工程图像处理11.第1章

封面河北工业大学

数字图像处理

杨帆第一章数字图像处理基础1.1图像及图像的数字化1.2图像的采集及常用格式1.3数字图像处理及主要应用1.4MATLAB及其在图像处理中的应用1.1图像及图像的数字化1.1.1图像及分类图像是自然界景物的客观反映，是人类认识世界和人类本身的重要源泉。“图”是物体反射或透射光的分布，它是客观存在的，而“像”是人的视觉系统所接收的图在人脑中所形成的印象或认识。总之，凡是人类视觉上能感受到的信息，都可以称为图像。就其本质来说，可以将图像分为两大类：

一类是模拟图像，包括光学图像、照相图像、电视图像等。另一类是将连续的模拟图像经过离散化处理后变成计算机能够辨识的点阵图像，称为数字图像。

本书中涉及到的图像处理都是指数字图像的处理。

1.1.2图像的数学模型在计算机中，图像由像素组成，如图（a）所示图像被分割成图（b）所示的像素，各像素的灰度值用整数表示。

(a)原图像（b）像素组成的图像(c)二维矩阵图数字图像

一幅M×N个像素的数字图像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵f（i，j）表示：习惯上把数字图像左上角的像素定为（1，1）像素，右下角的像素定为（M，N）像素。若用i表示垂直方向，j表示水平方向，这样，从左上角开始，纵向第i行，横向第j列的第（i，j）像素就存储到矩阵的元素f（i，j）中，数字图像中的像素与二维矩阵中的每个元素便一一对应起来。f(x,y)

1.2.3采样及量化1.采样图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点。

设连续图像f(x,y)经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵g(i,j)（即二维数组）来表示。2.量化模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。

连续灰度值量化为灰度级的方法有两种:

一种是等间隔量化，另一种是非等间隔量化。图像数字化采样列采样行图片像素行间隔采样列间隔灰阶黑灰白0128255物理图像19643灰度像素数字图像物理图像及其对应的数字图像

一般，当限定数字图像的大小时,为了得到质量较好的图像可采用如下原则：（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓。（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊（混叠）。

1.2图像获取技术

1.2.1图像采集系统

它可以分成照明系统、同步系统、扫描系统、光／电转换系统、A／D转换系统五个部分。CompactFlash存储卡CompactFlashMemoryCardMemoryStick

PCMCIA存储设备

数码相机及存储器1．光／电转换特性

图像传感器通过光／电器件将光信号转换为电信号。

2．图像传感器图像传感器主要完成光／电转换功能。图像传感器按照结构可以分为两类：CCD型和CMOS型图像传感器，前者采用光／电耦合器件构成，后者采用金属氧化物器件构成，两者都采用光/电二极管结构感受入射光并转换为电信号，区别在于输出电信号所用方式不同。

图片传感器线性移动输出转动用单个传感器通过运动获取图像用带状传感器通过运动获取图像a)用线性传感器带获取图像b)用环形传感器带获取图像传感器阵列获取数字图像的过程

通常图像输入卡安装于计算机主板扩展槽中，主要包括图像存储器单元、显示查找表(LUT)单元、CCD摄像头接口(A／D)、监视器接口(D／A)和PC机总线接口单元。工作过程如下：摄像头实时或准时采集数据，经A／D变换后将图像存放在图像存储单元的一个或三个通道中，D／A变换电路自动将图像显示在监视器上。通过主机发出指令，将某一帧图像静止在存储通道中，即采集或捕获一帧图像，然后可对图像进行处理或存盘。高档卡还包括卷积滤波、FFT(快速傅立叶变换)等图像处理专用的快速部件。3.图像输入设备(1)图像采集卡

(2)扫描仪

扫描仪主要用于对照片、平板画和幻灯片作数字化处理。目前扫描仪的价格并不昂贵，而且种类繁多，但不同的扫描仪提供不同的图像质量，这正如不同类型的照相机照出不同质量的相片一样。在开始扫描之前，必须知道自己最终图像的大小并计算出正确的扫描分辨率，同监视器分辨率一样，扫描分辨率也是以每英寸有多少像素来衡量的，单位为dpi。一个图像所包含的像素越多，表明它所容纳的信息也就越多。因此，通常往一个图像填塞的像素越多，图像也就会越清晰。如果以低分辨率进行扫描，则图像就可能会模糊不清，或者可能会看见图像中单个的像素元素。常用的扫描仪主要有平板扫描仪、幻灯片扫描仪、旋转鼓形扫描仪。(3)数码照相机数码照相机又称数字照相机，是二十世纪末开发出的新型照相机。在拍摄和处理图像方面有着得天独厚的优势。随着电脑的普及，以及对电脑图像处理技术的认同，数码照相机在视觉检测方面得到了广泛的应用。1.2.2图像文件格式

数字图像有多种存储格式，每种格式一般由不同的开发商支持。随着信息技术的发展和图像应用领域的不断拓宽，还会出现新的图像格式。

1.BMP文件格式是一种与文件无关的图像文件格式，是一种位映射的存储形式。是Windows软件推荐使用的一种格式。应用广泛。

表1.4.1位图文件参数头字节数参数说明2

bftype文件类型,一般以”BM”标识4bfsize实际图像数据长度2reserved1保留2reserved2保留4offset文件开始到位图数据开始处的偏移量2.GIF文件格式是以数据块为单位来存储图像的相关信息，在不同的系统平台上交流和传输图像，它是在Web及其他联机服务上常用的一种文件格式。3.TIF图像文件格式它是现存图像文件格式中最复杂的一种，它提供存储各种信息的完备的手段，可以存储专门的信息而不违反格式宗旨，是目前流行的图像文件交换标准之一。4.JPEG图像格式主要是为了解决专业摄影师所遇到的图像信息过于庞大的问题。由于JPEG的高压缩比和良好的图像质量，使得它广泛应用于多媒体和网络程序中。JPEG和GIF成为HTML语法选用的图像格式。1.黑白图像

(二值图像）1.2.3数字图像类型2.灰度图像3.彩色图像（索引图像和真彩色图像（RGB）图像

彩色图像除有亮度信息外，还包含有颜色信息。彩色图像的表示与所采用的彩色空间，即彩色的表示模型有关，同一幅彩色图像如果采用不同的彩色空间表示，对其的描述可能会有很大的不同。常用的表示方法主要有真彩色图像（RGB）图像和索引图像。对于彩色图像，是按照颜色成分——红（R）、绿（G）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8bit量化，即每种颜色量级别是256，则可以处理256×256×256=16777216种颜色。1.2.4RGB色彩模型1．人的视觉模型及特性

视觉生理特点对图像处理方法的影响很大人眼的结构２.人眼的适应和绝对视觉阈值特性

(1)适应暗亮亮适应适应时间短几秒种亮暗暗适应适应时间长30秒

（2）绝对视觉阈值在充分暗适应的状态下，在全黑视场中，人眼能感受到的最小光刺激值，称为人眼的绝对视觉阈。若以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示，人眼的绝对视觉阈值在10-9lx数量级。若以量子阈值表示，最小可探测的视觉刺激是58~145个蓝绿光(波长为510nm)的光子轰击角膜时引起的。据估算，这一刺激实际上是5~14个光子到达并作用于视网膜引起的。(3)进入色与后退色(4)膨胀色与收缩色３.人眼的空间分辨力

(1)分辨力

分辨力——人眼在一定距离上能区分开相近两点的能力，用能区分开的最小视角之倒数来描述

ρ=1/θ

人眼对色彩的分辨能力4‘要比对黑白的分辨能力1’低(2)马赫效应

当亮度发生越变时，在亮暗边缘附近，亮侧亮度上冲、暗侧亮度下冲的现象４．人眼视觉的时间特性(1)视觉起始特性在加入阶跃光波刺激时所产生的感觉变化，在刺激后几十毫秒时感觉才达到顶点，然后慢慢减少到一个常值。人眼视觉曲线的上升沿时间随着刺激光强的增加而缩短。(2)视觉惰性

人眼的亮度感觉不会随着物体亮度的消失而立即消失，而有一个过度时间，这为视觉惰性。在亮度消失以后尚能保持1/20—1/10秒；当闪烁光源每秒钟闪烁次数越过10—20次时便会给人以均匀发光体的感觉，电影画面24幅/s；遮光技术每幅画放两次—48幅/s５．人眼的错觉现象

人眼视觉系统所感觉到的物体的形状，并不是简单的投影到视网膜上原封不动的形状，其对形状的感觉受物体自身形状及其周围背景的影响。(1)人眼空间混色特性(2)人眼时间混色特性(3)人眼的生理混色特性６．人眼的混色特性６．三色原理在人的视觉系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。杆状细胞为暗视器官，锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，并能分辨颜色。锥状细胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为三基色。７．颜色模型为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。面向硬件设备的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色处理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工业上和电视信号传输中，经常使用CMYK和YUV色彩系统。(1)RGB模型

RGB颜色空间是图像处理中最基础的颜色模型，它是在配色实验基础上建立的。其RGB彩色空间示意图如图1.5.7所示，RGB颜色空间的主要观点是人的眼睛有红、绿、蓝3种色感细胞，它们的最大感光灵敏度分别落在红色、蓝色和绿色区域，其合成的光谱响应就是视觉曲线，由此可推论出任何彩色都可以用红、绿、蓝3种基色来配制。

其中[C]为未知色光，[N]，[P]，[Q]为三基色光，c，n，p，q

为调匹系数。三色系统图3-20彩色加法系统（左）与减法系统（右）利用3基色叠加可产生光的3补色：品红（M,magenta，即红加蓝）、蓝绿（C,cyan，即绿加蓝）、黄（Y,yellow，即红加绿）。按一定的比例混合3基色或将1个补色与相对的基色混合就可以产生白色。光的混合满足加色定理。

2.HSI模型

HIS颜色模型是Munseu（孟赛尔）颜色系统中的一种，以人眼的视觉特征为基础，利用三个相对独立、容易预测的颜色心理属性：色度(Hue)、光强度(Intensity)和饱和度(Saturation)来表示颜色，反映了人的视觉系统观察彩色的格式。色度是由物体反射光线中占优势的波长来决定，不同的波长产生不同的颜色感觉，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。它是彩色最为重要的属性，是决定颜色本质的基本特性。颜色饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深，如深红、深绿等。在物体反射光的组成中，白色光愈少，色饱和度愈大；颜色中的白色或灰色愈多，其饱和度就越小。光强度是指光波作用于感受器所发生的效应，其大小是由物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的光强度愈大，反之愈小。

色调饱和度亮度

（3）

HIS与RGB之间的非线性映射对任何3个［0，1］范围内的R、G、B值，其对应HSI模型中的I、S、H分量的计算公式为1.3数字图像处理及主要应用

1.3.1数字图像处理及其特点

1.数字图像处理

数字图像处理就是把在空间上离散的、在幅度上量化分层的数字图像，经过一些特定数理模式的加工处理，以达到有利于人眼视觉或某种接收系统所需要的图像的过程。我们把利用计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等的理论、方法和技术称为数字图像处理.数字图像处理可以理解为下面两方面的操作：(1)从图像到图像的处理(2)从图像到非图像的一种表示这类处理是将一幅效果不好的图像进行处理，获得效果好的图像。

这类处理通常又称为数字图像分析。通常是对一幅图像中的若干个目标物进行识别分类后，给出其特性测度。

2．数字图像处理的目的

一般而言，对图像进行加工和分析主要有如下三方面的目的：（1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析。（3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。

3数字图像处理的特点数字图像处理是利用计算机的计算，实现与光学系统模拟处理相同效果的过程。数字图像处理具有如下特点：（1）处理精度高，再现性好。（2）易于控制处理效果。（3）处理的多样性。（4）数字图像中各个像素间的相关性大，易于压缩.(5)图像数据量庞大。（6）占用的频带较宽（7）图像质量评价受主观因素的影响（8）图像处理技术综合性强

1.３.2数字图像处理的主要内容不管图像处理是何种目的，都需要用计算机图像处理系统对图像数据进行输入、加工和输出，因此数字图像处理研究的内容主要有以下7个过程。

1.图像数字化

图像数字化目的是将一幅图像以数字的形式进行表示，并且要做到既不失真又便于计算机进行处理。换句话说，图像数字化要达到以最小的数据量来不失真地描述图像信息。图像数字化包括采样与量化。

原图直方图修正后的图2.图像增强

图像几何变换的目的是改变一幅图像的大小或形状。例如通过进行平移、旋转、放大、缩小、镜像等，可以进行两幅以上图像内容的配准，以便于进行图像之间内容的对比检测。

3.图像几何变换

4.图像复原图像复原的目的是将退化了的以及模糊了的图像的原有信息进行恢复，以达到清晰化的目的。

原图经过复原的图

(5)图像重建图像重建是指从数据到图像的处理，即输入的是某种数据，而经过处理后得到的结果是图像，

（6）图像隐藏图像隐藏的目的是将一幅图像或者某些可数字化的媒体信息隐藏在—幅图像中，在保密通信中，将需要保密的图像在不增加数据量的前提下，隐藏在一幅可公开的图像之中。同时要求达到不可见性及抗干扰性。

（7）图像变换图像变换是指通过一种数学映射的办法，将空域中的图像信息转换到如频域、时频域等空间上进行分析的数学手段。最常采用的变换有傅里叶变换、小波变换等。通过二维傅立叶变换可以进行图像的频率特性的分析。（8）图像编码图像编码的目的是简化图像的表示方式，压缩表示图像的数据，以便于存储和传输。图像编码主要是对图像数据进行压缩。因为图像信息具有较强的相关特性，因此通过改变图像数据的表示方法，可对图像的数据冗余进行压缩。

（9）图像分析所谓图像分析是指通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述之后，将所期望获得的目标物进行提取，并且对所提出的目标物进行一定的定量分析。要达到这个目的，实际上就是要实现对图像内容的理解，达到对特定目标的一个识别。

1.数字图像处理的发展现状及发展趋势

（1）高分辨率、高速度。图像处理技术发展的最终目标是要实现图像的实时处理，移动目标的生成、识别和跟踪；（2）立体化。立体化所包括的信息最为完整和丰富，未来采用数字全息技术将有利于达到这个目的；（3）智能化：其目的是实现图像的智能生成、处理、识别和理解。1.３.3数字图像处理的发展与应用

2.数字图像处理的应用

（1）生物医学领域中的应用

(a)显微图像处理；(b)DNA(脱氧核糖核酸)显示分析；(c)红、白血球分析计数；(d)虫卵及组织切片的分析；(e)癌细胞识别；(f)染色体分析；(g)DSA(心血管数字减影)及其他减影技术；(h)内脏大小形状及异常检查；(i)微循环的分析判断；(j)心肌活动的动态分析；(l)热像分析，红外像分析；(m)X光照片增强、冻结及伪彩色增强；(n)超声图像成像、冻结、增强及伪彩色处理；(o)CT，MRI、γ射线线照相机，正电了和质子CT的应用；(p)专家系统如手术PLANNING规划的应用；(q)生物进化的图像分析。

（2）工业应用(a)CAD和CAM技术用于模具、零件制造、服装、印染业；(b)零件、产品无损检测，焊缝及内部缺陷检查；(c)流水线零件自动检测识别(供装配流水线用)；(d)邮件自动分拣、包裹分拣识别；(e)印制板质量、缺陷的检查；(f)生产过程的监控；(g)交通管制、机场监控；(h)纺织物花型、图案设计；(i)密封元器件内部质量检查；(j)光弹性场分析；(k)标识、符号识别如超级市场算帐、火车车皮识别；(l)支票、签名、文件识别及辨伪；(m)运动车、船的视觉反馈控制。

（3）遥感航天中的应用(a)军事侦察、定位、引导、指挥等应用；(b)多光谱卫星图像分析；(c)地形、地图、国土普查；(d)地质、矿藏勘探；(e)森林资源探查、分类、防火；(f)水利资源探查，洪水泛滥监测；(g)海洋、渔业方面如温度、渔群的监测、预报；(h)农业方面如谷物估产、病虫害调查；(i)自然灾害、环境污染的监测；(j)气象、天气预报图的合成分析预报；(k)天文、太空星体的探测及分析；(l)交通、空中管理、铁路选线等。

（4）军事、公安领域中的应用

(a)巡航导弹地形识别；

(b)指纹自动识别；

(c)犯罪脸形的合成；

(d)雷达地形侦察；

(e)遥控飞行器的引导；

(f)目标的识别与制导；

(g)警戒系统及自动火炮控制；

(h)反伪装侦察；

(i)手迹、人像、印章的鉴定识别；

(j)过期档案文字的复原；

(l)集装箱的不开箱检查。

（5）其他应用(a)图像的远距离通信；(b)多媒体计算机系统及应用；(c)电视电话；(d)服装试穿显示；(e)电视会议；(f)办公自动化、现场视频管理；(g)文字、图像电视广播。

图1-1美国航天器传送的第一张月球照片，“旅行者7号”1964年7月31日9点09分在光线影响月球前17分钟前摄取的图像

医学图像指纹图像

（a）虹膜识别系统（b）手形识别系统

（c）指纹锁（d）指纹考勤仪1.4MATLAB及其在图像处理中的应用

MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，是由美国MathWorks公司推出的计算机软件，经过多年的逐步发展与不断充善，现已成为国际公认的最优秀的科学计算与数学应用软件之一。其内容涉及矩阵代数、微积分、应用数学、有限元分析、科学计算、信号与系统、神经网络、小波分析及其应用、数字图像处理、计算机图形学、电子线路、电机学、自动控制与通信技术、物理、力学和机械振动等方面。

1.4.1MATLAB的特点

（1）高质量、强大的数值计算功能（2）数据分析和科学计算可视化功能（3）强大的符号计算功能（4）强大的非线性动态系统建模和仿真功能（5）灵活的程序接口功能1.4.2MATLAB的界面环境

默认启动的MATLAB桌面环境包括历史命令窗口（CommadHistory）、命令行窗体（CommandWindow）、当前目录浏览器（CurrentDiretoryBrowser）、工作空间浏览器（WorkspaceBrowser）这四个主要窗口。用户可以通过MATLAB界面中Desktop菜单中的DesktopLayout子菜单下的命令选择不同的MATLAB桌面环境样式。下面主要介绍一下这些常用的窗口。

1.CommandWindow窗口

CommandWindow窗口是MATLAB界面中的重要组成部分，利用这个窗口可以和MATLAB进行交互操作，即输入数据或命令并进行相应的运算，单击窗口标题栏中的按钮可以单独打开CommandWindow窗口，如图所示。启动该子窗口后，窗口第一行提示可选择MATLABHelp获得帮助。下面是在窗口中进行的一些基本运算。图CommandWindow窗口2.LaunchPad窗口

用户可以在LaunchPad窗口中启动某个工具箱的应用程序，单击LaunchPad窗口中的按扭后，LaunchPad窗口就最大化，如图1.4.2所示。通过LaunchPad窗口，可以打开各个工具箱的帮助、Demos(演示窗口)和其他相关的文件或应用程序，这是一个非常好的工具。通过它，用户可以很方便地从事自己的工作，比如要启动ImageProcessToolbox(图像处理工具箱)的Demos，双击该项即可。

图LaunchPad窗口3.Workspace窗口

图Workspace窗口旧版本的Workspace是一个对话框，可操作性差，6.0版后的workspace作为一个独立的窗口，如图所示。4.CommandHistory窗口

CommandHistory窗口主要显示己执行过的命令。MATLAB每次启动时．CommandHistory窗口会自动记录启动的时间，并将CommandWindow窗口中执行的命令记录下来。一方面便于查找，另—方面可以再次调用这些命令，如图所示。

调用CommandHistory窗口中的命令双击CommandHistory窗口中的三维数组B，该操作等效于在CommandWindows窗口中输入此命令，如图所示。

图执行CommandHistory窗口中的命令5.CurrentDirectory窗口

CurrentDirectory窗口主要显示的是当前在什么路径下进行工作，包括文件的保存等都是当前路径下实现的。用户也可以选择File|Setpath命令设置当前路径，如图所示。

1.4.3M文件的编辑调试环境

对于一些比较简单的计算，从指令窗口(CommandWindow)直接输入指令进行计算是很轻松简单的，但是当随着计算的复杂，或是重复计算的需求使得直接从指令窗口输入代码是很不便的，此时应选用脚本文件。MATLAB的程序文件和脚本文件通常保存为扩展名为．m的文件，本书称之为M文件。编辑M文件也可以用其他的文本编辑器，要启动MATLAB的M文件编辑器和调试器，可以在CommandWindow窗口中输入Edit命令，也可以选择File|New/M-file命令，或者单击工具栏图标。M文件的编辑器和调试器如图所示。

MATLAB中M文件主要分为Script文件与function文件两种，前者没有输入输出参数，是仅有一连串MATLAB程序组成的文件，方便执行运算操作，如图所示输入在保存后即为Script文件；后者function文件处了能达到Script文件的功能之外，增添了输入和输出参数，因此要求M文件执行有输入输出参数时，就须以function文件的方式来编写。图M文件的编译器和调试器1.File菜单图File菜单(1)New：新建M文件、图形、Simulik模块。(2)Open：打开M文件。(3)CloseLaunchPad：关闭CommandWindow窗口。(4)ImportData：从外部文件导入数据。(5)SaveWorkspaceAs：将当前工作空间另存为其他文件。(6)SetPath：设置MATLAB的搜索路径。(7)Preference：设置MATLAB工作环境参数。(8)PageSetup:页面设置。(9)Print：打印输出。(10)PrintSelection：打印所选中的文本或其他对象。(11)ExitMATLAB：退出MATLA系统。2.Edit菜单

(1)Undo：取消上—步操作。(2)Redo：重新执行上一步操作。(3)Cut：删除。(4)Copy：复制。(5)Paste：粘贴。(6)PasteSpecial：选择性粘贴。(7)SeIectAll：全部选取。(8)Delete：删除对象。(9)Find：查找。(10)C1earCommandYindow：清除命令行窗口。(11)C1earCommandHistory：清除历史命令窗体。(12)C1earYorkspace：清除当前工作空间。

图Edit菜单3.Text菜单

(1)EvaluateSelection:计算所选部分表达式的值。(2)Comment：注释程序行，选择该命令后，则鼠标指针所在的程序行无效。IncreaseIndent：增加文本的缩进。(3)ment：取消程序行注释，执行该命令后，则鼠标指针所在的程序行有效。

(4)DecreaseIndent：减少文本的缩进。

(5)BalanceDelimiters：平衡分界符。

(6)SmartIndent：智能缩进，即使用系统的设定对文本自动缩进处理。图