)算能力，以致于在圖像處理中必須依靠數(shù)字計(jì)算機(jī)及包括數(shù)據(jù)及傳輸方面的支撐技術(shù)的發(fā)展。第一臺(tái)能夠進(jìn)行圖像處理的大型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。數(shù)字圖像處理的可追溯至利用這些大型機(jī)開始的空間研究項(xiàng)目，可以說大型計(jì)算機(jī)與空間研究項(xiàng)目是數(shù)字圖像處理發(fā)展的原動(dòng)力。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)改善空間探測(cè)器拍攝的圖像的工作開始于1964年，加利福尼亞的噴氣推進(jìn)（帕薩迪那，加里福尼亞）對(duì)太空船“徘徊者7號(hào)”傳送的月球圖像進(jìn)行了處理，以校正飛行器上電視機(jī)中各種類型的圖像畸變。下圖示出了由徘徊者7號(hào)在上（東部白天時(shí)間）9點(diǎn)09分在光線影響月球表面前約17分鐘時(shí)攝取的第一張?jiān)虑驁D像。這也是 航天器取得的第一幅月球圖像。與空間應(yīng)用同時(shí)，數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀(jì)60年代末和70年代初開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)領(lǐng)域。早在20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)軸向斷層(CAT)簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)斷層(CT)是圖像處理在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中最重要的事件之一。斷層技術(shù)是GodfreyN.Hounsfiela和AllanM.Cormack教授分別發(fā)共同獲得1979年醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)從20世紀(jì)60年代至今，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，目前已成為工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域中各學(xué)科之間學(xué)習(xí)和研究的對(duì)象。如今圖像處理技術(shù)已給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。不久地將來它不僅在理論上會(huì)有更深入的發(fā)展，在應(yīng)用上亦是科學(xué)研究、社會(huì)生產(chǎn)乃至人類生活中不可缺少的強(qiáng)有力的工具。來源：人類是通過感覺從客觀世界獲取信息，即通過耳、目、口、鼻、手通過聽味、嗅和觸摸的方式獲取信息。在這些信息中，視覺信息占60％～70％。、圖像信息處理是人類視覺延續(xù)的重要：人的眼睛只能看到可見光部分，但就目前科技水平看，能夠成像的并不僅僅是可 射線：0.003

～0.03 x射線：0.03 ～3 紫外線：3nm～300 紅外線：0.8 ～300 0.3

～100 圖像處理技術(shù)發(fā)展到今天，許多技術(shù)已日趨成熟。在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的成功和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如在工程領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)、軍事、醫(yī)學(xué)以及科學(xué)研究中的應(yīng)用已十分普遍。如：通過分析資源得到的可以獲得地下礦藏資源的分布及埋藏量；利用紅外線、微波遙感技術(shù)可到隱蔽的軍事設(shè)施；X-rayCT已廣泛應(yīng)用于臨床，由于它可得到的人體的斷層圖像，為和治療疾病帶來了極大的方便。三、圖像處理技術(shù)的分（1）模擬圖像處理(ogimage模擬處理包括：光學(xué)處理（利用透鏡）和電子處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號(hào)處理等，電視圖像是模擬信號(hào)處理的典型例子，它處理的是活動(dòng)圖像，25幀/秒。優(yōu)點(diǎn)模擬圖像處理的特點(diǎn)是速度快，一般為實(shí)時(shí)處理，理論上講可達(dá)到光的速度，并可同時(shí)并行處理。缺點(diǎn)：模擬圖像處理的缺點(diǎn)是精度較差，靈活性差，很難有判斷能力和非線性處理能力。（2）DigitalImage數(shù)字圖像處理一般都用計(jì)算機(jī)處理，因此也稱之謂計(jì)算機(jī)圖像處理（ComputerImagepocesing）。優(yōu)點(diǎn)處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進(jìn)行復(fù)雜的非線性處理，有靈活的變通能力，一般來說只要改變軟件就可以改變處理內(nèi)容。缺點(diǎn)處理速度還是一個(gè)問題，特別是進(jìn)行復(fù)雜的處理更是如此。一般情況下處理靜止畫面居多，如果實(shí)時(shí)處理一般精度的數(shù)字圖像需要具有100Mips的處理能力；其次是分辨率及精度尚有一定限制，如一般精度圖像是512×512×8bits，分辨率高的可2048×2048×12bits，如精度及分辨率再高，所需處理時(shí)間將顯著的增加。處理的特在數(shù)字圖像處理中，一幅圖像可看成是由圖像矩陣中的像素（pixel）組成的，每個(gè)像素的灰度級(jí)至少要6bit（單像）來表示，一般采用8bit（彩像），高精度的可用12bit或16bit。例如 X光一般用64Kb～256Kb的數(shù)據(jù)量，一幅遙感圖像3240×2340×4=30Mbits，因此，大數(shù)據(jù)量給、傳輸和處理都帶來巨大的困在數(shù)字圖像處理中涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技術(shù)相當(dāng)廣泛。一般來說涉及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)，至于涉及到的數(shù)學(xué)、物理等方面的基礎(chǔ)知識(shí)就 。的圖像處理理論大多是源于電視技術(shù)，其中的、顯示、同步等各計(jì)算機(jī)已是圖像處理的常規(guī)工具，在圖像處理中涉及到軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、接口等多項(xiàng)技術(shù)，特別是并行處理技術(shù)在實(shí)時(shí)圖像處理中顯得十分重要。圖像處理技術(shù)的發(fā)展涉及越來越多的基礎(chǔ)理論知識(shí)，雄厚的數(shù)理基礎(chǔ)及相關(guān)的邊緣學(xué)科知識(shí)對(duì)圖像處理科學(xué)的發(fā)展有越來越大的影響。總之圖像處理科學(xué)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的綜合性科學(xué)。早在1948年Shannon了“AmathematicalTheoryofCommunication”（通信中的數(shù)學(xué)間信息；圖像研究的是二信息；總之，通信中的一維問題都可推廣到二維盡管有些理論尚不完全貼切，但對(duì)圖像自身 的形成有極大的借鑒意義五、數(shù)字圖像處理的主要方法及主要數(shù)字圖像處理方法兩大類換域A、空域法：這種方法是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?？沼蛱幚矸ㄖ饕袃纱?1)梯度運(yùn)gradient拉斯算子運(yùn)算(Laplacian平滑算子運(yùn)Smoothing卷積運(yùn)Convolution(2)點(diǎn)處理法如灰度處理（greyprocessing），面積、周長(zhǎng)、體積、重心B、變數(shù)字圖像處完整的數(shù)字圖像處理工程大體上可分①圖像信息的獲②圖像信息的存③圖像信息的傳送④圖像信息⑤圖像信息的輸出1、圖像信息的獲取(ImageInformation主要是把一幅圖像轉(zhuǎn)換成適合輸入計(jì)算機(jī)或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字信號(hào)，這一過程主要包括攝取取的方法有如下幾種：電視機(jī)(這是目前使用最廣泛的圖像獲取設(shè)備。早期主要有光電管、超正析管等。近年來，主要是采用CCD設(shè)備。高。缺點(diǎn)：灰度層次較差、非線性失真較大、有黑斑效應(yīng)，在使用中需校正。目前CCD機(jī)在分辨率、靈敏度等方面已做到較高水平，如：1920×1035或1024×1024的高分辨率的CCD機(jī)已很成熟。飛點(diǎn)掃描器(flyingpointScanner)：這是一種以光源做掃描的圖像獲取設(shè)備。其特點(diǎn)是：精度較高、圖像清晰、可透射成像亦可反射成像，但是其體積略顯龐大。掃描鼓：這是一種高精度的滾桶式的圖像攝取設(shè)備。輸出。掃描儀特點(diǎn)：精度和分辨率中等，600DPI精度的掃描儀已常見。掃描儀的成本很低，近幾年尤其降價(jià)顯著，一般臺(tái)式的已有不足一千元的產(chǎn)品。所以是應(yīng)用最為廣泛的圖像信息獲取設(shè)備。缺點(diǎn)：速度較慢，非實(shí)時(shí)設(shè)顯微光密度計(jì)，精度較高，速度低遙感中常用的圖像獲取設(shè)備已有多種設(shè)備，如：光學(xué)攝影：機(jī)、多光譜像機(jī)等MSS多光譜掃描微波：微波輻射計(jì)，側(cè)視、真實(shí)空孔、合成孔 (SAR)合成孔經(jīng)是50年代發(fā)展起來的技術(shù)。它采用小天線通過直線飛行（長(zhǎng)距離）合成一條很長(zhǎng)的線陣天線，從而達(dá)到優(yōu)良的橫向方位的分辨率。目前的國(guó)際水平，在距50～100km范圍內(nèi)，側(cè)視（SAR）的縱向和橫向分辨率已達(dá)1m×1m以下。1m×1m時(shí)所需的飛行直線合成孔徑為：1012m線、恒速飛行要用到陀螺導(dǎo)航儀、等設(shè)備和技術(shù)加以保證。信息的存貯：(ImageinformationStorage)圖像信息的突出特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量巨大。一般作檔案存貯主要采用磁帶、磁盤或光盤。為解決海量存貯問題主要研究數(shù)據(jù)壓縮、圖像格式及像數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像檢索圖像信息的傳送：(ImageinformationMemoryAccess）以解決速度問題，外部遠(yuǎn)距數(shù)字圖像處理(DigitalImage數(shù)字圖像處理概括的說主要包括如下幾項(xiàng)內(nèi)容①．幾何處理(geometrical②．算術(shù)處理(Arithmetic③．圖像增強(qiáng)(Image④．圖像復(fù)原(Image⑤．圖像重建(Image⑥．圖像編碼(Image⑦．圖像識(shí)別(Image⑧．圖像理解(Image幾何處理主要包括座標(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，校正，周長(zhǎng)、面積、算術(shù)處理主要對(duì)圖像施圖像增強(qiáng)處理主要是突出圖像中感的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。主要方法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)法(pseudocolor)、灰度窗口等技術(shù)。 圖像復(fù)原處理的主要目的是去掉干擾和模糊，恢復(fù)圖像的本來面目。典型的例子如去噪就屬于復(fù)原處理。圖像噪聲包括隨機(jī)噪聲和相干噪聲，隨機(jī)噪聲干擾表現(xiàn)為麻點(diǎn)干擾，相干噪聲表現(xiàn)為網(wǎng)紋干擾。 幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖像，處理后輸出的也是圖像，而重建處理則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。也就是說輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理結(jié)果得到的是圖像。該處理的典型應(yīng)用就是CT技術(shù)，CT技術(shù)發(fā)明于1972年，早期為X光CT，后來發(fā)展的有ECT、超聲CT、核磁（NMR）等。里哀反投影法、卷積反投影法等，其中以卷積反投影法運(yùn)用最為廣泛，因?yàn)樗倪\(yùn)算量小、速度快。 、圖像編碼 圖像編碼的研究屬于信息論中信源編碼范疇，其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)特性對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，即研究數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以解決數(shù)據(jù)量大的 。一般來說，圖像編碼目的有三個(gè)①減少數(shù)據(jù)存貯量②降低數(shù)據(jù)率以減少傳輸帶寬去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法稱為第一代混合編碼法均屬于經(jīng)典的第一代編碼法現(xiàn)代編碼法的特點(diǎn)是①充分考慮人的視②恰當(dāng)?shù)乜紤]對(duì)圖像信號(hào)的分解與表述③采用圖像的合成與識(shí)別方案壓縮數(shù)JBIG(二值圖像壓縮)(JointBo-levelImageCodingExpertGroup)、JPEG2000等。相信經(jīng)廣大科技工作者的不懈努力，在未來會(huì)有、更有效的編碼方法問世，以滿足多信息處理及通信的需要。模式識(shí)別是數(shù)字圖像處理的又一研究領(lǐng)域。當(dāng)今，模式識(shí)別方法大致有三種，即：統(tǒng)計(jì)識(shí)別法統(tǒng)計(jì)識(shí)別法側(cè)重于特征