数字图像处理 第一章绪论

数字图像处理教学建议:本章教学安排2学时学习本课程的先修知识包括：线性代数：矩阵的表示与运算数字信号处理微机原理软件技术基础工程光学、光度学、色度学等。ClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastersubtitlestyle第一章绪论数字图像处理目的数字图像处理内容数字图像处理应用内容提要:数字图像处理的目的与任务数字图像处理的发展基本的图像处理系统图像各种形式的表示3.重点了解图像处理的目的和任务图像及数字图像的概念基本的图像处理系统数字图像的表示MATLAB图像处理工具箱的初步使用以及DSP与图像应用。第一章绪论一、研究背景：当今时代是信息化时代，而信息的数字化也越来越为研究人员所重视。地球数字化带来的任务，一方面要求处理对象的数字化，一方面要求处理时的直观性。因此给我们带来了许多的研究课题和研究方向。二、图像处理的目的、任务与特点二-1

图像处理的目的（1）提高图像的视觉质量，以提供人眼主观满意或较满意的效果。（2）提取图像中目标的某些特征，便于计算机分析或机器人识别。（3）为了存储和传输庞大的图像和视频信息，常常对这类数据进行有效的压缩。（4）信息的可视化。（5）信息安全的需要。二-2、图像处理的任务图像处理的主要任务：图像获取与数字化图像增强图像恢复图像重建图像变换图像编码与压缩图像分割等等二-3、数字图像处理的特点1．具有数字信号处理技术共有的特点。如：（1）处理精度高。（2）重现性能好：数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。（3）灵活性高：数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。2．数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。3．数字图像处理技术的适用面宽。原始模拟图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像、超声波图像或红外图像等。4．数字图像处理技术综合性强（涉及通信、计算机、电子、电视、数学、物理等等）。5、图像信息理论与通信理论密切相关：通信研究的是一维时间信息、时间域和频率域的问题；图像研究的是二维空间信息、空间域和空间频率域之间的关系。6、数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些不足之处，如：（1）数字图像处理的信息大多是二维或二维以上的多维信息，数据量巨大。如一幅256×256低分辨率黑白图像，要求约64kbit的数据量；对高分辨率彩色512×512图像，则要求768kbit数据量；如果要处理30帧/秒的电视图像序列，则每秒要求500kbit～22.5Mbit数据量。因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。（2）数字图像信号占用的频带较宽。如电视图像的带宽约5.6MHz，而语音带宽仅为4kHz左右。所以在成像、传输、处理、存储、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本亦高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。（3）处理费时。1.什么是图像

图像是泛指照片、动画等等形成视觉景象的事物。“图”是物体投射或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印象或反映。是客观和主观的结合。

图象与计算机图形学中的图形的区别是：计算机图形学是从建立数学模型到生成图形，而图象通常是指从外界产生的图形。图像的分类：（1）按灰度分类：二值图像和多灰度图像（2）按彩色分类：单色图像和彩色图像（3）按运动分类：静态图像和动态图像（4）按时空分类：二维图像和三维图像三、数字图像处理的概念可见图像（visibleimage）是指视觉系统可以直接看见的图像。（1）可见图像图像的基本类型三-

2图像及其类型

物理图像（physicalimage）所反映的是物体的电磁波辐射能。（3）数学图像

数学图像（mathematicalimage）指由连续函数或离散函数生成的抽象图像。（2）物理图像不同波段的图像1、宇宙射线图像2、X射线图像3、紫外线图像4、可见光图像5、红外线图像6、无线电波图像7、交流电波图像

不同光照图像不同类型的图像1、3-D图像 6、深度图像

2、彩色图像 7、纹理图像 3、多光谱图像 8、投影重建图像4、立体图像 9、合成图像5、序列图像彩色图像及其三个分量图三-3图像的文件格式BMP文件格式：不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图（bitmap）扩展名为.bmp。GIF文件格式：GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储256色图像。扩展名为.gif。TIFF文件格式：TIFF（TaggedImageFileFormat）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。JPEG文件格式：由（国际）联合图像专家组（JointPhotographicExpertsGroup）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。扩展名为.jpg或.jpeg。DICOM文件格式：DICOM(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为.DCM。三-3图像的文件格式三、数字图像处理的概念•1模拟图像（连续图像）：自然界中的图像都是连续的，在采用数字化表示和存储处理之前，图像都是连续的，此时称为模拟图像或连续图像。2数字图像：由模拟图像数字化或离散化得到的

(a)原图

(b)将原图放大4倍

图1.1自然景物图像

图1.2像素

图像的数字化包括两个主要步骤：采样和量化图像和像素一幅图像可分解为许多个单元。每个基本单元叫做图像元素，简称像素（pixel）。三维图象的象素又叫做体素(voxel)。图像和像素数字图像处理中，一幅图像一般可以用一个2-D函数f(x,y)来表示（计算机中为一个2-D数组）。

数字图像是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。将物理图象行列划分后，每个小块区域称为像素（pictureelement，简称pixel）–每个像素包括两个属性：位置和灰度。在数字图像领域，将图像看成是许多大小相同、形状一致的像素组成。对于单色即灰度图像而言，每个象素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，即可用一个字节来表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度级别。物理图象及对应的数字图象物理图像19643灰度像素数字图像采样列采样行图片像素行间隔采样列间隔灰阶黑灰白0128255图像处理的基础知识

模拟图像转化为数字图像2.为什么需要数字图像普通图象包含的信息量巨大，需要使用计算机对图象进行处理。因此，需要把普通图象转变成计算机能处理的数字图象。现在的数码相机可以直接地把视觉图象变成数字图象。数字图象类似于光栅图形，由有限行和有限列组成。每个基本单元叫做一个象素(pixel)。1.2数字图像处理术语数字图像处理：

数字图像处理（DigitalImageProcessing）又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理是一个由图像到图像的过程，将一幅图像变为另一幅经过修改的图像。计算机图形学：

计算机图形学(ComputerGraphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。计算机视觉：

使计算机能够观察和理解自然景物的系统。计算机视觉实际上就是图像处理加图像识别，要求采用十分复杂的处理技术，需要设计高速的专用硬件。

数字信号处理图像处理研究对象一维数字信号二维数字信号研究内容数字滤波器、数字正交变换、数字编码等图像滤波器、图像正交变换、图像编码等数字信号处理与图像处理是紧密相关学科计算机图形学图像处理研究对象图形图像研究内容图形生成、透视、消隐图像处理、图像分割、图像分析过程由数学公式生成仿真图形或图像由原始图像处理出分析结果计算机图形学与图像处理是逆过程

在更广泛的意义上，数字图像涵盖任何用计算机来操作与图像有关数据的技术，包括计算机图形学、计算机视觉，以及数字图像处理和分析。数字化：将一幅图像从原来的形式转化为数字形式的处理过程。扫描：对一幅图像内的给定位置寻址。在扫描过程中被寻址的最小单元是图像元素，即像素，对摄影图像的数字化就是对胶片上一个个小斑点的顺序扫描。采样：在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。量化：将测量的灰度值用一个整数表示。1.2数字图像处理术语

一幅图像可以看作是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数，即

式中，（x,y,z）是空间坐标；是波长；t是时间；I是图像强度。这样的表达式代表这是一幅活动的、彩色的、立体图像。一幅二维静态单色平面图像可以用如下二维强度函数（也称为亮度函数）表示，即三、图像的表示

三、数字图像的表示方法yx对连续图像f（x，y）进行数字化空间上，图像抽样幅度上，灰度级量化

x方向，抽样M行

y方向，每行抽样N点整个图像共抽样M×N个像素点一般取M=N=2n=64，128，256，512，1024，2048

三、数字图像的表示方法数字图像常用矩阵来表示：x=0,1,•••,N-1y=0,1,•••,N-1f(i,j)=0~255，（灰度级为256，设灰度量化为8bit）四、

数字图像处理的三个层次

图像工程三个层次图像处理图像分析图像理解像素目标符号操作对象大小数据量低层中层高层语义抽象程度低高

数字图像处理的三个层次1.图像处理：对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果；强调图像之间进行的变换；图像处理是一个从图像到图像的过程。

从计算机处理的角度可以由高到低将数字图像分为三个层次。这三个层次覆盖了图像处理的所有应用领域。2.图像分析：对图像中感兴趣的目标进行提取和分割，获得目标的客观信息（特点或性质），建立对图像的描述。以观察者为中心研究客观世界；图像分析是一个从图像到数据的过程。图像处理侧重于信号处理方面的研究，比如图像对比度的调节、图像编码、去噪以及各种滤波的研究。但是图像分析更侧重点在于研究图像的内容，包括但不局限于使用图像处理的各种技术，它更倾向于对图像内容的分析、解释和识别。3.图像理解：研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系；得出对图像内容含义的理解及原来客观场景的解释；以客观世界为中心，借助知识、经验来推理、认识客观世界，属于高层操作（符号运算）。可见，图像处理、图像分析和图像理解是处在三个抽象程度和数据量各有特点的不同层次上。图像处理是比较低层的操作，它主要在图像像素级上进行处理，处理的数据量非常大。图像分析则进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非图像形式的描述。图像理解主要是高层操作，基本上是对从描述抽象出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。根据本课程的任务和目标，本书重点放在图像处理上，并学习图像分析的基本理论和方法。数字图像处理内容底层图像处理技术中层图像处理技术高层图像处理技术纹理RGBYIQHSV傅立叶描述子矩不变量形状因子结构方法统计方法面积圆度偏心度主轴方向共生矩阵模型频谱分析句法分析颜色形状底层的图像处理包括增强，复原，编码，压缩等；数字图像处理内容底层图像处理技术中层图像处理技术高层图像处理技术人脸识别人脸识别的算法人脸识别的应用人脸特征点整幅人脸模板匹配神经网络网络应用门禁系统视频监控数码相机中层的图像分析包括预处理（增强，复原等），分割，特征提取，图像分类；数字图像处理内容底层图像处理技术中层图像处理技术高层图像处理技术视频事件的提出是针对底层特征和视频对象的，但是视频事件的分析又建立在底层特征和视频对象分析之上的“不正常”的事件定义“用户感兴趣”的事件定义事件挖掘事件检索足球视频分析事件是用户感兴趣的具有一定上下文线索并符合特定领域知识模型的高层语义时空实体高层的图像理解包括预处理，图像描述，图像分析，图像理解。

图像工程与相关学科的联系和区别图像工程是一门交叉学科研究方法上，与数学、物理学（光学）、生理学、心理学、电子学、计算机科学相互借鉴；研究范围上，与计算机图形学、模式识别、计算机视觉相互交叉。图像工程与相关学科的联系和区别数字图像处理应用图像增强与恢复基于图像的生物特征识别基于内容的图像检索图像序列分析计算机视觉五、数字图像的处理方法数字图像处理方法大致可分为两大类，即空域处理方法和变换域处理方法。空域法是指在空间域直接对数字图像进行处理，把图像看作关于（x,y）坐标位置的像素的集合，直接对二维函数的集合进行相应的处理。

空域处理法主要有以下两大类。空域处理法邻域处理法是对图像像素的某一邻域进行处理的方法。邻域处理法—梯度运算，平滑算子运算和卷积运算等。1．邻域处理法点处理法是指对图像像素逐一处理的方法点处理法——灰度处理，面积、周长、体积运算等。2．点处理法变换域处理法

数字图像处理的变换域处理方法首先是通过傅立叶变换、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，将图像从空间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。

六、数字图像处理的起源上世纪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个小时历史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，穿孔纸带得到的图像1929年从伦敦到纽约15级色调通过电缆传递照片。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。

六、数字图像处理的起源

数字图像处理的历史与数字计算机的发展密切相关，它必须依靠数字计算机及数据存储、显示和传输等相关技术的发展。五十年代中期在计算机和太空计划的推动下开始这项技术的研究。重要标志是1964年美国喷气推进实验室（JPL）正式使用数字计算机对“徘徊者7号”太空船送回的四千多张月球照片进行了处理。图像处理的发展简史数字图像处理首次成功地应用在1964年美国宇航局喷气推进实验室（NASAJPL）对“徘徊者7号”探测器发来的几千张月球照片进行几何校正、灰度变换、去除噪声等处理考虑了太阳位置和月球环境的影响用计算机绘制了月球表面的照片。

六、数字图像处理的起源进行太空应用的同时，数字图像处理技术在20世纪60年代末和70年代初开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学等领域。在今天引领着图像处理某些最活跃的应用领域。伦琴因发现X射线获得首届诺贝尔物理学奖。1895年伦琴发现X射线，获1901年诺贝尔物理学奖。

Bloch和Purcell因发现NMR（核磁共振）现象获得1952年诺贝尔物理学奖。1979年诺贝尔医学和生理学奖。1975年GodfreyN.Hounsfield和AllanM.Cormack发明了计算机断层技术（CT），获1979年诺贝尔医学奖。发明MRI（磁共振成像）中Fourier重建方法的Ernst获得1991年诺贝尔化学奖。Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。

五、数字图像处理的应用实例数字图像处理的应用领域多种多样。最主要的图像源是电磁能谱，其他主要的来源包括声波、超声波和电子（用于电子显微镜）。现状1.5.1伽马射线成像伽马射线成像的主要用途包括医学和天文观测。1.5.2X射线成像

X射线在医学诊断上的应用（a）X光片（b）血管照相术（c）头部CAT切片图像X射线是最早用于成像的电磁辐射源之一1.5.2X射线成像

X射线在工业和天文学上的应用（a）电路板（b）天鹅座星环

1.5.3紫外波段成像紫外光的应用多种多样。平板印刷技术工业检测显微镜方法激光生物图像天文观测普通谷物被“真菌”感染的谷物天鹅星座环

1.5.4可见光及红外波段成像这一波段的应用最为广泛

电视和多媒体光显微镜涉及的范围从药物到材料特性的检测（a）紫杉酚（b）胆固醇（c）微处理器

（d）镍氢化物薄片（e）音频CD的表面（f）有机超导1.5.4可见光及红外波段成像遥感美国华盛顿区域的卫星遥感图像1.5.4可见光及红外波段成像

天文天气观测与预报是卫星多光谱图像的主要应用领域1.5.4可见光及红外波段成像工业检测可见光谱中主要成像领域是生产产品的自动视觉检测1.5.4可见光及红外波段成像拇指指纹图像识别指纹识别、人脸识别车牌号码的识别红外图象

红外图象1.5.5微波波段成像雷达在雷达图像中，看到的只是反射到雷达天线的微波能量航天器拍摄的西藏东南山区雷达图像1.5.6无线电波成像无线电波段成像主要应用在医学和天文学在医学中，无线电波用于磁共振成像（MRI)1.5.7其他图像模式应用的实例超声波成像系统（应用医学如妇产科）

超声波图像产生的步骤：1.超声波系统向身体传输高频（1～5MHz）声脉冲。2.声波传入体内并碰撞组织间的边缘，声波的一部分返回到探头，一部分继续传播直到另一边界并被反射回来。3.反射波被探头收集起来并传给计算机。4.计算机根据声波在组织中的传播速度和每个回波返回的时间计算从探头到组织或者器官边界的距离。5.系统在屏幕上显示回波的距离和亮度形成的二维图像。超声图象

电子显微镜成像过热损坏的钨丝（250倍）损坏的IC电路（2500倍）

现状

七十年代以来迅猛发展。•1：主观需求：人类从外界获取得信息60～70％通过眼睛的图象信息。•2：计算机技术的发展和通信手段的发展提供客观可能；以FFT为代表的数字信号处理算法和现代信号处理方法的精确性，灵活性与通用性。•3：数学化的特点是该学科成熟的一个标志。“一种科学只有在成功地运用数学时，才算真正达到了完美的地步”(分析，代数，几何）•总之：是一门在理论研究和应用开发两方面获得极大统一的学科。

发展趋势

1：结合网络和Internet技术需求而发展起来的新技术，比如网上图像、视频的传输、点播和新的浏览、查询手段。

2：高级图像处理技术，结合最新的数学进展，诸如小波、分形、形态学等技术。

3：智能化，图象自动分析、识别与理解。

七、数字图像处理系统概要基本的图像处理系统图像处理系统包括图像处理硬件和图像处理软件。图像处理硬件微机图像处理硬件系统主要由图像输入设备、图像运算处理设备（微计算机）、图像存储器、图像输出设备等组成。软件系统包括操作系统、控制软件及应用软件等。

数字图象处理系统简介

数字图象处理系统由图象数字化设备、图象处理计算机和图象输出设备组成。扫描仪、数码相机、摄象机与图象采集卡等PC、工作站等打印机、绘图仪等基本的数字图像处理系统如下：输入及数字化设备•摄象机•鼓式扫描器•平台式光密度计•视频卡•扫描仪•数码相机•DV显示及记录设备•图象显示器•鼓式扫描器•图象拷贝机•绘图仪•激光打印机•喷墨打印机

图象记录介质

纸胶片照片缩微胶片幻灯片录象带磁盘光盘电影数字图像处理系统完整结构图基于DSP的高速图像处理卡结构图

八、数字图像处理的主要研究内容1.图像变换傅立叶变换沃尔什变换离散余弦变换小波变换……采用各种图像变换方法对图像进行间接处理。有利于减少计算量并进一步获得更有效的处理。

八、数字图像处理的主要研究内容2.图像压缩编码图像压缩编码技术可以减少描述图像的数据量，以便节约图像存储的空间，减少图像的传输和处理时间。图像压缩有无损压缩和有损压缩两种方式，编码是压缩技术中最重要的方法，在图像处理技术中是发展最早和应用最成熟的技术。主要方法：熵编码，预测编码，变换编码，二值图像编码、分形编码……

八、数字图像处理的主要研究内容3.图像的增强和复原图像增强和复原的目的是为了改善图像的视觉效果，如去除图像噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中感兴趣的部分。图像复原要求对图像降质的原因有所了解，根据图像降质过程建立“退化模型”，然后采用滤波的方法重建或恢复原来的图像。主要方法：灰度修正、平滑、几何校正、图像锐化、滤波增强、维纳滤波……图像增强1.2.2数字图像处理的主要研究内容图像复原1.2.2数字图像处理的主要研究内容

八、数字图像处理的主要研究内容4.