第1章 數(shù)字圖像處理概述

第1章數(shù)字圖像處理概述1第1章數(shù)字圖像處理概述什么是數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像處理的術(shù)語(yǔ)數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的基本方法和基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)小結(jié)第1章數(shù)字圖像處理概述21、 圖像基本概念

圖像和數(shù)字圖像圖像的表達(dá)

第1章數(shù)字圖像處理概述3（1）什么是圖像用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同形式和手段觀測(cè)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)生視知覺的實(shí)體“圖”是物體投射或反射光的分布，“像”是人的視覺系統(tǒng)對(duì)圖的接受在大腦中形成的印像或反映。圖像是自然界景物的客觀反映。舉例：人眼所見照片電視電影第1章數(shù)字圖像處理概述4人眼所見第1章數(shù)字圖像處理概述5照片第1章數(shù)字圖像處理概述6電視電影第1章數(shù)字圖像處理概述7像素第1章數(shù)字圖像處理概述8第1章數(shù)字圖像處理概述9第1章數(shù)字圖像處理概述10

像素100×120第1章數(shù)字圖像處理概述11（2）圖像的表達(dá)圖像表示

2-D數(shù)組

f(x,y)

x，y：2-D空間XY中坐標(biāo)點(diǎn)的位置

f：代表圖像在(x,y)的性質(zhì)F的數(shù)值

f，x，y的值可以是任意實(shí)數(shù)

性質(zhì)F:可對(duì)應(yīng)不同物理量

灰度圖像里用灰度表示第1章數(shù)字圖像處理概述12

圖像的表達(dá)圖像表示

矩陣

矢量

第1章數(shù)字圖像處理概述13（3）圖片感知在畫圖軟件中放大圖像像素的概念第1章數(shù)字圖像處理概述14數(shù)字圖像(灰度)數(shù)字圖像是指由被稱作像素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個(gè)小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。每個(gè)像素包括兩個(gè)屬性：位置和灰度。對(duì)于單色即灰度圖像而言，每個(gè)像素的亮度用一個(gè)數(shù)值來表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個(gè)字節(jié)來表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度。第1章數(shù)字圖像處理概述15物理圖像與數(shù)字圖像的對(duì)應(yīng)第1章數(shù)字圖像處理概述16灰度級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述17數(shù)字圖像舉例(灰度)125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,

150,160,165,160,164,165,167,

175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,

灰度圖像數(shù)值矩陣(前兩行)128×12826×31第1章數(shù)字圖像處理概述18數(shù)字圖像(彩色)彩色圖像可以用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來表示。通常，三元組的每個(gè)數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該像素中沒有，而255則代表相應(yīng)的基色在該像素中取得最大值，這種情況下每個(gè)像素可用三個(gè)字節(jié)來表示。三基色原理：絕大多數(shù)顏色可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光。感知畫圖-》顏色-》編輯顏色-》規(guī)定自定義顏色第1章數(shù)字圖像處理概述19例題在一幅真彩色的數(shù)字圖像中，每個(gè)像素采用

D

個(gè)比特來表示。A．8B．10C．16 D．24第1章數(shù)字圖像處理概述20數(shù)字圖像舉例(彩色)128×12825×31(207,137,130)(220,179,163)(215,169,161)(210,179,172)(210,179,172)(207,154,146)(217,124,121)(226,144,133)(226,144,133)(224,137,124)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(227,151,136)(230,170,154)(231,178,163)(231,178,163)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(240,205,187)(239,195,176)(231,138,123)第1章數(shù)字圖像處理概述21RGB色彩模式RGB色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，是通過對(duì)紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個(gè)顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色RGB即是代表紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的顏色這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一第1章數(shù)字圖像處理概述22RGB色彩模式RGB色彩模式使用RGB模型為圖像中每一個(gè)像素的RGB分量分配一個(gè)0~255范圍內(nèi)的強(qiáng)度值。例如：純紅色R值為255，G值為0，B值為0；灰色的R、G、B三個(gè)值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都為255；黑色的R、G、B都為0。RGB圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例混合，在屏幕上重現(xiàn)16777216種顏色。第1章數(shù)字圖像處理概述23R、G、B三基色

彩色空間

第1章數(shù)字圖像處理概述24舉例2彩色原圖紅色分量綠色分量藍(lán)色分量第1章數(shù)字圖像處理概述25（4）圖像的數(shù)據(jù)量計(jì)算灰度圖像彩色圖像視頻第1章數(shù)字圖像處理概述26例題計(jì)算一幅分辨率為2048×1024的24位真彩色圖像未壓縮前的數(shù)據(jù)量（結(jié)果以MB為單位）第1章數(shù)字圖像處理概述27內(nèi)容回顧像素圖像數(shù)字圖像（灰度、彩色）RGB色彩模式圖像表達(dá)第1章數(shù)字圖像處理概述28（5）圖像的數(shù)字化連續(xù)圖像、離散圖像圖像數(shù)字化就是將連續(xù)圖像離散化。圖像數(shù)字化包括取樣和量化兩個(gè)部分。取樣：空間上的離散化

在空間上分割成M×N個(gè)網(wǎng)格（空間分辨率）量化：亮度上的離散化

把取樣點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的亮度連續(xù)變化區(qū)間

轉(zhuǎn)換為單個(gè)數(shù)碼的過程第1章數(shù)字圖像處理概述29數(shù)字圖像

圖像（水平）尺寸M：

圖像（垂直）尺寸N：

象素灰度級(jí)數(shù)G(k-bit)： 圖像所需的位數(shù)b：

空間分辨率和幅度分辨率第1章數(shù)字圖像處理概述30圖像分辨率與存儲(chǔ)和處理數(shù)字圖像是對(duì)連續(xù)場(chǎng)景的近似為達(dá)到較好的近似，需要多少個(gè)采樣和灰度級(jí)呢？理論上，MNG越大，近似越好但圖像的數(shù)據(jù)量隨MNG的增加而迅速增加，故采樣和灰度級(jí)數(shù)也不能太大第1章數(shù)字圖像處理概述31

圖象質(zhì)量與采樣和量化圖像空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果第1章數(shù)字圖像處理概述32512*512第1章數(shù)字圖像處理概述33256*256第1章數(shù)字圖像處理概述34128*128第1章數(shù)字圖像處理概述3564*64第1章數(shù)字圖像處理概述3632*32第1章數(shù)字圖像處理概述3716*16第1章數(shù)字圖像處理概述38圖像幅度分辨率變化所產(chǎn)生的效果第1章數(shù)字圖像處理概述39256級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述4064級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述4116級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述428級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述434級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述442級(jí)第1章數(shù)字圖像處理概述45空間和幅度分辨率同時(shí)變化所產(chǎn)生的效果第1章數(shù)字圖像處理概述46圖像質(zhì)量與采樣和量化僅減少空間分辨率，圖中各區(qū)域的邊緣處看到棋盤模式，并在全圖看到像素粒子變粗的現(xiàn)象僅減小灰度級(jí)數(shù)，達(dá)到一定程度，會(huì)出現(xiàn)虛假輪廓同時(shí)減小空間分辨率和灰度級(jí)數(shù)，圖像質(zhì)量的退化比單獨(dú)變化空間分辨率或灰度級(jí)時(shí)要更快。第1章數(shù)字圖像處理概述47

對(duì)采樣和量化的討論采樣實(shí)際中采樣值的選擇常受到采集裝置的影響和限制實(shí)際中選擇采樣值的一個(gè)重要因素是看需要觀察到圖像中哪個(gè)尺度的細(xì)節(jié)量化量化級(jí)數(shù)的選擇基于2個(gè)因素人類視覺系統(tǒng)的分辨率要滿足具體應(yīng)用所需要的分辨率文檔——2值圖像圖像打印—16個(gè)灰度級(jí)屏幕顯示—更多灰度級(jí)醫(yī)學(xué)圖像—8比特的灰度級(jí)不夠用第1章數(shù)字圖像處理概述48例題模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，需經(jīng)過兩個(gè)步驟，分別是

D。A．采樣和編碼 B．量化和編碼C．采樣和存儲(chǔ) D．采樣和量化第1章數(shù)字圖像處理概述49例題假設(shè)一幅數(shù)字圖像成像時(shí)采了MN個(gè)樣，那么圖像的空間分辨率是

C。A．M B．NC．M×N D．M+N第1章數(shù)字圖像處理概述50例題一幅圖像必須要在空間上和灰度上都離散化才能被計(jì)算機(jī)處理?？臻g坐標(biāo)的離散化叫做采樣，它確定了圖像的

A。A．空間分辨率 B．幅度分辨率C．顏色深度 D．圖像質(zhì)量第1章數(shù)字圖像處理概述512、數(shù)字圖像處理（1）圖像處理：對(duì)圖像信息進(jìn)行加工處理和分析，以滿足①人的視覺、心理需要；②實(shí)際應(yīng)用或某種目的（如機(jī)器識(shí)別）的要求。著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換，廣義上泛指各種圖像技術(shù)；狹義上指對(duì)圖像進(jìn)行各種加工（處理），達(dá)到：①改善人的視覺效果②為自動(dòng)識(shí)別打基礎(chǔ)③壓縮編碼第1章數(shù)字圖像處理概述522、數(shù)字圖像處理圖像處理分類①模擬處理（光學(xué)處理）：光學(xué)透鏡處理、光學(xué)照相等。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)處理，速度快；缺點(diǎn)：精度低，靈活度差，難有判斷功能。②數(shù)字（計(jì)算機(jī)）處理：用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理。優(yōu)點(diǎn)：精度高、內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高；缺點(diǎn)：處理速度較慢。③光電結(jié)合處理：用光學(xué)方法處理運(yùn)算量巨大的頻譜變換等,而用計(jì)算機(jī)對(duì)其頻譜進(jìn)行處理分析。隨著集成光學(xué)的發(fā)展，在光學(xué)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，圖像處理技術(shù)會(huì)出現(xiàn)全新的巨大突破。第1章數(shù)字圖像處理概述532、數(shù)字圖像處理利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或其它高速、大規(guī)模集成數(shù)字硬件，對(duì)從圖像信息轉(zhuǎn)換來的數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行某些運(yùn)算或處理，以期提高圖像質(zhì)量或達(dá)到人們所要求的某些預(yù)期效果。對(duì)被噪聲污染的圖像去除噪聲對(duì)信息微弱的圖像進(jìn)行增強(qiáng)失真圖像的幾何校正從遙感圖片中辨別農(nóng)作物、森林、湖泊和軍事設(shè)施等第1章數(shù)字圖像處理概述543、圖像處理相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域第1章數(shù)字圖像處理概述55

圖像處理相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域主要相關(guān)學(xué)科：

圖形學(xué)：原指用圖形、圖表、繪圖等形式表 達(dá)數(shù)據(jù)信息的科學(xué)，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 研究的就是如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來產(chǎn) 生這些形式 圖像模式識(shí)別：試圖把圖像分解成可用符號(hào) 較抽象地描述的類別

計(jì)算機(jī)視覺：主要強(qiáng)調(diào)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視 覺功能，目前的研究?jī)?nèi)容主要與圖像 理解相結(jié)合

第1章數(shù)字圖像處理概述564、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像數(shù)字化設(shè)備、圖像處理計(jì)算機(jī)和圖像輸出設(shè)備組成，如下圖所示：第1章數(shù)字圖像處理概述57系統(tǒng)構(gòu)成框圖第1章數(shù)字圖像處理概述58數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成部分圖像數(shù)字化設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)與圖像采集卡等。圖像處理計(jì)算機(jī)：PC、工作站等。圖像輸出設(shè)備：打印機(jī)等。圖像輸入設(shè)備日益向高速度、高分辨率、多功能、智能化方向發(fā)展。第1章數(shù)字圖像處理概述59圖像輸入設(shè)備掃描儀平板式、手持式、滾筒式攝像機(jī)輸入速度快、靈敏度高、使用方便第1章數(shù)字圖像處理概述605、數(shù)字圖像處理的術(shù)語(yǔ)數(shù)字化和顯示：將一幅圖像從原有形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。顯示是數(shù)字化的逆過程。掃描：對(duì)象素的尋址。采樣、采樣密度：對(duì)應(yīng)象素灰度值的測(cè)量。通常轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?。量化：將電壓值用一個(gè)整數(shù)表示?；叶确直媛剩簣D像中包含的灰度級(jí)數(shù)。對(duì)比度：圖像中灰度反差的大小。噪聲：通常在數(shù)字化過程中引入的誤差。第1章數(shù)字圖像處理概述61調(diào)色板調(diào)色板（palette）：圖像的色彩索引表。若圖像的色彩數(shù)遠(yuǎn)小于全色彩數(shù)時(shí)，當(dāng)每個(gè)像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大節(jié)約存儲(chǔ)空間。這種技術(shù)長(zhǎng)用于各種圖像的存儲(chǔ)格式中，如bmp,tif,gif等。舉例計(jì)算數(shù)據(jù)量

第1章數(shù)字圖像處理概述62HSI模型HSI模型基于人類對(duì)顏色的感覺，HSI模型描述顏色的三個(gè)基本特征。第1章數(shù)字圖像處理概述63HSI模型H：色相是從物體反射或透過物體傳播的顏色。在0到360度的標(biāo)準(zhǔn)色輪上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由顏色名稱標(biāo)識(shí)的，比如紅、橙或綠色。S：飽和度，有時(shí)也稱彩度，是指顏色的強(qiáng)度或純度。飽和度表示色相中灰成分所占的比例，用從0%（灰色）到100%（完全飽和）的百分比來度量。在標(biāo)準(zhǔn)色輪上，從中心向邊緣飽和度是遞增的。I：亮度是顏色的相對(duì)明暗程度，通常用從0%（黑）到100%（白）的百分比來度量。第1章數(shù)字圖像處理概述64彩色原圖H分量S分量I分量第1章數(shù)字圖像處理概述656、數(shù)字圖像的存儲(chǔ)行掃描存儲(chǔ)以行掃描順序，自左向右，從上到下將圖像的每個(gè)像素順序存儲(chǔ)在字節(jié)矩陣中交叉存儲(chǔ)方式即隔行存儲(chǔ)或隔行隔列存儲(chǔ)。前者叫一維交叉，后者叫二維交叉。交叉存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是顯示時(shí)即使沒有讀出全部圖像數(shù)據(jù)，也可構(gòu)成原始圖像的近似輪廓。顯然，這種存儲(chǔ)方式非常適合于強(qiáng)調(diào)傳輸速度、對(duì)圖像精度要求不很苛刻的系統(tǒng)。第1章數(shù)字圖像處理概述66交叉存儲(chǔ)方式第1章數(shù)字圖像處理概述67數(shù)字圖像的存儲(chǔ)有損壓縮存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)時(shí)記錄圖像主體特征信息，忽略部分冗余、附屬信息。這種方法存儲(chǔ)的圖像與原始圖像不完全一致，但失真度在允許的范圍內(nèi)矢量存儲(chǔ)方式矢量存儲(chǔ)方式只記錄圖像的輪廓（向量）部分，而不是存儲(chǔ)圖像中每個(gè)點(diǎn)的信息，換句話說，它僅僅存儲(chǔ)原始圖像中的一些比較高級(jí)的圖形結(jié)構(gòu)（如線段，弧，圓等）。這種文件格式中存儲(chǔ)的圖像內(nèi)容實(shí)際為一系列的繪圖命令，指示應(yīng)用程序如何操作，從而構(gòu)成原始圖第1章數(shù)字圖像處理概述68例題以下描述“顯示時(shí)即使沒有讀出全部圖像數(shù)據(jù)，也可構(gòu)成原始圖像的近似輪廓”是

數(shù)字圖像存儲(chǔ)方式的特點(diǎn)：A．行掃描存儲(chǔ)B．位平面存儲(chǔ)方式C．交叉存儲(chǔ)方式D．矢量存儲(chǔ)方式第1章數(shù)字圖像處理概述69數(shù)字圖像文件組成識(shí)別信息文件識(shí)別--圖像文件識(shí)別碼和版本代號(hào)。文件識(shí)別碼用以判斷文件格式--版本代號(hào)用于指定同類文件屬于第幾代產(chǎn)品，不同版本的同一類圖像文件其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有所區(qū)別圖像識(shí)別圖像識(shí)別信息通常包括圖像的寬度和高度、一個(gè)圖像像素所需的比特?cái)?shù)與彩色位平面數(shù)、數(shù)據(jù)壓縮格式和調(diào)色板個(gè)數(shù)。圖像數(shù)據(jù)第1章數(shù)字圖像處理概述70常用圖像文件格式GIF Compuserve網(wǎng)上圖像在線傳輸改進(jìn)的LZW壓縮法PNG WWW網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸 改進(jìn)的LZⅡ壓縮法BMP Windows RLE4、RLE8或不壓縮 JPEG 存儲(chǔ)照片類圖像有損編碼壓縮AVI 多媒體（音視頻圖像）數(shù)字化視頻壓縮WMF Windows第1章數(shù)字圖像處理概述71常用圖像文件格式分類常用圖像文件可分為兩類：位圖文件--TGA、PCX、TIFF、GIF、PNG、BMP、JPEG、AVI矢量文件--WMF、PostScript第1章數(shù)字圖像處理概述727、數(shù)字圖像處理的應(yīng)用隨著微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，圖像數(shù)字化設(shè)備如CCD攝像機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、圖像采集卡的成本大大降低，普通的微機(jī)已經(jīng)可以勝任部分圖像處理任務(wù)，使得圖像處理的應(yīng)用越來越廣泛，可以預(yù)見在不久的將來，圖像及視頻處理的應(yīng)用將與目前語(yǔ)音處理的應(yīng)用一樣變得日益普及和重要。第1章數(shù)字圖像處理概述73主要應(yīng)用航天航空生物醫(yī)學(xué)工程通訊領(lǐng)域工業(yè)軍事公安文化藝術(shù)……第1章數(shù)字圖像處理概述74應(yīng)用領(lǐng)域示例(1) 視頻通信：可視電話，電視會(huì)議，按需電視，遠(yuǎn)程教育；(2) 文字檔案：文字識(shí)別，過期檔案復(fù)原，郵件分撿，支票，簽名 辮偽，辦公自動(dòng)化；(3) 生物醫(yī)學(xué)：紅白學(xué)球計(jì)數(shù)，染色體分析、X光、CT、MRI、 PET圖像分析，醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬規(guī)劃，遠(yuǎn)程醫(yī)療；(4) 遙感測(cè)繪：巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，無(wú)人駕駛飛機(jī)飛行，精確制導(dǎo)，礦 藏勘探，資源探測(cè)，氣象預(yù)報(bào)，自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)；(5) 工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)檢測(cè)，工業(yè)探傷，自動(dòng)生產(chǎn)流水線監(jiān)控，移動(dòng) 機(jī)器人，無(wú)損探測(cè)，金相分析，印刷板質(zhì)量檢驗(yàn)， 精細(xì)印刷品缺陷檢測(cè)；(6) 軍事公安：雷達(dá)圖像分析、巡航導(dǎo)彈路徑規(guī)劃/制導(dǎo)，罪犯臉 形合成、識(shí)別，指紋、印章的鑒定識(shí)別；(7) 交通管理：太空探測(cè)、航天飛行、公路交通管理。第1章數(shù)字圖像處理概述75應(yīng)用1：航空航天登月、火星照片處理飛機(jī)遙感、衛(wèi)星遙感氣象預(yù)報(bào)第1章數(shù)字圖像處理概述76阿波羅登月第1章數(shù)字圖像處理概述79應(yīng)用2：生物醫(yī)學(xué)工程CT、MRI（核磁共振）、B超顯微圖像：紅細(xì)胞、白細(xì)胞、染色體的分析X光、心電圖……第1章數(shù)字圖像處理概述80第1章數(shù)字圖像處理概述81第1章數(shù)字圖像處理概述82第1章數(shù)字圖像處理概述85應(yīng)用3：通訊領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)：多媒體通訊電話、電視、計(jì)算機(jī)三網(wǎng)合一第1章數(shù)字圖像處理概述86應(yīng)用4：工業(yè)印刷電路板機(jī)器人視覺零件檢測(cè)郵政信件的自動(dòng)檢測(cè)……第1章數(shù)字圖像處理概述91應(yīng)用