第1章 電子教案課件

數(shù)字圖像處理DigitalImageProcessing華中農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系彭輝第1章電子教案參考書第1章電子教案學(xué)習(xí)內(nèi)容*

數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)（采樣、量化）**空間域圖像增強(qiáng)（直方圖、圖像平滑、銳化）**頻率域圖像增強(qiáng)（各種變換、圖像平滑、銳化）*

圖像的幾何變換（縮放、旋轉(zhuǎn)等）*

圖像復(fù)原（幾種復(fù)原方法和技術(shù)）圖像壓縮*

圖像分割與邊緣檢測形態(tài)學(xué)圖像理論圖像特征與理解第1章電子教案綜合實(shí)訓(xùn)的思考（1）與圖形學(xué)的結(jié)合（2）與多媒體技術(shù)的結(jié)合（3）與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合（4）dsp、嵌入式的應(yīng)用，與硬件控制系統(tǒng)的結(jié)合（5）……..第1章電子教案第一章概論1.1數(shù)字圖像處理及其特點(diǎn)1.2數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容1.3圖像工程與相關(guān)學(xué)科1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用1.6數(shù)字圖像處理的發(fā)展動向第1章電子教案(1)界定圖像處理的范圍；(2)介紹一下圖像處理領(lǐng)域的歷史起源；(3)簡要討論一下在數(shù)字圖像處理中進(jìn)行的主要研究；(4)概述一下典型通用的圖像處理系統(tǒng)的組成；(5)介紹數(shù)字圖像處理的應(yīng)用。本章學(xué)習(xí)的幾個主要目的

第1章電子教案1.1數(shù)字圖像處理及其特點(diǎn)1.1.1數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理1.數(shù)字圖像

一個二維函數(shù)f(x，y)，這里x和y是空間坐標(biāo)，而在任何一對空間坐標(biāo)(x，y)上的幅值f稱為該點(diǎn)圖像的強(qiáng)度或灰度。當(dāng)x，y和幅值f為有限的、離散的數(shù)值時，稱該圖像為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像是由有限的元素組成,每一個元素都有一個特定的位置和幅值。

第1章電子教案圖1-1數(shù)字圖像第1章電子教案

在計(jì)算機(jī)中，圖像被分割成圖1-1所示的像素（Pixel），各像素的灰度值用整數(shù)表示。一幅M×N個像素的數(shù)字圖像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩陣G表示：(1-1)第1章電子教案

2.數(shù)字圖像處理

1）數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理是指借用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理數(shù)字圖像例如對圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等。數(shù)字圖象處理也稱之為計(jì)算機(jī)圖像處理（ComputerImageProcessing）。第1章電子教案2）圖像的三種典型計(jì)算處理圖像處理：（低級處理）圖像分析：也稱為圖像理解，處在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺兩個學(xué)科之間。（中級處理）計(jì)算機(jī)視覺：研究的最高目標(biāo)是用計(jì)算機(jī)去模擬人類視覺，包括理解和推理并根據(jù)視覺輸人采取行動等。是人工智能的分支。(高級處理)第1章電子教案低級處理涉及初級操作，如降低噪聲的圖像預(yù)處理，對比度增強(qiáng)和圖像尖銳化。低級處理是以輸入、輸出都是圖像為特點(diǎn)的處理。中級處理涉及分割(把圖像分為不同區(qū)域或目標(biāo)物)以及歸納成對目標(biāo)物的描述，以使其更適合計(jì)算機(jī)處理及對不同目標(biāo)的分類(識別)。中級圖像處理是以輸入為圖像，但輸出是從這些圖像中提取的特征(如邊緣、輪廓及不同物體的標(biāo)識等)為特點(diǎn)。圖像處理和圖像分析兩個領(lǐng)域合乎邏輯的重疊區(qū)域是圖像中特定區(qū)域或物體的識別。第1章電子教案概念舉例：文本自動分析

獲取一幅包含文本的圖像；圖像預(yù)處理；提取(分割)字符；以適合計(jì)算機(jī)處理的形式描述這些字符；識別這些字符。第1章電子教案1.1.2數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)

數(shù)字圖像處理是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與光學(xué)系統(tǒng)模擬處理相同效果的過程。處理精度高，再現(xiàn)性好；易于控制處理效果；處理的多樣性；圖像數(shù)據(jù)龐大；處理費(fèi)時；技術(shù)綜合性強(qiáng)。第1章電子教案1.2數(shù)字圖像處理的起源

最早的應(yīng)用之一是在報(bào)紙業(yè)，當(dāng)時圖像第一次通過海底電纜從倫敦傳往紐約。數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)，其發(fā)展必須依靠數(shù)字計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)存儲、顯示和傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展。第1章電子教案第一臺可以執(zhí)行有意義的圖像處理任務(wù)的大型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代早期。數(shù)字圖像處理技術(shù)的誕生可追溯至這一時期這些機(jī)器的使用和空間項(xiàng)目的開發(fā)，這兩大發(fā)展把人們的注意力集中到數(shù)字圖像處理的潛能上。改善空間探測器發(fā)回的圖像的工作，始于1964年JPL實(shí)驗(yàn)室

“旅行者7號”衛(wèi)星的月球圖像；

“探索者”登月飛行的圖像；

“水手號”系列空間探測器的圖像；阿波羅載人登月飛行的圖像。用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學(xué)等領(lǐng)域。

第1章電子教案

從20世紀(jì)60年代至今，圖像處理領(lǐng)域已得到了生機(jī)勃勃的發(fā)展。醫(yī)學(xué)空間項(xiàng)目工業(yè)醫(yī)學(xué)生物科學(xué)地理學(xué)考古學(xué)物理學(xué)天文學(xué)法律實(shí)施國防及工業(yè)第1章電子教案1.3數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容1.3.1數(shù)字圖像處理的目的

一般而言，對圖像進(jìn)行加工分析主要有如下三方面目的：（1）提高圖像的視感質(zhì)量，以達(dá)到賞心悅目的目的。

（2）提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計(jì)算機(jī)分析，例如，常用作模式識別、計(jì)算機(jī)視覺的預(yù)處理等。

（3）對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲和傳輸。第1章電子教案1.3.2數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容

1.圖像獲取、表示和表現(xiàn)（ImageAcquisition，RepresentationandPresentation）

該過程主要是把模擬圖像信號轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字形式，以及把數(shù)字圖像顯示和表現(xiàn)出來（如打?。?。這一過程主要包括攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個步驟。第1章電子教案

2.圖像復(fù)原（ImageRestoration）

當(dāng)造成圖像退化（圖像品質(zhì)下降）的原因已知時，復(fù)原技術(shù)可以對圖像進(jìn)行校正。圖像復(fù)原最關(guān)鍵的是對每種退化都需要有一個合理的模型。第1章電子教案3.圖像增強(qiáng)（ImageEnhancement）

圖像增強(qiáng)是對圖像質(zhì)量在一般意義上的改善。當(dāng)無法知道圖像退化有關(guān)的定量信息時，可以使用圖像增強(qiáng)技術(shù)較為主觀地改善圖像的質(zhì)量。第1章電子教案

4.圖像分割（ImageSegmentation）

把圖像分成區(qū)域的過程就是圖像分割。圖像中通常包含多個對象，例如，一幅醫(yī)學(xué)圖像中顯示出正常的或有病變的各種器官和組織。圖像處理為達(dá)到識別和理解的目的，幾乎都必須按照一定的規(guī)則將圖像分割成區(qū)域，每個區(qū)域代表被成像的一個物體（或部分）。第1章電子教案5.圖像分析

圖像處理應(yīng)用的目標(biāo)幾乎均涉及到圖像分析，即對圖像中的不同對象進(jìn)行分割、特征提取和表示，從而有利于計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行分類、識別和理解。第1章電子教案6.圖像重建

圖像重建是指從數(shù)據(jù)到圖像的處理，CT就是圖像重建處理的典型應(yīng)用實(shí)例。第1章電子教案7.圖像壓縮編碼

數(shù)字圖像的特點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)量龐大。盡管現(xiàn)在有大容量的存貯器，但仍不能滿足對圖像數(shù)據(jù)（尤其是動態(tài)圖像、高分辨率圖像）處理的需要，因此在實(shí)際應(yīng)用中圖像壓縮是必需的。第1章電子教案1.4圖像工程與相關(guān)學(xué)科1.4.1圖像工程的內(nèi)涵

圖像工程的內(nèi)容非常豐富，根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同，可分為圖像處理、圖像分析和圖像理解三個層次，如圖1-2所示。換句話說，圖像工程是既有聯(lián)系又有區(qū)別的圖像處理、圖像分析及圖像理解三者的有機(jī)結(jié)合，另外還包括它們的工程應(yīng)用。第1章電子教案圖1-2圖像工程三層次示意圖第1章電子教案

圖像處理、圖像分析和圖像理解是處在三個抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點(diǎn)的不同層次上。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。圖像分析則進(jìn)入了中層，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像形式的描述。圖像理解主要是高層操作，基本上是對從描述抽象出來的符號進(jìn)行運(yùn)算，其處理過程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。

第1章電子教案1.4.2相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域

圖像工程是一門系統(tǒng)地研究各種圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的交叉學(xué)科。從它的研究方法來看，它可以與數(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)等許多學(xué)科相互借鑒。從它的研究范圍來看，它與模式識別、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個專業(yè)互相交叉。另外，圖像工程的研究進(jìn)展與人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等理論和技術(shù)都有密切的聯(lián)系，它的發(fā)展應(yīng)用與醫(yī)學(xué)、遙感、通信、文檔處理和工業(yè)自動化等許多領(lǐng)域也是密不可分的。

第1章電子教案圖1-3圖像工程與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系和區(qū)別第1章電子教案圖像處理系統(tǒng)示意圖1.5數(shù)字圖像處理系統(tǒng)第1章電子教案1.6數(shù)字圖像處理的應(yīng)用實(shí)例根據(jù)信息源來對應(yīng)用范圍分類：最主要的圖像源是電磁能譜，光譜波段根據(jù)光子能量進(jìn)行分組，我們會得到從伽馬射線(最高能量)到無線電波(最低能量)的光譜。

其他主要的能源包括聲波、超聲波和電子，以及由計(jì)算機(jī)在建模和可視化應(yīng)用中產(chǎn)生的合成圖像第1章電子教案1.6.1伽馬射線成像主要用途包括核醫(yī)學(xué)和天文觀測核醫(yī)學(xué)：a)同位素注射:骨骼掃描圖像b)“正電子放射斷層”(PET)核成像:

腦部和肺部各有一個腫瘤天文觀測:c)物體自然輻射伽馬射線成像:

天鵝星座環(huán)d)核反應(yīng)器電子管輻射圖像:第1章電子教案1.6.2X射線成像

X射線應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，還被廣泛用于工業(yè)和其他領(lǐng)域，如天文學(xué)。a.病人胸部圖像：b.血管照相術(shù)：c.計(jì)算機(jī)軸向斷層術(shù)：d.電路板的X射線圖像：e.天鵝星座環(huán):

第1章電子教案1.6.3紫外波段成像紫外光的應(yīng)用是多種多樣的，包括平板印刷技術(shù)、工業(yè)檢測、顯微鏡方法、激光、生物圖像

以及天文觀測等。熒光顯微鏡方法:a)普通谷物的熒光顯微鏡圖像;b)被一種真菌感染了的谷物。天文觀測:c)在紫外波段高能區(qū)成像的天鵝星座環(huán)。第1章電子教案1.6.4可見光及紅外波段成像涉及光顯微鏡方法、天文學(xué)、遙感、工業(yè)和法律實(shí)施等方面的應(yīng)用。光顯微鏡方法a)紫杉酚b)膽固醇c)微處理器d)鎳氫化物e)CD的表面f)有機(jī)超導(dǎo)

penghui:25040606001750450第1章電子教案衛(wèi)星多光譜圖像成像地區(qū)是華盛頓，它包括建筑物、道路、植被和通過城市的主要河流等。第1章電子教案紅外圖象應(yīng)用1

天氣觀測與預(yù)報(bào)：颶風(fēng)圖像，由衛(wèi)星用可見光和紅外光傳感器取得的圖像。第1章電子教案紅外圖象應(yīng)用2“全世界夜間燈光”

紅外成像系統(tǒng)在10.0-13.4μm波段工作，它具有獨(dú)特的功能去觀察地球表面微弱的接近可見光的近紅外光發(fā)射源，包括城市、小鎮(zhèn)、村莊、氣體火焰及火光?？梢蕴峁┤蛉祟惥幼^(qū)的匯總情況。第1章電子教案第1章電子教案可見光圖象應(yīng)用可見光譜中主要成像領(lǐng)域是生產(chǎn)產(chǎn)品的自動視覺檢測：a)CD-ROM裝置控制板b)丸劑膠囊的圖像c)尋找不足水量的瓶d)異常檢測e)顯示一組谷物f)顯示有摻雜物的目鏡圖像第1章電子教案可見光譜中主要成像領(lǐng)域是生產(chǎn)產(chǎn)品的自動視覺檢測a)一幅拇指指紋圖像b)一幅紙幣圖像c)汽車圖像讀取牌照d)汽車圖像讀取牌照第1章電子教案1.6.5微波波段成像

典型應(yīng)用是雷達(dá)：雷達(dá)成像的獨(dú)特處是在任何范圍、任何時間內(nèi)不考慮氣候、周圍光照條件收集數(shù)據(jù)的能力。雷達(dá)波可以穿透云層,在一定條件下還可以通過植被、冰層和極干燥的沙漠。在許多情況下雷達(dá)是探測地球表面不可接近地區(qū)的一種方法。西藏東南山區(qū)航天器拍攝的雷達(dá)圖像第1章電子教案1.6.6其它圖像模式應(yīng)用的實(shí)例聲波成像、電子顯微鏡方法和合成成像。利用“聲音”的成像在地質(zhì)勘探、工業(yè)和醫(yī)學(xué)中得到了應(yīng)用。（1）確定胎兒的性別（2）甲狀腺（3）肌肉層又損害第1章電子教案分形圖像和三維計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的圖像：

根據(jù)某一規(guī)則的子圖像元素生長生成隨機(jī)紋理。原始物體以三維方式產(chǎn)生，圖像可以從三維物體的平面投影以任何透視角度產(chǎn)生。用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、刑事法庭中和需要產(chǎn)生特殊效果的場合。第1章電子教案數(shù)字圖像處理可應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

1）宇宙探測由于太空技術(shù)的發(fā)展，需要用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理大量的星體照片。

2）遙感航空遙感和衛(wèi)星遙感圖像需要用數(shù)字技術(shù)加工處理，并提取有用的信息

3）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用1.6.7小結(jié)第1章電子教案4）工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用在生產(chǎn)線中對產(chǎn)品及部件進(jìn)行無損檢測是圖像處理技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

5）軍事、公安等方面的應(yīng)用現(xiàn)場照片、指紋、手跡、印章、人像等的處理和辨識；歷史文字和圖片檔案的修復(fù)和管理等。

6）機(jī)器人視覺第1章電子教案

7）視頻和多媒體系統(tǒng)

8）科學(xué)可視化[HTSS]9）電子商務(wù)第1章電子教案農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用1.種質(zhì)資源監(jiān)測及農(nóng)產(chǎn)品自動分級2.植物生長無損監(jiān)測3.病蟲害及雜草檢測4.自動化收獲5.種豬體重測量第1章電子教案應(yīng)用一：種質(zhì)資源檢測第1章電子教案應(yīng)用一：農(nóng)產(chǎn)品分級果蔬大小、顏色、紋理、形狀及部分缺陷；第1章電子教案應(yīng)用一：種質(zhì)資源檢測關(guān)鍵技術(shù)：采集數(shù)據(jù)圖像預(yù)處理；圖像分割：將目標(biāo)與背景進(jìn)行分離；提取出目標(biāo)體的形狀、顏色、及空間分布特征對目標(biāo)場景進(jìn)行識別利用顏色、大小、形狀等信息實(shí)現(xiàn)蘋果、柑橘、馬鈴薯、板栗、草莓、櫻桃、披薩餅等的質(zhì)量檢測研究圖像采集——>籽粒識別——>特征提取——>模式識別——>得出目標(biāo)第1章電子教案應(yīng)用二：植物生長無損檢測基于圖像處理植物生命現(xiàn)象的研究主要內(nèi)容：（1）外部形態(tài)參數(shù)；（2）作物營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測；（3）果實(shí)的成熟度檢測；（4）作物生長虛擬模擬；（5）植物根系圖像監(jiān)測第1章電子教案應(yīng)用二：植物生長無損檢測1)外部參數(shù)測量節(jié)間位置、節(jié)長度、節(jié)直徑；葉片個數(shù)、葉片面積、葉片周長、葉片長度；莖稈長度；莖稈直徑；葉柄夾角等第1章電子教案應(yīng)用二：植物生長無損檢測2.）作物營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測1）監(jiān)測植物葉尖的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而建立起了葉尖運(yùn)動與植物缺水的關(guān)系；2）利用圖像分割方法提取目標(biāo)的形態(tài)特征并與作物的生長健康狀況相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)利用葉片面積和最大作物莖高等外觀形態(tài)特征可以判斷植株的營養(yǎng)狀態(tài)；3)在光照可控條件下，主要采用色彩分量的提取方法判別作物的生長健康狀況，如作物種類的識別以及作物的污染情況和生長狀況第1章電子教案應(yīng)用二：植物生長無損檢測3）果實(shí)的成熟度檢測對確定植物生長階段和果實(shí)分級具有重要的意義。根據(jù)果實(shí)表面顏色、形狀及大小判別其成熟度；與自動分級類似。第1章電子教案應(yīng)用二：植物生長無損檢測4)作物生長虛擬模擬：應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育狀況是定量化研究植物生長特征及其規(guī)律的進(jìn)一步拓展和延伸。第1章電子教案應(yīng)用二：植物生長無損檢測5)植物根系圖像監(jiān)測根長度、根表面積、平均直徑、跟長密度、根表面積密度、跟體積等。第1章電子教案應(yīng)用三：病蟲及草害檢測病蟲害監(jiān)測基于顏色特征的作物病蟲害視覺檢測研究不同的顏色模型與病蟲害植物葉面間的關(guān)系；基于紋理特征的作物病蟲害視覺檢測紋理描述、紋理分割、紋理分析等；基于形狀特征的作物病蟲害視覺檢測周長、表面積、最大（小）半徑、偏心率、葉狀性等特征；多用于圖像識別的最后階段，適合于表達(dá)區(qū)分病健組織邊界清晰，形狀特征明顯，葉片局部顯癥的葉斑類病害基于多元特征的作物病蟲害視覺檢測參數(shù)結(jié)合分析法：顏色與形態(tài)結(jié)合法；顏色與紋理結(jié)合法；顏色、紋理、與形態(tài)三者互結(jié)合法。第1章電子教案應(yīng)用三：病蟲及草害檢測第1章電子教案應(yīng)用四：自動化收獲自動化收獲攝象機(jī)標(biāo)定

用CCD攝像機(jī)CMOS攝像器

線性標(biāo)定、自標(biāo)定、雙目視覺標(biāo)定

提取對應(yīng)的圖象特征

尋找同一個空間點(diǎn)在兩幅圖象中的對應(yīng)點(diǎn)，得到視差圖

根據(jù)視差信息求解三維空間信息

主要用于：