第一章《光电图像处理》概述

1、电子科技大学电子科技大学 光电信息学院光电信息学院 二一二年二一二年2月月20日日第一章第一章光电图像处理光电图像处理概述概述彭真明彭真明E-mail: pengzm_主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例百闻不如一见One picture is worth more than t

2、en thousand words. Anonymous人类通过眼、耳、鼻、舌、身接收信息，人类通过眼、耳、鼻、舌、身接收信息，感知世界。约有感知世界。约有75%的信息是通过人眼的信息是通过人眼(视觉系统视觉系统)获取的。获取的。一、引言 因此，因此，数字图像处理数字图像处理就是用数字计算就是用数字计算机处理所获取信息的技术。机处理所获取信息的技术。图像存储系统图像存储系统图像输入系统图像输入系统图像处理与图像处理与分析系统分析系统图像输出系统图像输出系统n基本图像处理系统的结构一、引言一、引言“图像”为“事件或事物的一种表示、写真或临摹，或一个生动的或图形化的描述”。“图”是物体透射光或反射

3、光的分布；“像”是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识；“图像”是两者的结合；图像是客观景物通过某种系统的一种映射；从广义上说，是自然界景物的客观反映。一、引言模拟图像（物理图像）： 直接从观测系统（输入系统）获得、未经采样和量化的图像；模拟图像在空间分布和亮度取值上均为连续分布。数字图像： 图像的数字表示或经过采样和量化的图像，像素就是离散单元，量化的灰度就是数字量值。电磁辐射与可见光电磁辐射与可见光一、引言 颜色的表观特征：n明度（明度（Luminance）：）：颜色明亮的程度；一幅颜色明亮的程度；一幅灰度图像只有明度特征，而彩色图像还具有色灰度图像只有明度特征，而彩色图像还具有

4、色调和饱和度两个色度特征；调和饱和度两个色度特征；n色调（色调（Hue）：）：反映颜色的类别反映颜色的类别n饱和度（饱和度（Saturation）：）：表示颜色接近光谱色的表示颜色接近光谱色的程度。任何一种颜色都可以看着是某种光谱色程度。任何一种颜色都可以看着是某种光谱色与白色混合的结果，光谱色所占的比例越大，与白色混合的结果，光谱色所占的比例越大，颜色接近光谱色的程度就越高，颜色的饱和度颜色接近光谱色的程度就越高，颜色的饱和度就愈高。饱和度高，颜色就深而艳。就愈高。饱和度高，颜色就深而艳。一、引言人对光的感觉是靠视网膜的感光细胞（椎状和杆状）人对光的感觉是靠视网膜的感光细胞（椎状和杆状）椎状

5、细胞：感觉彩色色调椎状细胞：感觉彩色色调杆状细胞：提取亮度信息杆状细胞：提取亮度信息椎状细胞椎状细胞杆状细胞杆状细胞一、引言 颜色的定量描述nLHS描述：描述： Luminance、 Hue、 Saturation描述法描述法nRGB描述：描述： Red 、Green、Blue描述法描述法 三基色原理三基色原理一、引言一、引言一、引言 基于基于CCDCCD光电耦器件的输入光电耦器件的输入 摄像机、数字摄像 数字相机 平板扫描仪 基于光电倍增管的输入设备 滚筒扫描仪 基于采集卡输入设备一、引言n图像显示模拟电视扫描原理逐行扫描隔行扫描一、引言n常见电视制式主要参数对比制式参数NTSC（美国）（美

6、国）1952年年 制定制定PAL（西德）（西德）1962年年 制定制定总扫描行数总扫描行数525625行频（行频（z）1575015625隔行扫描隔行扫描2/12/1场频（场频（z）60（59.94）50帧频（帧频（z）3025行同步宽度行同步宽度(um)4.7+-0.14.7+-0.2行消隐宽度行消隐宽度(um)10.9+-0.212+-0.3高宽比高宽比4/34/3一、引言主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例二、数字图像基本概念n图像的数字化：采样和

7、量化为了便于计算机处理，图像函数f(x,y)在空间和取值上必须数字化。连续图像数字图像离散化NMn图像的数字化：采样和量化 图像的采样（图像的采样（Sampling)：空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N 、 M像素（pixel)二、数字图像基本概念n图像的数字化：采样和量化 图像的量化图像的量化(Quantization)：取值的数字化：取值的数字化：被称为图像灰度级量化被称为图像灰度级量化量化处理：量化处理：将将f 映射到映射到Z的处理的处理Z的最大取值：的最大取值：确定像素的灰度级数确定像素的灰度级数G = 2m。二、数字图像基本概念fZn数字图像的数

8、学表示：) 1, 1() 1 , 1() 0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 () 0 , 1 () 1, 0() 1 , 0() 0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf像素坐标像素的灰度（Gray scale)二、数字图像基本概念n数字图像的数学表示：) 1, 1() 1 , 1() 0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 () 0 , 1 () 1, 0() 1 , 0() 0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf二、数字图像基本概念n空间分辨率（Spatial Resolution)采样引起的空间分辨率与图像质量数码相机：数码相机： 307223

9、047077888(700万像素万像素) 259219445038848(500万像素万像素)二、数字图像基本概念n灰度分辨率（Gray Resolution)量化引起的灰度分辨率与图像质量二、数字图像基本概念原图低色调低对比度低饱和度主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例三、数字图像处理的发展历史 20世纪20年代，纽约伦敦海底电缆传输数字化的新闻图片。传递时间从一个多星期减少到3个小时。19211921年电报打印机采用特年电报打印机采用特殊字符在编码纸

10、带得到的殊字符在编码纸带得到的图像。图像。19221922年在信号两次穿越大年在信号两次穿越大西洋后，从穿孔纸得到的西洋后，从穿孔纸得到的图像。图像。图像通信系统信源图像通信系统信源编码和信道编码。编码和信道编码。19291929年从伦敦到纽约年从伦敦到纽约1515级色调通过电级色调通过电缆传递照片。从早期缆传递照片。从早期5 5个灰度到个灰度到1515灰灰度。度。现在的网络、移动通信再次历经现在的网络、移动通信再次历经这个过程。这个过程。 2020世纪五十年代中期在太空计划的推动下开始这项技术的研究。重要标世纪五十年代中期在太空计划的推动下开始这项技术的研究。重要标志是志是19641964年

11、美国喷气推进实验室（年美国喷气推进实验室（JPLJPL）正式使用数字计算机对）正式使用数字计算机对“徘徊者徘徊者7 7号号”太空船送回的四千多张月球照片进行了处理。太空船送回的四千多张月球照片进行了处理。美国航天器传送的第一张月美国航天器传送的第一张月球照片，球照片，19641964年年7 7月月3131日在光日在光线影响月球表面线影响月球表面1717分钟摄取分钟摄取的图像。的图像。2007年年10月月24日日18时时05分分04秒秒西昌卫星发射中西昌卫星发射中心心“嫦娥一号嫦娥一号”卫星，卫星，11月月20日日传回的首张图片传回的首张图片月球背面一个典型的辐射线撞击坑月球背面一个典型的辐射线

12、撞击坑 三、数字图像处理的发展历史通过反演得到三维图通过反演得到三维图 n生物医学图像处理三、数字图像处理的发展历史主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例四、图像处理包括的内容n按颜色类别：二值图像(Binary Image)灰度图像(Grayscale Image)多光谱彩色图像(Multi-Spectrum Image)n按成像传感器类别：电视图像(TV/Visible Image)红外图像(Infrared Image)雷达图像(Radar Imag

13、e)超声图像(Ultrasonic Image) 核磁共振(Magnetic resonance imaging,MRI)X-RAY图像四、图像处理包括的内容n不同传感器图像对比：电视图像四、图像处理包括的内容红外图像n不同传感器图像对比：发热症状四、图像处理包括的内容可见光可见光红外红外四、图像处理包括的内容可见光可见光红外红外n不同传感器图像对比：可见光图像合成孔径雷达(SAR)图像四、图像处理包括的内容nX-Ray与超声图像X-光片超声图像四、图像处理包括的内容nMRI图像四、图像处理包括的内容nPET-正电子发射计算机断层显像它将人体代谢所必须的物质，如葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等，

14、标记上极微量的短寿命正电子核素，制成显像计注入人体，再用特殊的探测装置检测这些正电子标记物在体内的分布青况。人体不同组织的代谢状态不同，所以这些核素标记物质在人体各种组织中的分布也不同，这些特点可通过图像方式反映出来，从而可对病变进行分析和诊断。四、图像处理包括的内容n显微图像四、图像处理包括的内容n按动态与静态分类：静态图像(Static Image)动态图像(Dynamic Image)四、图像处理包括的内容n按应用方式分类：图像增强(Image Enhancement)图像恢复(Image Restoration)图像重建(Image Reconstruction)图像分割(Image

15、Segmentation)图像压缩(Image Compression)图像识别(Image Recognition)图像跟踪(Image Track)四、图像处理包括的内容图像融合(Image Fusion)n图像增强(主观)四、图像处理包括的内容原图像增强图像n图像恢复(客观）四、图像处理包括的内容原图像增强图像n图像重建n图像变换与重建图像变换与重建四、图像处理包括的内容n图像边缘检测与分割四、图像处理包括的内容n图像压缩压缩倍数 10.26，PSNR 36.51 压缩倍数 98.70，PSNR 25.22Lena 1994Lena 1974四、图像处理包括的内容n图像识别与分析四、图像

16、处理包括的内容纹理识别纹理识别指纹识别指纹识别人脸识别人脸识别笔迹签定笔迹签定车牌识别车牌识别图像处理包括的内容n图像跟踪n图像融合四、图像处理包括的内容n图像融合四、图像处理包括的内容n按理论方法分类：点处理、代数处理、几何处理变换域处理与分析随机统计等现代信号处理方法小波、形态学、分形等先进数学工具人工智能方法：如模式识别、神经网络、遗传算法等四、图像处理包括的内容主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例五、数字图像处理的应用 “道尔道尔” 野战地空导弹

17、武野战地空导弹武器系统，是世界上最先采用垂器系统，是世界上最先采用垂直发射方式的近程防空系统，直发射方式的近程防空系统，同时也是一种全天候、全自动、同时也是一种全天候、全自动、三位一体三位一体(目标搜索、跟踪和目标搜索、跟踪和导弹发射装置同时装在一辆车导弹发射装置同时装在一辆车上上)的新一代高性能防空导弹的新一代高性能防空导弹发射车。它具有警戒、指挥与发射车。它具有警戒、指挥与控制、导弹制导与发射等众多控制、导弹制导与发射等众多功能，既可以独立作战，也可功能，既可以独立作战，也可以和发射连的其它发射车协同以和发射连的其它发射车协同作战。它可在低空、超低空和作战。它可在低空、超低空和近程区域内拦

18、截多种非隐身与近程区域内拦截多种非隐身与隐身空袭目标，如固定翼飞机、隐身空袭目标，如固定翼飞机、直升机、无人机以及巡航导弹、直升机、无人机以及巡航导弹、空地导弹、反辐射导弹、精确空地导弹、反辐射导弹、精确制导炸弹等，主要用于保护陆制导炸弹等，主要用于保护陆地作战部队和一些重要目标免地作战部队和一些重要目标免遭敌人空袭，其性能在同类系遭敌人空袭，其性能在同类系统中是出类拔萃的。统中是出类拔萃的。 B2轰炸机的单价高达轰炸机的单价高达22.2亿美元，是世亿美元，是世界上迄今为止最昂贵的飞机。北约在对南联盟界上迄今为止最昂贵的飞机。北约在对南联盟空袭中，首次动用了空袭中，首次动用了2架架B2隐形战略

19、轰炸机，隐形战略轰炸机，使这种飞机第一次用于实战。使这种飞机第一次用于实战。B2轰炸机由美轰炸机由美国诺思罗普公司为美国空军研制，采用了众多国诺思罗普公司为美国空军研制，采用了众多的隐形技术，特别是它怪异的外形，机翼出奇的隐形技术，特别是它怪异的外形，机翼出奇的长，全身漆黑，就像一只巨大的蝙蝠，而且的长，全身漆黑，就像一只巨大的蝙蝠，而且外面看不到任何武器。该型机没有机身，机身外面看不到任何武器。该型机没有机身，机身与机体完全融为一体。它的高度约与机体完全融为一体。它的高度约5.18米，长米，长约约21米，翼展达米，翼展达52.42米。目前，美国空军有米。目前，美国空军有20架架B2轰炸机，并

20、正在研制一种轰炸机，并正在研制一种“绰号绰号”为为“金冠球座金冠球座”（TEESAM）的空对空、空）的空对空、空对地和空对舰三维远程攻击导弹。扬言，对地和空对舰三维远程攻击导弹。扬言，B2轰炸机能在接到命令后数小时内自美国本土起轰炸机能在接到命令后数小时内自美国本土起飞，攻击世界任何地区的目标。飞，攻击世界任何地区的目标。 主要内容u引言引言u数字图像的基本概念数字图像的基本概念u数字图像的发展历史数字图像的发展历史u数字图像处理的研究内容数字图像处理的研究内容u数字图像的应用举例数字图像的应用举例几点要求几点要求n教学日历：（教学日历：（每周4个学时，周一1-2节，周四5-6节） 1-121-12周，包括课堂教学周，包括课堂教学(40)(40)与上机练习与上机练习(8).(8).n作业与考试：作业与考试： 作业作业5-65-6次，平时成绩（次，平时成绩（2020分）、实验（分）、实验（2020分）与期末考试（分）与期末考试（6060分）分）n至少掌握一门编程语言：至少掌握一门编程语言： VC+ VC+ 或或 MatlabMatlab 教教 材：材： 光电图像处理及应用光电图像处理及应用，彭真明等，电子科技大学出版社，彭真明等，电子科技大学出版社，20