《數(shù)字圖像處理：Matlab算法設(shè)計(jì)與解譯》 課件全套 第1-12章 概述、圖像處理基礎(chǔ) - 目標(biāo)表示與描述

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(shí)驗(yàn)心理學(xué)家赤瑞特拉（Treicher）做過的兩個著名的心理實(shí)驗(yàn)之一結(jié)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(jì)算機(jī)、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(xué)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(jié)果（效果）的圖示/演示，加深大家對各種圖像處理方法及實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使學(xué)生初步地掌握圖像處理編程及算法驗(yàn)證方法，提高應(yīng)用性教學(xué)效果。

學(xué)校建議的過程性評價形式包括：

主要包括：學(xué)生考勤、課堂表現(xiàn)（包括課堂紀(jì)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(xué)術(shù)論文、專題調(diào)研報(bào)告、案例分析等）、團(tuán)隊(duì)作業(yè)、課程論文、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）報(bào)告、教學(xué)實(shí)踐活動、階段性測試、期終測驗(yàn)等。

學(xué)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(shí)驗(yàn)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(jì)律、期中或階段性小測驗(yàn)等）占10%。第一章緒論《數(shù)字圖像處理：Matlab算法設(shè)計(jì)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

4、Matlab及其應(yīng)用基礎(chǔ)5、基于MATLAB的圖像處理程序設(shè)計(jì)與解譯6、圖像處理技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域7、Matlab軟件的安裝主要內(nèi)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(shí)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(jìn)制形式的數(shù)字表示和存儲的圖像。

比如：

◆數(shù)數(shù)碼相機(jī)拍攝得到的圖像；

◆數(shù)字?jǐn)z像儀拍攝得到的圖像；

◆利用數(shù)字化圖像掃描儀對紙質(zhì)圖片掃描獲得的圖像。

（3）像素

數(shù)字圖像是以二維的點(diǎn)陣形式顯示的，其中的每個（像）點(diǎn)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(jìn)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(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值表示的。一、圖像與數(shù)字圖像

（1）概念

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

數(shù)字圖像處理也稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，泛指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對數(shù)字圖像進(jìn)行某些數(shù)學(xué)運(yùn)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(yán)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(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字圖像處理技術(shù)開始應(yīng)用于解決機(jī)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(shí)用性，而是把注意力集中于以更適合于計(jì)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(xué)模型并結(jié)合圖像處理的技術(shù)來分析底層特征和上層結(jié)構(gòu)，從而提取具有一定智能性的信息。

圖像分析更側(cè)重于研究圖像的內(nèi)容，更傾向于對圖像內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?！魣D像的低級處理是高級處理的基礎(chǔ)，要對圖像進(jìn)行高一級的處理，必須先對圖像進(jìn)行低級(預(yù))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(guān)系

另外：

◆圖像處理主要是在圖像像素級上進(jìn)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(zhuǎn)變成比較簡潔的非圖形式的描述。

◆在實(shí)際中，圖像的低級處理階段和高一級的處理階段是相互關(guān)聯(lián)和有一定重疊性的。四、圖像處理與圖像分析的關(guān)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(shí)際上指的是圖像處理與分析。

四、圖像處理與圖像分析的關(guān)系

（1）傳統(tǒng)的圖像處理方法

主要包括圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、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(yùn)算。五、圖像處理技術(shù)的研究內(nèi)容

（1）傳統(tǒng)的圖像處理方法

主要包括圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、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(yùn)算。

（2）基于特定數(shù)學(xué)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(xué)圖像處理等。五、圖像處理技術(shù)的研究內(nèi)容

（1）傳統(tǒng)的圖像處理方法

主要包括圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、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(yùn)算。

（2）基于特定數(shù)學(xué)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(xué)圖像處理等。

（3）彩色圖像處理方法五、圖像處理技術(shù)的研究內(nèi)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(gòu)

數(shù)字圖像的處理過程是由計(jì)算機(jī)完成的。

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

計(jì)算機(jī)圖像輸入卡（采集卡)顯示卡圖像存貯裝置圖像數(shù)字化設(shè)備輸入圖像輸出圖像打印機(jī)繪圖儀彩色印刷機(jī)圖像處理計(jì)算機(jī)圖像輸出設(shè)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(shè)備（輸入設(shè)備）

是一種將景物轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字圖像的圖像采集設(shè)備。二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成圖像獲取/輸入設(shè)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(jìn)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(jìn)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(shè)備

彩色顯示設(shè)備；彩色印刷/打印設(shè)備。二、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成圖像輸出設(shè)備之一噴墨打印機(jī)激光打印機(jī)數(shù)字印刷機(jī)PCMCIA存儲設(shè)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(shí)用的圖像處理系統(tǒng)示例1.3圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）20世紀(jì)20年代，通過海底電纜從倫敦向紐約傳送數(shù)字化的新聞?wù)掌?/p>

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

（3）20世紀(jì)70年代，圖像處理技術(shù)開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學(xué)等領(lǐng)域。

（4）到21世紀(jì)的今天，幾乎已不存在與圖像技術(shù)無關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。一、圖像處理技術(shù)應(yīng)用的變遷

宇宙探索、遙感技術(shù)、氣象預(yù)報(bào)、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、軍事應(yīng)用、公安業(yè)務(wù)、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(shù)的應(yīng)用已經(jīng)遍布國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1、醫(yī)學(xué)應(yīng)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(xué)診斷依據(jù)。X線片CT片MRIECT

1、醫(yī)學(xué)應(yīng)用二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域CT(ComputedTomography)

計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)肝臟和胃的橫斷平面CT圖像CT掃描投射成像

1、醫(yī)學(xué)應(yīng)用二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域地球資源勘探

2、遙感與資源勘探二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域農(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(bào)，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。二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

2、遙感與資源勘探1998年長江（枝城-岳陽）洪澇災(zāi)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(zhì)量檢查），工業(yè)機(jī)器人研制等。

3、工業(yè)生產(chǎn)二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

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

4、軍事應(yīng)用二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域Landscape電子沙盤

4、軍事應(yīng)用軍事目標(biāo)跟蹤景象匹配精確制導(dǎo)

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

5、通信技術(shù)二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域獨(dú)特的ExactTime和AutoBalance技術(shù)語音圖像唇形同步只需350毫秒Hi…Hello…

5、通信技術(shù)二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

6、空間探索二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

6、空間探索二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)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(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域獲取氣象云圖進(jìn)行測繪、判讀等。風(fēng)云1號風(fēng)云2號

8、氣象預(yù)報(bào)二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域氣象預(yù)報(bào)氣象云圖

8、氣象預(yù)報(bào)

9、廣告設(shè)計(jì)二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)繪畫

10、藝術(shù)與影視應(yīng)用二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)合成圖像

周金龍合成華南虎事件

10、藝術(shù)與影視應(yīng)用動畫

娛樂

10、藝術(shù)與影視應(yīng)用二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域圖象配準(zhǔn)示例

10、藝術(shù)與影視應(yīng)用二、當(dāng)前圖像處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域1.4Matlab及其應(yīng)用基礎(chǔ)

MATLAB

是MATrixLABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的英文縮寫，MATLAB

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

該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于數(shù)值(線性代數(shù))計(jì)算、控制系統(tǒng)、信號處理、圖形繪制、圖像處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。

Matlab

是一個集數(shù)值計(jì)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(jié)構(gòu)、條件控制、函數(shù)調(diào)用、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z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(diào)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(jìn)行特性控制的底層命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)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(xué)函數(shù)庫，是MATLAB使用的數(shù)學(xué)算法庫，包括各種初等函數(shù)的算法，矩陣運(yùn)算和矩陣分析等高層次的數(shù)學(xué)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(yīng)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(diào)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(jì)算機(jī)屏幕界面上會有相應(yīng)的快捷圖標(biāo)：

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(yùn)算結(jié)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(dá)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(dāng)前目錄窗口MATLAB的當(dāng)前目錄也即系統(tǒng)默認(rèn)的實(shí)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(rèn)的當(dāng)前目錄是…\MATLAB\toolbox，用戶可以在默認(rèn)的當(dāng)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(yùn)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(shè)計(jì)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(guān)鍵代碼段進(jìn)行分析和解譯，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者對圖像處理基礎(chǔ)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(shè)計(jì)

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

1、實(shí)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(yùn)算結(jié)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(nèi)容，清除工作空間中的所有變量closeall;%關(guān)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(zhuǎn)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(jì)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(zhuǎn)換成8位整數(shù)格式數(shù)據(jù)fprintf('運(yùn)算結(jié)果:\n');%輸出計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)

2、Matlab軟件環(huán)境中的程序

一、基于MATLAB環(huán)境的程序設(shè)計(jì)

3、程序運(yùn)行結(jié)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(yùn)算結(jié)果。

一、基于MATLAB環(huán)境的程序設(shè)計(jì)

4、程序解譯及相關(guān)Matlab函數(shù)Matlab中的數(shù)值運(yùn)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(yùn)算，需要把uint8格式的無符號整數(shù)0～255轉(zhuǎn)換成雙精度數(shù)據(jù)。

例1.1中的相關(guān)函數(shù)及功能如下：

（1）%：注釋符號，在其后的同一行中的內(nèi)容是注釋，不會被執(zhí)行。

（2）clc：清除命令窗口中的內(nèi)容。

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

（4）closeall：關(guān)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(dāng)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(zhuǎn)換為雙精度型數(shù)據(jù)。在MATLAB的矩陣運(yùn)算中，要求所有的運(yùn)算變量為double型(雙精度型)。

（8）uint8(x)：將其它形式的數(shù)據(jù)x轉(zhuǎn)換為無符號整數(shù)，取值范圍為0～255，也即灰度圖像的灰度值取值范圍。

（9）fprintf(fid,format,var)：將數(shù)據(jù)var按指定格式format寫入到文本文件fid中。其中：

①fid為文件句柄，指定要寫入數(shù)據(jù)的文件，缺省時意指輸出到屏幕的命令窗口。

②format用來指定數(shù)據(jù)輸出時采用的格式，%d指整數(shù)格式、%e指實(shí)數(shù)（科學(xué)計(jì)算法）格式、%f指實(shí)數(shù)格式、%s指字符串格式；\n是換行符號。

③Var用來存放數(shù)據(jù)、向量或矩陣。

二、MATLAB常用編程方法解譯

常用的數(shù)字圖像處理算法都是面向灰度圖像的。

習(xí)慣上在程序開始要把原圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像而不管該圖像是否已經(jīng)是灰度圖像了。

這樣做的好處是程序更具有通用性，對應(yīng)的Matlab程序段如下：img=imread('d:\0_matlab圖像課編程\women.jpg');[h,w,color]=size(img);ifcolor==3img1=rgb2gray(img);%將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像end其中，函數(shù)img1=rgb2gray(img)的功能是把彩色圖像img轉(zhuǎn)換成灰度圖像img1。1.6圖像處理技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域

一、圖像處理技術(shù)涉及的基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域研究方法數(shù)學(xué)物理學(xué)生理學(xué)心理學(xué)電子學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)研究范圍模式識別計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究進(jìn)展人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法模糊邏輯二、圖像處理技術(shù)涉及的學(xué)科圖象處理涉及的學(xué)科（典型的交叉學(xué)科技術(shù)）：1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（一級學(xué)科）2、信息與通信工程（二級學(xué)科：信號與信息處理）3、控制科學(xué)與工程（二級學(xué)科：模式識別與智能系統(tǒng)）

4、測繪科學(xué)與技術(shù)（二級學(xué)科：航空攝影測量）5、光學(xué)工程（二級學(xué)科：光學(xué)成像及處理技術(shù)）6、醫(yī)學(xué)工程（二級學(xué)科）7、醫(yī)學(xué)技術(shù)（二級學(xué)科）1.7Matlab軟件的安裝

Matlab軟件的安裝：

見安裝軟件中的安裝教程謝謝第二章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

1、電磁波譜與可見光譜

2、人眼的亮度視覺特性

3、圖像的表示

4、空間分辨率和灰度分辨率

5、像素間的關(guān)系6、圖像的顯示7、圖像文件格式主要內(nèi)容2.1電磁波譜與可見光譜一、電磁輻射成像與電磁輻射波譜◆在實(shí)際的圖像處理應(yīng)用中，最主要的圖像來源于電磁輻射成像。

◆電磁輻射波包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。

◆電磁輻射波的波譜范圍很廣：波長最長的是無線電波為3×102m，其波長是可見光波長的幾十億倍；波長最短的是γ射線，波長為3×10-17m，其波長比可見光小幾百萬倍。圖2.1電磁輻射波普

0.001nm1nm10nm電波可見光γ射線x射線紫外線紅外線微波視頻、無線電波紫

藍(lán)

青

綠

黃

橙

紅

近紅外

短波紅外

中紅外

熱紅外

遠(yuǎn)紅外400nm500nm600nm700nm1300nm3μm8μm14μm1mm毫米波厘米波分米波超短波短波中波長波超長波1mm10mm1cm1m10m100m0.1km10km100km一、電磁輻射成像與電磁輻射波譜500600紫400700750藍(lán)綠黃橙紅350可見光譜：青二、可見光譜

2.2可見光中的7種顏色及其排列關(guān)系◆太陽的電磁輻射波恰好主要占據(jù)整個可見光譜范圍。

◆可見光隨波長的不同依次呈現(xiàn)出紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙（橘紅）、紅七種顏色，白光是由不同顏色的可見光線混合而成的。二、可見光譜

可見光譜二、可見光譜

◆人從一個物體感受到的顏色是由物體反射的可見光的特性決定的。

◆

若一個物體反射的光在所有可見光波長范圍內(nèi)是平衡的，則對觀察者來說顯示的是白色。

◆

若一個物體只反射可見光譜中有限范圍的光，則物體就呈現(xiàn)某種顏色。

二、可見光譜

（1）單色光

僅有單一波長成份的光稱為單色光。

（2）復(fù)合光含有兩種以上波長成份的光稱為復(fù)合光。

{單色光和復(fù)合光都是有色彩的光}

三、單色光、復(fù)合光、有色光和消色光

（3）消色光沒有色彩的光稱為消色光。

◆消色光就是觀察者看到的黑白電視的光，所以消色指白色、黑色和各種深淺程度不同的灰色。

◆消色光的屬性僅有亮度或強(qiáng)度，通常用灰度級描述這種光的強(qiáng)度。

三、單色光、復(fù)合光、有色光和消色光

不同的電磁輻射波有各自的成像方式，其應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。四、電磁輻射波成像的應(yīng)用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四、電磁輻射波成像的應(yīng)用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)四、電磁輻射波成像的應(yīng)用紫外線成像

(1)普通谷物(2)被真菌感染的谷物(3)天鵝星座環(huán)四、電磁輻射波成像的應(yīng)用可見光與紅外波段成像華盛頓地區(qū)的衛(wèi)星圖像四、電磁輻射波成像的應(yīng)用微波段成像（雷達(dá)）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(dá)圖像四、電磁輻射波成像的應(yīng)用無線電波成像

(a)膝蓋(b)脊椎磁共振成像(MRI)四、電磁輻射波成像的應(yīng)用其他圖像成像方式聲波成像

地震模型橫截面圖像，箭頭指示碳?xì)浠衔锼?、電磁輻射波成像的?yīng)用其他圖像成像方式電子顯微鏡成像

(a)過熱損壞的鎢絲250倍(b)損壞的集成電路2500倍四、電磁輻射波成像的應(yīng)用2.2人眼的亮度視覺特性一、視覺適應(yīng)性

◆大量實(shí)驗(yàn)表明，主觀亮度(人的視覺系統(tǒng)感覺到的亮度)與進(jìn)入人眼的光的強(qiáng)度成對數(shù)關(guān)系。對圖像進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算處理后,比較適應(yīng)人的視覺特性?！羧搜蹖牧镣蛔兊桨淡h(huán)境的適應(yīng)能力稱為暗適應(yīng)性?！羧搜蹖α炼茸兓櫆蟮男再|(zhì)稱為視覺惰性（或短暫的記憶特性）。

二、同時對比效應(yīng)

是指人眼對某個區(qū)域的亮度感覺并不僅僅取決于該區(qū)域的強(qiáng)度，而是與該區(qū)域的背景亮度或周圍的亮度有關(guān)的特性。圖2.3同時對比效應(yīng)示例

二、同時對比效應(yīng)

◆同時對比效應(yīng)實(shí)例圖片的產(chǎn)生

【例2.1】編寫生成4

幅展示同時對比效應(yīng)圖像的matlab程序。

clc;clear;closeall;h=280;w=280;img=zeros(h,w);%生成280*280的全零值初始圖像

back_gray=1.0;fork=1:4%產(chǎn)生4個同時對比效應(yīng)圖像

fori=1:hforj=1:wimg(i,j)=out_gray;%給整個圖像賦以亮度值endend

back_gray=back_gray+70.0;

fori=93:189%內(nèi)方塊為96*96forj=93:189img(i,j)=100;%給圖像中間方塊賦以亮度值100endend

f=uint8(img);figure,imshow(f);title('比值為100/(1,71,141,211)的同時對比效應(yīng)圖像');end

例中的相關(guān)函數(shù)及功能如下：

（1）zeros(h,w)：建立一個大小為h×w，元素值為double類的全0值矩陣。

（2）imshow(I,[lowhigh])：顯示灰度圖像I，并以二元素向量[lowhigh]指定顯示范圍。顯示方法是將值low（以及任何小于low的值）顯示為黑色；將值high（以及任何大于high的值）顯示為白色。缺省[lowhigh]的imshow(I)為顯示灰度圖像。

（3）title('heading')：給輸出顯示的圖像加標(biāo)題，單引號內(nèi)的內(nèi)容為圖像的標(biāo)題內(nèi)容。

三、馬赫帶效應(yīng)

人類視覺在亮度有變化的地方會出現(xiàn)虛幻的亮或暗的條紋，使得人們在觀察某窄條時，感覺在靠近該窄條的另一個亮度較低的窄條的那一側(cè)似乎更亮一些，而在靠近該窄條的另一個亮度較高的窄條的那一側(cè)似乎更暗一些，也即在不同亮度區(qū)域邊界有“欠調(diào)”和“過調(diào)”現(xiàn)象。

三、馬赫帶效應(yīng)圖2.4馬赫帶效應(yīng)示例

感覺亮度實(shí)際亮度三、馬赫帶效應(yīng)

◆馬赫帶效應(yīng)實(shí)例圖片的產(chǎn)生

【例2.2】編寫編寫生成展示馬赫帶效應(yīng)的8窄條圖像的Matlab程序。

clc;clear;closeall;h=400;w=150;img0=zeros(h,w);%生成400*150的全零值初始圖像fork=1:8%上下排列的8個不同亮度的窄條k1=k-1;fori=(k1*50+1):(k1*50+50)%每個窄條h值的起始和終止值forj=1:w%窄條的寬度w值img0(i,j)=k1*30.0+10.0;%分別給每個窄條賦亮度值endendendimg1=uint8(img0);%轉(zhuǎn)換成8位圖像fori=1:h%h*w圖像(橫向窄條)轉(zhuǎn)換w*h圖像(縱向窄條)forj=1:wimg2(j,i)=img1(i,j);endend

imshow(img2);title('亮度值相差30的8窄條馬赫帶效應(yīng)圖像');

◆馬赫帶效應(yīng)實(shí)例圖片的產(chǎn)生

【例2.2】編寫編寫生成展示馬赫帶效應(yīng)的8窄條圖像的Matlab程序。三、馬赫帶效應(yīng)四、視覺錯覺是指人眼填充了不存在的信息或者錯誤地感知物體的幾何特點(diǎn)的特性。圖2.5視覺錯覺示例

（d）（e）（f）（a）（b）（c）四、視覺錯覺人眼的亮度視覺特性-實(shí)例它們真的在動嗎？人眼的亮度視覺特性-實(shí)例你看到了什么？那些交叉點(diǎn)是不是在放射火花？在Grid火花錯覺中，眼球的運(yùn)動也是非常重要的。盡管在視覺研究領(lǐng)域有對這種錯覺進(jìn)行全面介紹的文章，但它本質(zhì)的原因仍然沒有被充分的了解。柵格火花錯覺長度與透視：線AB和線CD長度完全相等，雖然它們看起來相差很大。長度與透視人眼的亮度視覺特性-實(shí)例人眼的亮度視覺特性-實(shí)例曲線正方形曲線正方形：這些是完全的正方形嗎？【解析】正方形看起來是變形了，但其實(shí)它們的邊線都是筆直而彼此平行的。比爾·切斯塞爾創(chuàng)作了這個曲線幻覺的視覺藝術(shù)版本。2.3圖像的表示一、簡單的圖像成像模型

一幅圖像可定義成一個二維函數(shù)f(x,y)。其中:

（x,y）表示二維圖像平面中的像素的坐標(biāo)。

f(x,y)是圖像中位于坐標(biāo)（x,y）處的像素的幅值（亮度值）。

一、簡單的圖像成像模型

由于幅值f實(shí)質(zhì)上反映的是光照射在景物上，并經(jīng)其反射或透射的輻射能量。而照射在景物表面(x,y)處的光的強(qiáng)度一定是非零且有限的，所以f(x,y)一定滿足：

0<f(x,y)<A0

(2.3)

f(x,y)可由兩個分量來表征:

一是照射到觀察景物的光的總量；

二是景物反射或透射的光的總量。一、簡單的圖像成像模型設(shè)i(x,y)表示照射到觀察景物表面(x,y)處的光的強(qiáng)度；r(x,y)表示觀察景物表面(x,y)處的平均反射(或透射)系數(shù)，則有：

f(x,y)=i(x,y)r(x,y)(2.4)

其中：0<i(x,y)<A1

0

≤

r(x,y)

≤

1一、簡單的圖像成像模型對于消色光圖像(有些文獻(xiàn)稱其為單色光圖像)，一般把圖像f(x,y)在坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)的亮度值稱為灰度值l，且：

l=f(x,y)(2.5)這種只有灰度屬性沒有彩色屬性的圖像稱為灰度圖像。由式(2.4)：f(x,y)=i(x,y)r(x,y)，顯然有：

Lmin

≤l≤

Lmxa(2.6)

區(qū)間[Lmin，Lmax]稱為灰度的取值范圍。在實(shí)際中，一般取Lmin的值為0，Lmax=L-1。這樣,灰度的取值范圍就可表示成[0，L-1]。

一、簡單的圖像成像模型當(dāng)一幅圖像的x

和y

坐標(biāo)及幅值f

都為連續(xù)量時，稱該圖像為連續(xù)圖像。為了把連續(xù)圖像轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字形式，必須先對連續(xù)的圖像進(jìn)行空間和幅值的離散化處理。

◆圖像的采樣：對圖像的連續(xù)空間坐標(biāo)x和y的離散化。

◆圖像灰度級的量化：對圖像函數(shù)的幅值

f

的離散化。

二、數(shù)字圖像的表示

1、均勻采樣

對一幅二維連續(xù)圖像f(x,y)的連續(xù)空間坐標(biāo)x和y的均勻采樣，實(shí)質(zhì)上就是把二維圖像平面在x方向和y方向分別進(jìn)行等間距劃分，從而把二維圖像平面劃分成M×N個網(wǎng)格，并使各網(wǎng)格中心點(diǎn)的位置與用一對實(shí)整數(shù)表示的笛卡爾坐標(biāo)(I,j)相對應(yīng)。二、數(shù)字圖像的表示MN(1,2)

1、均勻采樣二維圖像平面上所有網(wǎng)格中心點(diǎn)位置對應(yīng)的有序?qū)嵳麛?shù)對（笛卡爾坐標(biāo)）的全體，就構(gòu)成了該幅圖像的采樣結(jié)果。二、數(shù)字圖像的表示NM

1、均勻采樣均勻采樣的基本采樣方式：

（1）線掃方式二、數(shù)字圖像的表示

1、均勻采樣均勻采樣的基本采樣方式：

（2）面線掃方式二、數(shù)字圖像的表示

2、均勻量化對一幅二維連續(xù)圖像f(x,y)的幅值f的均勻量化，實(shí)質(zhì)上就是將圖像的灰度取值范圍[0，Lmax]劃分成L個等級（L為正整數(shù)，Lmax=L-1），并將二維圖像平面上M×N個網(wǎng)格的中心點(diǎn)的灰度值分別量化成與L個等級中最接近的那個等級的值。二、數(shù)字圖像的表示

2、均勻量化

均勻量化的實(shí)現(xiàn)：實(shí)際中的量化有不同的實(shí)現(xiàn)方法，一種實(shí)現(xiàn)思路是：將量化點(diǎn)上的實(shí)際幅值與L個等間距的判決電平dj(j=0，1，2，…，L-1)進(jìn)行比較，只要實(shí)際幅值落在半開閉區(qū)間[dj，dj+1)的任一電平上，量化器就輸出一個確定的整數(shù)量化結(jié)果r(r=0，1，2，…，L-1)。二、數(shù)字圖像的表示

2、均勻量化二、數(shù)字圖像的表示均勻量化示意圖量化原理量化為8bit

3、非均勻采樣和量化二、數(shù)字圖像的表示在灰度級變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣。

4、數(shù)字圖像的表示為了描述上的方便,本書仍用f(x,y)表示數(shù)字圖像。設(shè)x∈[0，M-1]，y∈[0，N-1]，f∈[0，L-1]，則數(shù)字圖像可表示成下式形式的一個M×N的二維數(shù)字陣列。二、數(shù)字圖像的表示其中:

[f]中每個(x,y)處的f(x,y)是數(shù)字圖像中的一個最?。ɑ蚧荆﹩卧?，稱其為圖像元素(pictureelement)，簡稱為像素（pixel）。

也即，像素是位于圖像陣列中不同位置的，構(gòu)成圖像的最基本的單元或元素。

一幅灰度圖像的每個像素f(x,y)的取值范圍為[0，L-1]，且規(guī)定L為2的整次冪，也即：

L=2k

（2.8）其中，k為正整數(shù)。

二、數(shù)字圖像的表示L=2k

（2.8）其中，k為正整數(shù)。

當(dāng)k=1時，f(x,y)∈{0,1}為黑白圖像，有時也稱為二值圖像（所謂二值圖像是指具有二個灰度等級的圖像。

二、數(shù)字圖像的表示注意：黑白圖像一定是2值圖像，但2值圖像不一定是0-黑和1-白兩種值。L=2k

（2.8）其中，k為正整數(shù)。

當(dāng)k=8時，f(x,y)∈{0,1,2,…,255}為256灰度級圖像，這里{0,1,2,…,255}中的值表示二維圖像在點(diǎn)(x,y)處可能取得的灰度值。

二、數(shù)字圖像的表示灰度圖像描述示例二、數(shù)字圖像的表示二、數(shù)字圖像的表示

彩色圖像（R、B、G均用8位表示）：彩色圖像一般是指每個像素的信息由R、G、B三原色構(gòu)成的圖像，其中的R、B、G是由不同的灰度級來描述的。二、數(shù)字圖像的表示看上去一個“像素”就是一個正方形的色塊，事實(shí)上，“像素”是一個純理論的概念，它沒有形狀也沒有尺寸，看不見摸不著，只存在于理論計(jì)算中。

像素的“形狀”是一個理論性上的概念：

在有些應(yīng)用中，也要求圖像的大小值M和N是2的整次冪，即：

M=2m

（2.9）

N=2n

（2.10）其中，m和n為正整數(shù)，一般至少都要求M

和N

為偶數(shù)。

二、數(shù)字圖像的表示顯然:存儲一幅M×N的數(shù)字圖像，需要的存儲位數(shù)為：

b=M×N×k

（2.11）二、數(shù)字圖像的表示存儲一幅M×N的數(shù)字圖像，需要的存儲位數(shù)為：

b=M×N×k

（2.11）

（1）黑白圖像：存儲一個像素的信息需要1個bit位，也即一個字節(jié)可存儲8個像素點(diǎn)。（2）16灰度級圖像：存儲一個像素的信息需要4個bit位，也即一個字節(jié)可存儲2個像素點(diǎn)。（3）256灰度級圖像：存儲一個像素的信息需要8個bit位，也即一個字節(jié)可存儲1個像素點(diǎn)。二、數(shù)字圖像的表示（1）黑白圖像：存儲一個像素的信息需要1個bit位，也即一個字節(jié)可存儲8個像素點(diǎn)。（2）16灰度級圖像：存儲一個像素的信息需要4個bit位，也即一個字節(jié)可存儲2個像素點(diǎn)。（3）256灰度級圖像：存儲一個像素的信息需要8個bit位，也即一個字節(jié)可存儲1個像素點(diǎn)。

舉例：求一幅600×800的黑白圖像、

16灰度級圖像、256灰度級圖像，分別需要多少字節(jié)的存儲空間？

y一個像素

f(x,y）

N-1·

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0·

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·x

O0123┅M-1

原點(diǎn)原點(diǎn)

O0123…N-10·

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1·

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·M-1·

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f(x,y)一個像素

(a)數(shù)字圖像運(yùn)算的坐標(biāo)系統(tǒng)(b)數(shù)字圖像顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)

圖2.9數(shù)字圖像的坐標(biāo)表示

二、數(shù)字圖像的表示xy二、數(shù)字圖像的表示運(yùn)算坐標(biāo)與數(shù)學(xué)上的運(yùn)算公式相對應(yīng)。二、數(shù)字圖像的表示顯示坐標(biāo)與屏幕上的像素點(diǎn)位置相對應(yīng)。二、數(shù)字圖像的表示2.10灰度圖像的子窗口圖像及其像素矩陣與顯示坐標(biāo)對應(yīng)的像素矩陣二、數(shù)字圖像的表示

【例2.3】利用MATLAB環(huán)境，設(shè)置和顯示圖像中一個小方塊圖像的像素矩陣方法。

即：形成上一頁的圖像中小窗口的像素陣列及其像素值的方法。{自學(xué)自練}2.4空間分辨率和灰度級分辨率一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念◆空間分辨率是圖像中可分辨的最小細(xì)節(jié)，主要由采樣間隔值決定?！粢环N常用的空間分辨率的定義是單位距離內(nèi)可分辨的最少黑白線對數(shù)目(單位是每毫米線對數(shù))，比如每毫米80線對。

1、空間分辨率

圖2.16空間分辨率的線對概念示例寬度為W的黑線寬度為W的白線一個寬度為

2W線對一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念對于一個同樣大小的景物來說：

對其進(jìn)行采樣的線對數(shù)越多，也即空間分辨率越高。

采樣間隔就越小，景物中的細(xì)節(jié)越能更好地在數(shù)字化后的圖像中反映出來，也即反應(yīng)該景物的圖像的質(zhì)量就越高。一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念一幅數(shù)字圖像的陣列大?。ê喎Q為圖像大?。┩ǔＳ肕×N表示。

在景物大小不變的情況下，采樣的空間分辨率越高，獲得的圖像陣列M×N就越大；反之，采樣的空間分辨率越低，獲得的圖像陣列M×N就越小。

在空間分辨率不變的情況下，圖像陣列M×N越大，圖像的尺寸就越大；反之，圖像陣列M×N越小，圖像的尺寸就越小。

一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念當(dāng)簡單地把矩形數(shù)字化儀的尺寸看作是“單位距離”時，就可把一幅數(shù)字圖像的陣列大小M×N稱為該幅數(shù)字圖像的空間分辨率。

這種約定沒有考慮圖像與實(shí)際地物的對應(yīng)關(guān)系，而僅僅是為了便于理解。

在實(shí)際的圖像處理應(yīng)用中，要結(jié)合應(yīng)用需求進(jìn)行理解。

一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念比如：實(shí)際中的空間分辨率示例RealWorldVectorDataRasterData1pixel=10mX10m分辨率=10m10M10M1Pixel光柵、柵格一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念

2、灰度分辨率

灰度級分辨率是指在灰度級別中可分辨的最小變化，也即每一個像素點(diǎn)的灰度級數(shù)。

灰度分辨率體現(xiàn)的是顯示器區(qū)分圖像中各個像素點(diǎn)的亮度（灰度）的能力。

通常把一幅圖像的灰度級級數(shù)L稱為該圖像的灰度級分辨率。一、空間分辨率和灰度級分辨率的概念

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)(f)

圖2.17采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響示例

圖(a)給出了一幅灰度級分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。

二、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)(f)

圖2.17采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響示例

圖(b)是從圖(a)的512×512的圖像中，每隔一行刪去一行和每隔一列刪去一列而得到的256×256的圖像。圖(c）、(d)、(e)、(f)的獲得與上述方法類似。

二、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)(f)

圖2.17采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響示例

原圖對應(yīng)的景物大小沒有變化，對原圖采樣的“線對”寬度也沒有變化，只是對同一景物圖像的采樣數(shù)目減少了。二、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)(f)

圖2.17采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響示例

由此說明：（1）在圖像的空間分辨率不變(這里指線對寬度不變)的情況下，采樣數(shù)越少，圖像越小。

（2）在景物大小不變的情況下，圖像陣列M×N越小，圖像的尺寸就越小。二、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖2.18空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例三、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響圖(a)給出了一幅灰度級分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖2.18空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例三、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響圖b、c、d、e、f的灰度級分辨率仍為256,但空間分辨率依次降低為:256×256,128×128,64×6432×3216×16（線對寬度寬了）

。

上面各圖的共同特征是大小尺寸相同，這種特征的獲得是通過降低空間分辨率，也即增加采樣的線對寬度保證的。

由此可見，隨著空間分辨率的降低，圖像中的細(xì)節(jié)信息在逐漸損失，棋盤格似的粗顆粒像素點(diǎn)變得越來越明顯。由此也說明，圖像的空間分辨率越低，圖像的視覺效果越差。三、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響三、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響

◆采樣線對變寬的圖像視覺效果實(shí)例

【例2.4】實(shí)現(xiàn)圖2.18

中的相鄰兩幅圖像降分辨率（圖像大小不變，采樣線對變寬）的MATLAB

程序。

%線對加寬為原來的4倍。即圖像大小不變，采樣數(shù)減少至原來的1/4。clc;clearall;closeall;

img0=imread(‘d:\0_matlab圖像課編程\lena.jpg’);[h,w]=size(img0);

N=4;%降低圖像分辨率的倍數(shù)result_img=img0;%結(jié)果圖像矩陣賦初值fori=4:N:h%行方向，用1個像素代替其后的3個像素forj=1:w%也即，像素高度加寬到原來的4倍result_img(i-1,j)=img0(i,j);

result_img(i-2,j)=img0(i,j);result_img(i-3,j)=img0(i,j);endendimg1=result_img;fori=1:h%列方向，用1個像素代替其后的3個像素forj=4:N:w%也即，像素寬度加寬到原來的4倍result_img(i,j-1)=img1(i,j);

result_img(i,j-2)=img1(i,j);result_img(i,j-3)=img1(i,j);endEndsubplot(1,2,1);imshow(img0);title('原圖像');%顯示原圖像subplot(1,2,2);imshow(result_img);title('分辨率降4倍后的圖像');

例中的相關(guān)函數(shù)及功能如下：

（1）subplot(m,n,p)：將多幅圖像輸出到一個平面（figure）上。其中：①m表示將圖像排成m行，n表示將圖像排成n列，也即整個figure中有n幅圖像排成一行，一共m行。②

p表示圖所在的位置，p=1表示從左到右從上到下的第一個位置。

◆采樣線對變寬的圖像視覺效果實(shí)例

【例2.4】實(shí)現(xiàn)圖2.18

中的相鄰兩幅圖像降分辨率（圖像大小不變，采樣線對變寬）的MATLAB

程序。三、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響（a）256

（b）32

（c）16（d）8

（e）4

（f）2圖2.13灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例

四、灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

圖(a)給出了一幅灰度級分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。（a）256

（b）32

（c）16（d）8

（e）4

（f）2圖2.20灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例

四、灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

圖b、c、d、e、f的空間級分辨率與圖(a)相同，但灰度分辨率依次降低為32、16、8、4和2。

由上圖可見，隨著灰度分辨率的降低，圖像的細(xì)節(jié)信息在逐漸損失，偽輪廓信息在逐漸增加。圖中由于偽輪廓信息的積累，圖像已顯現(xiàn)出了木刻畫的效果。由此也說明：灰度分辨率越低，圖像的視覺效果越差。

四、灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

【例2.5】實(shí)現(xiàn)圖2.20中的降低圖像灰度分辨率的Matlab程序。

例2.5中的相關(guān)函數(shù)及功能如下：

（1）fix(x)：該函數(shù)的功能是截尾（向下）取整，即向零方向取整。四、灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

clc;clearall;closeall;img=imread('d:\0_matlab圖像課編程\lena.jpg');subplot(2,3,1);imshow(img);title('256灰度級圖像');%顯示原圖像

[h,w]=size(img);div=8;l=1;%控制變量賦初值fork=1:5%把256灰度級圖像分別降低到32、16、8、4、2，共進(jìn)行5次fori=1:hforj=1:wiffix(img(i,j)/div)==0img(i,j)=0;%如果原灰度值除以8向下取整等于0，則賦0值elsetemp=fix(img(i,j)/div);img(i,j)=temp*div;%否則賦整除結(jié)果的div倍數(shù)的值endendendstr=num2str(256/div);%將數(shù)256/div的值轉(zhuǎn)換成字符串subplot(2,3,l+1);imshow(img);%降分辨率圖像的顯示位置序號控制title([str,'灰度級圖像']);%顯示標(biāo)題div=div*2;%修改控制變量l=l+1;end

【例2.5】實(shí)現(xiàn)圖2.20中的降低圖像灰度分辨率的Matlab程序。四、灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

2.5像素間的關(guān)系

本節(jié)在討論有關(guān)問題時約定：

◆用諸如p、q和r這樣的一類小寫字母表示某些特指的像素；

◆用諸如S、T和R這樣的一類大寫字母表示像素子集。

1、相鄰像素與4-鄰域

設(shè)相對于顯示坐標(biāo)系的圖像中的像素p位于(x，y)處，則p在水平方向和垂直方向相鄰的像素qi最多可有4個，其坐標(biāo)分別為：

（x-1，y）,（x，y-1）,（x，y+1）,（x+1，y）由這4個像素組成的集合稱為像素p的4-鄰域,記為N4(p)。

一、像素的相鄰和鄰域x-1xx+1p

y-1yy+1q1q4q3q2

2、對角相鄰像素與4-對角鄰域

設(shè)相對于顯示坐標(biāo)系的圖像中的像素p位于(x，y)處，則p的對角相鄰像素ri最多可有4個，其坐標(biāo)分別為：

(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y-1),(x+1,y+1)由這4個像素組成的集合稱為像素p的4-對角鄰域,記為ND(p)。一、像素的相鄰和鄰域x-1xx+1p

y-1yy+1r1r2r4r3

3、8-鄰域

把像素p的4-對角鄰域像素和4-鄰域像素組成的集合稱為像素p的8-鄰域，記為N8(p)。

一、像素的相鄰和鄰域x-1xx+1p

y-1yy+1r1r2r4r3q1q2q3q4

1、距離度量函數(shù)

對于在圖像顯示坐標(biāo)系中坐標(biāo)分別位于(x，y)，(u，v)和(w，z)處的像素p、q和r，如果：

(1）D(p,q)≥0（D(p,q)=0，當(dāng)且僅當(dāng)p=q，即p和q是指同一像素）；

(2）D(p,q)=D(q,p)；

(3）D(p,r)≤D(p,q)+D(q,r)。則D是距離度量函數(shù)。

二、距離的度量

2、距離度量方式

1）歐式距離像素p和q之間的歐氏（Euclidean）距離定義為：

De(p,q)=[(x-u)2+(y-v)2]1/2

（2.12）也即，所有距像素點(diǎn)(x,y)的歐氏距離小于或等于De的像素都包含在以(x,y)為中心，以De為半徑的圓平面中。二、距離的度量

2、距離度量方式2）街區(qū)距離像素p和q之間的D4距離，也即街區(qū)（city-block）距離，定義為：

D4(p,q)=|x-u|+|y-v|（2.13）也即，所有由相距像素點(diǎn)(x,y)的街區(qū)距離（D4）小于D4或等于D4的像素組成一個中心點(diǎn)在(x,y)的菱形。二、距離的度量

2、距離度量方式

2）街區(qū)距離比如，那些與點(diǎn)(x,y)的街區(qū)距離小于2或等于2的像素組成了如下圖所示的等距離輪廓。

2

212

21012

2122

D4(p,q)=|x-u|+|y-v|二、距離的度量