數(shù)字圖像處理概述

數(shù)字圖像處理概述第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.1 圖像基本概念

1.1.1 圖像和數(shù)字圖像 1.1.2 圖像的表達(dá)

2第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五什么是圖像用各種觀測系統(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3第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五人眼所見4第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五照片5第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五電視電影6第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖像的表達(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:可對應(yīng)不同物理量

灰度圖像里用灰度表示7第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

圖像的表達(dá)圖像表示

矩陣

矢量

8第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖片感知在畫圖軟件中放大圖像像素的概念9第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(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，每個小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。每個像素包括兩個屬性：位置和灰度。對于單色即灰度圖像而言，每個像素的亮度用一個數(shù)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。10第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五物理圖像與數(shù)字圖像的對應(yīng)11第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五灰度級12第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(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)128×12826×3113第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(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，這種情況下每個像素可用三個字節(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14第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(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)15第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五RGB色彩模式RGB色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，是通過對紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個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)三個通道的顏色這個標(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)之一16第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五RGB色彩模式RGB色彩模式使用RGB模型為圖像中每一個像素的RGB分量分配一個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。17第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五R、G、B三基色

彩色空間

18第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五舉例2彩色原圖紅色分量綠色分量藍(lán)色分量19第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖像的數(shù)據(jù)量計算灰度圖像彩色圖像視頻20第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2 圖像工程簡介

1.2.1 圖像技術(shù)和圖像工程 1.2.2 圖像工程的三個層次 1.2.3 圖像工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域 1.2.4 圖像工程的技術(shù)應(yīng)用21第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2.1圖像技術(shù)和圖像工程圖像技術(shù) 圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱 主要功能/作用包括： 對圖像的各種加工（見下） 基于加工結(jié)果的判斷決策和行為規(guī)劃 為此進(jìn)行的硬件設(shè)計及制作

22第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2.2圖像工程的三個層次

圖像工程： 不同層次圖像技術(shù)的有機(jī)結(jié)合及應(yīng)用

圖像工程三層次： 圖像處理（圖像——>圖像） 圖像分析（圖像——>數(shù)據(jù)） 圖像理解（圖像——>解釋）23第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2.2圖像工程的三個層次24第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2.3圖像工程相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域25第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2.3圖像工程相關(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)，而計算機(jī)圖形學(xué) 研究的就是如何利用計算機(jī)技術(shù)來產(chǎn) 生這些形式 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(jī)視覺：主要強(qiáng)調(diào)用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視 覺功能，目前的研究內(nèi)容主要與圖像 理解相結(jié)合

26第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.2.4圖像工程的技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域示例(1) 視頻通信：可視電話，電視會議，按需電視，遠(yuǎn)程教育；(2) 文字檔案：文字識別，過期檔案復(fù)原，郵件分撿，支票，簽名 辮偽，辦公自動化；(3) 生物醫(yī)學(xué)：紅白學(xué)球計數(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) 遙感測繪：巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，無人駕駛飛機(jī)飛行，精確制導(dǎo)，礦 藏勘探，資源探測，氣象預(yù)報，自然災(zāi)害監(jiān)測；(5) 工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)檢測，工業(yè)探傷，自動生產(chǎn)流水線監(jiān)控，移動 機(jī)器人，無損探測，金相分析，印刷板質(zhì)量檢驗(yàn)， 精細(xì)印刷品缺陷檢測；(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、識別，指紋、印章的鑒定識別；(7) 交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。27第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五內(nèi)容回顧1.1圖像基本概念圖像數(shù)字圖像（灰度、彩色）RGB色彩模式圖像表達(dá)1.2圖像工程簡介圖像技術(shù)圖像工程的3個層次涉及的學(xué)科28第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五1.3 圖像處理系統(tǒng)

1.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.3.2 圖像采集

1.3.3 圖像顯示打印 1.3.4 圖像存儲 1.3.5 圖像處理29第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理就是利用計算機(jī)系統(tǒng)對數(shù)字圖像進(jìn)行各種目的的處理。數(shù)字圖像處理的內(nèi)容包括圖像變換、圖像編碼、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像的理解和識別。30第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理舉例31第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(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、圖像處理計算機(jī)和圖像輸出設(shè)備組成，如下圖所示：32第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五系統(tǒng)構(gòu)成框圖33第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(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。34第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖像輸入設(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35第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理的術(shù)語由于數(shù)字圖像處理是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，因此充斥著相互矛盾和不準(zhǔn)確的定義。數(shù)字圖像處理：是指將一幅圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环鶊D像。數(shù)字圖像分析：是指將一幅圖像轉(zhuǎn)換為一種非圖像的表示。但數(shù)字圖像處理通常又包括數(shù)字圖像分析。如天氣預(yù)報，視頻統(tǒng)計等。36第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理的術(shù)語計算機(jī)圖形學(xué)：用計算機(jī)將由概念或數(shù)學(xué)描述所表示的物體圖像（非實(shí)物）進(jìn)行處理和顯示的過程。如機(jī)械圖、建筑圖等，通過建筑圖統(tǒng)計水泥、鋼筋用量等。計算機(jī)視覺：用計算機(jī)技術(shù)發(fā)展能夠理解自然景物的系統(tǒng)。如機(jī)器人足球等。37第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理的術(shù)語數(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：對象素的尋址。采樣、采樣密度：對應(yīng)象素灰度值的測量。通常轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?。量化：將電壓值用一個整數(shù)表示?；叶确直媛剩簣D像中包含的灰度級數(shù)。對比度：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。38第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五調(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，當(dāng)每個像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大節(jié)約存儲空間。這種技術(shù)長用于各種圖像的存儲格式中，如bmp,tif,gif等。舉例計算數(shù)據(jù)量

39第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五HSI模型HSI模型基于人類對顏色的感覺，HSI模型描述顏色的三個基本特征。40第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五HSI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)識的，比如紅、橙或綠色。S：飽和度，有時也稱彩度，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：亮度是顏色的相對明暗程度，通常用從0%（黑）到100%（白）的百分比來度量。41第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五彩色原圖H分量S分量I分量42第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像的存儲行掃描存儲以行掃描順序，自左向右，從上到下將圖像的每個像素順序存儲在字節(jié)矩陣中交叉存儲方式即隔行存儲或隔行隔列存儲。前者叫一維交叉，后者叫二維交叉。交叉存儲的優(yōu)點(diǎn)是顯示時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，這種存儲方式非常適合于強(qiáng)調(diào)傳輸速度、對圖像精度要求不很苛刻的系統(tǒng)。43第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五交叉存儲方式44第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像的存儲有損壓縮存儲方式存儲時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)矢量存儲方式矢量存儲方式只記錄圖像的輪廓（向量）部分，而不是存儲圖像中每個點(diǎn)的信息，換句話說，它僅僅存儲原始圖像中的一些比較高級的圖形結(jié)構(gòu)（如線段，弧，圓等）。這種文件格式中存儲的圖像內(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45第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像文件組成識別信息文件識別--圖像文件識別碼和版本代號。文件識別碼用以判斷文件格式--版本代號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)別圖像識別圖像識別信息通常包括圖像的寬度和高度、一個圖像像素所需的比特數(shù)與彩色位平面數(shù)、數(shù)據(jù)壓縮格式和調(diào)色板個數(shù)。圖像數(shù)據(jù)46第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五常用圖像文件格式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 Windows47第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五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、PostScript48第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理的應(yīng)用隨著微電子與計算機(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)用將與目前語音處理的應(yīng)用一樣變得日益普及和重要。49第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五主要應(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)……50第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五應(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51第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五阿波羅登月52第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五應(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……53第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五54第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五55第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五56第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)用3：通訊領(lǐng)域發(fā)展趨勢：多媒體通訊電話、電視、計算機(jī)三網(wǎng)合一57第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)用4：工業(yè)印刷電路板機(jī)器人視覺零件檢測郵政信件的自動檢測……58第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)用5：軍事公安導(dǎo)彈制導(dǎo)偵察照片的處理指紋識別、人臉識別……車牌自動識別59第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五60第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)用6：文化藝術(shù)電視畫面的數(shù)字編輯動畫制作游戲紡織工藝品設(shè)計發(fā)型設(shè)計文物資料圖片的修復(fù)……61第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理的基本方法兩類處理方法：空間域方法變換域方法（即頻率域方法）62第62頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字圖像處理的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像處理中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括矩陣、鏈碼、屬性圖等63第63頁，共69