数字图像处理第1章

1、数字图像处理数字图像处理前言前言是一门关于如何用是一门关于如何用计算机对图象进行处理的学科。本课程主要讲解基本原理和方法，计算机对图象进行处理的学科。本课程主要讲解基本原理和方法，也兼顾编程实践（也兼顾编程实践（MATLAB实现）。实现）。教材：教材：数字图像处理，许录平，科学出版社，数字图像处理，许录平，科学出版社，2007参考书：参考书：Digital Image Processing, R. C. Gonzalez, Prentice Hall, 2002. (中文版，阮秋琦译，电子工业出版社中文版，阮秋琦译，电子工业出版社)2.数字图像处理及数字图像处理及MATLAB实现，余成波，重庆

2、大学出版实现，余成波，重庆大学出版 社，社， 20033. 数字图像处理学数字图像处理学 Visual C+实现，郎锐编，北京希望电子出实现，郎锐编，北京希望电子出版社，版社，2002 什么是数字图象？ 数字图象是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。数字图象是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。对于单色即灰度图象而言，每个象素的亮度用一个数值来表示，对于单色即灰度图象而言，每个象素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在通常数值范围在0 0到到255255之间，即可用一个字节来表示，之间，即可用一个字节来表示，0 0表示黑、表示黑、255255表示白，而其它表示灰度。如下图所示：表示白，

3、而其它表示灰度。如下图所示：125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49,111,114,114,123,126,121,116,110,107,116,116,129,135,134,131,120,126,121, 85, 32

4、, 29, 43, 33, 37, 52, 32,105,114,117,118,123,122,116,113,118,112,104,108,111,105,113,126,123,107, 51, 27, 25, 34, 40, 35, 39, 36,灰度图象灰度图象(128x128)(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(26x31)(26x31)） 图像是一种图像是一种空间空间信息，它具体地表明了事物的形态、位置信息，它具体地表明了事物的形态、位置和色彩等，以便人们进行观察、测量和识别。图像包含了丰富的和色彩等，以便人们进行观察、测量和识别

5、。图像包含了丰富的信息，它直观地提供了景物的颜色、亮度、纹理、位置和形状等。信息，它直观地提供了景物的颜色、亮度、纹理、位置和形状等。上述信息成为人们理解该图像所表现的事物的基础。上述信息成为人们理解该图像所表现的事物的基础。 图像在人类接收和传递信息中都起着重要的作用。因为图图像在人类接收和传递信息中都起着重要的作用。因为图像比起声音、文字信息有其突出的长处，那就是图像的像比起声音、文字信息有其突出的长处，那就是图像的直观性、直观性、客观性客观性，它能原封不动地将客观事物的原形展现在眼前。而声音、，它能原封不动地将客观事物的原形展现在眼前。而声音、文字信息则是通过描述来表达事物，即属于描述性

6、的信息。会受文字信息则是通过描述来表达事物，即属于描述性的信息。会受到描述者的许多因素的影响，诸如主观、片面、专业、情绪、状到描述者的许多因素的影响，诸如主观、片面、专业、情绪、状态等都会使描述偏离客观事物。态等都会使描述偏离客观事物。图像信息的重要性图像信息的重要性 图像信息的重要性还在于人们的视觉系统有着瞬间获取图像信息的重要性还在于人们的视觉系统有着瞬间获取图像、分析图像、识别图像和理解图像的能力。从视觉接受图像、分析图像、识别图像和理解图像的能力。从视觉接受信息的角度看，可认为图像是空间客观景物在眼球视网膜上信息的角度看，可认为图像是空间客观景物在眼球视网膜上形成的像。形成的像。 视觉

7、系统和大脑具有高超的能力，能区分图像中的物体视觉系统和大脑具有高超的能力，能区分图像中的物体与背景；能感知颜色、亮度、形状、方向、位置、运动等信与背景；能感知颜色、亮度、形状、方向、位置、运动等信息的细微差别；能将有意义的信息综合成一体；有很强的信息的细微差别；能将有意义的信息综合成一体；有很强的信息存储能力；具有高效地进行平行处理的能力等等。其实，息存储能力；具有高效地进行平行处理的能力等等。其实，人们在生活和非自动化生产中，都离不开用视觉获取图像和人们在生活和非自动化生产中，都离不开用视觉获取图像和处理图像。处理图像。人类通过眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。约有75%的信息是通过视觉

8、系统获取的。数字图象处理是用数字计算机处理所获取视觉信息的技术。 数字图像处理数字图像处理：即利用计算机对数字图像进行处理即利用计算机对数字图像进行处理 ，它具有精度，它具有精度高、处理内容丰富、方法易变、灵活度高等优点。但是它的处高、处理内容丰富、方法易变、灵活度高等优点。但是它的处理速度受到计算机和数字器件的限制，一般也是串行处理，因理速度受到计算机和数字器件的限制，一般也是串行处理，因此处理速度较慢。此处理速度较慢。光电结合处理光电结合处理：用光学方法完成运算量巨大的处理（如频谱变换用光学方法完成运算量巨大的处理（如频谱变换等），而用计算机对光学处理结果（如频谱）进行分析判断等等），而用

9、计算机对光学处理结果（如频谱）进行分析判断等处理。该方法是前两种方法的有机结合，它集结了二者的优点。处理。该方法是前两种方法的有机结合，它集结了二者的优点。光电结合处理是今后图像处理的发展方向，也是一个值得关注光电结合处理是今后图像处理的发展方向，也是一个值得关注的研究方向。的研究方向。 运动图像可用（静止）图像序列表示，彩色图像可分运动图像可用（静止）图像序列表示，彩色图像可分解成三基色图像，三维图像可由二维重建。因此本课程主解成三基色图像，三维图像可由二维重建。因此本课程主要针对平面上的静止灰度图像进行论述。要针对平面上的静止灰度图像进行论述。（1 1）空间有界）空间有界: :人的视野有限

10、，一幅图像的大小也有限。人的视野有限，一幅图像的大小也有限。 （2 2）幅度（强度）有限）幅度（强度）有限 ：即对于所有的：即对于所有的x，y都有都有 0f(x,y) Bm 其中其中Bm为有限值为有限值 。一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像通信、图像处理和分析五个模块组成。图像通信、图像处理和分析五个模块组成。如下图所示：如下图所示：在图像分析、识别和理解中，一般需要将在图像分析、识别和理解中，一般需要将处理前后的图像显示出来，或将处理结果永久保存。前者称为软处理前后的图像显示出来，或将处理结果永久保存。前者称为软拷贝或显示，使

11、用设备包括拷贝或显示，使用设备包括CRTCRT显示器、液晶显示器和投影仪等。显示器、液晶显示器和投影仪等。后者称为硬拷贝，使用设备包括照相机、激光拷贝和打印机等。后者称为硬拷贝，使用设备包括照相机、激光拷贝和打印机等。对图像数据进行传输和通信。由于图像数对图像数据进行传输和通信。由于图像数据量很大，而能提供通信的信道传输率又有限，因此传输前必须据量很大，而能提供通信的信道传输率又有限，因此传输前必须对表示图像信息的数据进行压缩编码，以减少图像数据量。对表示图像信息的数据进行压缩编码，以减少图像数据量。包括处理算法、实现软件和计算机，包括处理算法、实现软件和计算机，一般包括下面三种形式：一般包括

12、下面三种形式：主要是星体图片的获取、传送和处理。主要是星体图片的获取、传送和处理。图像信息传输、电视电话、卫星通信、数图像信息传输、电视电话、卫星通信、数字电话等。主要是压缩图像数据和动态图像（序列）传送字电话等。主要是压缩图像数据和动态图像（序列）传送 。（航空遥感和卫星遥感），地形、地质、（航空遥感和卫星遥感），地形、地质、资源的勘测，自然灾害监测、预报和调查，环境监测、调查资源的勘测，自然灾害监测、预报和调查，环境监测、调查等等 。细胞分析、染色体分类、放射图像细胞分析、染色体分类、放射图像处理、血球分类、各种处理、血球分类、各种CTCT、核磁共振图像分析、核磁共振图像分析、DNADNA

13、显示分析、显示分析、显微图像处理、癌细胞识别、心脏活动的动态分析、超声图显微图像处理、癌细胞识别、心脏活动的动态分析、超声图像成像、生物进化的图像分析等等像成像、生物进化的图像分析等等 。 。 (1) 读取和显示图像读取和显示图像 首先清除首先清除MATLAB所有所有的工作平台变量，关闭已打的工作平台变量，关闭已打开的图形窗口，读取和显示开的图形窗口，读取和显示灰度灰度图像图像 rice.tifrice.tif ，其程，其程序如下：序如下： clear;clear; close all; close all; I=imread(rice.tif); I=imread(rice.tif); im

14、show(I); imshow(I);(2) 估计图像背景估计图像背景 图像图像 rice.tifrice.tif 中心位置的背景亮度要高于其中心位置的背景亮度要高于其他部分的亮度。他部分的亮度。使用使用 imopenimopen 函数和一个半径为函数和一个半径为15的圆盘形结构元素对输入的图像的圆盘形结构元素对输入的图像I进行形态打开操进行形态打开操作。形态打开操作将会删除那些不完全包括在半径作。形态打开操作将会删除那些不完全包括在半径为为15的圆盘中的对象，从而实现背景亮度的估计，的圆盘中的对象，从而实现背景亮度的估计，其程序如下：其程序如下： background=imopen (I,s

15、trel (disk,15);background=imopen (I,strel (disk,15); (3) 从原始图像中减去背景图像从原始图像中减去背景图像 将背景图像将背景图像 backgroundbackground 从原始图像从原始图像I I中减去，从而中减去，从而创建一个新的、背景较为一致的图像，其程序如下：创建一个新的、背景较为一致的图像，其程序如下： I2=imsubtract (I,background);I2=imsubtract (I,background); figure, imshow(I2);figure, imshow(I2); (4)调节图像对比度调节图像对比

16、度 从上图可以看出，修改后的图像很暗，可以使用从上图可以看出，修改后的图像很暗，可以使用 imadjustimadjust函数来调节图像的对比度，并显示调节后的效果。函数来调节图像的对比度，并显示调节后的效果。 I3 = imadjust(I2,stretchlim(I2),0 1);I3 = imadjust(I2,stretchlim(I2),0 1); figure,imshow(I3);figure,imshow(I3); (5) 使用使用值操作将图像转换为二进制图像值操作将图像转换为二进制图像 通过使用函数通过使用函数 graythresh graythresh 和和 im2bwim

17、2bw 创建一个新的二值图创建一个新的二值图像像 bwbw，其程序如下：，其程序如下： level=graythresh(I3);level=graythresh(I3); bw=im2bw(I3,level);bw=im2bw(I3,level);figure,imshow (bw);figure,imshow (bw);(6) 检查图像中的对象个数检查图像中的对象个数 为了确定图像中的米粒的个数，使用为了确定图像中的米粒的个数，使用bwlabelbwlabel函数，函数，该函数标示了二值图像该函数标示了二值图像bwbw中的所有相关成分，并且返回中的所有相关成分，并且返回在图像中找到的对象个

18、数在图像中找到的对象个数 numobjectsnumobjects：labeled,numobjects=bwlabel(bw,4);labeled,numobjects=bwlabel(bw,4);numobjects=numobjects= 80(7) 检查标记矩阵检查标记矩阵 观察标记矩阵的一个好办法就是将其显示为一个伪观察标记矩阵的一个好办法就是将其显示为一个伪彩色的索引图像。函数彩色的索引图像。函数label2rgblabel2rgb可以指定调色板、背可以指定调色板、背景颜色以及标记矩阵中的对象将如何被映射为调色板中景颜色以及标记矩阵中的对象将如何被映射为调色板中的颜色，其程序如下：

19、的颜色，其程序如下： (8) 计算图像中对象的统计属性计算图像中对象的统计属性 regionprops 命令可以用来调节图像中对象或区域的命令可以用来调节图像中对象或区域的属性，并将这些属性返回到一个结构体数组中。当调用属性，并将这些属性返回到一个结构体数组中。当调用regionprops函数来返回一个包含图像中所有米粒阈值的函数来返回一个包含图像中所有米粒阈值的基本属性度量结构体时，使用以下基本属性度量结构体时，使用以下MATLAB函数来计算函数来计算阈值对象的一些统计属性：首先使用阈值对象的一些统计属性：首先使用 max 获取最大的米获取最大的米粒大小，其程序如下：粒大小，其程序如下： graindata=regionprops(labeled,basic ); allgrains=graindata.Area; max(allgrains)运行后运行后MATLABMATLAB将返回以下数据：将返回以下数