第一章数字图像处理基础

第一章数字图像处理基础第1页，课件共67页，创作于2023年2月教材

教材RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods.

DigitalImageProcessing(SecondEdition)，PrenticeHall，2003.RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods著，阮秋琦、阮宇智等译.数字图像处理（第二版），电子工业出版社，2003年。第2页，课件共67页，创作于2023年2月参考书

参考书RafaelC.Gonzalez,等著，阮秋琦，等译.数字图像处理（Matlab版），电子工业出版社，2005年。KennethR.Castleman著，朱志刚、林学訚、石定机等译.数字图像处理，电子工业出版社，2002年。章毓晋.图象工程上册—图象处理和分析，清华大学出版社，2003年。阮秋琦.数字图像处理学，电子工业出版社，2004年。第3页，课件共67页，创作于2023年2月上课主要内容1. 数字图像处理基础2. 空间域图像增强3. 彩色图像处理4. 傅立叶变换基础5. 频率域图像增强6. 图像复原7. 图像分割8. 图像压缩9. 特征表示与描述10. 对象识别与解释第4页，课件共67页，创作于2023年2月课程目的与要求掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法初步运用所学知识解决实际问题为图像处理及相关领域的研究打下基础图像处理计算机视觉基于内容的图像、视频检索人脸识别、指纹识别、掌纹识别、虹膜识别图像分类、图像和视频的语义概念检测、……第5页，课件共67页，创作于2023年2月成绩出勤+作业30%，考试成绩70%考试闭卷完成（基本概念、原理和算法）第6页，课件共67页，创作于2023年2月

第一章

数字图像处理基础

兰州理工大学电信学院第7页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理基础概述

概念：图像、数字图像、像素数字图像处理的应用领域数字图像处理系统的部件基础知识图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系第8页，课件共67页，创作于2023年2月什么是图像？定义为二维函数f(x,y)，其中，x,y是空间坐标，f(x,y)是点（x,y）的幅值灰度图像是一个二维灰度（或亮度）函数f(x,y)彩色图像由三个（如RGB）二维灰度（或亮度）函数f(x,y)组成yy xx第9页，课件共67页，创作于2023年2月什么是数字图像？

像素组成的二维排列，可以用矩阵表示对于单色（灰度）图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，0表示黑、255表示白，其它值表示处于黑白之间的灰度

彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255则代表相应的基色在该像素中取得最大值第10页，课件共67页，创作于2023年2月（a）原图像（b）图(a)的R分量（c）图(a)的G分量（d）图(a)的B分量RGB彩色图像及其各分量图像第11页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像的像素表示什么是像素？

数字图像由二维的元素组成，每一个元素具有一个特定的位置（x,y）和幅值f(x,y)，这些元素就称为像素yxxy第12页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像的像素表示xy(0,0)yx(1,1)普通图像坐标系Matlab图像坐标系f(x,y)f(x,y)第13页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像的像素表示Lena图像Matlab中坐标及灰度值第14页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理的概念数字图像处理(DigitalImageProcessing)

是通过计算机对数字图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。第15页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理的应用领域传统领域

医学、空间应用、地理学、生物学、军事……最新领域

数码相机(DC)、数码摄像机(DV)指纹识别、人脸识别互联网、视频、多媒体基于内容的图像检索、视频检索、多媒体检索游戏、电影特技、虚拟现实、电子商务等

数字图像处理的应用领域无处不在

第16页，课件共67页，创作于2023年2月例1：图像增强——直方图均衡化第17页，课件共67页，创作于2023年2月例2：人脸识别第18页，课件共67页，创作于2023年2月例3：图像复原第19页，课件共67页，创作于2023年2月例4：医学图像处理—锐化第20页，课件共67页，创作于2023年2月例5：影视图像处理

—由黑白图像转换的伪彩色图像第21页，课件共67页，创作于2023年2月例6：视频字幕识别第22页，课件共67页，创作于2023年2月图像处理系统的基本组成结构图

像

数

字

化

设

备第23页，课件共67页，创作于2023年2月图像处理系统的基本组成结构主要由三大部分组成

图像数字化设备：包括数码相机、数码摄像机、带照相和/或摄像功能的手机等

图像处理设备：包括计算机和存储系统

图像输出设备：包括打印机，也可以输出到Internet上的其它设备第24页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像输入输出设备第25页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理基础图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系

第26页，课件共67页，创作于2023年2月图像的采样和量化大多数传感器的输出是连续电压波形为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形式这包括两种处理：采样和量化采样：图像空间坐标的数字化量化：图像幅值（灰度值）的数字化第27页，课件共67页，创作于2023年2月图像采样

图像空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N、M第28页，课件共67页，创作于2023年2月图像的量化图像幅值的数字化被称为图像的量化，如量化到256个灰度级rk第29页，课件共67页，创作于2023年2月图像的采样与数字图像的质量第30页，课件共67页，创作于2023年2月图像的采样与数字图像的质量第31页，课件共67页，创作于2023年2月图像的采样与数字图像的质量

(a)(b)(c)

(d)

(e)(f)

采样数变化对图像视觉效果的影响示例

第32页，课件共67页，创作于2023年2月（a）（b）（c）（d）（e）（f）空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例图像的采样与数字图像的质量第33页，课件共67页，创作于2023年2月图像的采样与数字图像的质量第34页，课件共67页，创作于2023年2月（a）（b）（c）（d）（e）（f）灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例

图像的量化与数字图像的质量第35页，课件共67页，创作于2023年2月图像的量化与数字图像的质量第36页，课件共67页，创作于2023年2月图像的采样和量化非统一的图像的采样

在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样第37页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理基础图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系第38页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像的表示二维离散亮度函数——f(x,y)x，y说明图像像素的空间坐标函数值f代表了在点(x,y)处像素的灰度值二维矩阵——A[m,n]

m,n说明图像的高和宽。矩阵元素a(i,j)的值，表示图像在第i行，第j列的像素的灰度值；i,j表示几何位置第39页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像的表示

图像描述信息

如图像高度和宽度等信息图像数据

顺序存放的连续数据第40页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理基础

图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系第41页，课件共67页，创作于2023年2月图像的质量：1、层次灰度级：表示像素明暗程度的整数量

例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次

图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好第42页，课件共67页，创作于2023年2月图像的质量：1、层次256个层次的图像64个层次的图像16个层次的图像第43页，课件共67页，创作于2023年2月图像的质量：2、对比度对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小

对比度=最大亮度/最小亮度第44页，课件共67页，创作于2023年2月图像的质量：3、清晰度与清晰度相关的主要因素

亮度对比度尺寸大小细微层次

颜色饱和度第45页，课件共67页，创作于2023年2月影响清晰度因素——1、亮度第46页，课件共67页，创作于2023年2月影响清晰度因素——2、对比度第47页，课件共67页，创作于2023年2月影响清晰度因素——3、尺寸大小第48页，课件共67页，创作于2023年2月影响清晰度因素——4、细微层次第49页，课件共67页，创作于2023年2月影响清晰度因素——5、颜色饱和度第50页，课件共67页，创作于2023年2月数字图像处理基础图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系第51页，课件共67页，创作于2023年2月像素间的一些基本关系相邻像素

4邻域；D邻域；8邻域连通性4连通；8连通；m连通距离邻域处理方法是图像增强和复原过程的核心第52页，课件共67页，创作于2023年2月相邻像素——4邻域4邻域：像素p(x,y)的4邻域是：

(x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1)用N4(p)表示像素p的4邻域

第53页，课件共67页，创作于2023年2月相邻像素——D邻域D邻域定义：像素p(x,y)的D邻域是：对角上的点 (x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1)用ND(p)表示像素p的D邻域第54页，课件共67页，创作于2023年2月相邻像素——8邻域8邻域定义：像素p(x,y)的8邻域是：4邻域的点＋D邻域的点用N8(p)表示像素p的8邻域N8(p)=N4(p)+ND(p)第55页，课件共67页，创作于2023年2月像素间的连通性连通性是描述区域和边界的重要概念

两个像素连通的两个必要条件是：（1）两个像素的位置相邻（2）两个像素的灰度值满足特定的相似性准则（或者相等）4连通、8连通的定义第56页，课件共67页，创作于2023年2月像素的连通性——4连通对于具有值V的像素p和q，如果q在集合N4(p)中，则称这两个像素是4连通的第57页，课件共67页，创作于2023年2月像素的连通性——8连通对于具有值V的像素p和q，如果q在集合N8(p)中，则称这两个像素是8连通的第58页，课件共67页，创作于2023年2月像素的连通性——通路通路的定义

一条从具有坐标(x,y)的像素p,到具有坐标(s,t)的像素q的通路，是具有坐标(x0,y0),(x1,y1),...,(xn,yn)的不同像素的序列。其中，(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是邻接的，1≤i≤n，n是路径的长度。如果(x0,y0)=(xn,yn),则该通路是闭合通路第59页，课件共67页，创作于2023年2月像素的连通性——距离像素之间距离的定义欧氏距离定义D4距离（城市距离）定义D8距离（棋盘距离）定义第60页，课件共67页，创作于2023年2月像素之间距离的定义对于像素p、q和z，分别具有坐标(x,y)，(s,t)和(u,v)，如果(1) D(p,q)≥0(当且仅当p=q，D(p,q)=0),(2) D(p,q)=D(q,p)(3) D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)则称D是距离函数或度量第61页，课件共67页，创作于2023年2月欧氏距离定义像素p(x,y)和q(s,t)间的欧氏距离定义如下：对于这个距离计算法，具有与(x,y)距离小于等于某个值r的