任明武-数字图象处理第1章-绪论

数字图象处理

(DigitalImageProcessing)教师：任明武单位：南京理工大学计算机系模式识别与智能控制教研室电话816013952033136Email：renmingwu@ren_ming_wu@2002,Ver1.01任明武，南京理工大学计算机系参考书籍：《图象工程》上下册，章毓晋，清华大学出版社。《图象分割》，章毓晋，清华大学出版社。《计算机视觉》，吴立德，复旦大学出版社。《图象处理与分析》，徐建华，科学出版社。《计算机视觉与模式识别》郑南宁，国防工业出版社。基本参考刊物《计算机研究与发展》《中国图像图形学报〉《计算机工程》《模式识别与人工智能》《电子学报》2002,Ver1.02任明武，南京理工大学计算机系国外刊物(学校或603教研室存)《IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence》,T-PAMI《IEEETransactionsonImageProcessing》,T-IP《PatternRecognition》,PR《ArtificialIntelligence》,AI《ComputerVisionandImageUnderstanding》,CVIU《GraphicalModelsandImageProcessing》,GMIP《MachineVisionandApplications》,MVA《PatternRecognitionLetters》,PRL《ImageandVisionComputing》,IVC2002,Ver1.03任明武，南京理工大学计算机系第一章绪论1.1概述1.1.1图像(Image)图像就是用各种观测系统以不同的形式和手段观测世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼而产生视觉的实体。科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75%来自视觉系统。1.1.2数字图像与模拟图像(AnalogImage,DigitalImage)图像能够以各种各样的形式出现。例如，可视的和不可视的，抽象的和实际的，适于计算机处理的和不适于计算机处理的。就其本质来说，可以将图像分为两大类：数字图像与模拟图像。模拟图像是以时间连续和幅度连续的模拟信号，或时间连续和幅度可连续可不连续的连续时间信号，以及时间离散的连续时间信号形式表示的图像。包括光学、电视图像、照片等。例如，在监控领域，视频信号(Video)最常用的标准有Pal(常称作P制)和NTSC(常称作N制)，它们都是模拟信号，分别规定了不同的帧频和场频、水平线数以及行、场同步信号等。2002,Ver1.04任明武，南京理工大学计算机系数字图像是以时间离散和幅度离散的数字信号形式表示的图像。严格的数字图像是一个经过等距离(矩形或六边形等)网格采样，对信号的幅度进行量化的二维函数。其过程如下：对二维图像进行等间隔取样和量化(量化器不一定必须是均匀量化)，就可以得到一幅有m×n个样本的数字图像，该数字图像是一个整数阵列，因而描述该数字图像最直观和最简便的形式就是矩阵，图像F可以表示为：量化模拟信号采样保持A/D2002,Ver1.05任明武，南京理工大学计算机系其中，f(i,j)表示位置(i,j)处的亮度值。数字图像F也可用向量表示为：矩阵中的每个元素对应着图象的一个点或区域，称为象素（pixel）数字图像具有适合计算机处理和长期存储的特点。1.1.3数字图像的存储和习惯说法按图像显时的颜色可分为彩色图像，灰度图像和黑白图像。它们所表述的信息量逐渐减小。我们习惯上说的黑白电视或黑白照片，实质上是灰度图像。从彩色图像转化为灰度图像的过程称为灰度化，从灰度图像转化为黑白图像的过程称为二值化，从灰度图像转化为彩色图像的过程称为伪彩化。按图像中每个象素存储时所用的比特数可称为x比特图像。比如习惯上称的真彩色图像的每个象素包含(red,green,blue)3个分量，每个分量均用8个比特，因此又可称作24比特图像。二值图像常称作1比特图像。(这是跟存储相关的，比如压缩，1bpp，24bpp等)2002,Ver1.06任明武，南京理工大学计算机系按图像在计算机中的存储格式(文件格式)又称作BMP、GIF、TGA、PCX、JPG、TIFF等图象。它们都是图像文件在计算机中存储时的常用文件格式。具体内容可参看《图像格式大全》等相关书籍。现有的通用图像处理软件(如PhotoShop和AcdSee)都可以处理多种格式，和实现格式之间的转换。注1：※BMP(Bitmap)是MicrosoftWindows所定义的图像文件格式，一个文件存放一幅图像。只能存储单色、16色、256色和真彩色4种格式的数据。只有真彩色图像没有调色板。有RLE4和RLE8两种简单的无失真压缩方法(RLE-RunLengthEncode，即游程长度编码)，分别仅用于16色图像和256色图像的压缩。必须注意BMP文件的图像宽度必须是4的倍数。在读取BMP文件时，常用如下C语言语句得到真正的宽度：width=(BmpHeader.biWidth+3)/4*4;※GIF(GraphicsInterchangeFormat)是由CompuServe公司为了方便网络用户传送图像所定义的。图像最多只能存储256色图像。一个文件存放多幅图像。调色板数据有通用调色板和局部调色板之分。图像数据采用LZW(一种基于字典的编码，性能比RLE好)压缩方法。因此，它经常用于网页的动画、透明等特技制作。2002,Ver1.07任明武，南京理工大学计算机系※TIFF(TagImageFileFormat)：即TIF，是由Aldus公司与微软公司共同发设计的，可以存储多幅图像和多个调色板，可存储个人标示信息，能提供多种不同的压缩数据方法，图像可以分割成几个部分分别存档。其主要特点是：善于应用指针的功能。※PCX：是由Zsoft公司在20世纪80年代初期设计的，专用于存储该公司开发的PCPaintbrush绘图软件所生成的图像数据，目前已成为PC上较为流行的图像文件。一个文件存放一幅图像；使用RLE进行数据压缩。※JPEG：即JPG，是由1986年国际电报电话咨询委员会(CCITT)和国际标准化协会(ISO)联合组成的图像专家小组(JointPhotographicExpertsGroup)，在1991年3月联合制定的“连续色调静态图像的数字压缩和编码”标准。它以信息损失为前提，是一种有损压缩，经典压缩比在10到35之间。※PSD：是Adobe公司开发的图像处理软件Photoshop中自建的图像文件格式。注2：目前市面上有大量的都号称是图像处理的书籍，必须明白它们并非是我们要学的图像处理。将图像处理与Photoshop画上等号是非常错误的。Photoshop的处理对象和结果都是Photo，即强调视觉感受；而2002,Ver1.08任明武，南京理工大学计算机系实际的图像处理工作主要是针对不同的应用领域提取不同的信息，这是Photoshop不擅长的。实际上，图像处理技术的最大特点就是缺乏通用性。2002,Ver1.09任明武，南京理工大学计算机系1.2图像处理和分析系统1.2.1基本结构通信采集处理分析显示存储1.2.2硬件组成(图象获取设备)基于计算机的图像处理系统的硬件一般包括图像输入设备、图像输出设备(打印机)、计算机和显示器。我们主要讲图像数设备。2002,Ver1.010任明武，南京理工大学计算机系

图象获取也就是图象的数字化过程，即将图象采集到计算机中的过程，主要涉及成像及模数转换（A/DConverter）技术，曾经是很昂贵的，一直是挡在普通用户面前的难以逾越的主要障碍之一，随着计算机与微电子特别是固体成像设备（电荷耦合设备CCD(ChargeCoupledDevices)）的快速发展，使得图象获取设备的成本显著降低，因而越来越普及，不久的将来将成为高档微机的内置设备。以CCD技术为核心，目前图象获取设备有黑白摄象机、彩色摄象机、扫描仪、数字相机等，性能与价格主要取决于CCD的规格，如尺寸等。除了这些常见的类型外，目前有许多厂商提供各种其它的专用设备，如显微摄象设备、红外摄象机、高速摄象机、胶片扫描器等等。此外，遥感卫星、激光雷达等设备提供其它类型的数字图象。常用的摄像机的称法多种多样。比如可基本分为彩色(Colorful)、黑白(B/W)两种；按信号形式又可分为模拟和数字两种；按传感器靶面又可分为线扫描和面扫描摄像机；按波长感应范围又可分为红外、微光、可见光等摄像机。有的摄像机还同时带有云台和3可变镜头，称为一体化摄像机。随着新技术的发展，近年来出现了直接与计算机相连的摄像机(常称为电脑眼)，直接上网的、内置MiniWeb的摄像机等。

摄像机和图像卡(Camera&ImageBoard)2002,Ver1.011任明武，南京理工大学计算机系线扫描CCD器件，2048×1波长响应取线线扫描摄像机常规模拟摄像机一种针孔摄像机2002,Ver1.012任明武，南京理工大学计算机系红外热象仪所拍摄的红外图像探测器类型整体热敏电阻焦平面探测器材料多晶硅分辨率320x240响应波段8~14um温度稳定器热电温度分辨率在30度时<0.1度空间分辨率1.0rmad启动时间<=7s工作环境温度-20度~60度存储温度-40--70度图象显示白热/黑热帧频50帧/s电源5--10VDC重量1.2kg使用铁红坐标系显示温度的伪彩色图象一种数码相机2002,Ver1.013任明武，南京理工大学计算机系一种一体化摄像机技术指标一种IP摄像机

传统摄像机+内置服务器+内置网卡，通过以太网或互联网进行访问，支持远程控制(云台+解码器+镜头)，支持客户端多路同时录像，远端的浏览者不需任何专业软件，只要标准的网络浏览器(MicrosoftIE或Netscape)2002,Ver1.014任明武，南京理工大学计算机系一种电脑眼可见光色谱图IR(Infra-red,红外线):800~1200nmRed:630~750nmOrange:590~630nmYellow:570~590nmGreen:490~570nmBlue:450~490nmIndigo:420~450nmViolet:380~420nm2002,Ver1.015任明武，南京理工大学计算机系常用的摄像机与计算机的接口方式(1)模拟摄像机+专业图像卡(2)模拟摄像机+多媒体卡(3)数字摄像机+USB接口(4)数字摄像机+1394接口(或接口卡)(5)高分辨率数字摄像机+专业的数字接口卡(RS644、LVDS卡)摄像机价格模拟摄像机800˜4000元电脑眼200˜500元IP摄像机4000˜8000元红外热象仪20-50万元100万象素以上的数字摄像机3˜8万元2002,Ver1.016任明武，南京理工大学计算机系B_ORION(AGP)ICOLOR(PCI)带CPU的OdysseyXpro2002,Ver1.017任明武，南京理工大学计算机系一种1394卡一种多媒体卡一种电视台专用编辑卡2002,Ver1.018任明武，南京理工大学计算机系美国Coreco公司BanditII图像卡加拿大Matrox公司B_Orion图像卡2002,Ver1.019任明武，南京理工大学计算机系摄像机价格多媒体卡200˜500元B/W图像卡(8bit)3000-5000元彩色图像卡(8bit)4000˜8000元1394卡500-3000元医学用专业图像卡(12-14bit)1.5-2.5万元带CPU的高速图像处理卡3-8万元高速数