數(shù)字圖像處理綜述

數(shù)字圖像處理綜述第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日第一章緒論第二章圖像處理與MATLAB第三章圖像顯示第四章點處理第五章鄰域處理第六章圖像幾何變換第七章傅里葉變換第八章圖像恢復(fù)第九章圖像分割第十章數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)第十一章圖像拓補學(xué)第十二章銳化和邊界第十三章彩色圖像處理第十四章圖像壓縮編碼第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.1圖像和圖片1.2什么是圖像處理1.3圖像的采集與抽樣1.4圖像和數(shù)字圖像1.5圖像處理的一些應(yīng)用1.6圖像處理概述1.7圖像處理的過程1.8數(shù)字圖像的種類1.9數(shù)字圖像的大小1.10圖像感知第一章緒論第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.1圖像和圖片1、基本概念（1）圖：是物體反射或者透射電磁波的分布。（2）像：是人的視覺系統(tǒng)對接收的圖信息在大腦中形成的印象。（3）圖像：是“圖”和“像”的結(jié)合。具體來說，就是用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的、可以直接或間接作用于人的視覺系統(tǒng)而產(chǎn)生的視知覺實體。（4）圖像處理：是對圖像信息進行加工以滿足人的視覺或應(yīng)用需求的行為。（5）數(shù)字圖像處理，就是利用計算機技術(shù)或其他數(shù)字技術(shù)，對圖像信息進行某些數(shù)學(xué)運算和各種加工處理，以改善圖像的視覺效果和提高圖像實用性的技術(shù)。

第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日★圖像是人類獲取信息、表達信息和傳遞信息的重要手段?！飺?jù)統(tǒng)計，在人類接受的信息中，圖像等視覺信息所占的比重達到75%。★數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為信息科學(xué)、計算機科學(xué)、工程科學(xué)、地球科學(xué)等諸多方面的學(xué)者研究圖像的有效工具。

第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日圖像處理主要有如下三方面的目的：（1）提高圖像的視感質(zhì)量，以達到賞心悅目的目的。如去除圖像中的噪聲，增強邊緣，去除運動模糊，改變圖像的亮度、顏色，增強圖像中的某些成份、抑制某些成份，對圖像進行幾何變換等，從而改善圖像的質(zhì)量，以達到或真實的、或清晰的、或色彩豐富的、或意想不到的藝術(shù)效果。（2）提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計算機分析，這些特征包括很多方面，如頻域特性、灰度／顏色特性、邊界／區(qū)域特性、紋理特性、形狀／拓撲特性以及關(guān)系結(jié)構(gòu)等。還可以對圖像去細節(jié)化處理（3）對圖像數(shù)據(jù)進行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲和傳輸。圖像的輸出與顯示

照相、激光拷貝、噴墨打印、CRT顯示器、液晶顯示等1.2什么是圖像處理第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日人從物體感受的顏色由物體反射光決定若所有反射的可見光波長均衡，則物體顯示白色有顏色的物體是因為吸收了其他波長的大部分能量，從而反射某段波長范圍的光。沒有顏色的光叫單色光，灰度級通常用來描述單色光的強度，其范圍從黑到灰，最后到白。在原理上，如果可以開發(fā)出一種傳感器，能夠檢測由一種電磁波譜發(fā)射的能量，就可以在那一段波長上對感興趣的物體成像。成像原理1.3圖像的采集與抽樣第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日一、圖像獲取1.利用可見光成像：如利用CCD照相機，或CMOS集成塊，或使用平板掃描儀等等。2.利用其他電磁波成像，如Gamma射線

等

根據(jù)信息源分類（電磁波譜）

根據(jù)光子能量排布的電磁波譜第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日CCD傳感器

電荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感應(yīng)可見光的光強掃描儀的圖像數(shù)字化過程原理圖

CMOS傳感器互補性金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日Gamma射線骨骼掃描PET圖像天鵝星座環(huán)來自反應(yīng)器電子管的伽馬輻射第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日X射線

（a）胸部X射線圖像（b）主動脈造影圖像（c）頭部CT（d）電路板（e）天鵝星座環(huán)第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日紫外線成像

(1)普通谷物(2)被真菌感染的谷物(3)天鵝星座環(huán)第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日可見光與紅外波段成像

第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日可見光與紅外波段成像

利用可見光顯微鏡獲取的圖像(1)紫杉酚250倍(2)膽固醇40倍(3)微處理器60倍(4)鎳氫化物薄片600倍（5）音頻CD的表面1750倍(6)有機超導(dǎo)450倍第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日可見光與紅外波段成像（遙感圖像）華盛頓地區(qū)的衛(wèi)星圖像第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日可見光與紅外波段成像

第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日可見光與紅外波段成像

利用圖像處理技術(shù)檢測產(chǎn)品(a)電路板(b)封裝的丸劑(c)瓶子(d)清潔塑料上的氣泡

(e)谷物

(f)目鏡摻雜物圖像

第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日可見光與紅外波段成像

(a)指紋(b)紙幣(c)（d）自動讀取牌照第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日微波段成像（雷達）不受氣候、光照條件影響，可以穿透云層，通過植被、冰層和極干燥地區(qū)西藏東南山區(qū)航天器拍攝的雷達圖像第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日無線電波成像

(a)膝蓋(b)脊椎磁共振成像(MRI)第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日其他圖像成像方式聲波成像

地震模型橫截面圖像第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日其他圖像成像方式超聲波成像

(a)胎兒(b)胎兒另一側(cè)(c)甲狀腺(d)肌肉層有損害第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、圖像采樣按圖像空間坐標和明暗程度的連續(xù)性可分為模擬圖像和數(shù)字圖像。模擬圖像指空間坐標和明暗程度都是連續(xù)變化的、計算機無法直接處理的圖像。數(shù)字圖像是一種空間坐標和灰度均不連續(xù)的、用離散的數(shù)字表示的圖像。這樣的圖像才能被計算機處理。第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日

采樣圖像在空間上的離散化稱為采樣。也就是用空間上部分點的灰度值代表圖像，這些點稱為采樣點。由于圖像是一種二維分布的信息，為了對它進行采樣操作，需要先將二維信號變?yōu)橐痪S信號，再對一維信號完成采樣。具體做法是，先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線掃描，取出各水平線上灰度值的一維掃描。而后再對一維掃描線信號按一定間隔采樣得到離散信號，即先沿垂直方向采樣，再沿水平方向采樣這兩個步驟完成采樣操作。對于運動圖像（即時間域上的連續(xù)圖像），需先在時間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個步驟完成。第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日

對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為M×N個像素。在進行采樣時，采樣點間隔的選取是一個非常重要的問題，它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細微濃淡變化來決定。一般，圖像中細節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。根據(jù)一維采樣定理，若一維信號g(t)的最大頻率為ω，以T≤1/2ω為間隔進行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT)(i=…,-1,0,1，…)完全恢復(fù)g(t)，即式中第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日圖2-2采樣示意圖第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日

采樣間隔大小的選取要根據(jù)原圖象中包含何種程度的細微濃淡變化來確定。一般,圖象中細節(jié)越多，說明其中包含的高頻成分越多，則采樣間隔應(yīng)越小。第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日量化模擬圖像經(jīng)過采樣后，在時間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。圖a說明了量化過程。若連續(xù)灰度值用z來表示，對于滿足zi≤z≤zi+1的z值，都量化為整數(shù)qi。qi稱為像素的灰度值，z與qi的差稱為量化誤差。一般，像素值量化后用一個字節(jié)8bit來表示。如圖b所示，把由黑—灰—白的連續(xù)變化的灰度值，量化為0～255共256級灰度值，灰度值的范圍為0～255，表示亮度從深到淺，對應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日

連續(xù)灰度值量化為灰度級的方法有兩種，一種是等間隔量化，另一種是非等間隔量化。等間隔量化就是簡單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進行量化。對于像素灰度值在黑—白范圍較均勻分布的圖像，這種量化方法可以得到較小的量化誤差。該方法也稱為均勻量化或線性量化。非均勻量化是依據(jù)一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數(shù)，按總的量化誤差最小的原則來進行量化。具體做法是對圖像中像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些，而對那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍，則量化間隔取大一些。第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日均勻量化效果示意圖第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日非均勻量化效果示意圖第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日注意：由于圖像灰度值的概率分布密度函數(shù)因圖像不同而異，所以不可能找到一個適用于各種不同圖像的最佳非等間隔量化方案。因此，實用上一般都采用等間隔量化。第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日三、采樣與量化參數(shù)的選擇一幅圖像在采樣時，行、列的采樣點與量化時每個像素量化的級數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響到該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取M×N個樣點，每個像素量化后的灰度二進制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲一幅數(shù)字圖像所需的二進制位數(shù)b為字節(jié)數(shù)B為第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日

對一幅圖像，當量化級數(shù)Q一定時，采樣點數(shù)M×N對圖像質(zhì)量有著顯著的影響。如下圖所示，采樣點數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當采樣點數(shù)減少時，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。當人眼每度視角內(nèi)象素超過20對后，已無法察覺數(shù)字圖象與連續(xù)圖象的差別。每度視角內(nèi)象素點對越少則圖象上的塊狀效應(yīng)越明顯。第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日圖不同采樣點數(shù)對圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(512×512)；（b）采樣圖像1(256×256)；（c）采樣圖像2(128×128)；（d）采樣圖像3(64×64)；（e）采樣圖像4(32×32)；（f）采樣圖像5(16×16)第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日同理，當圖像的采樣點數(shù)一定時，采用不同量化級數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。如下圖所示，量化級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當量化級數(shù)越少時，圖像質(zhì)量越差，量化級數(shù)最小的極端情況就是二值圖像，圖像出現(xiàn)假輪廓。對人眼來說,量化級別大于32時就能得到滿意的視覺效果。第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日圖2-5不同量化級別對圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(256階)；（b）量化圖像1(64階)；（c）量化圖像2(32階)；（d）量化圖像3(16階)；（e）量化圖像4(4階)；（f）量化圖像5(2階)第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日低bit量化的偽輪廓現(xiàn)象示意圖第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日

一般，當限定數(shù)字圖像的大小時,為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：（1）對緩變的圖像，應(yīng)該細量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對細節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細采樣，粗量化，以避免模糊（混疊）。對于彩色圖像，是按照顏色成分——紅（R）、綠（G）、藍（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日若干常用的M﹑N值

漢字:16*16到256*256象素取決于字的大小顯微鏡圖象:256*256或512*512象素電視圖象:500~700*480象素。衛(wèi)星圖象:3240*2340象素。

SAR(合成孔雷達)：8000*8000象素。

CRT顯示器:640*480－2048*2048象素第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.4圖像和數(shù)字圖像模擬圖像指空間坐標和明暗程度都是連續(xù)變化的圖像數(shù)字圖像是一種空間坐標和灰度均不連續(xù)的、用離散的數(shù)字表示的圖像。模擬圖像見P9圖1.13，坐標與自然坐標相符，任意位置處的灰度為0~1之間的一個值。第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日數(shù)字圖像的表示表示數(shù)字圖像所用坐標的約定，用矩陣坐標描述，為了編程方便。

M,N必須為正數(shù)，灰度級取值為2的整數(shù)次冪

L=2k,為k位圖像

圖像存儲量

b=M*N*k

第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日數(shù)字圖像第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.5圖像處理的一些應(yīng)用1.生物醫(yī)學(xué)

利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如顯微鏡圖像分析，DNA成像分析等；第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日CT及核磁共振、超聲波、X射線成像分析等。如三維測量可視化軟件系統(tǒng)可對各類醫(yī)學(xué)斷層圖像進行分析處理，提供診斷依據(jù)。第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.遙感

農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長勢監(jiān)測，自然災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報，地勢、地貌測繪以及地質(zhì)構(gòu)造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測等等。

第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.工業(yè)生產(chǎn)

無損探傷，石油勘探，生產(chǎn)過程自動化（識別零件，裝配質(zhì)量檢查），工業(yè)機器人視覺等。4.軍事

航空及衛(wèi)星偵察照片的測繪、判讀，雷達、聲納圖像處理，導(dǎo)彈制導(dǎo)，軍事仿真等。第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日5.通信

圖像傳真，可視電話，衛(wèi)星通訊，數(shù)字電視等。

第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日6.公安指紋識別，印簽、偽鈔識別，安檢，手跡、印記鑒別分析等。第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日7.氣象預(yù)報

獲取氣象云圖進行測繪、判讀等。風(fēng)云1號風(fēng)云2號第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日8、高能物理

核子泡室圖片分析。9、考古

恢復(fù)珍貴的文物圖片、名畫、壁畫。

第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.6圖像處理概述1.圖像增強：圖像增強的目的是為了改善畫質(zhì)，使圖像的顯示效果更加清晰。比如銳化和去模糊處理提亮邊界增加對比度或亮度去噪第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日散焦模糊圖像的清晰化第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日大霧天氣下的景物清晰化第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日突出邊界第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日低照度下圖片加亮第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日圖像消噪第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.圖像重建：圖像重建是指從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，而經(jīng)過處理后得到的結(jié)果是圖像，圖象重建最典型的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)上的計算斷層攝影技術(shù)（CT）。

把退化、模糊了的圖像復(fù)原.包括圖像輻射和幾何校正等內(nèi)容；由斷層掃描重建二、三維圖像。第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.圖像分割：圖像分割是指通過某種方法，使得畫面場景被分為“目標物”及“非目標物”兩類,即將圖像的像素變換為黑、白兩種。第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.7圖像處理任務(wù)基本步驟1、圖像獲取2、預(yù)處理3、分割4、表示和描述5、識別和理解第六十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.8數(shù)字圖像的類型1.二值圖像2.灰度圖像3.真彩色或RGB圖像4.索引圖像二值圖像黑白圖像是指圖像的每個像素只能是黑或者白，