数字图像处理复习

1、数字图像处理数字图像处理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颜色明亮的程度；一幅灰度图颜色明亮的程度；一幅灰度图像只有明度特征，而彩色图像还具有色调和饱和度两个像只有明度特征，而彩色图像还具有色调和饱和度两个色度特征；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程度表示颜色接近光谱色的程度。n“图像图像”为为“事件或事物的一种表示、写真或临摹，或一个生事件或事物的一种表示、写真或

2、临摹，或一个生动的或图形化的描述动的或图形化的描述”。图像是客观景物通过某种系统的一种映。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。射；从广义上说，是自然界景物的客观反映。n模拟图像（物理图像）模拟图像（物理图像）：直接从观测系统（输入系统）获得、直接从观测系统（输入系统）获得、未经采样和量化的图像；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模拟图像在空间分布和亮度取值上均为连续分布。为连续分布。n数字图像数字图像：图像的数字表示或经过采样和量化的图像图像的数字表示或经过采样和量化的图像，像素就像素就是离散单元是离散单元，量化的灰度就是数字量值，量化

3、的灰度就是数字量值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3. 基本图像处理系统的结构基本图像处理系统的结构图像存储系统图像存储系统4. 数字图像的获取数字图像的获取 （1 1） 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 （2 2）基于光电倍增管的输入设备）基于光电倍增管的输入设备 滚筒扫描仪 （3 3）基于采集卡输入设备）基于采集卡输入设备5. 图像质量与图像质量与空间分辨率空间分辨率和和灰度分辨率灰度分辨率的关系的关系 影响图像清晰度的因素影响图像清晰度的因素6. 图像处理包括的内容图像处理包括

4、的内容图像增强图像增强(Image Enhancement)图像恢复图像恢复(Image Restoration)图像重建图像重建(Image Reconstruction)图像分割图像分割(Image Segmentation)图像压缩图像压缩(Image Compression)图像识别图像识别(Image Recognition)图像跟踪图像跟踪(Image Track)图像融合图像融合(Image Fusion)空间探索、遥感应用空间探索、遥感应用生物医学工程生物医学工程工业应用工业应用视觉检验、零部件选取、过程控制、交通监控、视觉检验、零部件选取、过程控制、交通监控、自动驾驶等。自动

5、驾驶等。军事军事/公安公安指纹识别、人脸识别、笔迹鉴定、目标探测与跟踪。指纹识别、人脸识别、笔迹鉴定、目标探测与跟踪。农业应用农业应用农作物选种农作物选种数字娱乐数字娱乐网络数字媒体、视频特技、虚拟现实、视频会议等。网络数字媒体、视频特技、虚拟现实、视频会议等。8. 数字图像处理的应用数字图像处理的应用1. 视觉感觉要素视觉感觉要素n 瞳孔：瞳孔：控制进入人眼内之光通量控制进入人眼内之光通量(照相机光圈作用照相机光圈作用)。n 晶状体：晶状体：其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象。在视网膜上成象。n 视细胞：视细胞：视网膜上的视细胞分为

6、两类：视网膜上的视细胞分为两类：锥状细胞、杆锥状细胞、杆(柱柱)状细胞。状细胞。p 锥状体细胞（锥状体细胞（600-700w600-700w）：明视细胞：明视细胞, ,在强光下在强光下检测亮度和颜色检测亮度和颜色p杆杆( (柱柱) )状体细胞状体细胞(7500-15000w)(7500-15000w)：暗视细胞，在弱光下暗视细胞，在弱光下检测亮度，检测亮度， 无色彩感觉无色彩感觉( (微光视觉微光视觉/ /暗视觉暗视觉) )。视细胞视细胞视神经视神经视经中枢视经中枢光信号光信号生理电信号生理电信号成像成像大脑大脑2.人眼成象过程人眼成象过程 视觉的空间特性视觉的空间特性 人眼的空间分辨能力为人

7、眼的空间分辨能力为1(1/60度度)；灰度分辨能力大；灰度分辨能力大约约64级。级。 视觉的时间特性视觉的时间特性 活动图像的帧频至少是活动图像的帧频至少是15帧帧/s的时候，人眼才有图的时候，人眼才有图像连贯的感觉。像连贯的感觉。3.视觉感觉要素视觉感觉要素4 .数字图像的取样和量化数字图像的取样和量化p 采样：空间上的离散化采样：空间上的离散化p 量化：灰度上的离散化量化：灰度上的离散化灰度级灰度级L=2L=2k k, ,称为称为k k位图像位图像5.空间和灰度分辨率空间和灰度分辨率6.图像的收缩与放大图像的收缩与放大空间分辨率空间分辨率: :图像中可分辨的最小细节，主要由图像中可分辨的最

8、小细节，主要由采样间隔采样间隔值值决定决定, ,采样间隔值越小，空间分辨率越高采样间隔值越小，空间分辨率越高. .灰度分辨率灰度分辨率: : 灰度级别中灰度级别中可辨别的最小变化可辨别的最小变化，通常也把灰，通常也把灰度级度级L L称为灰度分辨率称为灰度分辨率（1）图像的收缩）图像的收缩 行、列删除行、列删除（2 2）图像的放大）图像的放大 创立新的象素位置；创立新的象素位置； 给新象素赋灰度值给新象素赋灰度值内插法内插法：最近邻内插，双线最近邻内插，双线性内插和双三次内插性内插和双三次内插7、 图像处理的算术操作图像处理的算术操作 算数运算算数运算是指对两幅或多幅输入图像进行是指对两幅或多幅

9、输入图像进行点对点的加、减、点对点的加、减、乘、除乘、除计算而得到输出图像的运算（计算而得到输出图像的运算（。p 加法：加法：去除去除“叠加性叠加性”噪音噪音 ，生成图像的叠加效果生成图像的叠加效果p 减法：减法：去除不需要的叠加性图案；检测两幅图像之间的差别；去除不需要的叠加性图案；检测两幅图像之间的差别； 计算物体边界的梯度（差分运算）计算物体边界的梯度（差分运算）；8. 图像处理的空间操作图像处理的空间操作1. 单象素操作：单象素操作：( )(2.620)sT z原图像中象素的灰度值；原图像中象素的灰度值；处理后图像中象素的灰度值处理后图像中象素的灰度值z s 2. 邻域操作：邻域操作：

10、( , )( , )xySf x yx y 中中以以任任意意一一点点为为中中心心的的一一个个邻邻域域的的坐坐标标集集；( , )1( , )( , )(2.621)xyr cSg x yf r cmn 邻域处理的局部平均：邻域处理的局部平均：3. 几何空间变换几何空间变换 4. 图像处理的概率方法图像处理的概率方法概率方法应用的前提：直将图像的概率方法应用的前提：直将图像的灰度值灰度值看成是看成是随机变量随机变量p 图象增强图象增强p 目的目的 1.1.改善图象的视觉效果，提高图像的清晰度；改善图象的视觉效果，提高图像的清晰度； 2.2.图像更适合于图像更适合于人眼观察人眼观察和和机器分析识别

11、机器分析识别的形式的形式p 基本方法基本方法空间域处理：空间域处理：点处理（图象灰度变换、直方图均衡等）点处理（图象灰度变换、直方图均衡等）； 邻域处理（线性、非线性平滑和锐化等）；邻域处理（线性、非线性平滑和锐化等）；频域处理频域处理 ： 空间滤波空间滤波 灰度级变换函数：灰度级变换函数： s = T (r) r:变换前像素，变换前像素，s:变变 换后像素换后像素 三种基本类型三种基本类型 1.线性的线性的(正比或反比正比或反比) 2.对数的对数的(对数和反对数的对数和反对数的) 3.幂次的幂次的(n次幂和次幂和n次方根变换）次方根变换） 4.分段线性变换函数分段线性变换函数 1. 图象灰度

12、变换图象灰度变换图像反转图像反转对数变换对数变换幂次变换幂次变换 rLs1)1log(rcscrs 2. 直方图处理直方图处理直方图直方图：()kkh rn 0,1kkkrLnr其其中中：灰灰度度级级；灰灰度度级级为为 的的象象素素个个数数归一化直方图：归一化直方图：n 其其中中：象象素素总总数数10( ),01,0,1,2,.1( )1kkrkrkLrkrnp rprLnp r krrp 原始图象原始图象灰度分布的概率密度函数灰度分布的概率密度函数直方图直方图和图像清晰度的关系和图像清晰度的关系：p 直方图均衡化处理直方图均衡化处理p 直方图规定化直方图规定化：将原始图象的直方图转换为期望将

13、原始图象的直方图转换为期望的直方图的形状的直方图的形状3.空间滤波基础空间滤波基础 图像的平滑、锐化都是利用掩模操作来完成的。通过图像的平滑、锐化都是利用掩模操作来完成的。通过掩模掩模操作操作实现一种邻域运算实现一种邻域运算p 掩模运算的数学含义是掩模运算的数学含义是（或（或）运算；）运算；p 掩模子图像中的值是系数值，而不是灰度值；掩模子图像中的值是系数值，而不是灰度值；p 掩膜版与图像的相关和卷积运算掩膜版与图像的相关和卷积运算4. 空间平滑滤波空间平滑滤波 p 平滑线性滤波器（均值滤波器，滤波器领域模板平滑线性滤波器（均值滤波器，滤波器领域模板内像素的简单平均）内像素的简单平均） 用途：

14、用途：用于模糊处理和减少噪声。用于模糊处理和减少噪声。p 中值滤波器（统计滤波器的一种，模板领域内像中值滤波器（统计滤波器的一种，模板领域内像素排序，取中间值）素排序，取中间值） 主要用途：去除主要用途：去除“椒盐椒盐”噪声噪声5. 空间锐化滤波器空间锐化滤波器锐化处理的目的：锐化处理的目的：是突出图像中的细节或者增强被模糊是突出图像中的细节或者增强被模糊了的细节了的细节. .p 一阶微分算子一阶微分算子p 拉普拉斯算子拉普拉斯算子p 梯度算子梯度算子p RobertRobert交叉梯度算子交叉梯度算子n 图像是二维信号，其坐标轴是二维空间坐标轴，图像本图像是二维信号，其坐标轴是二维空间坐标轴

15、，图像本身所在的域称为身所在的域称为空间域空间域（S Spacepace D Domainomain）。）。n 图像灰度值随空间坐标变化的快慢也用频率来度量，称图像灰度值随空间坐标变化的快慢也用频率来度量，称为为空间频率空间频率（S Spatial patial F Frequencyrequency）。）。n 利用傅里叶变换的特性，将时间信号正变换到频率利用傅里叶变换的特性，将时间信号正变换到频率域后进行处理（例如低通、高通或带通），然后再反域后进行处理（例如低通、高通或带通），然后再反变换成时间信号，即可完成对信号的滤波。变换成时间信号，即可完成对信号的滤波。1.一维（连续）傅里叶变换一维

16、（连续）傅里叶变换1( )( )( )exp j2d( )( )( )expj2dFf xF uf xuxxFF uf xF uuxu 一维离散傅里叶变换一维离散傅里叶变换21j021j0( )1( )( )e0,1,1( )( )e0,1,1mnNNnmnNNmx nX mx nmNNx nX mnN则如果为一数字序列，其离散傅里叶正反变换：其中其中( , )f x y( , )( , )exp j2()d d( , )( , )expj2()d dF u vf x yuxvyx yf x yF u vuxvyu v 2. 二维连续函数二维连续函数 的傅里叶变换的傅里叶变换11-j2(/)0

17、011j2(/)001( , )( , )e( , )( , )eMNux Mvy NxyMNux Mvy NuvF u vf x yMNf x yF u v 二维离散傅里叶变换二维离散傅里叶变换3. 频域中的滤波频域中的滤波思想：思想：通过滤波器函数以某种方式来修改图像变换，通过滤波器函数以某种方式来修改图像变换，然后通过取结果的反变换来获得处理后的输出图像。然后通过取结果的反变换来获得处理后的输出图像。（1） 陷波滤波器（带阻滤波）陷波滤波器（带阻滤波）0( , )(,)( , )221MNu vH u v 其其它它（2）低通滤波器（低通滤波器（模糊）模糊）类比空间域滤波的平滑处理，类比空

18、间域滤波的平滑处理，如如均值滤波器均值滤波器（3）高通滤波器（）高通滤波器（锐化）锐化）类比空间域的类比空间域的梯度算子梯度算子、拉拉普拉斯算子普拉斯算子4、使用频率滤波器平滑图像（、使用频率滤波器平滑图像（低通低通）平滑理想低通滤波器理想低通滤波器巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯低通滤波器高斯低通滤波器高斯低通滤波器5、使用频率域滤波器锐化图像（、使用频率域滤波器锐化图像（高通高通）理想高通滤波器理想高通滤波器巴特沃斯高通滤波器巴特沃斯高通滤波器高斯高通滤波器高斯高通滤波器锐化此外此外：频率域的拉普拉斯算子；锐化模板、高提升滤波和高频率域的拉普拉斯算子；锐化模板、高提升滤波和高频强调滤波频强调滤波

19、；同态滤波同态滤波n 图像退化图像退化 图像在形成、记录、处理和传输过程中图像在形成、记录、处理和传输过程中,由于成像系统、记由于成像系统、记录设备、传输介质和处理方法得不完善，导致图像质量下录设备、传输介质和处理方法得不完善，导致图像质量下降，称为降，称为图像退化图像退化。n 图像退化的原因图像退化的原因 成像系统的散焦成像系统的散焦 成像设备与物体的相对运动引起运动模糊成像设备与物体的相对运动引起运动模糊 成像器材的固有缺陷成像器材的固有缺陷 外部干扰等外部干扰等。n 图像复原图像复原即根据退化的原因即根据退化的原因, ,分析引起退化的环境因素分析引起退化的环境因素, ,建立相应建立相应的

20、数学模型的数学模型, ,并并沿着使图像降质的逆过程恢复图像沿着使图像降质的逆过程恢复图像。因此因此, ,复原技术就是把退化模型化复原技术就是把退化模型化, ,并采用相反的过程进行处理并采用相反的过程进行处理, ,以便复原出原图像以便复原出原图像。 与图像增强相似，与图像增强相似，图像复原的目的也是改善图像质量。图像复原的目的也是改善图像质量。 图像增强主要是一个主观过程，而图像复原主要是一个图像增强主要是一个主观过程，而图像复原主要是一个客观过程。客观过程。 图像复原技术可以使用图像复原技术可以使用空间域或频率域滤波器空间域或频率域滤波器实现。实现。( , )( , )*( , )( , )g

21、 x yh x yf x yx y( , )( , ) ( , )( , )G u vH u v F u vN u vn 图像退化图像退化/复原过程的模型复原过程的模型2( )( )juxF uf x edx退化函数退化函数 H复原滤波复原滤波 退化退化 复原复原( , )( , )*( , )( , )g x yh x yf x yx y1. 一些重要的噪声一些重要的噪声p 高斯噪声高斯噪声 p 瑞利噪声瑞利噪声 p 伽马（爱尔兰）噪声伽马（爱尔兰）噪声 p 指数分布噪声指数分布噪声 p 均匀分布噪声均匀分布噪声 p 脉冲噪声（椒盐噪声）脉冲噪声（椒盐噪声）2. 只存在噪声的复原只存在噪声的

22、复原空间滤波空间滤波（1）均值滤波器）均值滤波器p 算术均值滤波器算术均值滤波器p 谐波均值滤波器谐波均值滤波器p 逆谐波均值滤波器逆谐波均值滤波器（2）顺序统计滤波器）顺序统计滤波器中值、最大值、最小值，中点滤波器及修正后的中值、最大值、最小值，中点滤波器及修正后的阿尔法均值滤波器阿尔法均值滤波器（3）自适应滤波器）自适应滤波器(1)(1)自适应、局部噪声消除滤波器自适应、局部噪声消除滤波器(2) (2) 自适应中值滤波器自适应中值滤波器( (可用于处理更大概率密度得可用于处理更大概率密度得冲激噪声冲激噪声) )（4 4）带阻滤波器）带阻滤波器 频率滤波消减频率滤波消减周期噪声周期噪声（3）线性、位置不变的退化）线性、位置不变的退化由于退化模型为卷积的结果由于退化模型为卷积的结果, ,且图像复原需要滤波器且图像复原需要滤波器, ,应此应此术语术语”图像去卷积图像去卷积”常用于表示线性图像复原常用于表示线性图像复原, ,而用于复而用于复原处理的滤波器称为原处理的滤波器称为“去卷积滤波器去卷积滤波器”. .估计退化函数的方法估计退化函数的方法: :(1)观察法观察法(2)实验法实验法(3)数学建模法数学建模法n 图像复原图像复原（1 1）逆滤波）逆滤波（2 2）最小均方差误差滤波）最小均方差