数字图像处理课件第一章.ppt

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1、数字图像处理,西华大学计算机与数理学院,第章 绪论,内容提要:数字图像处理的发展简史图像处理的任务基本的图像处理系统数字图像处理的应用与发展趋势,1.1 数字图像处理及发展简史,1.1.1 图像的定义图像：二维空间上的强度分布如果只考虑光的能量图像在视觉上表现为灰色影像-灰度图像：静止灰度图像：,模拟图像与数字图像,模拟图像：强度和空间位置以连续或近似连续形式分布。如照片、电影胶片（记录在乳胶介质上）和物理图像（如人眼可见的自然图像）等，可连续放大而细节不失真。,模拟图像人眼成像,瞳孔，晶状体,视网膜,神经,大脑,模拟图像例人眼成像,视网膜区域分布了大量的视觉细胞，以接受外界光的强弱及颜色。中

2、央凹的视觉细胞分布很密，向外逐渐稀疏。,视网膜结构,中央凹,视网膜中央区域称为a区域，主要以观察物体的细节为主。视网膜边界区域称为区域，主要以观察运动物体为主。,数字图像例数码相机成像,光学镜头,CCD阵面,存储器,CCD阵面结构,模拟图像与数字图像,数字图像：一个被采样和量化后的二维函数，采用等距离矩形网格采样，对幅度进行间隔量化。,数字图像原理,取样和量化的基本概念数字化包括取样和量化两个过程：取样：对空间连续坐标(x,y)的离散化 量化：幅值 f(x,y)的离散化数字化图像所需的主要硬件：采样孔、图像扫描机构、光传感器、量化器、输出存储体,数字图像原理,图像采样与量化,若灰度级划分为8，

3、则用3个二进制位表示：238（称为8色图像或3位图像）,象素,0,7,6,5,4,3,2,1,彩色模拟图像,灰度图像（缩小）,RGB颜色空间,（a）连续图像（b）数字化结果,（c）像素（d）灰度级,1.1.4 数字图像的基本属性,在计算机中的二维阵列（网格）：二维数组两个基本属性：几何属性：坐标 物理属性：灰度、亮度I颜色、透射度、深度。,1.1.5 数字图像表示,单色图像(monochrome image)：即黑白图像，每个像素的灰度值只有0和1灰度图像(grayscale image)：每个像素的灰度值占一个字节彩色图像：真彩色图像：每个像素的灰度值占三个字节，分别为 R、G、B 索引彩色

4、图像：即调色板彩色图像，如8位或16位伪彩色图像多谱图像：如由卫星多孔径雷达所成的多波段图像，多幅图像表达同一图像的不同波段信息压缩图像,彩色空间示意图,数字图像常见参数,分辩率：用来描述数字图象所表示的空间细节的程度（高或低）。设备无关：象素的个数 M*N设备有关：如pixel/mm Intensity&Contract（亮度和对比度）&gray level灰度级：表示1Byte/pixel-256级（灰度级）,1.1.2 图像处理的发展简史,数字图像处理首次成功地应用在1964年美国宇航局喷气推进实验室（NASA JPL）对“徘徊者7号”探测器发来的几千张月球照片的进行几何校正、灰度变换、

5、去除噪声等处理考虑了太阳位置和月球环境的影响用计算机绘制了月球表面的照片。,2005年1月14日，“惠更斯”探测器拍摄了“土卫六”的图像,土卫六的地貌图 陆地卫星5号,1.2.1 图像处理的目的一般地，图像处理中需要完成以下一个或几个任务：（1）提高图像的视觉质量以提供人眼主观满意或较满意的效果。（2）提取图像中目标的某些特征，以便于计算机分析或机器人识别。（3）为了存储和传输庞大的图像和视频信息，常常对这类数据进行有效的压缩。（4）信息的可视化。（5）信息安全的需要。,1.2 图像处理的目的、任务与特点,1.2.2 图像处理的任务,图像处理的主要任务：图像获取与数字化图像增强图像恢复图像重建

6、图像变换图像编码与压缩图像分割,1.2.3 数字图像处理的特点,1具有数字信号处理技术共有的特点。如：（1）处理精度高。（2）重现性能好。（3）灵活性高。2数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。3数字图像处理技术适用面宽。原始模拟图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像、超声波图像或红外图像。,图1.5 胸部X光片图像 图1.6 红外热像仪检测的手,1.2.3 数字图像处理的特点,4数字图像处理技术综合性强。5数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些不足之处，如（1）数字图像处理的信息大多是二维或二维以上的多维信息，数据量

7、巨大（2）数字图像信号占用的频带较宽。（3）处理费时。,1.3 基本的图像处理系统,图像处理系统包括图像处理硬件和图像处理软件。1.3.1 图像处理硬件微机图像处理硬件系统主要由图像输入设备、图像运算处理设备（微计算机）、图像存储器、图像输出设备等组成。软件系统包括操作系统、控制软件及应用软件等。,基本的数字图像处理系统,1.3.1 图像处理硬件,1.图像输入设备完成将模拟光学图像转换成模拟电图像的过程。数字化图像输入设备还进一步将模拟电图像进行数字化以便于存储介质存储和计算机处理。,2.图像存储器为了适应图像的大数据量要求，输入图像、输出图像以及中间结果图像必须用大容量存储介质进行存储。3.

8、主机用于图像处理的计算机。4显示器及图像输出设备,1.3.2 图像处理软件,图1.11 图像处理软件 系统的层次结构,1.3.2 图像处理软件,1.图像设备驱动程序2.操作系统：（1）IBM PC及兼容机一般使用Microsoft Windows操作系统。（2）Apple Macintosh机一般使用Mac OS X操作系统。（3）图形工作站典型使用UNIX或X WINDOWS操作系统。3图像处理开发工具（1）VC+面向对象可视化集成工具（2）MATLAB的图像处理工具箱（3）图像应用软件：Photoshop、CorelDRAW、ACDSee,1.3.3 数字图像处理内容的四个层次,(1)图像

9、输入输出（扫描仪、多媒体视频卡、图像卡、监视系统）(2)图像表示、转换（多媒体各种文件格式、几何、亮度、对比度、剪贴）给人看(3)图像处理、分析（特征提出、图像压缩、几何校正2D3D）给机器看(4)图像理解、解释计算机视觉,计算机视觉,计算机视觉是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段,有计算机代替大脑完成处理和解释,为计算机和机器人开发具有人类水平的视觉能力。最终目标：实现对三维景物世界的理解。,计算机视觉,计算机视觉处理的原始信息多是图像，在这个意义上计算机视觉应当是图像处理的一部分。从发展的眼光来看，图像处理的发展方向必然趋向计算机视觉。图像处理将成为计算机视觉的前期研究内容。,经典

10、理论Marr理论,2维,2.5维,3维,提取二维平面特征,建立三维模型,将二维平面特征进行组合进而得到三维信息,为什么要研究,生物视觉在图像处理方面具有计算机远达不到的能力。即使是婴儿的图像识别能力也远远超过目前计算机。依据生物视觉机理，提高计算机图像处理能力，是计算机图像处理的必然发展趋势。,计算机视觉学科的难题,软件角度：“一只马戏团的猴子如何教会另一只马戏团的猴子如何演马戏”。硬件角度：大脑信息处理的机制与计算机不同大脑：大量CPU（简单）计算机：少量CPU（复杂）,好处,永无止尽研究人员可以大胆发挥想象力，充分开发个人的智力。在理解与掌握现有理论基础上，研究将不受束缚。没有权威，全依仗

11、研究人员悟性。所谓：“人人都是食神！”,计算机视觉研究的特点,多学科交叉,计算机视觉,计算机,心理学,生理学,物理学,信号处理,数学,最优化理论,高等几何,线性系统,高度代数,概率统计随机过程,等等,计算机视觉研究的途径,硬件：第四代计算机（人工智能计算机）软件：通过研究人的视觉机理，提高计算机图像处理能力：传感器（眼睛）：成像机理及前期处理处理机理（大脑）：人工神经网络,有效途径,研究视觉错觉：假象：虚幻、不真实错觉：真实，错误从错觉出发，可能能够了解人视觉机理。进一步将其数学模型化。即可达到目的。,常见错觉,Hermann格子图像,MullerLyer错觉,Ponzo错觉,Hering错觉

12、,Orbison错觉,Pogendoff错觉,Zollnar错觉,图像表示与转换,放大、缩小：,图像表示与转换,旋转,图像表示与转换,亮度调整,图像表示与转换,对比度调整,图像处理与分析,图像分割,图像处理与分析,图像分割,图像处理与分析,纹理分割,图像处理与分析,角点检测,图像处理与分析,线条检测,图像处理与分析,线条检测,图像处理与分析,边缘检测,图像处理与分析,边缘检测,图像压缩,原始图像,经过压缩后的图像,哈夫曼编码,预测编码,图像压缩,预测编码,行程编码,1.原始图像及其属性,行程编码,2.压缩文件的属性,解压后生成的文件,由于行程编码属于无损压缩，所以原始图像和解压后的图像基本上没

13、有任何差别，不会出现失真的情况,LZW编码,1.原始图像及其属性,LZW编码,2.压缩文件的属性属性,解压后生成的文件,几何校正,多项式卷绕,图像处理范例图像分割,图像处理范例图像融合,图像处理范例边缘提取,图像处理范例边缘检测,图像处理范例边缘检测,图像处理范例边缘检测,图像处理范例畸变校正,图像处理范例几何校正,图像处理范例背景更新,图像处理范例背景更新,图像处理范例目标检测,1.数字图像处理的应用,1.遥感资源普查、规划，气象预报，环保（污染调查）利用卫星照片和航空照片辐射校正（亮度）和几何校正提取地物地貌特征或三维重建（shape from shadow,SFS）,1.数字图像处理的应

14、用,2.工程与办公自动化文件与图纸读取（文档保存数字化），OCR，文字识别等 3.生物医学图像处理 在X光片，血细胞图像，淋巴细胞图像，染色体图像，B超图像等中的处理及识别 CT图像处理及三维重建（虚拟人体）,1.数字图像处理的应用,4.军事公安侦察、寻找目标、制导、警戒安全系统和鉴别系统：入口控制，指纹、人脸、眼纹识别核材料检测5.工业自动化生产线控制（机械手判位、定位）产品质量监控（外观缺陷检测）枪号识别，车牌识别等,1.数字图像处理的应用,6.通讯 电视会议、电视鉴测可视电话（压缩）7.工业和科学研究中的可视化技术 把计算结果和过程用图象/图形显示，并可处理流场、气象、核爆模拟,1.数字图像处理的应用,8.多媒体、视频特技如电影特技 9.虚拟实现（Virtual Reality）环境模型、环境重视,