圖像處理第1章緒論

數(shù)字圖像處理

－圖像處理教材和參考書

教材：

章毓晉，圖像工程上冊-圖像處理，清華大學出版社（第3版）參考書：1．李朝暉，《數(shù)字圖像處理及應用》，機械工業(yè)出版社，2．朱秀昌等編著，《數(shù)字圖像處理與圖像通信》，北京郵電大學出版社3．阮秋琦編著，《數(shù)字圖像處理學》，電子工業(yè)出版社，課堂要求嚴格遵守學校的作息制度，上課不遲到、不早退、嚴格執(zhí)行請假制度。課程性質：考試課程成績評定：平時成績（30％）＋試卷成績（70％）平時成績：作業(yè)＋考勤

第一章緒論1.2圖像工程簡介1.1圖像基本概念1.3圖像處理系統(tǒng)1.4主要內容和安排早期英文書籍用picture指代圖像，隨著數(shù)字技術發(fā)展，先都用image指代離散化的“圖象”，前者是連續(xù)（模擬）的，后者是離散（數(shù)字）的。在《數(shù)字圖像處理》（朱志剛等譯）中，圖像定義為“在一般的意義下，一幅圖像是另一個東西的一個表示”，是其所表示物體的信息的一個濃縮或者概括。

阮秋琦先生在《數(shù)字圖像處理》中將圖像定義為“以某一技術手段被再現(xiàn)于二維平面上的視覺信息”，通俗地說就是指那些用技術手段把目標原封不動地一模一樣地再現(xiàn)出來的圖像。綜上所述，可以認為圖像是與之相對應的物體或目標（Objects）的一個表示，這個表示可以通過某種技術手段得到。圖像的若干定義數(shù)字圖像是指由被稱作象素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個小塊區(qū)域稱為象素（pixel）每個象素包括兩個屬性：位置和亮度（或色彩）。對灰度圖像而言，每個象素的亮度用一個數(shù)值（即灰度值）來表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個字節(jié)來表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級別。1.1圖像基本概念物理圖像及對應的數(shù)字圖像1.1圖像基本概念灰度級1.1圖像基本概念亮度等級圖像分類二值圖像（只有黑白亮度等級）灰度圖像（有多種亮度等級）色調無色調的灰度（黑白）圖像有色調的彩色圖像靜態(tài)圖像活動圖像內容的變化性質空間維數(shù)平面的二維圖像立體的三維圖像1.1圖像基本概念圖像類型{廣義}

圖片，動畫，繪圖，文字/檔，...{狹義}2-D3-D，彩色，立體對，多光譜，多視

場圖像，...

單幅序列圖像，...

靜止運動圖像（視頻），...

灰度深度，紋理圖像，...圖像（廣義/抽像）圖像（狹義/具體）1.1圖像基本概念圖像表示性質F:可對應不同物理量,常用灰度表示2-D數(shù)組f(x,y)x，y：2-D空間XY中坐標點的位置f：代表圖像在(x,y)的性質F的數(shù)值f，x，y的值可以是任意實數(shù)xyf（x，y）01.1圖像基本概念圖像表示

數(shù)組/矩陣該數(shù)組的每一個元素都稱為像元、圖元或象素1.1圖像基本概念圖像表示

數(shù)組/矩陣1.1圖像基本概念數(shù)字圖像

定義：與之對應的物體的一個數(shù)字表示2-D數(shù)組I(r,c)r代表圖像的行（row）

c代表圖像的列（column）

I代表離散化后的fI，c，r的值都是整數(shù)

實際中仍常用f(x,y)CR0I（r,c）1.1圖像基本概念

左圖所用的坐標系統(tǒng)常在屏幕顯示中采用

右圖所用的坐標系統(tǒng)常在圖像計算中采用。f(x,y)既可代表這幅圖像，也可表示在(x,y)坐標處象素的值。

（r）（c）1.1圖像基本概念1.2圖像工程簡介1.2.1圖像技術和圖像工程一、圖像技術及發(fā)展歷史圖像是用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的?？梢灾苯踊蜷g接作用于人眼并進而產生視知覺的實體。上世紀20年代，巴特蘭（Bartlane)電纜圖片傳輸系統(tǒng)大型計算機的出現(xiàn)，人們開始用計算機改善圖像。1964、1965年美國噴射推進實驗室（JPL：JetPropulsionLaboratory）進行了太空探測工作，用計算機來處理發(fā)回的月球圖片，以校正飛船上電視攝像機中各種不同形式的固有的圖像畸變。1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT（ComputerTomograph）。九十年代，出現(xiàn)核磁共振MRI1.2圖像工程簡介1.2.2圖像工程的三個層次圖像工程三層次：

圖像處理（圖像——>圖像）

著重強調在圖像之間進行的變換

圖像分析（圖像——>數(shù)據(jù)）

對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量，以獲

得它們的客觀信息從而建立對圖像的描述

圖像理解（圖像——>解釋）

在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目

標的性質和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對圖

像內容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋1.2圖像工程簡介圖像工程三層次1.2圖像工程簡介圖像工程三層次圖像處理(a)(b)(c)1231231.2圖像工程簡介圖像工程三層次

圖像分析1：黃色、綠色2：紅色3：綠色

1231.2圖像工程簡介圖像工程三層次

圖像理解1：黃色尖辣椒2：紅色紅青椒3：綠色綠青椒1.2圖像工程簡介1.2.3圖像工程相關學科和領域1.2圖像工程簡介主要相關學科：?圖形學：原指用圖形（graph）、圖表(chart)、繪圖(drawing)等形式表達數(shù)據(jù)信息的科學?計算機圖形學：?圖像模式識別：試圖把圖像分解成可用符號較抽象地描述的類別?計算機視覺：主要強調用計算機實現(xiàn)人的視覺功能，

目前的研究內容主要與圖像理解相結合

1.2圖像工程簡介研究的就是如何利用計算機技術來產生這些形式，即試圖從非圖像形式的數(shù)據(jù)描述來生成逼真的圖像圖像技術應用領域示例文字檔案：文字識別，過期檔案復原，郵件分撿，支票，簽名辮偽，辦公自動化；交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。1.2圖像工程簡介1.2.4圖像工程的技術應用遙感：美國JPL實驗室（JetPropulsionLaboratory）探索者月球圖像勇氣號火星圖像農作物產量計算農作物病情防治山林防火等巡航導彈制導，精確制導氣像預報自然災害監(jiān)測礦藏勘探資源探測/home/index.htmlACloserViewOftheCrater'sIntriguingRockOutcrop1.2圖像工程簡介視覺監(jiān)視、公安：銀行防盜，人臉識別、指紋、印章的鑒定識別等。1.2圖像工程簡介工業(yè)檢測與測量：公路路面破損圖像識別網(wǎng)裂龜裂1.2圖像工程簡介軍事偵察、高精度制導Chinese_embassy1.2圖像工程簡介醫(yī)療診斷：X光（x-ray）、CT技術，癌細胞識別、MRI(Magneticresonanceimaging)、等。1.2圖像工程簡介通訊：可視電話，視頻點播，電視會議，按需電視，遠程教育等。1.2圖像工程簡介影視業(yè)、娛樂、公眾服務：廣告，基于內容檢索等。1.2圖像工程簡介圖像工程期刊（1）[CT]：《CT理論與應用研究》（2）[CX]：《測繪學報》（3）[DC]：《電子測量與儀器學報》（4）[DK]：《電子科學學刊》（5）[DX]：《電子學報》（6）[JX]：《計算機學報》（7）[MR]：《模式識別與人工智能》（8）[SC]：《數(shù)據(jù)采集與處理》（9）[TX]：《通信學報》（10）[XC]：《信號處理》（11）[YX]：《遙感學報》（12）[ZS]：《中國生物醫(yī)學工程學報》（13）[Zti]：《中國體視學和圖像分析》（14）[Ztu]：《中國圖像圖形學報》（15）[ZX]：《自動化學報》1.2圖像工程簡介分類A：圖像處理A1：圖像采集和獲?。ǔ上穹椒āz像機校正等）A2：圖像重建（從投影重建圖像）A3：圖像變換，濾波，增強，恢復或復原等A4：圖像壓縮編碼（算法研究、國際標準實現(xiàn)等）B：圖像分析B1：邊緣檢測，圖像分割B2：目標表達，描述，測量（二值圖處理、融合數(shù)學形態(tài)學方法等）B3：目標形狀，紋理，空間，運動等的分析B4：（2-D）目標識別，分類和提取C：圖像理解C1：（序列、立體）圖像匹配、鑲嵌C2：3-D建模，重構、場景恢復C3：圖像感知，解釋，推理1.2圖像工程簡介分類D：技術應用D1：硬件，（硬件）系統(tǒng)和快速/并行算法D2：視頻，通信D3：文檔（包括文字，數(shù)字，符號等）D4：生物，醫(yī)學D5：遙感、雷達、測繪D6：其它E：綜述評論E1：綜述（介紹圖像處理、分析、理解

或它們的綜合，進展）

1.2圖像工程簡介2000年開始增加了3個小類A：圖像處理

A5：圖像數(shù)字水印和圖像信息隱藏B：圖像分析B5：人臉和器官的檢測、定位與識別C：圖像理解C4：基于內容的圖像和視頻檢索1.2圖像工程簡介文獻中比較集中的領域A：圖像處理A1：圖像采集和獲取（成像方法、攝像機校正等）A3：圖像變換，濾波，增強，恢復或復原等A4：圖像壓縮編碼（算法研究、國際標準實現(xiàn)等）A5：圖像數(shù)字水印和圖像信息隱藏B：圖像分析B1：邊緣檢測，圖像分割B4：（2-D）目標識別，分類和提取B5：人臉和器官的檢測、定位與識別C：圖像理解C1：（序列）圖像（特征點）匹配、融合、鑲嵌C4：基于內容的圖像和視頻檢索1.2圖像工程簡介1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)構成框圖1.3.2圖像采集1.3.3圖像顯示和打印1.3.4圖像存儲1.3.5圖像處理1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)構成框圖圖像采集裝置

為采集數(shù)字圖像，需要兩種裝置（器件）：(1)傳感器，對某個電磁能量譜波段（如X射線、紫外線、可見光、紅外線等）敏感的物理器件，它能產生與所接收到的電磁能量成正比的（模擬）電信號；(2)數(shù)字化器，它能將上述（模擬）電信號轉化為數(shù)字（離散）的形式。1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.2圖像采集圖像采集設備1、電荷偶合器件CCD(Charge-CoupledDevice)利用電荷存儲傳送和讀出方式工作（1）固態(tài)陣：由感光基元構成感光基元產生正比于光強的電壓，攝像機空間分辨率取決于基元排列（2）數(shù)字化器將感應的模擬圖像轉化為數(shù)字圖像1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.2圖像采集2、CMOS器件CMOS攝像機1)光敏二極管型無源象素結構2）光敏二極管型有源象素結構3）光柵型有源象素結構3、電荷注射器件CID(Charge-InjectionDevice)1）積分模式2）非消除性模式

3）消除性模式

1.3圖像處理系統(tǒng)圖像顯示

圖像處理的結果多是供觀察的圖像數(shù)據(jù)?亮度模式顯示主要顯示設備包括陰極射線管（CRT-CathodeRayTubes)、液晶顯示器LCD等1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.3圖像顯示打印圖像打印1.半調輸出（halftoning） 圖像的原始灰度常有幾十到幾百級，但多數(shù)圖像輸出設備的灰度只有兩級。為了在這些設備上輸出圖像并保持其原有的灰度級，常采用一種稱為半調輸出的技術，將灰度圖像轉化為二值圖像。一種具體實現(xiàn)方法為先將圖像區(qū)域細分，取鄰近的單元結合起來組成輸出區(qū)域，這樣在每個輸出區(qū)域內包含若干個單元，只要把一些單元輸出黑，而把其它單元輸出白就可得到不同灰度的效果。

用實心點圖案仿真灰度級的處理過程稱為半(影)調。1.3圖像處理系統(tǒng)半調輸出象素灰度打印點尺寸半調輸出方法示例2×2?5種灰度012341.3圖像處理系統(tǒng)半調輸出方法示例3×3?10種灰度01234567891.3圖像處理系統(tǒng)幅度調制（AM）

調整輸出點的尺寸來顯示不同灰度。如早期報紙上的圖片頻率調制（FM）輸出點的尺寸是固定的但其在空間的分布取決于所需表示的灰度，分布密較暗；分布稀較亮。2、調制模板

是半調輸出技術的一種具體實現(xiàn)方法。輸出不同灰度，建立一套模板，每個模板對應一個輸出單元。1.3圖像處理系統(tǒng)3.抖動技術（dithering）

半調輸出是以減少圖像的空間分辨率來增加圖像的幅度分辨率的，所以有可能導致圖像采樣過粗而影響圖像的顯示質量。為改善上述方法得到的圖像質量，可以采用抖動技術。

抖動技術是彌補所用顏色不足的一個有效的辦法。用隨機變化掩蓋虛假輪廓。1.3圖像處理系統(tǒng)抖動(Dithering)：通過調節(jié)或變動圖像的幅度值來改善量化過粗圖像的顯示質量。抖動實例

下圖給出一組抖動實例圖，圖(a)是256個灰度級的原始圖像；圖(b)是借助圖33象素區(qū)域的半調技術得到的輸出圖，在臉部和肩部等區(qū)域有比較明顯的虛假輪廓現(xiàn)像；圖(c)是利用抖動技術進行改善的結果，所疊加的抖動值在[-8,8]間均勻分布；圖(d)也是利用抖動技術進行改善的結果，用與原圖同尺寸進行半調打印的輸出結果。1.3圖像處理系統(tǒng)

(a)(b)(c)(d)1.3圖像處理系統(tǒng)1、圖像存儲器(1)處理和分析過程中使用的快速存儲器

計算機內存，幀緩存(2)較快重新調用的在線或聯(lián)機存儲器

磁盤，磁光盤(3)不經常使用的數(shù)據(jù)庫（檔案庫）存儲器

磁帶，光盤，光盤塔1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.4圖像存儲圖像存儲

數(shù)據(jù)量度單位

比特（bit），字節(jié)（1byte=8bit）千(103)字節(jié)（Kbyte）

兆（106

）字節(jié)（Mbyte）

吉（109

）字節(jié)（Gbyte）

太（1012

）字節(jié)（Tbyte）1.3圖像處理系統(tǒng)2、圖像存儲格式(1)矢量格式

用線段或線段的組合體來表示圖像

如：畫點、畫線、畫曲線、畫圓、畫矩形等(2)光柵格式

用許多圖像點（象素）的集合來表示圖像

（顏色、亮度、屬性）

BMP（bitmap）格式，

GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式，

TIFF（TaggedImageFormatFile）格式，

JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）格式1.3圖像處理系統(tǒng)圖像存儲格式

BMP格式（Bitmap）：位圖，是與設備無關的圖像文件格式①位圖文件頭（也稱表頭）：包含關于這個文件的信息如以象素為單位的寬度、高度，位圖的彩色、壓縮方法等。②位圖信息（常稱調色板）：圖像顏色的RGB值定義1:單色，4:16色，8:256色，24:真彩色③位圖陣列（即圖像數(shù)據(jù)）：用BYTE數(shù)據(jù)結構，這些數(shù)據(jù)結構取決于壓縮方法，它們表示象素顏色在調色板中的索引號。

圖像為真彩色時，圖像數(shù)據(jù)則直接表示紅、綠、藍的相對亮度R:8bit，G:8bit，B:8bit1.3圖像處理系統(tǒng)圖像存儲格式

GIF格式（GraphicsInterchangeFormat，圖像交換格式）8位文件格式，以數(shù)據(jù)塊（block）為單位來存儲圖像的相關信息。一個GIF文件由表示圖形/圖像的數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)子塊以及顯示圖形/圖像的控制信息塊組成。

最多只能存儲256色圖像

圖像數(shù)據(jù)均為壓縮過的（LZW算法）

一個GIF文件中可以存放多幅圖像以實現(xiàn)網(wǎng)頁上的動畫

1.3圖像處理系統(tǒng)圖像存儲格式

TIFF格式（TagImageFormatFile）：標記圖像文件格式，是基于標志域的圖像文件格式。支持任意尺寸的圖像。獨立于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)

二值圖像（TIFF-B）灰度圖像（TIFF-G）調色板彩色圖（TIFF-P）全彩色圖像（TIFF-R）1.3圖像處理系統(tǒng)文件分類圖像存儲格式JPEG格式（JointPhotographicExpertsGroup：聯(lián)合圖像專家組），數(shù)碼相機均使用該種模式。適用于連續(xù)色調靜態(tài)的灰度或彩色圖像JPEG文件交換格式：

JFIF（fileinterchangeformat）

一種使用灰度表示或者使用Y，Cb，Cr分量彩色表示的JPEG圖像，包含一個與JPG兼容的頭。圖像可以是灰度的也可以是彩色的1.3圖像處理系統(tǒng)1.3.5圖像處理

對圖像進行壓縮編碼以減少對其所需存儲空間或傳輸時間、傳輸通路的要求

對圖像進行各種加工以改善圖像的視覺效果并為自動識別打下基礎

對圖像中感興趣目標進行檢測、提取以測量其參數(shù)和描述其性質，在此基礎上對目標進行識別、分類，建立符號表達

一般可以用算法的形式描述（軟件、硬件）

對特殊的問題需要特殊