第1章图像技术基础

图像处理技术任课教师：陈慧芳Email:[e-mail]电话:[phone]答疑安排：每周三下午，赛博北楼412参考书目：《图象工程》上、下册，章毓晋，清华大学出版社《计算机图像处理技术基础》，张远鹏，北京大学出版社《图像处理、分析与机器视觉》，MilanSonka，人民邮电出版社第一章图像技术基础1.1图像和像素1.2像素间联系1.3图像坐标变换1.4图像显示1.5采样和量化1.6图像存储与格式1.7图像技术及分类第1章1.1图像和像素•图像——物理量的二维分布f(x,y)。光学图像：最常见的图像，人类接受的信息中约75%是通过视觉接受的光学图像。其他图像：温度、压力、密度等–二值图像：黑白图像(文字)。–灰级图像：单分量图像，f(x,y)表示亮度，或反射率…–彩色图像：多分量图像，RGB，HSB，CMYK…第1章1.1图像和像素•数字图像：空间上离散化，幅值上量化•像素：图像的最小单位Pixel，pictureelement第1章1.1图像和像素•图像概念的扩展：2D3D，Stereo，Muti-view灰度图彩色图，多光谱图静态图图像序列，运动图像亮度图深度图，纹理图，物质吸收图第1章1.7图像技术及分类采集获取编码存储传输合成显示输出变换增强恢复重建分割特征提取识别匹配图像工程第1章1.7图像技术及分类图像图像数据符号人图像处理计算机图形学图像理解图像分析图像理解模式识别计算机视觉图像工程与相关学科第1章1.7图像技术及分类图像工程3个层次图像技术分类和名称图像处理图像采集、获取及存储图像重建图像变换、滤波、增强、恢复、拼接图像压缩图像数字水印和图像信息隐藏图像分析边缘检测、图像分割目标表达、描述、测量目标颜色、形状、纹理、空间、运动等分析目标检测、提取、跟踪、识别和分类人脸和器官的检测与定位图像理解图像配准、匹配、融合3-D表达、建模、重构、场景恢复图像解释、推理基于内容的图像和视频检索图像工程三层次第1章1.7图像技术及分类图像处理图像分析图像理解计算控制操作对象符号目标像素语义高层中层低层小大数据量高低抽象程度图像技术应用领域：•计算机科学——文字、图像输入的研究，计算机辅助设计，人工智能研究，多媒体技术。•气象预报——气象云图测绘、传输；•军事技术——航空及卫星侦察照片的判读，导弹制导，雷达、声纳图像处理，军事仿真。•高能物理——核子泡室图片分析。•侦缉破案——指纹鉴别，印鉴、伪钞识别，手迹分析。•考古研究——恢复珍贵的文物图片、名画、壁画。第1章1.7图像技术及分类图像技术应用领域：•通讯技术——图像传真，电视电话，卫星通讯，数字电视。•宇宙探索——其他星体图片处理。•遥感技术——农林资源调查，作物长势监视，自然灾害(水、火、风、虫等)监测、预报，地势、地貌以及地质构造测绘，找矿，水文、海洋调查，环境污染监测。•生物医学——X射线、超声、显微图片分析，内窥镜图分析，断层及核磁共振分析。•工业生产——生产过程的自动化(识别零件，装配，质量检查)，工业机器人视觉。第1章1.7图像技术及分类第1章1.7图像技术及分类•遥感：美国JPL实验室（JetPropulsionLaboratory）–探索者月球图像–勇气号火星图像–农作物产量计算–农作物病情防治–山林防火等ACloserViewOfTheCrater'sIntriguingRockOutcrop第1章1.7图像技术及分类•视觉监视、公安：–银行防盗，人脸识别等。第1章1.7图像技术及分类•工业检测与测量：–公路路面破损图像识别网裂龟裂第1章1.7图像技术及分类•军事侦察、高精度制导Chineseembassy第1章1.7图像技术及分类•医疗诊断：–CT(computedtomography)技术，癌细胞识别等。第1章1.7图像技术及分类•通讯：–可视电话，视频点播等。第1章1.7图像技术及分类•影视业、娱乐、公众服务：–广告，基于内容检索等。第1章1.7图像技术及分类•CanonEOS1DsMarkIII•像素：2110万CMOS•传感器尺寸：36×24•连拍能力：5张/s•价格：￥41800•图像技术：黑色补偿、光照度补偿、缺陷像素修补、白平衡、自动曝光、色度校正、CFA插值、色空间转换、边界增强、假彩色抑制、自动对焦、图像压缩等第1章1.7图像技术及分类哈勃太空望远镜1990年发射光学系统:卡塞格林反射系统,主镜口径2.4m,副镜口径0.3m工作波段:115-1010nm解像力:140亿光年寿命:2013年造价:30亿美元第1章1.2像素间联系矩阵表示：111212122212NNMMMNffffffFffff(c,a,b,θ,color)θabc矢量表示：第1章1.2像素间联系像素p(x,y)的邻域：4-邻域N4(p)rrprr(x，y-1)(x-1，y)p(x+1，y)(x，y+1)第1章1.2像素间联系像素p(x,y)的邻域：对角4-邻域ND(p)sspss(x-1，y-1)(x+1，y-1)p(x-1，y+1)(x+1，y+1)像素p(x,y)的邻域：8-邻域N8(p)第1章1.2像素间联系srsrprsrs距离量度函数D须满足的三个条件:对于给定的p，q，r三个像素点(1)D(p,q)≥0(D(p,q)=0当且仅当p=q);(2)D(p,q)=D(q,p)(3)D(p,q)≤D(p,r)+D(r,q)第1章1.2像素间联系像素p（x,y）与q（s,t）间距离D（p,q）：欧氏距离：城区距离：棋盘距离：第1章1.2像素间联系1222(,)[()()]EDpqxsyt4(,)Dpqxsyt8(,)max(,)Dpqxsyt距离计算：第1章1.2像素间联系4.23.63.233.23.64.23.62.82.222.22.83.63.22.21.411.42.23.232101233.22.21.411.42.23.23.62.82.222.22.83.64.23.63.233.23.64.265434565432345432123432101234321234543234565434563333333322222332111233210123321112332222233333333122248(,)[()()](,)(,)max(,)EDpqxsytDpqxsytDpqxsyt欧氏距离城区距离棋盘距离3D坐标变换：2D图像坐标变换一般形式：A是3×3矩阵：v是包含原坐标的矢量：v’是由变换后坐标组成的矢量：第1章1.3图像坐标变换'vAv111213212223313233aaaAaaaaaa1Tvxy'''1Tvxy坐标变换：第1章1.3图像坐标变换001001001xTy104150121300111Oxx’XYy’y平移变换PP’坐标变换：第1章1.3图像坐标变换0000001xySSS2002401.502300111Oxx’XYy’y尺度变换PP’坐标变换：第1章1.3图像坐标变换cossin0sincos0001R010031003000111Ox’XYy旋转变换顺时针为正！γPP’坐标变换——级连对一个坐标为v的点的平移、放缩、旋转变换可表示为：第1章1.3图像坐标变换'vRSTvAvARST'9121'581TTSTTSvv102300014020121001001TTSv例：运算次序不可互换例：对平面点P（2，2），绕原点做顺时针30°旋转，然后将其横坐标扩大至2倍，纵坐标缩小至原来的1/2，再将其用平移量（2，1）移至新位置，求变化后P点的新坐标。第1章1.3图像坐标变换3/21/202341022002011(01/20(1/23/202)3/21/200100100111解：坐标变换——反变换第1章1.3图像坐标变换0110101/000101/0001001xyxSTySS1cos()sin()0sin()cos()0001R反平移变换反尺度变换反旋转变换T-1T=1第1章1.4图像显示•图像输出设备：显示器、胶片、打印设备等•半调输出：解决黑白设备表示灰度图像问题–原理：在每个像素位置打印尺寸反比于该像素灰度的黑圆点，即：亮——小黑点；暗——大黑点第1章1.4图像显示•举例：原则：若一个单元在某个灰度为黑，则在所有大于这个灰度的输出中仍为黑。第1章1.4图像显示原始图像10灰度半调输出虚假轮廓第1章1.4图像显示抖动技术：加随机小噪声-2，-1，0，1，2-4，-2，0，2，4采样：空间坐标的离散化----空间分辨率M×N量化：灰度的离散化----幅度分辨率G=2k图像存储空间：b=M×N×k图像质量与数据量：采样级数的影响×量化级数的影响第1章1.5采样和量化第1章1.5采样和量化(a)512×512(b)256×256(c)128×128(d)64×64(e)32×32(f)16×16空间分辨率对图像的影响第1章1.5采样和量化(a)256级(b)64级(c)16级(d)8级(e)4级(f)2级幅度分辨率对图像的影响第1章1.5采样和量化(a)256×256，128级(b)181×181，64级(c)128×128，32级(d)90×90，16级(e)64×64，8级(f)45×45，4级空间和幅度分辨率同时变化对图像的影响图像存储器：处理和分析过程中使用的快速存储器计算机内存，帧缓存较快重新调用的在线或联机存储器磁盘，磁光盘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1.6图像存储与格式第1章1.6图像存储与格式存储格式：BMP（BitMaP）:Microsoft设备独立位图GIF（GraphicsInterchangeFormat）:公用图像文件格式标准TIFF（TaggedImageFormatFile）:独立于操作系统JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）:静止图像压缩标准1.1图像和像素1.2像素间联系1.3图像坐标变换1.4图像显示1.5采样和量化1.6图像存储与格式1.7图像技术及分类第1章要点