图像处理第1章绪论

数字图像处理

－图像处理教材和参考书

教材：

章毓晋，图像工程上册-图像处理，清华大学出版社（第3版）参考书：1．李朝晖，《数字图像处理及应用》，机械工业出版社，2．朱秀昌等编著，《数字图像处理与图像通信》，北京邮电大学出版社3．阮秋琦编著，《数字图像处理学》，电子工业出版社，课堂要求严格遵守学校的作息制度，上课不迟到、不早退、严格执行请假制度。课程性质：考试课程成绩评定：平时成绩（30％）＋试卷成绩（70％）平时成绩：作业＋考勤

第一章绪论1.2图像工程简介1.1图像基本概念1.3图像处理系统1.4主要内容和安排早期英文书籍用picture指代图像，随着数字技术发展，先都用image指代离散化的“图象”，前者是连续（模拟）的，后者是离散（数字）的。在《数字图像处理》（朱志刚等译）中，图像定义为“在一般的意义下，一幅图像是另一个东西的一个表示”，是其所表示物体的信息的一个浓缩或者概括。

阮秋琦先生在《数字图像处理》中将图像定义为“以某一技术手段被再现于二维平面上的视觉信息”，通俗地说就是指那些用技术手段把目标原封不动地一模一样地再现出来的图像。综上所述，可以认为图像是与之相对应的物体或目标（Objects）的一个表示，这个表示可以通过某种技术手段得到。图像的若干定义数字图像是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。将物理图像行列划分后，每个小块区域称为象素（pixel）每个象素包括两个属性：位置和亮度（或色彩）。对灰度图像而言，每个象素的亮度用一个数值（即灰度值）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。1.1图像基本概念物理图像及对应的数字图像1.1图像基本概念灰度级1.1图像基本概念亮度等级图像分类二值图像（只有黑白亮度等级）灰度图像（有多种亮度等级）色调无色调的灰度（黑白）图像有色调的彩色图像静态图像活动图像内容的变化性质空间维数平面的二维图像立体的三维图像1.1图像基本概念图像类型{广义}

图片，动画，绘图，文字/档，...{狭义}2-D3-D，彩色，立体对，多光谱，多视

场图像，...

单幅序列图像，...

静止运动图像（视频），...

灰度深度，纹理图像，...图像（广义/抽像）图像（狭义/具体）1.1图像基本概念图像表示性质F:可对应不同物理量,常用灰度表示2-D数组f(x,y)x，y：2-D空间XY中坐标点的位置f：代表图像在(x,y)的性质F的数值f，x，y的值可以是任意实数xyf（x，y）01.1图像基本概念图像表示

数组/矩阵该数组的每一个元素都称为像元、图元或象素1.1图像基本概念图像表示

数组/矩阵1.1图像基本概念数字图像

定义：与之对应的物体的一个数字表示2-D数组I(r,c)r代表图像的行（row）

c代表图像的列（column）

I代表离散化后的fI，c，r的值都是整数

实际中仍常用f(x,y)CR0I（r,c）1.1图像基本概念

左图所用的坐标系统常在屏幕显示中采用

右图所用的坐标系统常在图像计算中采用。f(x,y)既可代表这幅图像，也可表示在(x,y)坐标处象素的值。

（r）（c）1.1图像基本概念1.2图像工程简介1.2.1图像技术和图像工程一、图像技术及发展历史图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的。可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。上世纪20年代，巴特兰（Bartlane)电缆图片传输系统大型计算机的出现，人们开始用计算机改善图像。1964、1965年美国喷射推进实验室（JPL：JetPropulsionLaboratory）进行了太空探测工作，用计算机来处理发回的月球图片，以校正飞船上电视摄像机中各种不同形式的固有的图像畸变。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常所说的CT（ComputerTomograph）。九十年代，出现核磁共振MRI1.2图像工程简介1.2.2图像工程的三个层次图像工程三层次：

图像处理（图像——>图像）

着重强调在图像之间进行的变换

图像分析（图像——>数据）

对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获

得它们的客观信息从而建立对图像的描述

图像理解（图像——>解释）

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1.2图像工程简介图像工程三层次1.2图像工程简介图像工程三层次图像处理(a)(b)(c)1231231.2图像工程简介图像工程三层次

图像分析1：黄色、绿色2：红色3：绿色

1231.2图像工程简介图像工程三层次

图像理解1：黄色尖辣椒2：红色红青椒3：绿色绿青椒1.2图像工程简介1.2.3图像工程相关学科和领域1.2图像工程简介主要相关学科：♦图形学：原指用图形（graph）、图表(chart)、绘图(drawing)等形式表达数据信息的科学♦计算机图形学：♦图像模式识别：试图把图像分解成可用符号较抽象地描述的类别♦计算机视觉：主要强调用计算机实现人的视觉功能，

目前的研究内容主要与图像理解相结合

1.2图像工程简介研究的就是如何利用计算机技术来产生这些形式，即试图从非图像形式的数据描述来生成逼真的图像图像技术应用领域示例文字档案：文字识别，过期档案复原，邮件分捡，支票，签名辫伪，办公自动化；交通管理：太空探测、航天飞行、公路交通管理。1.2图像工程简介1.2.4图像工程的技术应用遥感：美国JPL实验室（JetPropulsionLaboratory）探索者月球图像勇气号火星图像农作物产量计算农作物病情防治山林防火等巡航导弹制导，精确制导气像预报自然灾害监测矿藏勘探资源探测/home/index.htmlACloserViewOftheCrater'sIntriguingRockOutcrop1.2图像工程简介视觉监视、公安：银行防盗，人脸识别、指纹、印章的鉴定识别等。1.2图像工程简介工业检测与测量：公路路面破损图像识别网裂龟裂1.2图像工程简介军事侦察、高精度制导Chinese_embassy1.2图像工程简介医疗诊断：X光（x-ray）、CT技术，癌细胞识别、MRI(Magneticresonanceimaging)、等。1.2图像工程简介通讯：可视电话，视频点播，电视会议，按需电视，远程教育等。1.2图像工程简介影视业、娱乐、公众服务：广告，基于内容检索等。1.2图像工程简介图像工程期刊（1）[CT]：《CT理论与应用研究》（2）[CX]：《测绘学报》（3）[DC]：《电子测量与仪器学报》（4）[DK]：《电子科学学刊》（5）[DX]：《电子学报》（6）[JX]：《计算机学报》（7）[MR]：《模式识别与人工智能》（8）[SC]：《数据采集与处理》（9）[TX]：《通信学报》（10）[XC]：《信号处理》（11）[YX]：《遥感学报》（12）[ZS]：《中国生物医学工程学报》（13）[Zti]：《中国体视学和图像分析》（14）[Ztu]：《中国图像图形学报》（15）[ZX]：《自动化学报》1.2图像工程简介分类A：图像处理A1：图像采集和获取（成像方法、摄像机校正等）A2：图像重建（从投影重建图像）A3：图像变换，滤波，增强，恢复或复原等A4：图像压缩编码（算法研究、国际标准实现等）B：图像分析B1：边缘检测，图像分割B2：目标表达，描述，测量（二值图处理、融合数学形态学方法等）B3：目标形状，纹理，空间，运动等的分析B4：（2-D）目标识别，分类和提取C：图像理解C1：（序列、立体）图像匹配、镶嵌C2：3-D建模，重构、场景恢复C3：图像感知，解释，推理1.2图像工程简介分类D：技术应用D1：硬件，（硬件）系统和快速/并行算法D2：视频，通信D3：文档（包括文字，数字，符号等）D4：生物，医学D5：遥感、雷达、测绘D6：其它E：综述评论E1：综述（介绍图像处理、分析、理解

或它们的综合，进展）

1.2图像工程简介2000年开始增加了3个小类A：图像处理

A5：图像数字水印和图像信息隐藏B：图像分析B5：人脸和器官的检测、定位与识别C：图像理解C4：基于内容的图像和视频检索1.2图像工程简介文献中比较集中的领域A：图像处理A1：图像采集和获取（成像方法、摄像机校正等）A3：图像变换，滤波，增强，恢复或复原等A4：图像压缩编码（算法研究、国际标准实现等）A5：图像数字水印和图像信息隐藏B：图像分析B1：边缘检测，图像分割B4：（2-D）目标识别，分类和提取B5：人脸和器官的检测、定位与识别C：图像理解C1：（序列）图像（特征点）匹配、融合、镶嵌C4：基于内容的图像和视频检索1.2图像工程简介1.3图像处理系统1.3.1系统构成框图1.3.2图像采集1.3.3图像显示和打印1.3.4图像存储1.3.5图像处理1.3图像处理系统1.3.1系统构成框图图像采集装置

为采集数字图像，需要两种装置（器件）：(1)传感器，对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它能产生与所接收到的电磁能量成正比的（模拟）电信号；(2)数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。1.3图像处理系统1.3.2图像采集图像采集设备1、电荷偶合器件CCD(Charge-CoupledDevice)利用电荷存储传送和读出方式工作（1）固态阵：由感光基元构成感光基元产生正比于光强的电压，摄像机空间分辨率取决于基元排列（2）数字化器将感应的模拟图像转化为数字图像1.3图像处理系统1.3.2图像采集2、CMOS器件CMOS摄像机1)光敏二极管型无源象素结构2）光敏二极管型有源象素结构3）光栅型有源象素结构3、电荷注射器件CID(Charge-InjectionDevice)1）积分模式2）非消除性模式

3）消除性模式

1.3图像处理系统图像显示

图像处理的结果多是供观察的图像数据⇒亮度模式显示主要显示设备包括阴极射线管（CRT-CathodeRayTubes)、液晶显示器LCD等1.3图像处理系统1.3.3图像显示打印图像打印1.半调输出（halftoning） 图像的原始灰度常有几十到几百级，但多数图像输出设备的灰度只有两级。为了在这些设备上输出图像并保持其原有的灰度级，常采用一种称为半调输出的技术，将灰度图像转化为二值图像。一种具体实现方法为先将图像区域细分，取邻近的单元结合起来组成输出区域，这样在每个输出区域内包含若干个单元，只要把一些单元输出黑，而把其它单元输出白就可得到不同灰度的效果。

用实心点图案仿真灰度级的处理过程称为半(影)调。1.3图像处理系统半调输出象素灰度打印点尺寸半调输出方法示例2×2⇒5种灰度012341.3图像处理系统半调输出方法示例3×3⇒10种灰度01234567891.3图像处理系统幅度调制（AM）

调整输出点的尺寸来显示不同灰度。如早期报纸上的图片频率调制（FM）输出点的尺寸是固定的但其在空间的分布取决于所需表示的灰度，分布密较暗；分布稀较亮。2、调制模板

是半调输出技术的一种具体实现方法。输出不同灰度，建立一套模板，每个模板对应一个输出单元。1.3图像处理系统3.抖动技术（dithering）

半调输出是以减少图像的空间分辨率来增加图像的幅度分辨率的，所以有可能导致图像采样过粗而影响图像的显示质量。为改善上述方法得到的图像质量，可以采用抖动技术。

抖动技术是弥补所用颜色不足的一个有效的办法。用随机变化掩盖虚假轮廓。1.3图像处理系统抖动(Dithering)：通过调节或变动图像的幅度值来改善量化过粗图像的显示质量。抖动实例

下图给出一组抖动实例图，图(a)是256个灰度级的原始图像；图(b)是借助图33象素区域的半调技术得到的输出图，在脸部和肩部等区域有比较明显的虚假轮廓现像；图(c)是利用抖动技术进行改善的结果，所叠加的抖动值在[-8,8]间均匀分布；图(d)也是利用抖动技术进行改善的结果，用与原图同尺寸进行半调打印的输出结果。1.3图像处理系统

(a)(b)(c)(d)1.3图像处理系统1、图像存储器(1)处理和分析过程中使用的快速存储器

计算机内存，帧缓存(2)较快重新调用的在线或联机存储器

磁盘，磁光盘(3)不经常使用的数据库（档案库）存储器

磁带，光盘，光盘塔1.3图像处理系统1.3.4图像存储图像存储

数据量度单位

比特（bit），字节（1byte=8bit）千(103)字节（Kbyte）

兆（106

）字节（Mbyte）

吉（109

）字节（Gbyte）

太（1012

）字节（Tbyte）1.3图像处理系统2、图像存储格式(1)矢量格式

用线段或线段的组合体来表示图像

如：画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等(2)光栅格式

用许多图像点（象素）的集合来表示图像

（颜色、亮度、属性）

BMP（bitmap）格式，

GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式，

TIFF（TaggedImageFormatFile）格式，

JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）格式1.3图像处理系统图像存储格式

BMP格式（Bitmap）：位图，是与设备无关的图像文件格式①位图文件头（也称表头）：包含关于这个文件的信息如以象素为单位的宽度、高度，位图的彩色、压缩方法等。②位图信息（常称调色板）：图像颜色的RGB值定义1:单色，4:16色，8:256色，24:真彩色③位图阵列（即图像数据）：用BYTE数据结构，这些数据结构取决于压缩方法，它们表示象素颜色在调色板中的索引号。

图像为真彩色时，图像数据则直接表示红、绿、蓝的相对亮度R:8bit，G:8bit，B:8bit1.3图像处理系统图像存储格式

GIF格式（GraphicsInterchangeFormat，图像交换格式）8位文件格式，以数据块（block）为单位来存储图像的相关信息。一个GIF文件由表示图形/图像的数据块、数据子块以及显示图形/图像的控制信息块组成。

最多只能存储256色图像

图像数据均为压缩过的（LZW算法）

一个GIF文件中可以存放多幅图像以实现网页上的动画

1.3图像处理系统图像存储格式

TIFF格式（TagImageFormatFile）：标记图像文件格式，是基于标志域的图像文件格式。支持任意尺寸的图像。独立于操作系统和文件系统

二值图像（TIFF-B）灰度图像（TIFF-G）调色板彩色图（TIFF-P）全彩色图像（TIFF-R）1.3图像处理系统文件分类图像存储格式JPEG格式（JointPhotographicExpertsGroup：联合图像专家组），数码相机均使用该种模式。适用于连续色调静态的灰度或彩色图像JPEG文件交换格式：

JFIF（fileinterchangeformat）

一种使用灰度表示或者使用Y，Cb，Cr分量彩色表示的JPEG图像，包含一个与JPG兼容的头。图像可以是灰度的也可以是彩色的1.3图像处理系统1.3.5图像处理

对图像进行压缩编码以减少对其所需存储空间或传输时间、传输通路的要求

对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果并为自动识别打下基础

对图像中感兴趣目标进行检测、提取以测量其参数和描述其性质，在此基础上对目标进行识别、分类，建立符号表达

一般可以用算法的形式描述（软件、硬件）

对特殊的问题需要特殊