計(jì)算機(jī)視覺05-第三章圖像處理基礎(chǔ)課件

第三章圖像處理基礎(chǔ)

目的突出感興趣特征，服務(wù)于機(jī)器視覺圖像增強(qiáng)可能的處理:去除噪音、邊緣增強(qiáng)、提高對(duì)比度、增加亮度、改善顏色效果、改善細(xì)微層次等

——通常與改善視覺效果相一致

圖像處理主要內(nèi)容圖像表示點(diǎn)操作空域處理頻域處理1.圖像表示圖像具有二維平面的形式圖像可以存在于多種介質(zhì),但最后必須以可視的形式出現(xiàn)圖像是客觀世界的真實(shí)反映圖像記錄的特性可以是光學(xué)特性,也可以是非光學(xué)特性,但可以轉(zhuǎn)為光學(xué)特征表達(dá)從信息系統(tǒng)來看,圖像是一種信息的載體從數(shù)字系統(tǒng)來看,圖像是一種信號(hào)1.1數(shù)字圖像生成數(shù)字成像

CCD：電荷耦合器件,CMOS:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

光柵掃描：PAL制式，NTSC制式像素:圖形系統(tǒng)能夠清楚成像的最小單元分辨率：像素的物理尺寸

灰度分辨率：灰度2^k灰度級(jí)，k比特?cái)?shù)空間分辨率：矩陣M×N圖像的數(shù)字化—采樣和量化圖像的數(shù)字化—采樣和量化圖像的數(shù)字化—采樣和量化圖像的數(shù)字化—采樣和量化1.2圖像的表示方法圖像形式函數(shù)形式信號(hào)形式圖像形式2維灰度圖像3維密度圖像2.5維距離圖像此時(shí),數(shù)字圖像處理可看作是對(duì)矩陣進(jìn)行變換。圖像的函數(shù)矩陣形式圖像也可以由向量來表示：二維圖像矩陣

N×N象素表示成矢量形式為：矢量矩陣和矢量間關(guān)系：（n=k時(shí)提取第k列理解）圖像的幾何函數(shù)形式（流形）

信號(hào)形式認(rèn)知心理學(xué)(psychophysical)研究表明，人類在分析紋理圖像時(shí)，將圖像分解為不同的頻率和方向成分.對(duì)圖像作頻率和方向選擇性濾波，得到相應(yīng)特征.空域?yàn)V波頻域?yàn)V波

Fourier變換(Fouriertransform)

空域頻率表示空域頻率表示空域頻率表示圖像亮度的變化與圖像內(nèi)容的空域頻率成正比圖像的空域頻率響應(yīng)是一種表征銳利度的方法提取圖像空域頻率成分的方法：傅立葉變換空域頻率隨方向變化空域頻率在圖像中的分布是變化的空域內(nèi)的卷積運(yùn)算與頻域內(nèi)的乘積運(yùn)算等價(jià)傅立葉變換圖像二維DFT二維IDFT1243對(duì)應(yīng)低頻成分對(duì)應(yīng)高頻成分直流部分圖像的二維離散傅立葉變換的頻率成分分布示意圖變換結(jié)果的左上、右上、左下、右下四個(gè)角部分對(duì)應(yīng)于低頻成分，中央部分對(duì)應(yīng)于高頻成分。（a）lenna圖（b）傅氏變換的頻譜圖圖像及其頻譜圖像示意圖

對(duì)于一幅圖像，圖像中灰度變化比較緩慢的區(qū)域?qū)?yīng)較低的頻譜，而灰度變化比較大的邊緣地帶對(duì)應(yīng)較高的頻譜。而且一幅圖像中大部分都是灰度變化緩慢的區(qū)域，只有一小部分是邊緣，因此，其變換域的圖像，能量主要集中在低頻部分（對(duì)應(yīng)值較高），只有一小部分能量集中在高頻部分（對(duì)應(yīng)值較低）。

傅立葉變換的比例性表明為對(duì)于二個(gè)標(biāo)量a和b，有：離散圖像付氏變換應(yīng)用實(shí)例1

正弦波去噪實(shí)例2去噪實(shí)例

圖像受白噪聲干擾的原理如圖所示，對(duì)于一幅不受白噪聲干擾的圖像，假設(shè)其頻譜為圖(a)所示的形式，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為幅值，對(duì)應(yīng)低頻部分幅值較高，高頻部分幅值較低。對(duì)于高斯白噪聲，其頻譜如圖(b)所示，其幅值是一個(gè)常數(shù)，那么當(dāng)原始圖像受到白噪聲干擾時(shí)，它的頻譜將變成(c)中的形式。

要去除圖像中的白噪聲，在頻域中減去白噪聲的幅值即可。理想的方法：知道白噪聲的模型，一般情況下很難遇到。在未知噪聲幅值的情況下，可以先對(duì)噪聲圖像求頻譜，并計(jì)算頻譜幅值的平均值，用該平均值作為噪聲的近似幅值，就可以對(duì)圖像去噪。紋理圖像特征圖像水平信號(hào)高通濾波局部能量實(shí)例3

圖像分割1.3圖像生成機(jī)制定義亮度為空間變量的函數(shù)，f(x,y)是點(diǎn)(x,y)的亮度成像系統(tǒng)會(huì)使輸入圖像退化（質(zhì)量失真），得到圖像為D為退化函數(shù)，一般包含某些隨機(jī)噪聲過程，若退化操作D是線性移不變的，則g可以寫成以一維條件下為例（可以自然推廣到二維情況），點(diǎn)x處的函數(shù)f為：若D是線性運(yùn)算，可以變換D與積分符號(hào)次序其中，δ（r）表示增量函數(shù)引入新的函數(shù)，假設(shè)D只與有關(guān)，則有點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PointSpreadFunction）(Blurkernel)32BlurredimageISharpimageLCameraNoise

nBlurkernelf圖像生成機(jī)制2.圖像點(diǎn)操作圖像點(diǎn)操作處理a.灰度級(jí)變換(比例變換)b.直方圖法直方圖均衡化直方圖規(guī)定化c.圖像間的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算d.數(shù)字摳圖通過灰度變換函數(shù)將圖像各灰度映射為新的值2.1直接灰度變換灰度變換函數(shù)：

S=T(r)r,S分別為原來和變換后的灰度值。獲取變換函數(shù)的方法:固定函數(shù)、分段線性變換、直方圖固定函數(shù)法亮度調(diào)整——加亮、減暗圖像25512825521825512825532對(duì)數(shù)變換：s=log10(1+r)

功能：壓縮圖像象素值的動(dòng)態(tài)范圍M冪次變換s=crγ

γ>1時(shí)：能把輸入的窄帶輸入變成寬帶輸出（直圖變寬）分段線性變換為了增加變換的任意性，可以采用線性變換組合的辦法來構(gòu)成T(r)直接灰度變換圖例求反對(duì)比度增強(qiáng)灰度切分動(dòng)態(tài)范圍壓縮

直方圖均衡化：轉(zhuǎn)變直方圖成均勻分布直方圖規(guī)定化：轉(zhuǎn)變直方圖成規(guī)定形狀2.2直方圖增強(qiáng)方法圖像成像質(zhì)量的好壞可以從其直方圖的形狀上得到反映一幅高質(zhì)量的圖像應(yīng)能充分利用成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于在整個(gè)灰度范圍內(nèi)均有分布的圖像而言,具有均勻分布特性的圖像一般具有較好的清晰度和對(duì)比度利用直方圖增強(qiáng)直方圖：反映一幅圖像灰度級(jí)與出現(xiàn)這種灰度的概率之間關(guān)系的圖形(某灰度級(jí)的象素個(gè)數(shù)）直方圖均衡化RGB模型直方圖彩色圖像直方圖HSI模型直方圖彩色圖像直方圖直方圖均衡化算法利用累計(jì)分布函數(shù)獲得均勻分布的直方圖直方圖均衡化應(yīng)用直方圖規(guī)定化和局部直方圖均衡化目的：將原始圖像的直方圖轉(zhuǎn)換為期望的直方圖直方圖均衡化----全局均衡化不易控制直方圖規(guī)定化:----根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到期望的結(jié)果局部直方圖均衡化：----根據(jù)圖像局部區(qū)域特性，采用不同均衡化函數(shù)。2.3圖像間的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算兩幅或多幅圖像進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，以產(chǎn)生新的圖像，算術(shù)運(yùn)算：+、-、*、/邏輯運(yùn)算：于、或、非它們的操作：算術(shù)運(yùn)算是對(duì)應(yīng)象素間的操作邏輯運(yùn)算：也是對(duì)應(yīng)象素間的操作.也可以是象素間的位操作,即象素的值作為#2的字符串來處理算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算:一般用于灰度圖像，設(shè)2個(gè)象素p和q,有加法：記作p+q;減法：p-q乘法:p*q除法:p

q算術(shù)運(yùn)算只涉及一個(gè)空間位置（象素）的運(yùn)算圖像加法應(yīng)用舉例圖像合成應(yīng)用舉例去除不需要的疊加性圖案檢測(cè)同一場(chǎng)景兩幅圖像之間的變化計(jì)算物體邊界的梯度圖像減法圖像乘法主要應(yīng)用舉例圖像的局部顯示用二值蒙板圖像與原圖像做乘法邏輯運(yùn)算或OR:pORq或p+q與AND:pANDq或p˙q求反(補(bǔ))：NOTq異或:qXORq=1(若q=1或p=1)=0(若q=1和p=1)邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算一樣，只涉及一個(gè)空間位置的運(yùn)算,（也可以作位運(yùn)算）但邏輯運(yùn)算較多用于二值圖像主要應(yīng)用舉例獲得一個(gè)陰圖像獲得一個(gè)子圖像的補(bǔ)圖像繪制區(qū)別于背景的、可恢復(fù)的圖形圖像取反獲得一個(gè)子圖像的補(bǔ)圖像邏輯運(yùn)算：與運(yùn)算主要應(yīng)用舉例求兩個(gè)子圖像的相交子圖邏輯運(yùn)算：或運(yùn)算主要應(yīng)用舉例合并子圖像主要應(yīng)用舉例獲得相交子圖像繪制區(qū)別于背景的、可恢復(fù)的圖形圖像異或運(yùn)算2.4自然摳圖和圖像合成+自然摳圖的數(shù)學(xué)表達(dá)+xx=摳圖的困難病態(tài)問題:7個(gè)未知量，但是只能建立3個(gè)方程謝謝觀賞踏踏實(shí)實(shí)做好每一件事，不抱怨、不放棄，為自己的夢(mèng)想盡每一份力。Doeverythinginadown-to-earthw