《數(shù)字圖像處理：Matlab算法設計與解譯》 課件 1-第1章-概述

第一章緒論一張照片勝過千言萬語。畫面比文字更形象生動。

百聞不如一見。“Onepictureisworthmorethantenthousandwords”浮雕效果青春年華、下面途中的每個圓盤在動嗎？田園美景

這里的每一幅圖片（圖像），如果不能直視，要用多少文字的描述，您才能想象出親眼看到這樣的效果呢？實驗心理學家赤瑞特拉（Treicher）做過的兩個著名的心理實驗之一結論是：人類獲取信息83%來自視覺信息！

數(shù)字圖像處理，已經(jīng)成為計算機、信息和媒體處理類專業(yè)的骨干和核心專業(yè)課程。

課程教學方法：

以課堂講授為主；

通過對圖像處理原理及算法的分析和處理結果（效果）的圖示/演示，加深大家對各種圖像處理方法及實現(xiàn)算法的理解；

通過代表性的圖像處理算法的matlab編程及實驗驗證，使學生初步地掌握圖像處理編程及算法驗證方法，提高應用性教學效果。

學校建議的過程性評價形式包括：

主要包括：學生考勤、課堂表現(xiàn)（包括課堂紀律、聽課表現(xiàn)等）、平時作業(yè)、綜合性大作業(yè)（包括課外閱讀、專題學術論文、專題調研報告、案例分析等）、團隊作業(yè)、課程論文、課程設計、實驗（實訓）報告、教學實踐活動、階段性測試、期終測驗等。

學校要求每門課過程性評價方式不少于5種。建議的課程考核方式

（1）期末閉卷考試占60%。

（2）課程實驗占20%。（3）課程作業(yè)占10%。（4）平時及其它環(huán)節(jié)（課堂考勤、課堂互動、課堂紀律、期中或階段性小測驗等）占10%。第一章緒論《數(shù)字圖像處理：

Matlab算法設計與解譯》

1、數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理

2、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成

3、數(shù)字圖像處理技術的應用領域

4、Matlab及其應用基礎5、基于MATLAB的圖像處理程序設計與解譯6、圖像處理技術涉及的學科領域7、

Matlab軟件的安裝主要內容1.1數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理

一、圖像與數(shù)字圖像（1）圖像

圖像是指用各種觀測系統(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。一、圖像與數(shù)字圖像（2）數(shù)字圖像

數(shù)字圖像是指以二進制形式的數(shù)字表示和存儲的圖像。

比如：

◆數(shù)數(shù)碼相機拍攝得到的圖像；

◆數(shù)字攝像儀拍攝得到的圖像；

◆利用數(shù)字化圖像掃描儀對紙質圖片掃描獲得的圖像。

（3）像素

數(shù)字圖像是以二維的點陣形式顯示的，其中的每個（像）點稱為像素。

◆每一幅數(shù)字圖像的每個像素的亮度值，都是用二進制數(shù)值表示的。

◆每一幅特定的數(shù)字圖像高和寬，也是以相應的二進制數(shù)值表示的。一、圖像與數(shù)字圖像

（1）概念

數(shù)字數(shù)字圖像處理是指對數(shù)字圖像信息進行加工，以改善圖像的視覺效果和提高圖像的實用性；或對數(shù)字圖像進行壓縮編碼以減少所需的存儲空間的技術。

數(shù)字圖像處理也稱為計算機圖像處理，泛指利用計算機技術對數(shù)字圖像進行某些數(shù)學運算和各種加工處理。二、數(shù)字圖像處理圖像處理系統(tǒng)圖像1圖像2二、數(shù)字圖像處理

（2）數(shù)字圖像的基本特征

系統(tǒng)的輸入和輸出都是圖像。圖像處理系統(tǒng)（加噪）二、數(shù)字圖像處理（2）數(shù)字圖像的基本特征

系統(tǒng)的輸入和輸出都是圖像。

比如：圖像處理系統(tǒng)（圖像合成）二、數(shù)字圖像處理（2）數(shù)字圖像的基本特征系統(tǒng)的輸入和輸出都是圖像。

比如：圖像處理系統(tǒng)(求圖像最大、最小、平均灰度值)二、數(shù)字圖像處理

顯然，上面給出的是一種比較嚴格的圖像處理定義，因此也呈現(xiàn)出了某種狹義性。（2）數(shù)字圖像的基本特征系統(tǒng)的輸入和輸出都是圖像。

比如：

隨著科學技術的發(fā)展和進步，數(shù)字圖像處理技術開始應用于解決機器感知問題。

在這種情況下，數(shù)字圖像處理的目的不再是單純的改善圖像的視覺效果和提高圖像的實用性，而是把注意力集中于以更適合于計算和處理的形式和從圖像中提取信息的過程。

圖像分析

二、數(shù)字圖像處理（1）概念

圖像分析一般是利用數(shù)學模型并結合圖像處理的技術來分析底層特征和上層結構，從而提取具有一定智能性的信息。

圖像分析更側重于研究圖像的內容，更傾向于對圖像內容的分析、解釋和識別。三、圖像分析圖像分析系統(tǒng)圖像對圖像進行描述的信息三、圖像分析（2）圖像分析的基本特征輸入是圖像，輸出是對輸入圖像進行描述的信息。圖像分析系統(tǒng)三、圖像分析

3、圖像分析（2）圖像分析的基本特征輸入是圖像，輸出是對輸入圖像進行描述的信息。

比如：圖像分析系統(tǒng)（邊緣檢測）三、圖像分析（2）圖像分析的基本特征輸入是圖像，輸出是對輸入圖像進行描述的信息。

比如：◆圖像處理是對圖像的低級處理階段，圖像分析是對圖像的高一級的處理階段。◆圖像的低級處理是高級處理的基礎，要對圖像進行高一級的處理，必須先對圖像進行低級(預)處理?！魣D像的高一級處理是數(shù)字圖像處理與分析的目的。四、圖像處理與圖像分析的關系

另外：

◆圖像處理主要是在圖像像素級上進行的處理，處理的數(shù)據(jù)量比較大。

◆圖像分析則通過圖像分割和特征提取，把原來以像素描述的圖像轉變成比較簡潔的非圖形式的描述。

◆在實際中，圖像的低級處理階段和高一級的處理階段是相互關聯(lián)和有一定重疊性的。四、圖像處理與圖像分析的關系基于以上的原因，本書中提到的圖像處理概念是廣義的，它不僅包括了輸入和輸出都是圖像的低級處理，而且也包括了輸入是圖像，輸出是對輸入圖像的描述這樣的高一級的處理。

也就是說，廣義的圖像處理概念實際上指的是圖像處理與分析。

四、圖像處理與圖像分析的關系

（1）傳統(tǒng)的圖像處理方法

主要包括圖像增強、圖像恢復、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像特征提取、圖像的表示與描述、圖像變換和圖像的基本運算。五、圖像處理技術的研究內容

（1）傳統(tǒng)的圖像處理方法

主要包括圖像增強、圖像恢復、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像特征提取、圖像的表示與描述、圖像變換和圖像的基本運算。

（2）基于特定數(shù)學理論的圖像處理方法

主要包括頻率域圖像處理、小波圖像處理和形態(tài)學圖像處理等。五、圖像處理技術的研究內容

（1）傳統(tǒng)的圖像處理方法

主要包括圖像增強、圖像恢復、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像特征提取、圖像的表示與描述、圖像變換和圖像的基本運算。

（2）基于特定數(shù)學理論的圖像處理方法

主要包括頻率域圖像處理、小波圖像處理和形態(tài)學圖像處理等。

（3）彩色圖像處理方法五、圖像處理技術的研究內容1.2數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成

一、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的架構

數(shù)字圖像的處理過程是由計算機完成的。

一個典型的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成架構：二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成電視攝像機掃描儀數(shù)碼照相機遙感圖像獲取設備

計算機圖像輸入卡（采集卡)顯示卡圖像存貯裝置圖像數(shù)字化設備輸入圖像輸出圖像打印機繪圖儀彩色印刷機圖像處理計算機圖像輸出設備二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成

（1）圖像的感知與獲取設備（輸入設備）

是一種將景物轉換成計算機可以接受的數(shù)字圖像的圖像采集設備。二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成圖像獲取/輸入設備1000DPI1600DPI1000象素1600象素掃描儀分辨率與掃描圖象的大小分辨率：單位長度上采樣的像素個數(shù)：DPI(dot/inch)1英寸原稿圖像二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成

（2）圖像處理系統(tǒng)和軟件開發(fā)工具及平臺專用或通用圖像處理系統(tǒng)；利用MATLAB圖像處理工具箱提供的豐富的圖像函數(shù)和環(huán)境進行圖像處理軟件開發(fā)；直接在MicrosoftWindows上，以Microsoft公司的VC++或BC++為編程工具，進行圖像處理軟件開發(fā)。二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成

（3）圖像輸出設備

彩色顯示設備；彩色印刷/打印設備。二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成圖像輸出設備之一噴墨打印機激光打印機數(shù)字印刷機PCMCIA存儲設備

二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成三、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的分類三、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的分類三、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的分類四、典型圖像處理（工具）軟件示例Photoshop圖像處理軟件四、典型圖像處理（工具）軟件示例Windows附件中的畫圖四、典型圖像處理（工具）軟件示例畫圖3D五、實用的圖像處理系統(tǒng)示例1.3圖像處理技術的應用領域

（1）20世紀20年代，通過海底電纜從倫敦向紐約傳送數(shù)字化的新聞照片。

（2）20世紀60年代，開始用計算機技術改善空間探測器的圖像質量，校正航天器上電視攝像機中各種類型的圖像畸變。

（3）20世紀70年代，圖像處理技術開始用于醫(yī)學圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學等領域。

（4）到21世紀的今天，幾乎已不存在與圖像技術無關的技術領域。一、圖像處理技術應用的變遷

宇宙探索、遙感技術、氣象預報、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學、軍事應用、公安業(yè)務、交通控制、考古、媒體通信、文化產(chǎn)業(yè)等。

總體上來說，圖像處理技術的應用已經(jīng)遍布國民經(jīng)濟的各個領域。二、當前圖像處理技術的主要應用領域二、當前圖像處理技術的主要應用領域

1、醫(yī)學應用

通過CT及核磁共振、超聲波、X射線成像的分析等，可提供醫(yī)學診斷依據(jù)。X線片CT片MRIECT

1、醫(yī)學應用二、當前圖像處理技術的主要應用領域CT(ComputedTomography)

計算機斷層攝影術肝臟和胃的橫斷平面CT圖像CT掃描投射成像

1、醫(yī)學應用二、當前圖像處理技術的主要應用領域地球資源勘探

2、遙感與資源勘探二、當前圖像處理技術的主要應用領域農、林等資源的調查，農作物長勢監(jiān)測，自然災害監(jiān)測、預報，地勢、地貌測繪以及地質構造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測等。二、當前圖像處理技術的主要應用領域

2、遙感與資源勘探1998年長江（枝城-岳陽）洪澇災害監(jiān)測

無損探傷，石油勘探，生產(chǎn)過程自動化（識別零件，裝配質量檢查），工業(yè)機器人研制等。

3、工業(yè)生產(chǎn)二、當前圖像處理技術的主要應用領域

航空及衛(wèi)星偵察照片的測繪、判讀，雷達、聲納圖像處理，導彈制導，軍事仿真等。隱形飛機、定位轟炸夜視偵查成像

4、軍事應用二、當前圖像處理技術的主要應用領域Landscape電子沙盤

4、軍事應用軍事目標跟蹤景象匹配精確制導

4、軍事應用圖像傳真，數(shù)字電視、網(wǎng)絡可視聊天、可視電話網(wǎng)頁動畫等。

5、通信技術二、當前圖像處理技術的主要應用領域獨特的ExactTime和AutoBalance技術語音圖像唇形同步只需350毫秒Hi…Hello…

5、通信技術二、當前圖像處理技術的主要應用領域

6、空間探索二、當前圖像處理技術的主要應用領域

6、空間探索二、當前圖像處理技術的主要應用領域指紋識別，印簽、偽鈔識別，安檢，手跡、印記鑒別分析等。

7、公安與信息安全二、當前圖像處理技術的主要應用領域獲取氣象云圖進行測繪、判讀等。風云1號風云2號

8、氣象預報二、當前圖像處理技術的主要應用領域氣象預報氣象云圖

8、氣象預報

9、廣告設計二、當前圖像處理技術的主要應用領域計算機繪畫

10、藝術與影視應用二、當前圖像處理技術的主要應用領域計算機合成圖像

周金龍合成華南虎事件

10、藝術與影視應用動畫

娛樂

10、藝術與影視應用二、當前圖像處理技術的主要應用領域圖象配準示例

10、藝術與影視應用二、當前圖像處理技術的主要應用領域1.4Matlab及其應用基礎

MATLAB

是MATrixLABoratory（矩陣實驗室）的英文縮寫，MATLAB

軟件是美國Mathworks公司推出的一種高級科學計算、專業(yè)級符號計算、可視化建模仿真和交互式應用開發(fā)環(huán)境。

該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結構是矩陣，程序中的(矩陣)變量不要求做明確的維數(shù)說明，系統(tǒng)提供了大量的內置函數(shù)，從而被廣泛地應用于數(shù)值(線性代數(shù))計算、控制系統(tǒng)、信號處理、圖形繪制、圖像處理等領域的分析、仿真和設計工作。

Matlab

是一個集數(shù)值計算、圖形管理、程序開發(fā)于一體的軟件環(huán)境。

Matlab由5部分組成：

（1）MATLAB語言體系，是MATLAB的高層次矩陣/數(shù)組語言環(huán)境，具有數(shù)據(jù)結構、條件控制、函數(shù)調用、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。一、

MATLAB系統(tǒng)的組成

Matlab由5部分組成：

（2）MATLAB開發(fā)環(huán)境，是MATLAB提供給用戶的管理功能及軟件環(huán)境，包括管理工作空間中的變量和輸入輸出數(shù)據(jù)，開發(fā)、調試和管理文件的各種工具。一、

MATLAB系統(tǒng)的組成

Matlab由5部分組成：

（3）MATLAB圖形系統(tǒng)，是MATLAB提供給用戶的可視化功能開發(fā)環(huán)境，包括2D和3D數(shù)據(jù)的圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等高層命令，用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的底層命令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。一、

MATLAB系統(tǒng)的組成

Matlab由5部分組成：

（4）MATLAB

數(shù)學函數(shù)庫，是MATLAB使用的數(shù)學算法庫，包括各種初等函數(shù)的算法，矩陣運算和矩陣分析等高層次的數(shù)學算法，以及M文件（一種文本文件）函數(shù)。一、

MATLAB系統(tǒng)的組成

Matlab由5部分組成：

（5）MATLAB

應用程序（API）接口，是MATLAB為用戶提供的函數(shù)庫，使用戶可以在MATLAB環(huán)境中使用C、C++、JAVA和FORTRAN語言程序，包括在MATLAB中調用程序（動態(tài)鏈接），讀MAT文件等功能。一、

MATLAB系統(tǒng)的組成

二、

MATLAB系統(tǒng)環(huán)境計算機屏幕界面上會有相應的快捷圖標：

二、

MATLAB系統(tǒng)的軟件環(huán)境

二、

MATLAB系統(tǒng)的軟件環(huán)境1、命令行窗口MATLAB的典型工作方式之一是用戶在命令行窗口輸入命令，按回車鍵后MATLAB逐句解釋執(zhí)行命令行窗口中的命令，并在該窗口中已經(jīng)執(zhí)行的命令下方顯示除圖形以外的運算結果。

二、

MATLAB系統(tǒng)的軟件環(huán)境1、命令行窗口

在命令行窗口除可輸入MATLAB命令外，還可以輸入MATLAB的函數(shù)、表達式、語句、M文件名或MEX文件名等，所以一般也將在命令行窗口輸入的對象稱為語句。

二、

MATLAB系統(tǒng)的軟件環(huán)境2、當前目錄窗口MATLAB的當前目錄也即系統(tǒng)默認的實施打開、加載、編輯和保存文件等操作時的文件夾。

MATLAB啟動后，系統(tǒng)默認的當前目錄是…\MATLAB\toolbox，用戶可以在默認的當前目錄下存放自己的文件。

二、

MATLAB系統(tǒng)的軟件環(huán)境3、編輯器窗口MATLAB的編輯器窗口是編寫和和修改MATLAB腳本程序的地方。

二、

MATLAB系統(tǒng)的軟件環(huán)境4、工作區(qū)

工作區(qū)用于顯示運行的程序中的變量，包括它們的名稱、值以及類型。1.5基于MATLAB的圖像處理程序設計與解譯

本節(jié)以Matlab為編程和仿真環(huán)境，從提高基于Matlab的編程能力角度出發(fā)，對算法中的關鍵代碼段進行分析和解譯，以促進學習者對圖像處理基礎算法的理解和Matlab編程能力的提升。

一、基于MATLAB環(huán)境的程序設計

用例子說明基于Matlab的圖像處理程序、程序編輯與運行環(huán)境及運行結果。

1、實現(xiàn)功能及程序

【例1.1】

求灰度圖像的最大灰度值、最小灰度值和平均灰度值的matlab程序及運算結果。

灰度圖像及像素的灰度值概念

一幅大小為200×300二維數(shù)字圖像可看作是一個大小為200×300的二維像素值陣列，二維陣列中的每個矩陣元素即是一個像素，其值即為該像素的灰度（亮度）值，灰度圖像的灰度取值范圍是0至255。

程序：clc;clearall;%清除命令窗口的內容，清除工作空間中的所有變量closeall;%關閉所有的Figure窗口img0=imread(‘d:\0_matlab圖像課編程\women.jpg’);%讀圖像文件中的8數(shù)據(jù)f=double(img0);%將uint8格式的圖像數(shù)據(jù)轉換成雙精度格式的數(shù)據(jù)[hw]=size(f);%取圖像陣列的行數(shù)（高）h和列數(shù)（寬）wmax=0.0;min=256.0;avg=0.0;%賦初值fori=1:hforj=1:wiff(i,j)<minmin=f(i,j);%求最小值end;iff(i,j)>maxmax=f(i,j);%求左大志end;avg=avg+f(i,j);%計算灰度值的累加和end;end;avg=uint8(avg/(h*w));%雙精度格式的平均灰度值轉換成8位整數(shù)格式數(shù)據(jù)fprintf('運算結果:\n');%輸出計算結果到命令窗口fprintf('圖像像素的最大灰度值：%f\n',max);fprintf('圖像像素的最小灰度值：%f\n',min);

fprintf('圖像像素的平均灰度值：%f\n',avg);

一、基于MATLAB環(huán)境的程序設計

2、Matlab軟件環(huán)境中的程序

一、基于MATLAB環(huán)境的程序設計

3、程序運行結果

【例1.1】

求灰度圖像的最大灰度值、最小灰度值和平均灰度值的matlab程序及運算結果。

一、基于MATLAB環(huán)境的程序設計

4、程序解譯及相關Matlab函數(shù)Matlab中的數(shù)值運算采用的都是double型(64位)數(shù)據(jù)格式。

在例1.1的加法及其平均值運算，需要把uint8格式的無符號整數(shù)0～255轉換成雙精度數(shù)據(jù)。

例1.1中的相關函數(shù)及功能如下：

（1）%：注釋符號，在其后的同一行中的內容是注釋，不會被執(zhí)行。

（2）clc：清除命令窗口中的內容。

（3）clearall：清除工作空間的所有變量、函數(shù)和MEX文件。

（4）closeall：關閉所有的Figure窗口。

（5）imread('path_filename')：讀入指定路徑及文件名為path_filename的圖像。

（6）[m,n,color]=size(I)：獲取圖像矩陣I的行數(shù)h和列數(shù)w及顏色數(shù)color。當color值等于3時，說明圖像I是彩色圖像。缺省color的形式為[m,n]=size(I)。

（7）double(x)：將其它類型的數(shù)據(jù)x轉換為雙精度型數(shù)據(jù)。在MATLAB的矩陣運算中，要求所有的運算變量為dou