图像处理第1章概论

1、 本课程作为本课程作为专业主干课专业主干课，是电子信息专，是电子信息专业本科生的业本科生的必修课必修课，通过学习，掌握计算机，通过学习，掌握计算机图像处理与分析的基本概念，典型算法和基图像处理与分析的基本概念，典型算法和基本实用技术。本实用技术。l 计算机图像处理课程性质：计算机图像处理课程性质： l 课程内容：课程内容：本课程主要为两部分内容：本课程主要为两部分内容： 第一部分为第一部分为图像处理的基础图像处理的基础。包括绪论、。包括绪论、图像处理的基本概念和图像变换。图像处理的基本概念和图像变换。 第二部分为第二部分为图像处理的理论和方法图像处理的理论和方法。包括。包括图像增强、图像复原、

2、图像编码与压缩、图图像增强、图像复原、图像编码与压缩、图像分割、图像分析与识别基础等。像分割、图像分析与识别基础等。 几幅图像几幅图像x射线图像射线图像纳米材料纳米材料TEM图像图像u人眼视觉图像：人眼视觉图像：照片、图、画等。照片、图、画等。u数学图像数学图像：由连续函数或离散函数生成的抽象图像。：由连续函数或离散函数生成的抽象图像。u物理图像物理图像：反映物体的电磁波辐射能，包括可见光：反映物体的电磁波辐射能，包括可见光和不可见光。绝大部分的物理图像是数学图像。和不可见光。绝大部分的物理图像是数学图像。图像图像(image)(image)与图片与图片(picture)(picture)和图

3、形和图形(graphic)(graphic)有何区别？有何区别？数学函数数学函数连续函数连续函数不可见的物理图像不可见的物理图像离散函数离散函数( (数字图像数字图像) )可见图像可见图像照片照片图图画画光图像光图像物体物体图图像像图像的分类图像的分类t),z,y,f(x,I 21 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 14 11 20 2117 16 12 12 16915 139865179565421 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 14 11 20 2117 16 12 12 16915 1398651795

4、654t),z,y,f(x,I 数字图像数字图像利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得预期的结果的技术。预期的结果的技术。 基于计算机的图像处理学是从信息处理、自动控制基于计算机的图像处理学是从信息处理、自动控制系统论、计算机科学、数据通信、电视技术等学科中系统论、计算机科学、数据通信、电视技术等学科中脱颖而出的，成为研究脱颖而出的，成为研究“图像信息的获取、传输、存图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合利用储、变换、显示、理解与综合利用”的一门崭新学科。的一门崭新学科。 另外一种描述图像的方法是以统计学为基础的另外一种描述图像的方法是

5、以统计学为基础的统计性表征法统计性表征法，即把图像信息作为随机信号。，即把图像信息作为随机信号。 数字图像的发展：数字图像的发展：主动脉造影图像主动脉造影图像胸部胸部x射线图像射线图像显微镜获得图像显微镜获得图像音频音频CD的表面（的表面（1750倍）倍）卫星多光谱图像卫星多光谱图像反射到雷达天线的微波图像反射到雷达天线的微波图像三维计算机模型产生的图像三维计算机模型产生的图像超声波成像超声波成像肌肉层有损害肌肉层有损害4.数字图像处理获得的途径：数字图像处理获得的途径：n将传统的可见光图像经过数字化处理转换为将传统的可见光图像经过数字化处理转换为 数字图像。数字图像。图像变换：图像变换：对图

6、像进行正交变换，以便进行处理。对图像进行正交变换，以便进行处理。二维图像及其离散傅立叶频谱的显示二维图像及其离散傅立叶频谱的显示a) 原始图像原始图像 b) 离散傅立叶频谱离散傅立叶频谱a) 原图原图 b) 图像增强后的图图像增强后的图c) 原图原图d) 经过复原的图经过复原的图图像增强图例图像增强图例图像复原图例图像复原图例a) 一幅免疫细胞图像一幅免疫细胞图像 b) 指纹图像指纹图像 高层高层中层中层低层低层符号符号目标目标像素像素语语义义操操作作对对象象高高低低小小大大抽抽象象程程度度数数据据量量图像处理图像处理图像分析图像分析狭义图像处理狭义图像处理1.2.2 数字图像处理方法数字图像

7、处理方法 图字图像处理方法分为大两类：图字图像处理方法分为大两类：空间域处理空间域处理（空域（空域法）和法）和变换域处理变换域处理（频域法）。（频域法）。u空域法：直接对获取的数字图像进行处理。空域法：直接对获取的数字图像进行处理。u频域法：对先对获取的数字图像进行正交变换，得频域法：对先对获取的数字图像进行正交变换，得 到变换系数阵列，然后再进行处理，最后到变换系数阵列，然后再进行处理，最后 再逆变换到空间域，得到图像的处理结果。再逆变换到空间域，得到图像的处理结果。 狭义图像处理狭义图像处理模式识别模式识别图像理解图像理解图像理解图像理解计算机图形学计算机图形学图像分析图像分析计算机视觉计

8、算机视觉（转换）（转换） 图像图像 图像图像 符号符号 (人人) 数据数据客观世界客观世界新技术新技术新工具新工具新理论新理论图像处理学与相关学科和领域的联系和区别图像处理学与相关学科和领域的联系和区别1.21.2.3.3图像处理学与其他相关学科的关系图像处理学与其他相关学科的关系 1.3 数字图像处理主要应用数字图像处理主要应用l计算机科学：计算机科学：计算机辅助设计、人工智能研究计算机辅助设计、人工智能研究和多媒体计算机研究等。和多媒体计算机研究等。l通信技术：通信技术：图像传真、可视电话、卫星通信等。图像传真、可视电话、卫星通信等。l生物医学：生物医学：X X射线、超声、显微图片分析，温

9、图射线、超声、显微图片分析，温图谱分析，断层及核磁共振分析等。谱分析，断层及核磁共振分析等。l遥感技术：遥感技术：自然灾害预报、监测，地质结构测绘，自然灾害预报、监测，地质结构测绘，找矿，水文、农林资源调查等。找矿，水文、农林资源调查等。l军事技术：军事技术：导弹制导，雷达、声纳图像处理，军事导弹制导，雷达、声纳图像处理，军事仿真等。仿真等。l考古：考古：恢复珍贵的文物图片、名画和壁画等。恢复珍贵的文物图片、名画和壁画等。l侦查破案和商业应用：侦查破案和商业应用：指纹鉴别，手迹分析，指纹鉴别，手迹分析， 伪钞伪钞识别等。识别等。l其它应用：其它应用：材料分析、材料分析、服装试穿显示、发型设计显

10、服装试穿显示、发型设计显示、现场视频管理等。示、现场视频管理等。通信通信显示采集存储处理和分析图像处理和分析系统构成示意图图像处理和分析系统构成示意图 1.4 1.4 数字图像处理的硬件设备数字图像处理的硬件设备 一个图像处理和分析系统的基本组成有：一个图像处理和分析系统的基本组成有：采集、采集、显示、存储、通信、处理显示、存储、通信、处理和和分析分析五个模块。五个模块。 6.6.图像处理软件图像处理软件 用于数字图像文件存储和交换的标准图像文件用于数字图像文件存储和交换的标准图像文件格式。有未压缩格式（位图格式。有未压缩格式（位图BMP、TIF）和压缩格）和压缩格式（式（GIF、JPG）。）

11、。 1.4 1.4 数字图像处理工具软件数字图像处理工具软件MATLABMATLAB MATLAB是是Math Works公司开发的科学计算公司开发的科学计算工具软件包。其中，工具软件包。其中，MATLAB的的Image Processing TOOLBOX提供了图像处理涉及的许提供了图像处理涉及的许多处理算法。多处理算法。1.5 1.5 数字图像的基本图像类型数字图像的基本图像类型1.1.数字图像的矩阵表示数字图像的矩阵表示 从客观景物得到的图像是二维的，因此一幅图像从客观景物得到的图像是二维的，因此一幅图像可以用一个二维数组可以用一个二维数组 来表示，这里来表示，这里x和和y表示二维空间中

12、的一个坐标点的位置，表示二维空间中的一个坐标点的位置，f 值代表图像值代表图像在点在点(x,y)的某种性质的某种性质F F的数值。这个图像性质一般用的数值。这个图像性质一般用灰度值来表示。灰度值来表示。 灰度：灰度：图像上对应点的亮度值。图像上对应点的亮度值。 计算机图像处理中，坐标空间计算机图像处理中，坐标空间x,y和性质和性质F值都值都是离散的，一般在整数集合中取值。是离散的，一般在整数集合中取值。），（yxf数字图像的矩阵表示：数字图像的矩阵表示：21 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 14 11 20 2117 16 12 12 16915 13

13、98651795654 4 5 6 5 9 175 6 8 9 13 159 16 12 12 16 1721 20 11 14 18 1717 25 20 21 22 2417 19 24 25 24 21XY0(b)(a)XY0图（图（a）所用坐标系通常在屏幕显示中采用，即）所用坐标系通常在屏幕显示中采用，即原点原点0在图像左上角；在图像左上角；图（图（b）所用坐标系通常在图像计算中采用，即）所用坐标系通常在图像计算中采用，即原点原点0在图像左下角；在图像左下角；数字图像的矩阵表示：数字图像的矩阵表示： 像素：像素： 通常，表示图像的二维数组是连续的，将连续通常，表示图像的二维数组是连续的

14、，将连续参数参数 x,y，和和 f 取离散值后，图像被分割成很多小取离散值后，图像被分割成很多小的网格，每个网格即为像素。的网格，每个网格即为像素。 每个像素具有独立的属性。一个像素最少具有每个像素具有独立的属性。一个像素最少具有两个属性，即两个属性，即(x,y) 和和（F）。位置由像元所在的行列坐标决定，位置由像元所在的行列坐标决定， 通常用坐标对（通常用坐标对（x,y）表示。）表示。21 24 25 24 19 1724 22 21 20 25 1717 18 141120 2117 16 12 12 16915 1398651795654v位图图像位图图像（bitmap）：）： 一幅图像

15、有许多像素点构成，每个像素点包含一幅图像有许多像素点构成，每个像素点包含着反映图像在该点的明暗和颜色变化等信息，这着反映图像在该点的明暗和颜色变化等信息，这种图像叫做位图图像。种图像叫做位图图像。例：免疫细胞图像分割的过程示意图例：免疫细胞图像分割的过程示意图 ：（1）原图）原图（2）边界图）边界图（3）区域图）区域图 像素间的基本关系：像素间的基本关系： (1)邻域：邻域： 设设p为位于坐标为位于坐标(x,y)的一个像素，则的一个像素，则u四邻域四邻域 ： p的个水平和垂直相邻像素的个水平和垂直相邻像素的坐标为：的坐标为：(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1) 上述像

16、素组成上述像素组成p的邻域，的邻域，用用N4(p) 表示。表示。 每个像素距每个像素距(x,y)一个单位距离。一个单位距离。 rrprr(a)4邻域邻域N4(p)(x-1,y)(x,y-1)(x,y)(x,y+1)(x+1,y)sspss(b) 对角邻域对角邻域ND(p)srsrprsrs(c) 邻域邻域N8(p) 对角相邻像素集用对角相邻像素集用ND(p)表示。表示。 ND(p)与与N4(p)合起来称为合起来称为p的邻域，用的邻域，用N8(p)表示。表示。u对角邻域和对角邻域和8邻域：邻域： p的个对角相邻像素的坐标为：的个对角相邻像素的坐标为： (x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x

17、-1,y+1)，(x-1,y-1)(x-1,y-1)(x-1,y+1)(x,y)(x+1,y-1)(x+1,y+1) (2)连通性：连通性：判断像素间是否连通的两个要素：判断像素间是否连通的两个要素： 像素是否相邻、灰度值是否满足特定的相似性准则。像素是否相邻、灰度值是否满足特定的相似性准则。三种类型的连接性：三种类型的连接性：令令V是定义连接性的灰度值集合，是定义连接性的灰度值集合， 如：具有灰度值为如：具有灰度值为32至至48之间像素的连通性，即之间像素的连通性，即 V=32,33,47,48u连接：连接：个像素个像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N4(p)中中u连接：连接：个像

18、素个像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N8(p)中中 (3) 距离距离 给定三个像素给定三个像素p,q,r其坐标分别为其坐标分别为(x,y),(s,t),(u,v)如果满足三个条件，则如果满足三个条件，则D是距离函数或度量。是距离函数或度量。)qpqpDqpD 当当 当当且且仅仅0),( , 0),()1),(),()2pqDqpD ),(),(),()3rqDqpDrpD lp和和q之间的之间的D4距离距离(城市街区距离城市街区距离):( 取菱形窗口取菱形窗口)tysxqpD ),(4(3) 距离距离即：与点即：与点(x,y)的的D4距离小于或等于某一数值距离小于或等于某一数值d的

19、像的像 素组成以素组成以(x,y)为中心的菱形。为中心的菱形。例例: :例例: :lp和和q之间的之间的D8距离距离(棋盘距离棋盘距离)：(取方形窗口取方形窗口),max(),(8tysxqpD 即：与点即：与点(x,y)的的D8距离小于或等于某一数值距离小于或等于某一数值d的像的像 素组成以素组成以(x,y)为中心的方形。为中心的方形。lp和和q之间的欧氏距离：之间的欧氏距离：(取圆形窗口取圆形窗口)2122)()(),(tysxqpDe (3) 距离距离即：与点即：与点(x,y)的的D4距离小于或等于某一数值距离小于或等于某一数值d的像的像 素组成以素组成以(x,y)为中心，以为中心，以d

20、为半径的圆。为半径的圆。 3.描述数字图像的基本参数描述数字图像的基本参数描述数字图像的基本参数有三个：图像分辨率、图像描述数字图像的基本参数有三个：图像分辨率、图像深度和图像数据容量。深度和图像数据容量。图像分辨率：图像分辨率：指对原始图像的采样分辨率，即图像水指对原始图像的采样分辨率，即图像水 平或垂直方向单位长度上所包含的采样点数。单平或垂直方向单位长度上所包含的采样点数。单 位是位是“像素点像素点/ /单位长度单位长度”，例如：像素点，例如：像素点/ /毫米、毫米、 像素点像素点/ /英寸。习惯上也以水平方向上的像素点与英寸。习惯上也以水平方向上的像素点与 垂直方向上的像素点的乘积表示

21、，如：垂直方向上的像素点的乘积表示，如： 640480。图像深度：图像深度：位图图像中，各像素点的亮度或色彩信位图图像中，各像素点的亮度或色彩信息用二进制数位来表示，这一数据位的位数即为像息用二进制数位来表示，这一数据位的位数即为像素深度，也叫图像深度。图像深度越深，能够表现素深度，也叫图像深度。图像深度越深，能够表现的颜色数量越多，图像的色彩也越丰富。的颜色数量越多，图像的色彩也越丰富。图像数据量：图像数据量： 图像数据量是一幅图像的总像素点数目与每个像素图像数据量是一幅图像的总像素点数目与每个像素点所需字节数的乘积。点所需字节数的乘积。 不同图像分辨率、图像深度与图像数据量的关系：不同图像分辨率、图像深度与图像数据量的关系：8位位(256色色)1个字节个字节16位（位（65536色）色）,2个字节个字节24位真彩色位真彩色3个字节个字节 640480 300k 600k 900k 800600 469k 938k 1.4M 1024768 768k 1.5M 2.3M12801024 1.3M 2.6M 3.8M数据量数据量图像图像深度深度分辨率分辨率图像像素图像像素数对图像数对图像的影响的影响灰度级变灰度级变化所产生化所产生的效果的效果图图2 灰度图像