数字图像处理(翟瑞芳)第1章.ppt

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1、数 字 图 像 处 理 Digital Image Processing,翟瑞芳Office:逸夫楼B407-1,人与动物的区别,在一间有灰色墙面的屋子里，一个人靠画面的右边坐着。他穿着白色的衬衫和褐色的西服，面对着一个画架，右手拿着油画笔，左手端着调色盘，正在画着一只飞鸟。那幅画要基本完成了。画面上的鸟正展开翅膀，似乎要飞出画布。那个画家神情严肃地盯着左面靠着他的桌子，桌子上有一个白色的个头不大的鸡蛋.,如果在你眼前展现一幅图像呢？,上面描述的是怎样一个景象？一万个人能想象出一万种画面,Rene Magritte(1936)“La Clairvoyance(autoportraint)”勒内

2、.玛格丽特 比利时，远见，自画像,人类通过眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉约有75%的信息是通过视觉系统获取的。,“One picture is worth 10,000 words”,百闻不如一见,为什么要做图像处理？,图像处理研究的意义：图像是人类信息传递的主要媒介图像信息处理是人类视觉延续的重要手段图像处理技术具有广泛的应用价值,课程目的与要求,掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法初步运用所学知识解决实际问题为图像处理及相关领域的研究打下基础图像处理计算机视觉基于内容的图像、视频检索人脸识别、指纹识别、掌纹识别、虹膜识别图像分类、图像和视频的语义概念检

3、索,数字图像处理基础（采样、量化）空间域图像增强（直方图、图像平滑、锐化）频率域图像增强（各种变换、图像平滑、锐化）图像的几何变换（缩放、旋转等）图像复原（几种复原方法和技术）图像压缩 图像分割与边缘检测 形态学图像理论 图像特征与理解,课程内容及安排,主要参考书目,图像处理和分析，章毓晋，清华大学出版社数字图像处理，贾永红，武汉大学出版社数字图像处理学，阮秋琦，清华大学出版社,国内外相关会议和杂志,国内杂志：一级学报Journal of Computer Science and Technology(JCST)(SCI)计算机学报软件学报电子学报计算机研究与发展国外会议：IEEE Inter

4、national Conference on Computer Vision(ICCV)IEEE International Conference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR)ACM Multimedia Conference(MM)IEEE International Conference on Image Processing(ICIP),国外杂志：IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence(PAMI)IEEE Transactions on

5、 Image Processing(IP)IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology(CSVT)International Journal of Computer Vision(IJCV)Pattern Recognition(PR)Image and Vision Computing(IVC),国内外相关会议和杂志,成绩评定办法,平时作业：10 上机作业（程序及试验结果，含相应文档）：20%笔试：70%,如何学习本课程？,需要掌握一些数学知识，但更重要的是理解隐藏在公式背后的物理、几何意义，以及如何应用它们。勤

6、于动手，勤于编写程序。要和实际应用相结合，创造性地应用图像处理方法。更重要的是,如何学习本课程？,千里之行 始于足下,Maria Petrou.Image Procesing:The Fundamentals.2002,综合实训的思考,界定图像处理的范围；简要讨论一下在数字图像处理中进行的主要研究；概述一下典型通用的图像处理系统的组成；介绍数字图像处理的应用。,本章学习的几个主要目的,第一章 概 论,1.1 数字图像基本概念,模拟图像,1.1 数字图像基本概念,1.1.2 数字图像 一个二维函数f(x，y)，这里x和y是空间坐标，而在任何一对空间坐标(x，y)上的幅值f 称为该点图像的强度或灰

7、度。当x，y和幅值f为有限的、离散的数值时，称该图像为数字图像。数字图像是由有限的元素组成,每一个元素都有一个特定的位置和幅值。,图1-4 数字图像,1.1 数字图像基本概念,在计算机中，图像被分割成图1-1所示的像素（Pixel），各像素的灰度值用整数表示。一幅MN个像素的数字图像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵G表示：,(1-1),1.1 数字图像基本概念,1.2.1 什么是数字图像处理数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图像例如对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等。数字图象处理也称之为计算机图像处理（Computer Image Processing）。,1.2 图像处

8、理目的、内容和特点,1.2.2 数字图像处理的目的 一般而言，对图像进行加工分析主要有如下三方面目的：（1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析，例如，常用作模式识别、计算机视觉的预处理等。（3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。,1.2 图像处理目的、内容和特点,1.2.3 数字图像处理的主要内容（1）图像获取、表示和表现（Image Acquisition，Representation and Presentation）：把模拟图像信号转化为计算机所能接受的数字形式，以及把数字图像显示和表现出来（如打印

9、）。这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。,1.2 图像处理目的、内容和特点,（2）图像复原（Image Restoration）当造成图像退化（图像品质下降）的原因已知时，复原技术可以对图像进行校正。图像复原最关键的是对每种退化都需要有一个合理的模型。,1.2 图像处理目的、内容和特点,（3）图像增强（Image Enhancement）图像增强是对图像质量在一般意义上的改善。当无法知道图像退化有关的定量信息时，可以使用图像增强技术较为主观地改善图像的质量。,1.2 图像处理目的、内容和特点,（4）图像分割（Image Segmentation）把图像分成区域的过程就是图像分

10、割。图像中通常包含多个对象，例如，一幅医学图像中显示出正常的或有病变的各种器官和组织。图像处理为达到识别和理解的目的，几乎都必须按照一定的规则将图像分割成区域，每个区域代表被成像的一个物体（或部分）。,1.2 图像处理目的、内容和特点,（5）图像分析 图像处理应用的目标几乎均涉及到图像分析，即对图像中的不同对象进行分割、特征提取和表示，从而有利于计算机对图像进行分类、识别和理解。,1.2 图像处理目的、内容和特点,（6）图像重建 图像重建是指从数据到图像的处理，CT就是图像重建处理的典型应用实例。,1.2 图像处理目的、内容和特点,（7）图像压缩编码 数字图像的特点之一是数据量庞大。尽管现在有

11、大容量的存贮器，但仍不能满足对图像数据（尤其是动态图像、高分辨率图像）处理的需要，因此在实际应用中图像压缩是必需的。,1.2 图像处理目的、内容和特点,数字图像处理的关键步骤,图像采集,图像复原,形态学处理,分割,表示&描述,图像增强,对象识别,问题域,彩色图像处理,图像压缩,1.2.3 数字图像处理的特点 数字图像处理是利用计算机的计算，实现与光学系统模拟处理相同效果的过程。处理精度高，再现性好；易于控制处理效果；处理的多样性；图像数据庞大；处理费时；技术综合性强。,1.2 图像处理目的、内容和特点,1.3 图像工程与相关学科,1.3.1 图像工程的内涵,图1-2 图像工程三层次示意图,图像

12、处理（低级）内容：主要对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果、或突出有用信息，并为自动识别打基础，或通过编码以减少对其所需存储空间、传输时间或传输带宽的要求。特点：输入是图像，输出也是图像，即图象之间进行的变换。,1.3 图像工程与相关学科,图像处理实例（图像增强）,1.3 图像工程与相关学科,图像分析（中级图像处理）内容：主要对图象中感兴趣的目标进行检测（或分割）和测量，以获得它们的客观信息从而建立对图象的描述。特点：输入是图象，输出是数据。,1.3 图像工程与相关学科,中级图像处理实例（图像分割）,1.3 图像工程与相关学科,图像理解（高级图像处理）内容：在中级图像处理的基础上，进一步研究

13、图象中各目标的性质和它们之间相互的联系，并得出对图象内容含义的理解（对象识别）及对原来客观场景的解释（计算机视觉），从而指导和规划行动。特点：以客观世界为中心，借助知识、经验等来把握整个客观世界。“输入是数据，输出是理解”,1.3 图像工程与相关学科,高级图像处理实例（图像识别）,1.3 图像工程与相关学科,白种人的虹膜,虹膜诊断（Iridology）,黄种人的虹膜,1.3 图像工程与相关学科,1.3 图像工程与相关学科,1.3.1 图像工程的内涵,图1-2 图像工程三层次示意图,1.3.2 相关学科和领域,1.3 图像工程与相关学科,图1-3 图像工程与相关学科的联系和区别,图像处理系统示意

14、图,1.4 数字图像处理系统,1.4 数字图像处理系统,1.5 数字图像处理的应用,信息源分类（如可见光、X射线等等）。图像的最主要来源是电磁波。,射线成像 Gamma-Ray Imaging,射线成像主要用于核医学和天文观察。在核医学中，这种处理是将放射性同位素注射到病人体内，当这种物质衰变时放射出射线，然后用射线检测器产生图像。,1.5 数字图像处理的应用,射线成像 X-ray Imaging,X射线是最早用于成像的电磁辐射源之一。射线管是带有阴极和阳极的真空管。阴极加热释放自由电子，这些电子以很高的速度向阳极流动，当电子撞击一个原子核时，能量被释放并形成射线辐射。射线的能量由另一边的阳极

15、电压控制，而射线的数量由施加于阴极灯丝的电源控制。,1.5 数字图像处理的应用,紫外波段成像 Imaging in the Ultraviolet Band,紫外线被用于荧光显微镜方法，这是显微镜方法中发展最快的领域。荧光是19世纪中叶发现的。当紫外辐射光子与荧光材料内原子中的电子碰撞时，它把电子提高到较高的能级，随后受激电子释放到较低的能级并以可见光范围内的低能光子放光。,1.5 数字图像处理的应用,可见光及红外线波段成像(1)Imaging in the Visible and Infrared Band,用光显微镜方法获取图像的例子,1.5 数字图像处理的应用,Imaging in th

16、e Visible and Infrared Band(2),成像地区为华盛顿，它包括建筑物、道路、植被和主要河流,1.5 数字图像处理的应用,Imaging in the Visible and Infrared Band(3),1.5 数字图像处理的应用,Imaging in the Visible and Infrared Band(4),可见光在自动检测中的应用,1.5 数字图像处理的应用,Imaging in the Visible and Infrared Band(5),可见光在自动识别中的应用,1.5 数字图像处理的应用,微波波段成像Imaging in the Microwa

17、ve Band,微波波段成像的典型应用是雷达。成像雷达的独特之处是：在任何范围、任何时间内不考虑气候、光照条件的收集数据能力。雷达波可以穿透云层，在一定条件下还可以通过植被、冰层和极干燥的沙漠。,1.5 数字图像处理的应用,无线电波成像(1)Imaging in the Radio Band,无线电波用于磁共振成像(MRI)。,1.5 数字图像处理的应用,无线电波成像(2)Imaging in the Radio Band,几种电磁波谱中的蟹状脉冲星图像比较,1.5 数字图像处理的应用,其他图像模式应用的实例声波成像,为了获取海洋图像，能源通常由两个位于船后部的空气枪组成，返回的声波由置于船后

18、部电缆中的水听器检测。水听器放置在海底，或用浮子悬吊着。两个空气枪交替加压至2000psi，然后爆炸，船的恒定运动提供一个横向运动，通过返回声波产生一幅海洋底部地下结构的三维图像。,1.5 数字图像处理的应用,其他图像模式应用的实例超声波成像（1）,超声波系统（一台计算机、由超生波和接受器组成的超声探头和显示器）向身体传输高频(15MHz)声脉冲。声波传入体内并碰撞组织间的边缘（流体和软组织之间，软组织和骨之间），声波的一部分返回，一部分声波继续传播直到达到另一边界并反射。计算机根据声波在组织中的传播速度和每个回波返回的时间计算从探头到组织或边界的距离系统在屏幕上显示回波的距离和亮度形成的二维

19、图像。,1.5 数字图像处理的应用,其他图像模式应用的实例超声波成像(2),超声图象,1.5 数字图像处理的应用,农业领域中的应用,1.种质资源监测及农产品自动分级2.植物生长无损监测3.病虫害及杂草检测4.自动化收获5.种猪体重测量,应用一：种质资源检测,应用一：农产品分级,果蔬大小、颜色、纹理、形状及部分缺陷；,应用一：种质资源检测,关键技术：采集数据图像预处理；图像分割：将目标与背景进行分离；提取出目标体的形状、颜色、及空间分布特征对目标场景进行识别,利用颜色、大小、形状等信息实现苹果、柑橘、马铃薯、板栗、草莓、樱桃、披萨饼等的质量检测研究,图像采集籽粒识别特征提取模式识别得出目标,应用

20、二：植物生长无损检测,基于图像处理植物生命现象的研究主要内容：（1）外部形态参数；（2）作物营养状态监测；（3）果实的成熟度检测；（4）作物生长虚拟模拟；（5）植物根系图像监测,应用二：植物生长无损检测,1)外部参数测量节间位置、节长度、节直径；叶片个数、叶片面积、叶片周长、叶片长度；茎秆长度；茎秆直径；叶柄夹角等,应用二：植物生长无损检测,2.）作物营养状态监测1）监测植物叶尖的运动状态，进而建立起了叶尖运动与植物缺水的关系；2）利用图像分割方法提取目标的形态特征并与作物的生长健康状况相结合，发现利用叶片面积和最大作物茎高等外观形态特征可以判断植株的营养状态；3)在光照可控条件下，主要采用色

21、彩分量的提取方法判别作物的生长健康状况，如作物种类的识别以及作物的污染情况和生长状况,应用二：植物生长无损检测,3）果实的成熟度检测对确定植物生长阶段和果实分级具有重要的意义。根据果实表面颜色、形状及大小判别其成熟度；与自动分级类似。,应用二：植物生长无损检测,4)作物生长虚拟模拟：应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况是定量化研究植物生长特征及其规律的进一步拓展和延伸。,应用二：植物生长无损检测,5)植物根系图像监测根长度、根表面积、平均直径、跟长密度、根表面积密度、根体积等。,应用三：病虫及草害检测,病虫害监测基于颜色特征的作物病虫害视觉检测研究不同的颜色模型与病虫害植物叶面间的关系

22、；基于纹理特征的作物病虫害视觉检测纹理描述、纹理分割、纹理分析等；基于形状特征的作物病虫害视觉检测周长、表面积、最大（小）半径、偏心率、叶状性等特征；多用于图像识别的最后阶段，适合于表达区分病健组织边界清晰，形状特征明显，叶片局部显症的叶斑类病害基于多元特征的作物病虫害视觉检测参数结合分析法：颜色与形态结合法；颜色与纹理结合法；颜色、纹理、与形态三者互结合法。,应用三：病虫及草害检测,应用四：自动化收获,自动化收获,摄象机标定,用CCD摄像机CMOS摄像器,线性标定、自标定、双目视觉标定,提取对应的图象特征,寻找同一个空间点在两幅图象中的对应点，得到视差图,根据视差信息求解三维空间信息,主要用

23、于：植物生长监测、秧苗直立度检测、苹果定位采摘等,硬软件,特征提取,立体匹配,三维重建,应用四：自动化收获,应用五：种猪体重测量,种猪体重测量,应用五：种猪体重测量,应用五：种猪体重测量,图像处理技术未来发展大致可归纳为：图像处理的发展将围绕HDTV（高清晰度电视）的研制，开展实时图像处理的理论及技术研究，向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。图像、图形相结合,朝着三维成像或多维成像的方向发展。硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在芯片上，使之更便于应用。新理论与新算法研究。,1.7 数字图像处理的发展动向,1.7 数字图像处理的发展动向,（1）在进一步提高精度的同时

24、着重解决处理速度问题。如，在航天遥感、气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。（2）加强软件研究、开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法。（3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如，人的视觉特性、心理学特性等的研究，如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。,（4）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系。（5）图像处理领域的标准化。图像的信息量大、数据量大，因而图像信息的建库、检索和交流是一个重要的问题。就现有的情况看，软件、硬件种类繁多，交流和使用极为不便，成为资源共享的严重障碍。应建立图像信息库，统一存放格式，建立标准子程序，统一检索方法。,1.7 数字图像处理的发展动向,授 课 结 束 谢 谢 大 家！,实例1：伪彩色增强举例,实例2：直方图均匀化,实例3：图像去噪,与图像处理相关的若干有趣问题,你看到了什么？,一堆黑块还是英文字母,女人头像or吹萨克斯风的？,两个内部的圆大小完全一样。当一个圆被几个较大的同心圆包围时，它看起来要比那个被一些圆点包围的圆小一些,视觉欺骗,