《数字图像处理：Matlab算法设计与解译》 课件 1-第1章-概述

第一章绪论一张照片胜过千言万语。画面比文字更形象生动。

百闻不如一见。“Onepictureisworthmorethantenthousandwords”浮雕效果青春年华、下面途中的每个圆盘在动吗？田园美景

这里的每一幅图片（图像），如果不能直视，要用多少文字的描述，您才能想象出亲眼看到这样的效果呢？实验心理学家赤瑞特拉（Treicher）做过的两个著名的心理实验之一结论是：人类获取信息83%来自视觉信息！

数字图像处理，已经成为计算机、信息和媒体处理类专业的骨干和核心专业课程。

课程教学方法：

以课堂讲授为主；

通过对图像处理原理及算法的分析和处理结果（效果）的图示/演示，加深大家对各种图像处理方法及实现算法的理解；

通过代表性的图像处理算法的matlab编程及实验验证，使学生初步地掌握图像处理编程及算法验证方法，提高应用性教学效果。

学校建议的过程性评价形式包括：

主要包括：学生考勤、课堂表现（包括课堂纪律、听课表现等）、平时作业、综合性大作业（包括课外阅读、专题学术论文、专题调研报告、案例分析等）、团队作业、课程论文、课程设计、实验（实训）报告、教学实践活动、阶段性测试、期终测验等。

学校要求每门课过程性评价方式不少于5种。建议的课程考核方式

（1）期末闭卷考试占60%。

（2）课程实验占20%。（3）课程作业占10%。（4）平时及其它环节（课堂考勤、课堂互动、课堂纪律、期中或阶段性小测验等）占10%。第一章绪论《数字图像处理：

Matlab算法设计与解译》

1、数字图像与数字图像处理

2、数字图像处理系统的组成

3、数字图像处理技术的应用领域

4、Matlab及其应用基础5、基于MATLAB的图像处理程序设计与解译6、图像处理技术涉及的学科领域7、

Matlab软件的安装主要内容1.1数字图像与数字图像处理

一、图像与数字图像（1）图像

图像是指用各种观测系统，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的视觉系统而产生的视知觉实体。一、图像与数字图像（2）数字图像

数字图像是指以二进制形式的数字表示和存储的图像。

比如：

◆数数码相机拍摄得到的图像；

◆数字摄像仪拍摄得到的图像；

◆利用数字化图像扫描仪对纸质图片扫描获得的图像。

（3）像素

数字图像是以二维的点阵形式显示的，其中的每个（像）点称为像素。

◆每一幅数字图像的每个像素的亮度值，都是用二进制数值表示的。

◆每一幅特定的数字图像高和宽，也是以相应的二进制数值表示的。一、图像与数字图像

（1）概念

数字数字图像处理是指对数字图像信息进行加工，以改善图像的视觉效果和提高图像的实用性；或对数字图像进行压缩编码以减少所需的存储空间的技术。

数字图像处理也称为计算机图像处理，泛指利用计算机技术对数字图像进行某些数学运算和各种加工处理。二、数字图像处理图像处理系统图像1图像2二、数字图像处理

（2）数字图像的基本特征

系统的输入和输出都是图像。图像处理系统（加噪）二、数字图像处理（2）数字图像的基本特征

系统的输入和输出都是图像。

比如：图像处理系统（图像合成）二、数字图像处理（2）数字图像的基本特征系统的输入和输出都是图像。

比如：图像处理系统(求图像最大、最小、平均灰度值)二、数字图像处理

显然，上面给出的是一种比较严格的图像处理定义，因此也呈现出了某种狭义性。（2）数字图像的基本特征系统的输入和输出都是图像。

比如：

随着科学技术的发展和进步，数字图像处理技术开始应用于解决机器感知问题。

在这种情况下，数字图像处理的目的不再是单纯的改善图像的视觉效果和提高图像的实用性，而是把注意力集中于以更适合于计算和处理的形式和从图像中提取信息的过程。

图像分析

二、数字图像处理（1）概念

图像分析一般是利用数学模型并结合图像处理的技术来分析底层特征和上层结构，从而提取具有一定智能性的信息。

图像分析更侧重于研究图像的内容，更倾向于对图像内容的分析、解释和识别。三、图像分析图像分析系统图像对图像进行描述的信息三、图像分析（2）图像分析的基本特征输入是图像，输出是对输入图像进行描述的信息。图像分析系统三、图像分析

3、图像分析（2）图像分析的基本特征输入是图像，输出是对输入图像进行描述的信息。

比如：图像分析系统（边缘检测）三、图像分析（2）图像分析的基本特征输入是图像，输出是对输入图像进行描述的信息。

比如：◆图像处理是对图像的低级处理阶段，图像分析是对图像的高一级的处理阶段。◆图像的低级处理是高级处理的基础，要对图像进行高一级的处理，必须先对图像进行低级(预)处理。◆图像的高一级处理是数字图像处理与分析的目的。四、图像处理与图像分析的关系

另外：

◆图像处理主要是在图像像素级上进行的处理，处理的数据量比较大。

◆图像分析则通过图像分割和特征提取，把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非图形式的描述。

◆在实际中，图像的低级处理阶段和高一级的处理阶段是相互关联和有一定重叠性的。四、图像处理与图像分析的关系基于以上的原因，本书中提到的图像处理概念是广义的，它不仅包括了输入和输出都是图像的低级处理，而且也包括了输入是图像，输出是对输入图像的描述这样的高一级的处理。

也就是说，广义的图像处理概念实际上指的是图像处理与分析。

四、图像处理与图像分析的关系

（1）传统的图像处理方法

主要包括图像增强、图像恢复、图像压缩编码、图像分割、图像特征提取、图像的表示与描述、图像变换和图像的基本运算。五、图像处理技术的研究内容

（1）传统的图像处理方法

主要包括图像增强、图像恢复、图像压缩编码、图像分割、图像特征提取、图像的表示与描述、图像变换和图像的基本运算。

（2）基于特定数学理论的图像处理方法

主要包括频率域图像处理、小波图像处理和形态学图像处理等。五、图像处理技术的研究内容

（1）传统的图像处理方法

主要包括图像增强、图像恢复、图像压缩编码、图像分割、图像特征提取、图像的表示与描述、图像变换和图像的基本运算。

（2）基于特定数学理论的图像处理方法

主要包括频率域图像处理、小波图像处理和形态学图像处理等。

（3）彩色图像处理方法五、图像处理技术的研究内容1.2数字图像处理系统的组成

一、数字图像处理系统的架构

数字图像的处理过程是由计算机完成的。

一个典型的数字图像处理系统的组成架构：二、数字图像处理系统的组成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彩色印刷机图像处理计算机图像输出设备二、数字图像处理系统的组成

（1）图像的感知与获取设备（输入设备）

是一种将景物转换成计算机可以接受的数字图像的图像采集设备。二、数字图像处理系统的组成图像获取/输入设备1000DPI1600DPI1000象素1600象素扫描仪分辨率与扫描图象的大小分辨率：单位长度上采样的像素个数：DPI(dot/inch)1英寸原稿图像二、数字图像处理系统的组成

（2）图像处理系统和软件开发工具及平台专用或通用图像处理系统；利用MATLAB图像处理工具箱提供的丰富的图像函数和环境进行图像处理软件开发；直接在MicrosoftWindows上，以Microsoft公司的VC++或BC++为编程工具，进行图像处理软件开发。二、数字图像处理系统的组成

（3）图像输出设备

彩色显示设备；彩色印刷/打印设备。二、数字图像处理系统的组成图像输出设备之一喷墨打印机激光打印机数字印刷机PCMCIA存储设备

二、数字图像处理系统的组成三、数字图像处理系统的分类三、数字图像处理系统的分类三、数字图像处理系统的分类四、典型图像处理（工具）软件示例Photoshop图像处理软件四、典型图像处理（工具）软件示例Windows附件中的画图四、典型图像处理（工具）软件示例画图3D五、实用的图像处理系统示例1.3图像处理技术的应用领域

（1）20世纪20年代，通过海底电缆从伦敦向纽约传送数字化的新闻照片。

（2）20世纪60年代，开始用计算机技术改善空间探测器的图像质量，校正航天器上电视摄像机中各种类型的图像畸变。

（3）20世纪70年代，图像处理技术开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学等领域。

（4）到21世纪的今天，几乎已不存在与图像技术无关的技术领域。一、图像处理技术应用的变迁

宇宙探索、遥感技术、气象预报、工业生产、生物医学、军事应用、公安业务、交通控制、考古、媒体通信、文化产业等。

总体上来说，图像处理技术的应用已经遍布国民经济的各个领域。二、当前图像处理技术的主要应用领域二、当前图像处理技术的主要应用领域

1、医学应用

通过CT及核磁共振、超声波、X射线成像的分析等，可提供医学诊断依据。X线片CT片MRIECT

1、医学应用二、当前图像处理技术的主要应用领域CT(ComputedTomography)

计算机断层摄影术肝脏和胃的横断平面CT图像CT扫描投射成像

1、医学应用二、当前图像处理技术的主要应用领域地球资源勘探

2、遥感与资源勘探二、当前图像处理技术的主要应用领域农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等。二、当前图像处理技术的主要应用领域

2、遥感与资源勘探1998年长江（枝城-岳阳）洪涝灾害监测

无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研制等。

3、工业生产二、当前图像处理技术的主要应用领域

航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、声纳图像处理，导弹制导，军事仿真等。隐形飞机、定位轰炸夜视侦查成像

4、军事应用二、当前图像处理技术的主要应用领域Landscape电子沙盘

4、军事应用军事目标跟踪景象匹配精确制导

4、军事应用图像传真，数字电视、网络可视聊天、可视电话网页动画等。

5、通信技术二、当前图像处理技术的主要应用领域独特的ExactTime和AutoBalance技术语音图像唇形同步只需350毫秒Hi…Hello…

5、通信技术二、当前图像处理技术的主要应用领域

6、空间探索二、当前图像处理技术的主要应用领域

6、空间探索二、当前图像处理技术的主要应用领域指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。

7、公安与信息安全二、当前图像处理技术的主要应用领域获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号风云2号

8、气象预报二、当前图像处理技术的主要应用领域气象预报气象云图

8、气象预报

9、广告设计二、当前图像处理技术的主要应用领域计算机绘画

10、艺术与影视应用二、当前图像处理技术的主要应用领域计算机合成图像

周金龙合成华南虎事件

10、艺术与影视应用动画

娱乐

10、艺术与影视应用二、当前图像处理技术的主要应用领域图象配准示例

10、艺术与影视应用二、当前图像处理技术的主要应用领域1.4Matlab及其应用基础

MATLAB

是MATrixLABoratory（矩阵实验室）的英文缩写，MATLAB

软件是美国Mathworks公司推出的一种高级科学计算、专业级符号计算、可视化建模仿真和交互式应用开发环境。

该系统的基本数据结构是矩阵，程序中的(矩阵)变量不要求做明确的维数说明，系统提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于数值(线性代数)计算、控制系统、信号处理、图形绘制、图像处理等领域的分析、仿真和设计工作。

Matlab

是一个集数值计算、图形管理、程序开发于一体的软件环境。

Matlab由5部分组成：

（1）MATLAB语言体系，是MATLAB的高层次矩阵/数组语言环境，具有数据结构、条件控制、函数调用、输入输出、面向对象等程序语言特性。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（2）MATLAB开发环境，是MATLAB提供给用户的管理功能及软件环境，包括管理工作空间中的变量和输入输出数据，开发、调试和管理文件的各种工具。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（3）MATLAB图形系统，是MATLAB提供给用户的可视化功能开发环境，包括2D和3D数据的图示、图像处理、动画生成、图形显示等高层命令，用户对图形图像等对象进行特性控制的底层命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（4）MATLAB

数学函数库，是MATLAB使用的数学算法库，包括各种初等函数的算法，矩阵运算和矩阵分析等高层次的数学算法，以及M文件（一种文本文件）函数。一、

MATLAB系统的组成

Matlab由5部分组成：

（5）MATLAB

应用程序（API）接口，是MATLAB为用户提供的函数库，使用户可以在MATLAB环境中使用C、C++、JAVA和FORTRAN语言程序，包括在MATLAB中调用程序（动态链接），读MAT文件等功能。一、

MATLAB系统的组成

二、

MATLAB系统环境计算机屏幕界面上会有相应的快捷图标：

二、

MATLAB系统的软件环境

二、

MATLAB系统的软件环境1、命令行窗口MATLAB的典型工作方式之一是用户在命令行窗口输入命令，按回车键后MATLAB逐句解释执行命令行窗口中的命令，并在该窗口中已经执行的命令下方显示除图形以外的运算结果。

二、

MATLAB系统的软件环境1、命令行窗口

在命令行窗口除可输入MATLAB命令外，还可以输入MATLAB的函数、表达式、语句、M文件名或MEX文件名等，所以一般也将在命令行窗口输入的对象称为语句。

二、

MATLAB系统的软件环境2、当前目录窗口MATLAB的当前目录也即系统默认的实施打开、加载、编辑和保存文件等操作时的文件夹。

MATLAB启动后，系统默认的当前目录是…\MATLAB\toolbox，用户可以在默认的当前目录下存放自己的文件。

二、

MATLAB系统的软件环境3、编辑器窗口MATLAB的编辑器窗口是编写和和修改MATLAB脚本程序的地方。

二、

MATLAB系统的软件环境4、工作区

工作区用于显示运行的程序中的变量，包括它们的名称、值以及类型。1.5基于MATLAB的图像处理程序设计与解译

本节以Matlab为编程和仿真环境，从提高基于Matlab的编程能力角度出发，对算法中的关键代码段进行分析和解译，以促进学习者对图像处理基础算法的理解和Matlab编程能力的提升。

一、基于MATLAB环境的程序设计

用例子说明基于Matlab的图像处理程序、程序编辑与运行环境及运行结果。

1、实现功能及程序

【例1.1】

求灰度图像的最大灰度值、最小灰度值和平均灰度值的matlab程序及运算结果。

灰度图像及像素的灰度值概念

一幅大小为200×300二维数字图像可看作是一个大小为200×300的二维像素值阵列，二维阵列中的每个矩阵元素即是一个像素，其值即为该像素的灰度（亮度）值，灰度图像的灰度取值范围是0至255。

程序：clc;clearall;%清除命令窗口的内容，清除工作空间中的所有变量closeall;%关闭所有的Figure窗口img0=imread(‘d:\0_matlab图像课编程\women.jpg’);%读图像文件中的8数据f=double(img0);%将uint8格式的图像数据转换成双精度格式的数据[hw]=size(f);%取图像阵列的行数（高）h和列数（宽）wmax=0.0;min=256.0;avg=0.0;%赋初值fori=1:hforj=1:wiff(i,j)<minmin=f(i,j);%求最小值end;iff(i,j)>maxmax=f(i,j);%求左大志end;avg=avg+f(i,j);%计算灰度值的累加和end;end;avg=uint8(avg/(h*w));%双精度格式的平均灰度值转换成8位整数格式数据fprintf('运算结果:\n');%输出计算结果到命令窗口fprintf('图像像素的最大灰度值：%f\n',max);fprintf('图像像素的最小灰度值：%f\n',min);

fprintf('图像像素的平均灰度值：%f\n',avg);

一、基于MATLAB环境的程序设计

2、Matlab软件环境中的程序

一、基于MATLAB环境的程序设计

3、程序运行结果

【例1.1】

求灰度图像的最大灰度值、最小灰度值和平均灰度值的matlab程序及运算结果。

一、基于MATLAB环境的程序设计

4、程序解译及相关Matlab函数Matlab中的数值运算采用的都是double型(64位)数据格式。

在例1.1的加法及其平均值运算，需要把uint8格式的无符号整数0～255转换成双精度数据。

例1.1中的相关函数及功能如下：

（1）%：注释符号，在其后的同一行中的内容是注释，不会被执行。

（2）clc：清除命令窗口中的内容。

（3）clearall：清除工作空间的所有变量、函数和MEX文件。

（4）closeall：关闭所有的Figure窗口。

（5）imread('path_filename')：读入指定路径及文件名为path_filename的图像。

（6）[m,n,color]=size(I)：获取图像矩阵I的行数h和列数w及颜色数color。当color值等于3时，说明图像I是彩色图像。缺省color的形式为[m,n]=size(I)。

（7）double(x)：将其它类型的数据x转换为双精度型数据。在MATLAB的矩阵运算中，要求所有的运算变量为dou