图像技术基础

关于图像技术基础数字图像处理教材图像处理和分析技术第二版章毓晋，高等教育出版社第2页,共60页，2024年2月25日，星期天数字图像处理提纲图像技术基础图像增强技术图像变换技术图像编码技术图像分割技术目标表达和描述技术第3页,共60页，2024年2月25日，星期天第一章图像技术基础数字图像处理简介图像与像素像素间的联系图像坐标变换采样和量化第4页,共60页，2024年2月25日，星期天1.数字图像处理简介什么是图像几个当今热点的研究方向图像处理的应用图像工程相关学科数字图像处理系统概要图像处理主要研究内容图像处理特点第5页,共60页，2024年2月25日，星期天什么是图像图像（image)：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眼并进而产生视知觉的实体图像和信息： 人类从外界（客观世界）获得的信息约有 75%来自视觉系统

数字图像处理： 信息化的发展，一方面要求处理对象的数字化，一 方面要求处理时的直观性----数字图像处理第6页,共60页，2024年2月25日，星期天1）因特网上的图像检索2）图像的传输3）图像的安全技术4）图像的处理技术5）图像的自动识别6）基于图像的检测手段7）其它视频方面的研究与需求几个当今热点的研究方向第7页,共60页，2024年2月25日，星期天图像处理的应用

生物医学、遥感、工业、军事、电信、公安等领域有着广泛的应用。生物医学：显微镜图像分析,利用电磁波谱成像分析系统诊断病情。如CT及核磁共振、超声波、X射线成像分析等。第8页,共60页，2024年2月25日，星期天遥感：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，环境污染检测等等。图像处理的应用

第9页,共60页，2024年2月25日，星期天工业生产：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。军事：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，无人驾驶飞行等。图像处理的应用

第10页,共60页，2024年2月25日，星期天通信：图像传真，可视电话，卫星通讯，数字电视等。公安：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。图像处理的应用

第11页,共60页，2024年2月25日，星期天气象预报：获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号风云2号图像处理的应用

第12页,共60页，2024年2月25日，星期天图像工程图像工程根据抽象程度不同可分为三个层次：狭义图像处理、图像分析和图像理解。第13页,共60页，2024年2月25日，星期天相关学科

计算机图形学

用计算机将由概念所表示的物体（不是实物）图像进行处理和显示。侧重于根据给定的物体描述模型、光照及想象中的摄像机的成像几何，生成一幅图像。模式识别模式识别是对表征事物或现象的各种形式的信息进行处理和分析以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程。计算机视觉

计算机视觉的目的是发展出能够理解自然景物的系统。在机器人领域中，计算机视觉为机器人提供眼睛的功能。第14页,共60页，2024年2月25日，星期天相关学科计算机图形学是从非图像行使的数据描述生成图像，其实就是和图像分析对调。模式识别是把图像分解成可用符号较抽象地描述的类别。计算机视觉主要强调用计算机实现人的视觉功能。第15页,共60页，2024年2月25日，星期天数字图像处理系统概要对象物光光源摄像单元A/D转换单元图像存储单元计算机数字图像处理系统由硬件和软件组成采集显示存储通信主机图像处理软件第16页,共60页，2024年2月25日，星期天a.CCD（ChargeCoupledDevice）工作原理：将光能量转换为电荷，并将转换得到的电荷进行存储。CCD传感器分为线阵式和阵列式两种，具有代表性的产品分别有扫描仪和数码相机。1图像采集模块采集装置都包括下面两个部件

光敏感器件

模/数转换装置数字图像处理系统概要b.CMOS传感器(ComplementaryMetalOxideSemiconductor

)第17页,共60页，2024年2月25日，星期天c.CCD与CMOS比较CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出。相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号CMOS速度快,CCD耗电量大，噪音对CMOS的影响会较CCD大，不过CMOS在消噪方面取得不错的发展。数字图像处理系统概要第18页,共60页，2024年2月25日，星期天数字图像处理系统概要2图像显示模块

a.显示设备：扫描仪、CRT显示器,LCD,LED

b.图像输出

半调输出(halftoning):

在每个像素位置打印一个其尺寸反比于改像素灰度的黑点，即在亮的图像区域打印的点小，而在暗的图像区域打印的点大。利用人眼的集成特性，得到比较连续平滑的灰度图像。

抖动技术(dithering)：对原始图像加一个随机的小噪声，以帮助消除量化不足而导致的图像中出现的虚假轮廓现象。通过变动图像的幅度值来改善量化过粗图像的显示质量。第19页,共60页，2024年2月25日，星期天数字图像处理系统概要3 图像存储模块常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备。图像格式

BMP:位图，是Windows操作系统中的标准图像文件格式。包含图像信息丰富，有压缩和非压缩两种。

GIF:为了交换图片而产生，特点是压缩比较高，可存储单幅和多幅图像。但最多只能存储256色图像。TIFF:独立于操作系统和文件系统的格式，特点是图像格式复杂、存储的图像细微层次的信息多，图像质量得以提高。有压缩和非压缩两种。JPEG:用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，获取得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，用较少的磁盘空间得到较好的图像质量。第20页,共60页，2024年2月25日，星期天4图像通信模块图像通信就是把图像传送到远方终端。按传输图像种类分为静止图像通信，如电报、传真等活动图像通信，如电视、可视电话等。5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6图像处理和分析模块由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。数字图像处理系统概要第21页,共60页，2024年2月25日，星期天图像处理主要研究内容1图像的采集和数字化

如何将一幅光学图像表示成一组数字，既不失真又便于计算机分析处理。

主要包括图像的采样与量化。图像变换目的在于：处理问题简化、有利于特征提取、加强对图像信息的理解。图像变换算法很多，傅立叶变换、沃尔什变换、DCT等。2

图像变换第22页,共60页，2024年2月25日，星期天图像处理主要研究内容3图像增强

改善图像视觉效果,加强图像有用信息，消弱干扰和噪声。4

图像恢复和重建把退化、模糊的图像复原。包括图像辐射和几何校正等内容。模糊的原因有许多种，最常见的有运动模糊，散焦模糊等等。第23页,共60页，2024年2月25日，星期天5

图像编码和压缩

简化图像的表示，压缩图像的数据，以便于存储和传输。图像处理主要研究内容6

图像分割将一幅图像的区域根据分析对象进行分割,提取感兴趣的目标。7图像特征提取与描述

图像特征提取与描述的各种方法。图像特征包括：直接特征和间接特征第24页,共60页，2024年2月25日，星期天9

图像隐藏

是指媒体信息的相互隐藏。1）数字水印2）图像的信息伪装图像处理主要研究内容

8

图像识别

对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。第25页,共60页，2024年2月25日，星期天图像处理特点•精度高对于一幅图像，数字化时不管是用多少比特表示，只需改变计算机程序的参数，处理方法不变。所以不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能的。

模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对装置进行大幅度改进。•再现性好数字图像均用数组或数组集合表示，并在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。第26页,共60页，2024年2月25日，星期天图像处理特点通用性、灵活性强不管是可视图像,还是X光图像、热红外图像、超声波图像等不可见光图像，尽管生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当把这些图像数字化后，都可进行同样处理，即具有通用性。另外，计算机可对图像进行各种各样的处理，所以灵活性很高。第27页,共60页，2024年2月25日，星期天3.图像和像素图像和数字图像像素和表示第28页,共60页，2024年2月25日，星期天图像和数字图像图像类型 {广义} 图片，动画，绘图，文字/档，... {狭义}

单幅

序列图象，... 静止

运动图象（视频），... 2-D

3-D，彩色，立体对， 多光谱,多视场图象，... 灰度

深度，纹理图象，...

第29页,共60页，2024年2月25日，星期天模拟图像 模拟图像可用连续函数来描述。

其特点：光照位置和光照强度均为连续变化的。数字图像

离散化的图像，像素是其最小的单位图像和数字图像第30页,共60页，2024年2月25日，星期天图像和像素

数字图像实例

ORCOI(r,c)YXf(x,y)屏幕显示使用图像计算使用第31页,共60页，2024年2月25日，星期天像素（pictureelement,pixel) 数字图像可分解为许多单元，每个基本单元叫做图像 元素 像素或像元的属性：空间位置和灰度。 像素越多，图像的分辨率越高，图像的细节就越多像素和表示

第32页,共60页，2024年2月25日，星期天像素和表示

第33页,共60页，2024年2月25日，星期天图像表示/像素表示

2-D数组 f(x,y)

x，

y：2-D空间XY中像素的位置

f：代表图象在(x,y)的性质F的数值

f，x，y的值可以是任意实数

性质F

:可对应不同物理量

灰度图象里用灰度表示*表示图像就需要表示其各个像素*表示像素就是通过空间位置和灰度像素和表示

第34页,共60页，2024年2月25日，星期天图像表示/像素表示矩阵

矢量

M:行数N:列数像素和表示

第35页,共60页，2024年2月25日，星期天

黑白图像

指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。2值图像的像素值为0、1。

灰度图像

是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。

像素和表示

第36页,共60页，2024年2月25日，星期天灰度图像描述示例像素和表示

第37页,共60页，2024年2月25日，星期天彩色图像

彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RBG是由不同的级来描述的。

像素和表示

第38页,共60页，2024年2月25日，星期天4.像素间联系像素邻域像素间的距离第39页,共60页，2024年2月25日，星期天像素邻域

象素的邻域

4-邻域——N4(p)：

对角邻域——ND(p)： 8-邻域——N8(p)：rrprrsspsssrsrprsrs如果q在p的邻域中，p和q是邻接第40页,共60页，2024年2月25日，星期天连接 （adjacency,邻接）vs.

(connectivity,连接)

邻接仅考虑象素间的空间关系 两个象素是否连接：

(1)是否接触（邻接） (2)灰度值是否满足某个特定的相似准 则（同在一个灰度值集合中取值）像素邻域

第41页,共60页，2024年2月25日，星期天连通

两个像素p和q间有一系列连接的像素 连接是连通的一种特例通路

由一系列依次连接的象素组成 从具有坐标(x,y)的象素p到具有坐标(s,t)的象素q的一条通路由一系列具有坐标(x0,y0)，(x1,y1)，…，(xn,yn)的独立象素组成。这里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)与(xi-1,yi-1)邻接，其中1≤i

≤

n，n为通路长度

4-连通，8-连通

4-通路，8-通路像素邻域

第42页,共60页，2024年2月25日，星期天像素间距离

距离量度函数

3个象素p，q，r，坐标(x,y)，(s,t)，(u,v)

(1)

两个象素之间的距离总是正的

(2)

距离与起终点的选择无关

(3)

最短距离是沿直线的第43页,共60页，2024年2月25日，星期天距离量度函数

(1)欧氏（Euclidean）距离

(2)城区（city-block）距离 (3)棋盘（chessboard）距离像素间距离

结果准确，运算量大运算量小，有一定误差第44页,共60页，2024年2月25日，星期天像素间距离

距离量度函数

距离计算示例DE=5D4=7D8=4第45页,共60页，2024年2月25日，星期天像素间距离

用距离定义邻域 考虑在空间点(xp,yp)的象素p 4-邻域——N4(p) 8-邻域——N8(p)第46页,共60页，2024年2月25日，星期天5.图像坐标变换平移变换尺度变换旋转变换级联第47页,共60页，2024年2月25日，星期天设点P0(x0,y0,z0)进行平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐标轴方向的平移量分别为Δx,Δy,Δz

。则点P(x,y,z)的坐标为平移变换利用齐次坐标，变换前后图像上的象素点之间的关系可用如下矩阵变换表示变换矩阵T*图像坐标变换的矩阵表示：v’=Avv原坐标的适量v’变换后坐标的矢量第48页,共60页，2024年2月25日，星期天将图像沿坐标轴方向进行比例缩放，从而获得一幅新图像。如果在x轴和y轴方向变换比率相同，则称为全比例缩放，否则，图像的尺度变换会改变原始图像像素间的相对位置，产生几何畸变。设尺度因子为f，尺度变换前后两点P0(x0,y0,z0)、P(x,y,z)之间的关系用矩阵形式可以表示为尺度变换变换矩阵S第49页,共60页，2024年2月25日，星期天1)绕x轴旋转α角度2)绕x轴旋转α角度3)绕y轴旋转β角度旋转变换

变换矩阵R第50页,共60页，2024年2月25日，星期天级联

对一个坐标为v的点进行平移、放缩、旋转等基本变换后所完成的变换。可以证明，级联的矩阵等于基本变换的矩阵按顺序依次相乘所得组合矩阵。可表示为： 用单个变换矩阵的方法可对点矩阵v变换 这些矩阵的运算次序一般不可互换第51页,共60页，2024年2月25日，星期天6.采样和量化图像的数字化采样量化量化参数与数字化图像间的关系第52页,共60页，2024年2月25日，星期天

图像的数字化：将模拟图像离散化后得到用数字表示的图像。把图像分割成如图所示一个个小区域（像元或像素），并将各小区域的灰度用整数表示，形成一幅数字图像。它包括采样（sampling)和量化(quantization)两个过程。像素的位置和灰度是像素的属性。

图像数字化

第53页,共60页，2024年2月25日，星期天将空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作称为采样。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在x轴和y轴两个方向上进行。采样第54页,共60页，2024年2月25日，星期天

一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应；采样间隔越小，