matlab《数字图像处理》第1章 绪论课件

1、数字图像处理1本课程主要介绍数字图像处理的基本概念、理论、方法和应用。通过学习本课程，掌握数字图像处理的基本原理，培养解决实际图像处理问题的能力。为进行数字图像处理相关领域的研究奠定坚实的基础。课 程 介 绍2参 考 教 材one345three7four8掌握数字图像处理的基本方法，为数字图像处理奠定良好的基础。能够把MATLAB应用于实际的图像处理领域。 学 习 目 的10关于本课程的基础知识和学习方法基础知识： 线性代数、高数、概率论数字信号处理、程序设计语言 英语和编程基础学习方法：切忌死记硬背通过数学理解处理图像的意义上机编程分析图像学 习 方 法11教 学 安 排课程安排总学时：4

2、8学时理论：32学时 上机：16学时成绩评定平时成绩：10%实验成绩：20%考试成绩：70%（上机编程处理图像）121.1 数字图像处理的发展1.2 数字图像处理的相关概念 1.3 数字图像处理方法 1.4 数字图像处理的主要研究内容1.5 数字图像处理的应用实例1.6 数字图像处理领域的发展动向第 1 章 绪论14 掌握常用图像处理术语 了解发展过程及动向 了解数字图像处理的应用学习目标15171.1 数字图像处理的发展 图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。据统计，在人类接受的信息中，图像等视觉信息所占的比重达到75%。 数字图像处理技术已经成为信息科学、计算机科学、工程科学、

3、地球科学等诸多方面的学者研究图像的有效工具。 18数字图像处理起源于20世纪20年代。 当时，人们通过Bartlane海底电缆图片传输系统，从伦敦到纽约传输了一幅经过数字压缩后的照片，从而把传输时间从一周多减少到不到3小时。1921年电报打印机采用特殊字符在编码纸带打印。输出设备从通用在到专用1922年两次穿越大西洋，穿孔纸带得到图像检测误差。图像通信系统信源编码和信道编码1929年从伦敦到纽约15级色调通过电缆传输照片。从早期5个灰度到15灰度。现在的网络、移动通信再次历经这个过程。19 为了传输图片，该系统首先在传输端进行图像编码，然后在接收端用特殊打印设备重构该图片。 该应用已经包含了数

4、字图像处理的知识，但还称不上真正意义的数字图像处理，因为它没有涉及到计算机。20 第一台可以执行有意义的图像处理任务的大型计算机出现在20世纪60年代早期。 1964年，位于加利福尼亚的美国喷气推进实验室（JPL实验室）处理了太空船“徘徊者七号”发回的月球照片，以校正航天器上电视摄像机中的各种类型的图像畸变，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理，以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，获得了非凡的成果，为人类登月创举奠定了坚实的基础，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。 21“徘徊者7

5、号”太空船于1964年7月31号在东部白天时间着陆前17分钟拍摄的，其中网状标记表示经过了几何校正22Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。24图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。 从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界，这被称为图像理解或计算机视

6、觉。 今天，几乎不存在与数字图像处理无关的技术领域25271.2 数字图像处理的相关概念1.2.1 数字图像及其组成要素 图-是物体透射或反射光的分布，是客观存在的。像-是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或反映。图像-是图和像的有机结合，是客观世界能量或状态以可视化形式在二维平面上的投影。28从人眼的视觉特点看，图像分为可见图像和不可见图像。其中可见图像又包括生成图和光图像两类。光图像侧重于用透镜、光栅和全息技术产生的图像。通常所指的图像是光图像。29按波段多少，图像可分为单波段、多波段和超波段图像。 单波段图像在每个点只有一个亮度值。 多光谱图像上每一个点不只一个特性。 例如红、绿、

7、蓝三波段光谱图像或彩色图像在每个点具有红、绿、蓝三个亮度值，这三个值表示在不同光波段上的强度，人眼看来就是不同的颜色。30 按图像空间坐标和明暗程度的连续性可分为模拟图像和数字图像。 模拟图像指空间坐标和明暗程度都是连续变化的、计算机无法直接处理的图像。 数字图像是一种空间坐标和灰度均不连续的、用离散的数字表示的图像。这样的图像才能被计算机处理。31（1）模拟图像：光学图像、模拟电视图像等。 处理速度快，但精度和灵活度差。（2）数字图像：数码相机、数字电视等。是将连续的模拟图像经过离散化处理后得到的计算机可以识别及处理的点阵图像。数字图像像素数字图像的优点：（1）精度高：目前计算机可将模拟图像

8、转化成高精度数字图像（2）处理方便：数字图像是一组数据，可利用计算机对其处理（3）重复性好：数字图像可比模拟图像有正常的保质时间32数字图像 数字图像可以理解为图像的数字表示，是时间和空间的非连续函数(信号)，是为了便于计算机处理的一种图像表示形式。它是由一系列离散单元经过量化后形成的灰度值的集合，即像素(Pixel)的集合。33 对图像进行一系列的操作以达到预期的目的的技术称作图像处理。图像处理可分为模拟图像处理和数字图像处理两种方式。 利用光学、照相和电子学方法对模拟图像的处理称为模拟图像处理。目前，许多军用、宇航的处理仍采用光学模拟处理。 利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得某种预

9、期的结果的技术称为数字图像处理，又称计算机图像处理。通常，也简称为图像处理。1.2.2 图像处理34 图像处理的内容相当丰富，包括狭义的图像处理、图像分析与图像理解。狭义的图像处理着重强调在图像之间进行的变换，是一个从图像到图像的过程，是比较低层的操作。狭义的图像处理主要满足对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果，或对图像进行压缩编码以减少所需存储空间或传输时间，达到传输通路的要求。特点：主要在像素级进行处理，处理的数据量非常大。351.2.3 图像分析 图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，从而建立对图像的描述。图像分析主要研究用自动或半自动装置和系统，从图像中提取有用的测度、

10、数据或信息，生成非图像的描述或者表示。图像分析的内容分为特征提取、符号描述、目标检测、景物匹配和识别等几个部分。特点：是一个从图像到数据的过程，可以看作是中层处理。361.2.4 图像理解图像理解是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导和规划行动。图像理解有时也叫景物理解。图像理解主要是高层操作，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。371.2.5 与相关学科的关系数字图像处理是一门新的交叉学科。它与数学、物理学、生理学、心理学、电子学、计算机科学等许多学科可以相互借鉴。从它的研究范围来看，它

11、与模式识别、计算机视觉、计算机图形学等多个专业又互相交叉。38宏观世界图像图像数据(人)符号新技术新理论新工具图像处理模式识别图像分析计算机视觉计算机图形学图像理解图像理解(转换)图像处理与相关学科的联系和区别391.3 数字图像处理方法数字图像的处理方法种类繁多，根据不同的分类标准可以得到不向的分类结果。根据对图像作用域的不同，数字图像处理方法大致可分为两大类，即：空域算法和变换域算法。401.3.1 空域处理方法空域处理方法是指在空间域内直接对数字图像进行处理。在处理时，既可以直接对图像各像素点进行灰度上的变换处理，也可以对图像进行小区域模板的空域滤波等处理，以充分考虑像素邻域像素点对其的

12、影响。空域处理法主要有两大类： (1)邻域处理法 (2)点处理法411.3.2 变换域处理方法 变换域处理方法首先主要是通过傅立叶变换、离散余弦变换、沃尔什变换或是比较新的小波变换等变换算法，将图像从空域变换到相应的变换域，得到变换域系数阵列，然后在变换域中对图像进行处理，处理完成后再将图像从变换域反变换到空间域，得到处理结果。421.4 数字图像处理研究的主要内容1.4.1 图像变换1.4.2 图像增强1.4.3 图像编码与压缩1.4.4 图像复原1.4.5 图像重建431.4.1 图像变换图像变换是图像处理和图像分析的一个重要分支，它将图像从空间域变换到变换域，然后在变换域对图像进行处理和

13、分析。图像变换是许多图像处理和分析技术的基础，是图像增强和复原的基本工具，也是图像特征提取的重要手段。常用的图像变换有傅立叶变换、DCT变换，小波变换等。441.4.2 图像增强图像增强是指根据一定的要求，突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强的信息处理方法。根据增强处理过程所在的空间不同，图像增强技术可分为基于空间域的增强方法和基于频率域的增强方法两类。图像增强主要方法有直方图增强、空域滤波法、频率域滤波法以及彩色增强法等。451.4.3 图像编码与压缩图像编码就是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学和心理学特性对图像信号进行高效编码，以解决数据量大的矛

14、盾。图像编码的目的有三个：尽量减少表示数字图像时需要的数据量。降低数据率以减少传输带宽；压缩信息量,便于特征抽取，为识别作准备。根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差，图像编码压缩分为无误差编码和有误差编码两大类。根据编码方法作用域不同，图像编码分为空间域编码和变换域编码两大类。461.4.4 图像复原图像复原也叫图像恢复。其目的是找出图像降质的起因，并尽可能消除它，使图像恢复本来面目。常用的恢复有纠正几何失真、从已知图像信号和噪声的统计特性入手，用Wiener滤波等方法来改善信噪比等。471.4.5 图像重建重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而处理结果得到的是

15、图像。该处理的典型应用就是CT技术。图像重建的主要算法有代数法、迭代法、傅里叶反投影法、卷积反投影法等。481.5 数字图像处理的应用实例1.5.1 生物医学工程中的应用1.5.2 遥感领域中的应用1.5.3 工业方面的应用1.5.4 军事公安领域的应用1.5.5 通信中的应用1.5.6 文字识别1.5.7 交通1.5.8 文化艺术491.5.1 生物医学中的应用最突出的临床应用就是超声、核磁共振、相机和CT等技术。如X射线照片的分析，血球计数与染色体分类等。50目前，国际上最先进的医学影像设备，都建立在先进的数字化信息处理技术基础上而发展。computed tomography(Nuclea

16、r) Magnetic Resonance Imaging Positron Emission Tomography51SARS冠状病毒图像 52原始细胞图像 (b)增强后的细胞图像 细胞图像增强实例 53超声图象 541.5.2 遥感领域中的应用（1）森林遥感图像处理与应用（2）国土资源遥感图像处理与应用（3）海洋遥感图像处理与应用55图a 原始合成图像 图b 分类结果遥感图像自动分类56遥感图像监测 (森林火灾监护) 57夜间灯光数据图像(提供人类居住区的情况) 5859天气预报6061图像的修复 （1990年发射的“哈勃”号太空望远镜拍摄超远距离的物体，借助于图像处理技术进行修复。）62

17、1.5.3 工业方面的应用在生产线中对生产的产品及部件进行无损检测也是图像处理技术的一个广泛的应用领域。如晶振元件缺陷检测、食品包装出厂前的质量检查、浮法玻璃生产线上对玻璃质量的监控和筛选、零件及产品无损检测、焊缝及内部缺陷检查、流水线零件自动检测识别、邮件自动分检、生产过程的监控等。63 电子显微镜成像过热损坏的钨丝（250倍）损坏的IC电路（2500倍）6465机器代替人进行操作 66 （a）网裂 (b) 龟裂路面破损图像识别671.5.4 军事公安领域的应用 该领域可采用图像处理与模式识别等方法实现监控、案件侦破、交通管理等。如巡航导弹地形识别；侧视雷达的地形侦察；遥控飞行器RPV（re

18、motely piloted vehicle ，无人驾驶）的引导；目标的识别与制导；警戒系统及自动火炮控制；反伪装侦察；指纹自动识别；虹膜识别；犯罪脸形的形成；手迹，人像，印章的鉴定识别；过期档案文字的复原等。686970 军事应用 71红外图象（体温检测） 72红外图象 73人眼虹膜识别系统 74可见光及红外波段成像拇指指纹751.5.5 通信中的应用图像通信按业务性能划分可分为： 电视广播 可视电话和会议电视 传真 图文电视和可视图文 电缆电视(CATV)76手机电视 77视频通话 78手机上网 79基于H.323网络视频会议标准实现多点会议 80 基于H.320网络视频会议标准实现多点会议 81基于卫星