数字图象处理概述

数字图象处理概述教学资源——教材

教材：章毓晋，《图像处理》（图像工程上册），清华大学出版社，2006李云红，《数字图像处理》，北京大学出版社，2012.5参考书：①何东健等.数字图像处理.西安:西安电子科技大学,2003②朱虹等.数字图像处理基础.北京:科学出版社，2005③K.R.Castleman,朱志刚等译.数字图像处理.北京:电子工业出版社,1998第2页,共80页，星期六，2024年，5月教学资源④阮秋琦.数字图像处理学.北京:电子工业出版社,2001⑤余成波编著.数字图像处理及其MATLAB实现.重庆:重庆大学出版社,2003⑥孙兆林编著.MATLAB6.X图像处理.北京:清华大学出版社,2002第3页,共80页，星期六，2024年，5月课程的意义

数字图像处理是模式识别、计算机视觉、图像通讯、多媒体技术等学科的基础，是一门涉及多领域的交叉学科。

第4页,共80页，星期六，2024年，5月第一部分介绍数字图像处理的发展历史、现状，图像处理系统的基本组成和作用，图像和视觉基础，基本图像变换。第二部分介绍基本的处理技术，图像增强，图像恢复和重建，图像编码。第三部分介绍图像识别的初步知识，图像分割，模式识别方法等等。主要内容第5页,共80页，星期六，2024年，5月教学基本要求1、了解数字图像处理的发展、应用以及当前国际国内研究的热点和重要成果；2、理解数字图像处理中图像的分析与理解的内容；3、掌握数字图像处理中最基本、最广泛应用的概念、原理、理论和算法以及基本技术和方法；4、能够运用一门高级语言编写基本的图像处理算法，实现图像处理在相关领域中的应用。

第6页,共80页，星期六，2024年，5月第一章绪论1.1图像和图像处理1.2数字图像处理的主要内容1.3图像技术和图像工程1.4图像处理系统构成1.5数字图像处理的应用

第7页,共80页，星期六，2024年，5月

一、图像

(一)什么是图像图——物体投射或反射光的分布，是客观存在；像——人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识，是人的感觉；图像——图像是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的心理因素；图像是对客观存在物体的一种相似性的生动模仿或描述。

是客观和主观的结合。1.1图像和图像处理第8页,共80页，星期六，2024年，5月图像的概念——图像模型物体图像数学函数不可见的物理图像可见的图像光图像照片、图、画2维条码第9页,共80页，星期六，2024年，5月照片第10页,共80页，星期六，2024年，5月图像的概念——图、画第11页,共80页，星期六，2024年，5月二维条码第12页,共80页，星期六，2024年，5月图像的概念

——数学函数分形（艺术）图第13页,共80页，星期六，2024年，5月图像的概念

——数学函数分形（仿真）图第14页,共80页，星期六，2024年，5月图像的概念

——不可见图像红外图像(美国攻打阿富汗)CT图像(肺与皮肤)第15页,共80页，星期六，2024年，5月第16页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理(二)图像分类

根据图像空间坐标和幅度（亮度或色彩）的连续性可分为模拟（连续）图像和数字图像。模拟图像是空间坐标和幅度都连续变化的图像，而数字图像是空间坐标和幅度均用离散的数字（一般是整数）表示的图像。

第17页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理数字图像数字图像是图像的数字表示，像素是其最小的单位。数字图像的描述有：

1）无彩色图像

2）彩色图像第18页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理二、图像处理

1.概念:

对图像信息进行加工(处理)和分析,以满足:①人的视觉、心理需要；

②实际应用或某种目的（如机器识别）的要求。

第19页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理2.分类（1）模拟处理(光学处理)：光学透镜处理、光学照相等

优：实时处理，速度快；

缺：精度低，灵活度差，难有判断功能。（2）数字图像处理：用计算机对数字图像进行处理。

优：精度高、内容丰富、方法易变、灵活度高；

缺：处理速度较慢。（3）光电结合处理：用光学方法处理运算量巨大的频谱变换等，而用计算机对其频谱进行处理分析。这是一个值得注意的研究方向，随着集成光学的发展，在光学计算机出现以后，图像处理技术会出现全新的巨大突破。第20页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理三、图像的表示

（一）图像的数学表示

一幅图像所包含的信息首先表现为光的强度intensityintensity）,即一幅图像可看成是空间各个坐标点上的光强度I的集合，其普遍数学表达式为：

I=f（x，y，z，λ，t）

式中x,y,z是空间坐标，λ是波长，t是时间，I是光点x,y,z的强度或幅度。上式表示一幅运动的(t)、彩色或多光谱的(λ)、立体的（x,y,z）图像。第21页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理（一）图像的数学表示（续）

静止图像，与时间t无关；单色图像（也称灰度图像），波长λ为一常数；平面图像，则与坐标z无关。即在每一种情况下，图像的表示可省略掉一维，即（1）静止图像：I=f（x，y，z,λ）（2）灰度图像：I=f（x，y，z，t）（3）平面图像：I=f（x，y,λ,t）而对于平面上的静止灰度图像，其数学表达式可简化为：

I=f（x，y）第22页,共80页，星期六，2024年，5月1.1图像和图像处理（一）图像的数学表示（续）

运动图像可用（静止）图像序列表示，彩色图像可分解成三基色图像，三维图像可由二维重建。因此本书主要针对平面上的静止灰度图像进行论述。（二）图像的特点（1）空间有界:人的视野有限，一幅图像的大小也有限。（2）幅度（强度）有限：即对于所有的x，y都有：

其中Bm为有限值。第23页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容包括图像数字化、图像变换、图像编码、图像增强、图像恢复、图像分割、图像分析与描述、图像的理解和识别。第24页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像数字化：将非数字形式的图像信号通过数字化设备转换成数字图像，包括采样和量化。

第25页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像变换：对图像信息进行变换以便于在频域对图像进行更有效的处理，包括：傅立叶变换Walsh变换离散余弦变换小波变换

……空间域变换域第26页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像增强：增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，提高图像的清晰度，突出图像中感兴趣的部分。主要技术：直方图修正图像平滑图像锐化同态系统伪彩色技术

第27页,共80页，星期六，2024年，5月图像增强(1)第28页,共80页，星期六，2024年，5月图像增强(2)第29页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像压缩编码：

对待处理图像进行压缩编码以减少描述图像的数据量，以便节省图像传输、处理时间、减少存储空间。主要方法：熵编码预测法编码变换编码分形编码……第30页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像复原：是寻找图像降质的起因，尽可能恢复图像本来面目。主要技术：复原的代数方法逆滤波最小二乘法滤波约束去卷积空间复原技术第31页,共80页，星期六，2024年，5月图像恢复(1)

运动模糊图像

恢复图像第32页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像分割：根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，这些选定的特征包括图像的边缘、区域等。

目的：提取出感兴趣的对象，为进一步的理解和识别做准备。主要方法：灰度阈值分割基于纹理的分割区域生长法第33页,共80页，星期六，2024年，5月1.2数字图像处理的内容图像分析与描述：主要是对已经分割的或正在分割的图像各部分的属性及各部分之间的关系进行分析表述。

图像识别分类：根据从图像中提取的各目标物的特征，与目标物固有的特征进行匹配、识别，以识别出目标物。

第34页,共80页，星期六，2024年，5月1.3图像技术和图像工程

图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总称，目前主要指数字（计算机）图像技术，包括图像处理、图像分析和图像理解三个层次。把这三个层次综合集成在一个整体框架上进行，这个框架就是图像工程。第35页,共80页，星期六，2024年，5月1.3图像技术和图像工程1.图像处理——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压缩编码第36页,共80页，星期六，2024年，5月1.3图像技术和图像工程2.图像分析——图像到数据

对图像中感兴趣的目标物进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。3.图像理解

重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标物的性质和它们间的相互关系，并得出对图像内容含义的理解以及原来客观场景的理解，从而指导和规划行动（比如机器人视觉、机器人足球赛等）。第37页,共80页，星期六，2024年，5月

图像工程三层次示意图第38页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像通信

一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像通信、图像处理和分析五个模块组成。如下图所示：图像输入处理和分析图像输出图像存储第39页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像输入模块:也称图像采集或图像数字化

为采集数字图像，需要两种装置（器件）：一种是对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件；另一种称为数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。如：x射线透视成像仪、CCD摄像头、数码相机等。第40页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像输出模块：

对图像处理来说，处理的结果主要用于显示给人看。对图像分析来说，分析的结果也可以借助计算机图形学技术转换为图像形式直观地展示。

如CRT显示器、液晶显示器和投影仪等。第41页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像存储模块：

图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图像处理和分析系统中，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。用于图像处理和分析的数字存储器可分为3类：（1）处理和分析过程中使用的快速存储器；（2）用于比较快地重新调用的在线或联机存储器;

（3）不经常使用的数据库（档案库）存储器。

如计算机内存、硬盘、软盘、闪存盘、CD光盘、DVD光盘等。第42页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像通信模块

对图像数据进行传输和通信。由于图像数据量很大，而能提供通信的信道传输率又有限，因此传输前必须对表示图像信息的数据进行压缩编码，以减少图像数据量。第43页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像处理与分析模块

为了各种目的，而对图像进行的一系列处理，是图像处理系统的核心模块，也是我们学习的主要内容。

包括处理算法、实现软件和计算机，一般包括下面三种形式：第44页,共80页，星期六，2024年，5月1.4数字图像处理系统图像处理与分析模块（续）通用图像处理：适用于功能要求灵活，图像数据量大，但实时性要求不高的图像处理与分析算法，也可辅之方便灵活的操作界面。

专用图像处理系统：对于象CT、核磁共振、彩色B超、机场安检等专用影像处理，可采用能满足实际应用的专用计算机和专用图像处理算法等，来构成专用图像处理系统。图像处理芯片：将许多图像处理功能集成在一个很小的芯片上，形成专用或通用的图像处理芯片。

第45页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用航天航空生物医学工程通讯领域工业军事公安文化艺术……第46页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用1：航空航天登月、火星照片处理飞机遥感、卫星遥感气象预报第47页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用2：生物医学工程CT、MRI（核磁共振）、B超显微图像：红细胞、白细胞、染色体的分析X光、心电图……第48页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用3：通讯领域图像信息传输、电视电话、卫星通信、数字电话等。主要是压缩图像数据和动态图像（序列）传送。发展趋势：多媒体通讯电话、电视、计算机三网合一第49页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用4：工业印刷电路板质量和缺陷的检测无损探伤、石油气勘测将CAD和CAM技术应用于磨具和零件优化设计和制造机器人视觉零件检测邮政信件的自动分拣……第50页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用5：军事公安导弹制导侦察照片的处理指纹识别、人脸识别……车牌自动识别第51页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用6：文化艺术电视画面的数字编辑动画制作游戏纺织工艺品设计发型设计文物资料图片的修复……第52页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用7:天气预报天气云图测绘、传输，气象卫星云图的处理和识别等。应用8:考古

珍贵文物图片、名画、壁画的辅助恢复。第53页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用新领域：

信息安全：信息隐藏与数字水印，指纹识别、虹膜识别和面部识别等；图像检索：基于内容的图像检测、识别与检索；体育运动：运动员动作的分析、评测及优化设计。第54页,共80页，星期六，2024年，5月1.5数字图像处理的应用应用示例火车识别系统系统概况：对开过来的一列货车，判别是否挂有棚车，如果有，棚车的车门是否关闭并上锁（铅封）第55页,共80页，星期六，2024年，5月货车安全状态自动识别系统目标：当目标经过检测点时可实时检测其装载状态第56页,共80页，星期六，2024年，5月货车安全状态自动识别系统车门为关闭状态第57页,共80页，星期六，2024年，5月货车安全状态自动识别系统车门为开启状态第58页,共80页，星期六，2024年，5月二维条码身份证系统系统概况：给身份证一种防伪的手段，要求伪造困难，识别可靠。还有一点就是实现方便，成本低。

主要技术：二维条码的编码与解码图像压缩，图像识别第59页,共80页，星期六，2024年，5月3.视频跟踪系统目标的跟踪要求对所判定的目标可以进行快速的跟踪，要求镜头随目标的移动而跟踪移动。在目标特征发生变化时，仍旧可以锁定目标。第60页,共80页，星期六，2024年，5月4.弱可视环境下的图像清晰化该项技术是为了解决对在很微弱的情况下获取的图像进行处理，获得现场的某些细节信息。第61页,共80页，星期六，2024年，5月5.大雾天气下的图像清晰化第62页,共80页，星期六，2024年，5月6.三维彩色CT技术CT是目前使用非常广泛的医学影像技术，该技术可以