数字图像处理讲课ppt

数字图像处理讲课：余康为小伙伴：魏巍、肖加俊、李鑫岩第一章概论图像图像：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与人眼进而产生视知觉的实体。图像与景物的区别：图像是视觉景物的某种形式的表示和记录。人眼看到的客观世界，系统观测到的客观世界称为景物。图像在人类感知中扮演最重要的角色。60％～80％的信息来自图像成像机器可覆盖几乎所有电磁波谱还存在其他成像方式（声波，电子显微镜，分形图像等等）图像分类物体objects图像images不可见的物理图像Non-visiblephysicalimage数学函数Mathematicalfunction连续函数continuous离散函数Discrete(digitalimage)可见的图像Visibleimage光图像Opticalimage图片pictures照片photograph图drawing画paintings图像处理主要内容概括广义上：图像采集图像编码与传输图像信息处理图像显示狭义上：图像增强图像恢复图像分割图像表示模拟图像处理简介人类最早的图像处理是光学处理，如放大、缩小、显微等。

1、光学处理：光学滤波器、激光全息技术

2、电子处理：照相、电视信号处理、遥感图像处理

特点：速度快、实时、并行处理；精度差、灵活性差。数字图像处理一般用数字计算机处理或其他高速、大规模集成数字硬件处理，所以亦称为计算机图像处理。对从图像信息转换来的数字电信号进行某些数字运算或处理，以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期的结果。

特点：精度高、灵活性强可以长期保存不失真。分辨率高、但速度受限。图像数字化我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模拟图像，所以数字图像处理的一个先决条件就是将连续图像离散化，转换为数字图像。用网格把要处理的图像罩上，在每个像素位置，亮度被采样和量化，得到对应点上一个表示亮、暗程度的一个整数值。图像变成一个整数矩阵。每个像素具有两个属性：位置和灰度。数字化实例几个名词解释空间分辨率（spatialresolution）：指网格在水平方向和垂直方向共分多少格，用M*N表示，其值常为2的整数次幂。每一个离散像点称为像元或像素（pixel）。分辨率（Imageresolution）：能区分图像上两个像元的最小距离。灰度（grayscale）：使用黑色调表示物体，即用黑色为基准色，不同的饱和度的黑色来显示图像。灰度级：指黑白显示器中显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中表现为颜色的不同，灰度级越多，图像层次越清楚逼真。灰度直方图（histogram）：是灰度级的函数，它表示图象中具有每种灰度级的象素的个数，反映图象中每种灰度出现的频率。图像处理的整个过程摄像机产生一个对应于物体的光学图像，显影后的胶片上形成对应于光学图像的负像。胶片在数字化器的光敏面上形成一个光学图像，由它形成输入数字图像，再经过6次转换得到输出图像。每一步都可能产生退化。图像处理系统的组成图像处理系统的组成图像采集图像存储图像显示图像分析图像通讯图像采集通讯网络一个典型的图像采集系统光学成像系统图像感应系统图像采集系统图像处理系统镜头CCD或CMOS图像传感器图像捕捉卡计算机

获取数字图像的设备即采集装置。采集装置都包括下面部件：光敏感器件、扫描系统和模/数转换装置。图像采集基于CCD光电耦器件的输入设备摄像机、数字摄像机数字相机平板扫描仪基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪图像输入系统选择要求输入系统是图像处理的信号来源，此信号的质量将直接影响图像处理的好坏，最主要的问题是输入设备引入了噪声，噪声不可避免，去噪很重要。其次就是空间分辨率，它取决于应用类型。数码相机

(1)镜头将光线会聚到感光器件CCD上；(2)CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置；(3)CCD的功能是光强信号转变为不同强度的电信号，得到拍摄景物的图像信息；(4)ADC将模拟信号到数字信号的转换；(5)MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG、BMP格式，并将图像文件被存储在内置存储器中；(6)LCD显示查看拍摄照片；部分数字相机还提供连接计算机和电视机的接口。

图像显示图像显示的主要形式：软拷贝形式：显示器等装置上面显示的图像硬拷贝形式：幻灯片、照片或透明胶片、印刷机、打印机、复印机等得到的印件图像显示主要考虑：存取速度、存取方式存储容量、存储寿命处理和分析过程中使用的快速存储器。计算机内存、帧缓存用于比较快地重新调用的在线或联机存储器。磁盘、磁光盘（MO)不经常使用的数据库（档案库）存储器。磁带、光盘一般存储系统常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等海量存储备份系统采用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备图像存储模块近程图像通信主要指不同设备间交换图像数据。用于局域网的软件和硬件协议远程图像通信就是把图像传送到远方终端。主要问题就是数据量大而传输通道窄。图像压缩按传输图像种类分为静止图像通信，如电报、传真和图文电视等动态图像通信，如电视、可视电话等。图像通信模块主机以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像处理系统采用大型机图像处理软件由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。图像处理软件

图像处理所需的设备图像传感器电视摄像机扫描仪数码照相机遥感图像获取设备计算机图像输入卡（采集卡)显示卡图像存贮装置图像数字化设备输入图像输出图像打印机绘图仪图像处理计算机图像输出设备光谱400nm700nm紫外光红外光546.1nm435.8nm780nm伽马射线成像伽马射线成像用于核医学、天文观测核医学中将放射性同位素注射到病人体内，衰变时放出伽马射线，然后用检测器收集到放射物产生图像。天文观测利用物体自然辐射成像。X射线成像X射线成像用于医学诊断、工业检测等领域。X射线管产生X射线。X射线管是带有阴阳极的真空管。阴极加热释放自由电子，高速流向阳极。电子撞击原子核时释放能量，产生X射线。X射线的能量由阳极电压控制，阴极电流控制X射线的数量。伦琴与第一张X光片X射线成像减影法将造影剂诸如血管。将之前和之后的图像相减，突出注入造影剂的血管。X射线成像X射线成像用于医学诊断、工业检测等领域。X射线管产生X射线。X射线管是带有阴阳极的真空管。阴极加热释放自由电子，高速流向阳极。电子撞击原子核时释放能量，产生X射线。X射线的能量由阳极电压控制，阴极电流控制X射线的数量。紫外线成像紫外线成像用于平板印刷技术、工业检测、显微镜方法、激光、生物图像、天文观测等。紫外光本身不可见，与荧光材料内电子碰撞，把电子提高到较高能级。受激电子释放到较低能级，以可见光范围内低能光子发光。左图为普通谷物的荧光显微图像。右图为被真菌感染的谷物的荧光显微镜图像。

可见光及红外线成像左图为放大250倍的紫杉汾右图为放大40倍的胆固醇

华盛顿地区的卫星图像可见光及红外线成像微波图像雷达像一个闪光照相机，自己提供照明（微波脉冲），去照明一个区域，并快速拍摄图像，与照相机镜头不同，雷达用天线和计算机记录图像。在雷达图像中，只能看到反射到雷达天线的微波能量。西藏东南山区雷达图像无线电波图像无线电波图像主要应用在医学和天文学。在医学中，用于核磁共振成像。核磁共振成像可以在任何平面产生图像。膝盖和脊柱图像头部图像声波图像声波成像应用于地质勘探、工业和医学中。地质应用采用几百赫兹的中低端声波。最重要的应用是矿藏和石油勘测。为了透过地表获取图像，发出100赫兹的频率振动。返回声波的强度和速度由地表下的成分决定，经计算机分析得出图像。其他应用采用百万赫兹的超声波。数字图像特点可以长期保存不失真。分辨率高数据量大256*2568bit灰度图像64k512*5128bit灰度图像768k30帧/秒的电视图像序列500k~22.5M相关性强可以充分利用现代信息处理技术简明历史本世纪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。1921年通过海底电缆传送，用电报打印机采用特殊字符在编码纸带中打印出来的图像。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。1922年，两次穿越大西洋后，采用光学还原技术，从穿孔纸带得到图像。简明历史五十年代中期在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“旅行者7号”太空船送回的四千多张月球照片进行了处理。美国航天器传送的第一张月球照片，1964年7月31日在光线影响月球表面17分钟摄取的图像。计算机图像处理未处理的原始月球表面图像经计算机处理过的月球表面图像数字图像处理的主要应用通讯技术——图象传真，电视电话，卫星通讯，数字电视宇宙探索——其他星体图片处理遥感技术——农林资源调查，作物长势监视，自然灾害(水、火、风、虫等)监测、预报，地势、地貌以及地质构造测绘，找矿，水文、海洋调查，环境污染笋测，等等生物医学——X射线、超声、显微图片分析，内窥镜图、温谱图分析，断层及核磁共振分析工业生产——无损探伤，石油勘探，生产过程的自动化(识别零件，装配，质量检查)，工业机器人视觉数字图像处理的主要应用计算机科学——文字、图象输入的研究，计算机辅助设计，人工智能研究，多媒体汁算机与智能计算机研究气象预报——天气云图测绘、传输军事技术——航空及卫星侦察照片的判读，导弹制导，雷达、声纳图象处理，军事仿真高能物理——核子泡室图片分析侦缉破案——指纹鉴别，印鉴、伪钞识别，手迹分析考古——恢复珍贵的文物图片，名画，壁画。发展趋势1：结合网络和Internet技术需求而发展起来的新技术，比如网上图象、视频的传输、点播和新的浏览、查询手段。2：高级图象处理技术，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。数字图像处理课程学习内容

包括图像数字化、图像变换、图像压缩编码、图像增强、图像恢复、图像分割。图像增强增强构成图像的像素，使它更适合某一特定应用图像恢复试图利用退化现象的某种先验知识，来复原原始图像图象边缘检测图象分割图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中物体的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。将一幅图像划分为几个组成部分或分割出目标物体。图象分割彩色图像处理形态学处理膨胀操作实例利用数学形态学对图像进行处理图像隐藏保密通信中的应用第二章物理基础图像的获取

图像（Image）--是客观世界的景物通过光学系统作用后产生的影像。图像直观地反映了场景中物体的颜色、亮度等特征，从而使我们能清晰分辨他们的形状、大小和空间的位置。人类获取信息的70%是通过视觉系统感知的。2.2光度学简介光度学：光学中研究光的辐射、吸收、照射、反射、散射、漫射等有关光的度量的学科，同时结合人的视觉特征来确定光的度量及使用的单位。发光强度：发光体在给定方向上的发光强度是该发光体在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元所得之商，即单位立体角的光通量。公式：其中光强单位为坎德拉（cd）（国际单位），Ω为立体角，单位为球面度（sr），1cd=1lm/sr。光通量：光源以电磁波的形式辐射出的光功率称为光通量。其单位流明的意义为：发光强度为1cd的均匀点光源在1球面立体角内发射的光通量。人眼对不同波长的可见光敏感程度不一样，同时在不同的光暗程度下这一特性也有所差别，根据这一特性可以画出视敏度曲线。亮度：亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度用符号L表示，亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）。光照强度（简称照度）：照射在单位面积上的光通量。单位为勒，在1平方米的面积上照有1lm的光通量称为1lx。照度于成像的好坏有很大的关系，电视台常需要强光来照射。2.3色度学简介2.3.1彩色视觉为了进行图像的彩色分析而建立的彩色计量的学科，称为色度学。人眼对彩色的感知由三个量来度量：色调、饱和度、亮度。色调：色调由可见光光谱中各分量成分的波长来组成，它是指物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的，不同波长产生不同颜色的感觉，它决定了颜色本质的根本特征。饱和度：饱和度反映了彩色的浓淡，它取决于彩色光中白光的含量，白光越多，彩色越淡。当白光占主要成分时，彩色淡化为白色。色调和饱和度合称色度，它既说明了彩色的波长成分分布又说明了这种彩色光的深浅浓淡（参白的多少）。亮度：彩色光对人眼引起的光刺激强度，与光的能量有关，彩色光的亮度对人来说就是彩色的明亮程度。2.3.2三基色自然界中的绝大多数彩色都可以用适当比例的三种基本彩色混合组成的等效色来模拟。这三种颜色就被称为三基色。常用的三基色，红（R），绿（G），蓝（B）。通过三基色在白色屏幕下相互叠加可以产生其它颜色。上面提到的是用三基色相互叠加的方法得到其它颜色，还有一种方法是用相减混色。这种方法通常被用在彩色印刷和彩色绘画中。在这种方法中三基色是品红，青和黄。1.彩色的模拟和分解前面说过不同单色的可见光引起人眼的不同彩色感觉，但是同样的彩色感觉却可以另外的相应的光谱段组成非单波长三基色的不同比例组成。例如白光由七种颜色组成但是也能由三色波长红、绿、蓝组成。图像处理中模拟彩色可用相加混合法，实现的方法有多种：（1）三基色同时投到一全反射表面合成，如投到白色幕布上。（2）因视觉残留作用，把三基色按时间轮流投到一全反射面上，只要轮换的速度足够快，仍能使人感知为各种彩色。（3）三基色光分别头到一个面的三个点上，只要这些点相互邻接，距离很近，就可因人眼的视觉分辨率无法分开三个点而产生三基色相加色的感觉，彩色电视机就是利用这个原理。（4）两眼分别同时观看不同彩色的同一图像，产生彩色合成效果。彩色图像的分解最常用的方法是用三基色的滤色片透镜或棱镜得到三幅同样的三基色图像，再分别对每幅图像进行处理。2.物理三基色，R,G,B有很多方法选择三基色，但是实用的必须容易获得，配出彩色尽可能多，稳定，为此国际照明委员会CIE指定物理三基色光的波长，用这种R,G,B配出的白光称为E白，此时三基色的光通量比例为3、计算三基色物理三基色使用不便，首先用它计算各种彩色时，三色系数有时会出现负值（高饱和蓝光和绿光时）。为此CIE规定了一种虚拟的三基色系（XYZ）标准系统，它克服了原三基色系缺点，匹配彩色时，三基色系都是正值。4、XYZ色度图5、XYZ色度图的配色图像处理中可根据色度图进行各种配色，也可以对彩色进行分解。理论上我们可以根据XYZ色度图查处新的颜色，并把它输入计算机分析。但是实际上人眼刚刚能认出图像差别的能力比较差。