第1章 数字图像处理概述课件

数字图像处理

主讲：徐国保

(博士，副教授)

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第1章_数字图像处理概述1.1图像处理的基础知识1.2数字图像处理术语1.3数字图像处理的方法1.4数字图像处理的应用1.5数字图像处理的特点1.6图像处理工程简介第1章数字图像处理概述

第1章_数字图像处理概述0绪论《数字图像处理》是软件工程专业的专业任选课。主要内容包括：图像处理的基本概念，图像变换，图像编码与压缩，图像增强，图像分割，彩色图像处理，以及数字图像处理的应用等。通过该课程的学习，使学生了解数字图像处理的基本概念，图像变换和图像编码原理。掌握图像压缩，图像增强，图像分割、彩色图像处理原理等内容。能用Matlab语言实现数字图像处理的算法编程。为今后从事图像处理方面的学习和工作打下一定的基础。一、课程性质和要求：第1章_数字图像处理概述二、参考资料：韩晓军，数字图像处理技术与应用，北京：电子工业出版社，2009章毓晋编著，图像工程（上册）---图像处理，北京：清华大学出版社，2006RafaelC.etal.数字图像处理（MATLAB版），北京：电子工业出版社，2007三、课程安排：总共32学时，1-10周完成；其中理论16学时，实验16学时。四、考核方式：

理论课考核方式：考查

期末编写程序大作业（70%），实验（20%），出勤（10%）。

第1章_数字图像处理概述光学图像LenaIKONOS卫星大脑断层图像

CT图像什么是图像？图像和数字图像第1章_数字图像处理概述

图像定义：

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。

图像和数字图像第1章_数字图像处理概述图1.5我国第一幅月面照片第1章_数字图像处理概述百闻不如一见Onepictureisworthmorethantenthousandwords. Anonymous第1章_数字图像处理概述图像和信息：人类通过眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。人类从外界（客观世界）获得的信息约有75%来自视觉系统。数字图像处理是用数字计算机处理所获取视觉信息的技术。图像和数字图像第1章_数字图像处理概述图像类型：

{广义}

图片，动画，绘图，文字/档，...

{狭义}

单幅

序列图像，... 静止

运动图像（视频）... 2-D

3-D，彩色，立体对，多光谱,多视场图像... 灰度

深度，纹理图像...图像和数字图像第1章_数字图像处理概述

图像是对客观存在的物体的某种属性的描述。光学图像： 波长0.38-0.8um其他波段图像：伽玛射线：0.003-0.03nm

X射线：0.03-3nm

紫外线：3-300nm

红外线：0.8-300um

微波：0.3-100cm声波图： 如B超其他： 由感兴趣的物理量转换而成，如密度分布图。图像和数字图像第1章_数字图像处理概述

abca：假彩色图像b：X光图像c：红外图像图像和数字图像返回第1章_数字图像处理概述

黑白图像可用二维函数f(x,y)表示，其中x,y是平面的二维坐标，f(x,y)表示点(x,y)的亮度值(灰度值)。对模拟图像来讲，f(x,y)显然是连续函数。图像的表达模拟图像和数字图像第1章_数字图像处理概述

为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅值数字化。空间坐标(x,y)的数字化称为图像采样，而幅值数字化被称为灰度级量化。经过数字化后的图像称为数字图像(或离散图像)。数字图像图像的表达漫画：量化的作用第1章_数字图像处理概述量化的作用：图像的表达第1章_数字图像处理概述像素(pixel)图像中的每个基本单元位置(x,y)和幅值f(x,y)体素(volumeelement)3-D图像的基本单元图像的表达第1章_数字图像处理概述图像表示

2-D数组 f(x,y)

x，

y：2-D空间XY中坐标点的位置。

f：代表图像在(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，灰度图像里用灰度表示。图像的表达第1章_数字图像处理概述图像矩阵表示

矩阵

矢量

图像的表达MATLAB练习第1章_数字图像处理概述练习：在MATLAB中产生一个全黑的图像。图像的表达NEXT第1章_数字图像处理概述练习：看看这副图像用数组表示成为什么？?f(x,y)图像的表达f=imread('cameraman.tif');imshow(f)第1章_数字图像处理概述图像的表达返回第1章_数字图像处理概述数字图像的坐标系图像的表达第1章_数字图像处理概述数字图像3D透视法图像的表达第1章_数字图像处理概述1.2数字图像处理术语数字图像处理：将一幅图像变为另一幅经过修改的图像，数字图像处理是一个由图像到图像的过程。数字图像分析则是指将一幅图像转化为一种非图像的表示方法。计算机图形学：一门涉及用计算机对图像进行处理和显示的学科。计算机视觉：使计算机能够观察和理解自然景物的系统。在更广泛的意义上，使用数字图像涵盖任何用计算机来操作与图像有关数据的技术，包括计算机图形学、计算机视觉，以及数字图像处理和分析。第1章_数字图像处理概述数字化：将一幅图像从原来的形式转化为数字形式的处理过程。扫描：对一幅图像内的给定位置寻址。在扫描过程中被寻址的最小单元是图像元素，即像素，对摄影图像的数字化就是对胶片上一个个小斑点的顺序扫描。采样：在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。量化：将测量的灰度值用一个整数表示。

1.2数字图像处理术语第1章_数字图像处理概述

1.3数字图像处理的方法和内容1.3.1数字图像处理的方法1.空域法空域法把图像看作关于x,y坐标位置的像素的集合，直接对二维函数的集合进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：1）邻域处理法——梯度运算，平滑算子运算和卷积运算2）点处理法——灰度处理，面积、周长、体积运算等。第1章_数字图像处理概述

1.3数字图像处理的方法和内容

2.变换域法数字图像的变换域处理方法是对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再对系数阵列进行处理，反变换到空间域最后得到处理结果的显示。傅里叶变换余弦变换小波变换等第1章_数字图像处理概述1.3.2数字图像处理的主要内容1.图像信息获取数字图像处理的第一步是图像的采集和获取，把一幅图像转换成适合输入计算机的数字信号，这一过程包括摄取图像、A/D转换及数字化等步骤。主要设备包括：CCD摄像设备、飞点扫描器、扫描鼓、扫描仪等图像数字化设备。2.图像信息的存储图像信息的特点是数字量巨大，存储采用的介质有磁带、磁盘或光盘，为解决海量存储问题主要研究数据压缩、图像格式和图像数据库技术等。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述3.数字图像处理数字图像处理多采用计算机处理，主要内容为几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像编码、图像重建、图像识别和图像理解。1）几何处理几何处理主要包括坐标变换，图像的放大、缩小、旋转、移动，多个图像配准，图像的校正，图像周长、面积、体积的计算等。

2）算术处理算术处理主要对图像施以加、减、乘、除等运算。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述

3）图像变换由于数字图像阵列通常很大，直接在空间域中进行处理，计算量非常大。采用各种图像变换的方法，如傅里叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，这样不仅可减少计算量，而且可以获得更有效的处理。例如，通过傅里叶变换可以在频域中进行数字滤波处理，目前研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，在图像处理中也有着广泛而有效的应用。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述

4）图像编码压缩图像编码是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性对图像信号进行编码，图像编码的目的：（1）减少数据存储量；（2）降低码流以减少传输带宽；（3）压缩信息量，便于识别和理解。图像编码压缩技术可以减少描述图像的数据量，以节省图像传输、处理的时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述

5）图像增强和复原图像增强和复原的目的是提高图像的质量，如去除噪声、提高图像的清晰度等。图像增强不考虑引起图像降质的原因，而是突出图像中所感兴趣的部分。例如，强化图像高频分量可以使图像中物体轮廓清晰、细节明显，强化低频分量可减少图像中噪声的影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般根据降质过程建立“降质模型”，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述1.3数字图像处理的方法和内容

6）图像分割图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。将图像中有意义的特征部分提取出来，有意义的特征包括图像中的边缘、区域等，是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但是还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。road_Image_Segmentation.m第1章_数字图像处理概述

7）图像描述图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可以采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可以采用二维纹理特征描述。随着图像处理技术研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述

8）图像识别图像分类识别属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（如增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法结构模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述

9）图像理解图像理解是由模式识别发展起来的方法。这种处理过程的输入是图像，输出是一种描述。这种描述并不仅是单纯的用符号做出详细的描绘，而且要根据客观世界的知识利用计算机进行联想、思考及推论，从而理解图像所表现的内容。图像理解有时也称为景物理解。在这一领域还有相当多的问题需要进行深入研究。1.3数字图像处理的方法和内容第1章_数字图像处理概述1.4数字图像处理的技术应用应用领域示例

(1)视频通信：可视电话，电视会议，按需电视，

远程教育；(2)文字档案：文字识别，过期档案复原，邮件分捡，支票，签名辨伪，办公自动化；(3)生物医学：红白学球计数，染色体分析、X光、CT、MRI、PET图像分析，医学手术模拟规划，远程医疗；(4)遥感测绘：巡航导弹制导，无人驾驶飞机飞行，精确制导，矿藏勘探，资源探测，气像预报，自然灾害监测；第1章_数字图像处理概述(5)工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监控，移动机器人，无损探测，金相分析，印刷板质量检验，精细印刷品缺陷检测；(6)军事公安：雷达图像分析、巡航导弹路径规划/制导，罪犯脸形合成、识别，指纹、印章的鉴定识别；(7)交通管理：太空探测、航天飞行、公路交通管理。(8)版权保护：数字水印技术数字图像处理的应用watermark_photo_noise.m第1章_数字图像处理概述地球资源勘探第1章_数字图像处理概述遥感图片第1章_数字图像处理概述气象云图气象预报第1章_数字图像处理概述水文和气象的应用第1章_数字图像处理概述环境和农业的应用第1章_数字图像处理概述军事应用第1章_数字图像处理概述军事应用第1章_数字图像处理概述图像处理最先应用于空间探索第1章_数字图像处理概述2004年美国勇气号发回的火星表面图像第1章_数字图像处理概述2007年嫦娥一号发回月球表面照片第1章_数字图像处理概述1.5数字图像处理的特点

1.再现性好数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现，人类视觉能够直观地观察图像。第1章_数字图像处理概述

2.处理精度高按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。对计算机而言，不论数组大小，也不论每个像素的位数多少，其处理程序几乎是一样的。从原理上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组参数就可以了。

1.5数字图像处理的特点第1章_数字图像处理概述

3.适用领域广泛图像可以来自多种信息源，可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像（如X射线图像、射线图像、超声波图像或红外图像等）。从图像反映的客观实体尺度看，可以小到电子显微镜图像，大到航空照片、遥感图像，甚至天文望远镜图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像。彩色图像也是由灰度图像组合而成的，如RGB图像由红、绿、蓝三个灰度图像组合而成，因而均可用计算机来处理。只要针对不同的图像信息源，采取相应的图像信息采集措施，图像的数字处理方法适用于任何一种图像。

1.5数字图像处理的特点第1章_数字图像处理概述

4.灵活性高图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，极大地限制了光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。1.5数字图像处理的特点第1章_数字图像处理概述5图像数据量庞大6占用频带较宽7图像质量评价受主观因素的影响8数字图像处理涉及技术领域广泛1.5数字图像处理的特点第1章_数字图像处理概述图像技术和图像工程图像技术

图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总称。 主要功能/作用包括： 对图像的各种加工 基于加工结果的判断决策和行为规划 为此进行的硬件设计及制作

1.6 图像工程简介第1章_数字图像处理概述数字图像处理的发展历史（1）二十世纪二十年代：图像远距离传输。（2）二十世纪五十年代：数字计算机发展到一定水平，数字图像处理引起巨大关注。（3）1964年：美国喷气推进实验室用计算机对“徘徊者七号”太空船发回的大批月球照片进行处理，成功地绘制出月球表面地图。数字图像处理应用从空间研究计划扩展到生物医学，工业生产，军事侦察等领域。图像技术和图像工程第1章_数字图像处理概述（4）二十世纪六十年代末：数字图像处理较完整的理论体系已形成，成为一门新兴的学科。（5）二十世纪六十年代至八十年代：随着离散数学理论的创立和完善，数字图像处理理论和方法进一步完善，应用范围更加广泛。（6）二十世纪八十年代以来：数字图像处理向更高级的方向发展：实时性，智能化，普及化，网络化，低成本。图像技术和图像工程第1章_数字图像处理概述图像工程的三个层次图像工程：

不同层次图像技术的有机结合及应用。图像工程三层次：

图像处理（图像——>图像） 图像分析（图像——>数据） 图像理解（图像——>解释）第1章_数字图像处理概述图像处理（ImageProcessing）着重强调在图像之间进行的变换。广义——泛指各种图像技术。狭义——对图像进行各种加工（处理），达到：

①改善人的视觉效果②为自动识别打基础③压缩编码图像工程的三个层次第1章_数字图像处理概述

图像处理例子：调整了亮度和对比度。1.2.2图像工程的三个层次第1章_数字图像处理概述图像工程相关学科和领域主要相关学科：图形学：原指用图形、图表、绘图等形式表达数据信息的科学，而计算机图形学研究的就是如何利用计算机技术来产生这些形式。图像模式识别：试图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，目前的研究内容主要与图像理解相结合。

第1章_数字图像处理概述系统构成框图第1章_数字图像处理概述第1章_数字图像处理概述图像采集图像采集装置将客观场景转化为可用计算机加工的图像的设备。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。第1章_数字图像处理概述图像显示打印图像显示打印

图像处理的结果多是供观察的。

图像数据

亮度模式显示显示设备

电视显示器，液晶显示器 阴极射线管（CRT)打印设备

转换到幻灯片、照片或透明胶片上第1章_数字图像处理概述图像存储图像存储

数据量度单位

最小单位

比特（bit），字节（byte=8bit）

千字节（Kbyte）

兆（106）字节（Mbyte）

吉（109）字节（Gbyte）

太（1012）字节（Tbyte）第1章_数字图像处理概述图像存储图像存储器(1)处理过程中使用的快速存储器

计算机内存，帧缓存

(2)较快重新调用的在线或联机存储器

磁盘，磁光盘

(3)不经常使用的数据库（档案库）存储器

磁带，光盘，光盘塔第1章_数字图像处理概述图像存储格式（表示格式和文件格式）

(1)矢量格式

用线段或线段的组合体来表示图像(2)光栅格式用许多图像点的集合来表示图像BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG格式

第1章_数字图像处理概述基本情况：1976年生，江西德兴人，博士，副教授，系副主任1996.9-2000.7北京服装学院，工业自动化，学士2000.9-2003.3北京科技大学，控制理论与控制工程，硕士2005.9-2009.6北京科技大学，控制理论与控制工程，博士2003.4-2005.8湛江海洋大学，信息学院电子工程系助教2005.9-2012.12广东海洋大学，信息学院电子工程系讲师2013.1-至今广东海洋大学，信息学院电子工程系副教授2013.8-2014.8TheUniversityofWesternOntario(加拿大)，Dep.of

Electrical&

ComputerEngineering,VisitingScholar教学方面：先后主讲《电路与模拟电子技术》、《电路与电子技术基础》、《模拟电子技术》、《信号检测与估计》、《电路分析》、《数字图像处理》、《计算机仿真及其应用》、《Matlab语言及其应用》等本科课程。先后指导75人本科毕业设计，其中1人获得校级优秀毕业论文，18人获得院级优秀毕业论文。徐国保简介第1章_数字图像处理概述科研方面：主持和参与了国家自然基金、国家科技支撑计划专题、广东省自然基金、广东省科技计划项目及市级项目等12项科研课题，在国内外核心学术期刊上发表学术论文20余篇，其中被SCI收录2篇，EI收录8篇；副主编出版《电路分析》专业教材1部。GuobaoXu,WeimingShen,XianbinWang.ApplicationsofWirelessSensorNetworksinMarineEnvironmentMonitoring:ASurvey.Sensors,2014,14(9):16932-16954（SCI,EI）GuobaoXu,DelingZHENG,GengZHAO.AnalysisandConfirmationofImmovablePointsinLogisticMappingDigital-flowChaos,JournalofUniversityofSci.andTech.Beijing,2003,10(6):62-65（SCI,EI