第一章《光電圖像處理》概述

電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院二○一二年2月20日第一章《光電圖像處理》概述彭真明E-mail:zmpeng@

pengzm_ioe@163.com主要內(nèi)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例主要內(nèi)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例百聞不如一見Onepictureisworthmorethantenthousandwords. ——Anonymous

人類通過眼、耳、鼻、舌、身接收信息，感知世界。約有75%的信息是通過人眼(視覺系統(tǒng))獲取的。一、引言因此，數(shù)字圖像處理就是用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理所獲取信息的技術(shù)。圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)圖像輸入系統(tǒng)圖像處理與分析系統(tǒng)圖像輸出系統(tǒng)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(dòng)的或圖形化的描述”。“圖”是物體透射光或反射光的分布；“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(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。電磁輻射與可見光一、引言

顏色的表觀特征：明度（Luminance）：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(diào)和飽和度兩個(gè)色度特征；色調(diào)（Hue）：反映顏色的類別飽和度（Saturation）：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）椎狀細(xì)胞：感覺彩色色調(diào)桿狀細(xì)胞：提取亮度信息椎狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞一、引言

顏色的定量描述LHS描述：

Luminance、Hue、Saturation描述法RGB描述：

Red、Green、Blue描述法三基色原理一、引言一、引言一、引言數(shù)字圖像的獲取基于CCD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、引言圖像顯示—模擬電視掃描原理逐行掃描隔行掃描一、引言常見電視制式主要參數(shù)對比制式參數(shù)NTSC（美國）1952年制定PAL（西德）1962年制定總掃描行數(shù)525625行頻（Ｈz）1575015625隔行掃描2/12/1場頻（Ｈz）60（59.94）50幀頻（Ｈz）3025行同步寬度(um)4.7+-0.14.7+-0.2行消隱寬度(um)10.9+-0.212+-0.3高寬比4/34/3一、引言主要內(nèi)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例二、數(shù)字圖像基本概念圖像的數(shù)字化：采樣和量化

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NM圖像的數(shù)字化：采樣和量化

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、MＮＭ像素（pixel)二、數(shù)字圖像基本概念圖像的數(shù)字化：采樣和量化

圖像的量化(Quantization)：取值的數(shù)字化：被稱為圖像灰度級量化量化處理：將f映射到Z的處理Z的最大取值：確定像素的灰度級數(shù)G=2m。二、數(shù)字圖像基本概念fZ數(shù)字圖像的數(shù)學(xué)表示：像素坐標(biāo)像素的灰度（Grayscale)二、數(shù)字圖像基本概念數(shù)字圖像的數(shù)學(xué)表示：二、數(shù)字圖像基本概念空間分辨率（SpatialResolution)512×512256×256128×12864×64采樣引起的空間分辨率與圖像質(zhì)量數(shù)碼相機(jī)：

3072×2304＝7077888(700萬像素)2592×1944＝5038848(500萬像素)二、數(shù)字圖像基本概念灰度分辨率（GrayResolution)量化引起的灰度分辨率與圖像質(zhì)量5122561286484二、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)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(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)。1921年電報(bào)打印機(jī)采用特殊字符在編碼紙帶得到的圖像。1922年在信號兩次穿越大西洋后，從穿孔紙得到的圖像。圖像通信系統(tǒng)信源編碼和信道編碼。1929年從倫敦到紐約15級色調(diào)通過電纜傳遞照片。從早期5個(gè)灰度到15灰度。現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信再次歷經(jīng)這個(gè)過程。

20世紀(jì)五十年代中期在太空計(jì)劃的推動(dòng)下開始這項(xiàng)技術(shù)的研究。重要標(biāo)志是1964年美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）正式使用數(shù)字計(jì)算機(jī)對“徘徊者7號”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)虑蛘掌?964年7月31日在光線影響月球表面17分鐘攝取的圖像。2007年10月24日18時(shí)05分04秒西昌衛(wèi)星發(fā)射中心“嫦娥一號”衛(wèi)星，11月20日傳回的首張圖片月球背面一個(gè)典型的輻射線撞擊坑

三、數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史通過反演得到三維圖

生物醫(yī)學(xué)圖像處理1901年倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

三、數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史主要內(nèi)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例四、圖像處理包括的內(nèi)容按顏色類別：二值圖像(BinaryImage)灰度圖像(Gray－scaleImage)多光譜彩色圖像(Multi-SpectrumImage)按成像傳感器類別：電視圖像(TV/VisibleImage)紅外圖像(InfraredImage)雷達(dá)圖像(RadarImage)超聲圖像(UltrasonicImage)核磁共振(Magneticresonanceimaging,MRI)

X-RAY圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容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→紅外四、圖像處理包括的內(nèi)容可見光→紅外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X-Ray與超聲圖像X-光片超聲圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容MRI圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容PET-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，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)容顯微圖像四、圖像處理包括的內(nèi)容按動(dòng)態(tài)與靜態(tài)分類：靜態(tài)圖像(StaticImage)動(dòng)態(tài)圖像(DynamicImage)四、圖像處理包括的內(nèi)容按應(yīng)用方式分類：圖像增強(qiáng)(ImageEnhancement)圖像恢復(fù)(ImageRestoration)圖像重建(ImageReconstruction)圖像分割(ImageSegmentation)圖像壓縮(ImageCompression)圖像識別(ImageRecognition)圖像跟蹤(ImageTrack)四、圖像處理包括的內(nèi)容圖像融合(ImageFusion)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)圖像圖像重建圖像變換與重建四、圖像處理包括的內(nèi)容圖像邊緣檢測與分割四、圖像處理包括的內(nèi)容圖像壓縮壓縮倍數(shù)10.26，PSNR36.51壓縮倍數(shù)98.70，PSNR25.22Lena1994Lena1974四、圖像處理包括的內(nèi)容圖像識別與分析四、圖像處理包括的內(nèi)容紋理識別指紋識別人臉識別筆跡簽定車牌識別……圖像處理包括的內(nèi)容圖像跟蹤圖像融合四、圖像處理包括的內(nèi)容圖像融合四、圖像處理包括的內(nèi)容按理論方法分類：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)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例五、數(shù)字圖像處理的應(yīng)用空間探索、遙感應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)工程工業(yè)應(yīng)用——視覺檢驗(yàn)、零部件選取、過程控制、交通監(jiān)控、自動(dòng)駕駛等。軍事/公安——指紋識別、人臉識別、筆跡鑒定、目標(biāo)探測與跟蹤。農(nóng)業(yè)應(yīng)用——農(nóng)作物選種數(shù)字娛樂——網(wǎng)絡(luò)數(shù)字媒體、視頻特技、虛擬現(xiàn)實(shí)、視頻會(huì)議等?？臻g探索地球資源勘探遙感圖片氣象云圖氣象預(yù)報(bào)計(jì)算機(jī)繪畫計(jì)算機(jī)繪畫

計(jì)算機(jī)合成圖像

計(jì)算機(jī)合成圖像

廣告設(shè)計(jì)動(dòng)畫

Wallpaper娛樂軍事應(yīng)用——精確制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤

“道爾”

野戰(zhàn)地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，是世界上最先采用垂直發(fā)射方式的近程防空系統(tǒng)，同時(shí)也是一種全天候、全自動(dòng)、三位一體(目標(biāo)搜索、跟蹤和導(dǎo)彈發(fā)射裝置同時(shí)裝在一輛車上)的新一代高性能防空導(dǎo)彈發(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)同作戰(zhàn)。它可在低空、超低空和近程區(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)、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)免遭敵人空襲，其性能在同類系統(tǒng)中是出類拔萃的。

軍事應(yīng)用——隱形飛機(jī)、定位轟炸

B－2轟炸機(jī)的單價(jià)高達(dá)22.2億美元，是世界上迄今為止最昂貴的飛機(jī)。北約在對南聯(lián)盟空襲中，首次動(dòng)用了2架B－2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)，使這種飛機(jī)第一次用于實(shí)戰(zhàn)。B－2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5.18米，長約21米，翼展達(dá)52.42米。目前，美國空軍有20架B－2轟炸機(jī)，并正在研制一種“綽號”為“金冠球座”（TEE－SAM）的空對空、空對地和空對艦三維遠(yuǎn)程攻擊導(dǎo)彈。揚(yáng)言，B－2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)。軍事應(yīng)用——紅外夜視交通監(jiān)控自動(dòng)駕駛主要內(nèi)容引言數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的發(fā)展歷史數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容數(shù)字圖像的應(yīng)用舉例幾點(diǎn)要求教學(xué)日歷：（每周4個(gè)學(xué)時(shí)，周一1-2節(jié)，周四5-6節(jié)）

1-12周，包括課堂教學(xué)(40)與上機(jī)練習(xí)(8).作業(yè)與考試：

作業(yè)5-6次，平時(shí)成績（20分）、實(shí)驗(yàn)（20分）與期末考試（60分）至少掌握一門編程語言：

VC++或Matlab

教材：

——《光電圖像處理及應(yīng)用》，彭真明等，電子科技大學(xué)出版社，2008年3月。

答疑地點(diǎn)

——逸夫樓樓217或239幾點(diǎn)要求網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂：

22/wlxt/listcourse.asp?courseid=0414

參考資料：

1、劉文耀等編著，《光電圖像處理》，北京：電子工業(yè)出版社，2002年11月2、Kenneth