第1章 数字图像处理技术概述

2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)1数字图像处理(DigitalImageProcessing）2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)2课前简介1．课程学时总学时：64学时；其中讲课：48学时；上机：16学时2．课程主要内容图像与视觉系统数字图像的表征图像变换图像增强图像几何处理图像复原图像编码图像分析三维图像处理技术3．学习成绩考核方法上机编程30%，期末考试70%。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)34．上机实验8次上机，8个实验；实验环境：VC6.0。5．本课程主要参考书[1]《数字图像处理》阮秋琦著，电子工业出版社，2001年。[2]《计算机图像处理》容观澳编著，清华大学出版社,2000年。[3]《数字图像处理》Kenneth.R.Castleman著，朱志刚等译，电子工业出版社，1998年。[4]《VisualC++数字图象处理》何斌编著，人民邮电出版社,2001年。[5]《VisualC++数字图象与图形处理》向世明编著，电子工业出版社,2002年。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)46．先修课程高等数学，数据结构，高级语言程序设计。7．联系方法电子邮件:[e-mail]联系电话:[phone]办公地点：图书馆5楼西侧533室2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)5第一章数字图像处理综述•数字图像处理的主要内容•图像处理技术分类•计算机图形学与图像处理•图像的表征•数字图像处理系统•图像处理技术的重要意义•数字图像处理领域的发展方向2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)61.1数字图像处理主要内容1.1.1图像的定义一幅图像是一种代表另一个客体（或对象）的一种写真或模拟；是一种生动的、图形化的描述。也就是说，图像是一种代表客观世界中另一物体的、生动的图形表达，它包含了描述其所代表的物体的信息。1.1.2图像分类借助集合（即凡具有某种特定性质的对象的总合称之为集合）的概念，图像可根据其生成方法或存在形式分成若干类。所有图像的总体可以看作客观世界的一部分，或者叫做客观世界的一个子集，而图像本身又可进一步划分为若干子集（若干类）。图像的各子集中，最重要的一个子集是可见图像子集。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)7不可见物理图象光学图象绘画图形照片图片可见图象离散图象连续图象数学函数图象物体→2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)8该子集包含了全部人眼可见（可接收到）的图像，其中不仅包括了客观存在的光学图像，而且也包括了人类用各种不同的方法人工生成的图像，即照片，图形与绘画。各种可测到的（客观存在的）物理特征量的空间分布，构成一大类图像，称为物理图像。这些物理特征量是多种多样的，它既包括各种波长的电磁波强度的空间分布不同所构成的图像，也包括如温度分布、压力分布、高度分布、人口密度分布等等所构成的图像。可见光学图像只是电磁波场图像中的一个子集。其余各种物理图像（均是人眼不可见的）构成了不可见物理图像子集。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)9可见光图象-黄山松2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)10可见光图象-漓江风景2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)11绘画-徐悲鸿奔马图2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)12计算机绘制图象2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)13计算机绘制图象2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)14红外线摄影12020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)15红外线摄影22020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)16还应注意到，同一个空间点，可以具有多个物理特征；因此，同一对象（或物体）可以有多幅图像。例如彩照（或彩色电视图像），就是每一点均在红、绿、蓝三个波段上有不同强度分布的三幅图像的合成。实际上，对任一个空间点，在该点可测到的物理特征都远远大于3，（但这些特征中绝大部分是人眼不可见的。）因此，任一对象都存在着大量的图像。图像的另一个子集是抽象的数学图像，即用数学函数代表的图像，它包括了连续型与离散型（即数字图像）两大类。在所有各类图像中，只有数字图像是可以用数字计算机直接处理的图像。计算机图像处理技术主要研究数字图像的处理。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)171.1.3数字图像处理的主要内容数字图像处理概括他说主要包括如下几项内容：几何处理（GeometricalProcessing），算术处理（ArithmeticProcessing），图像增强（ImageEnhancement），图像复原（ImageRestoration），图像重建（ImageReconstruction），图像编码(ImageEncoding），图像识别（ImageRecognition），图像理解（lmageUnderstanding）。（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、移动等。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)18（2）算术处理算术处理主要对图像施以＋、－、×、÷等运算，虽然该处理主要针对像素点的处理，但非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的效果。（3）图像增强图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强，便于区分或解释。主要方法有直方图增强、平滑处理、锐化处理、伪彩色增强法（pseudocolor）、灰度窗口等技术。（4）图像复原图像复原处理的主要目的是去除干扰和模糊，恢复图像的本来面目。典型的例子如去噪就属于复原处理。图像噪声包括随机噪声和相干噪声，随机噪声干扰表现为麻点干扰，相干燥声表现为网纹干扰。去模糊也是复原处理的任务。这些模糊来自透镜散焦，相对运动，大气湍流，以及云层遮挡等。维纳滤波、逆滤波、同态滤波等方法加以去除。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)19（5）图像重建几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像,该处理的典型应用就是CT技术。CT技术发明于1972年，早期为X射线（X-ray）CT，后来发展的有ECT、超声CT、核磁共振（NMR）等。图像重建的主要算法有代数法、迭代法、傅里叶反投影法、卷积反投影法等，其中以卷积反投影法运用最为广泛，因为它的运算量小、速度快。值得注意的是三维重建算法发展得很快，而且由于与计算机图形学相结合，把多个二维图像合成三维图像，并加以光照模型和各种渲染技术，能生成各种具有强烈真实感及纯净的高质量图像。三维图形的主要算法有线框法、表面法、实体法、彩色分域法等等，这些算法在计算机图形学中都有详尽的介绍。三维重建技术也是当今颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)20CT照片2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)212020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)22（6）图像编码图像编码研究属于信息论中信源编码范畴，其主要宗旨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高效编码，即研究数据压缩技术，以解决数据量大的矛盾。一般来说，图像编码的目的有三个：①减少数据存储量；②降低数据率以减少传输带宽；③压缩信息量，便于特征抽取，为识别作准备。就编码而言，以去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码。如：PCM、DPCM。△M、亚取样编码法；变换编码中的DFT、DCT、Walsh-Hadamard变换等方法以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第一代编码法。而第二代编码方法多是20世纪80年代以后提出的新的编码方法，如余字塔编码法，Fractal编码、基于神经元网络的编码方法、小波变换编码法、模型基编码法等，现代编码法的特点是：①充分考虑人的视觉特性；②恰当地考虑对图像信号的分解与表述；③采用图像的合成与识别方案压缩数据率。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)23（7）模式识别模式识别是数字图像处理的又一研究领域。当今，模式识别方法大致有三种，即：统计识别法；句法结构模式识别法；模糊识别法。统计识别法侧重于特征，句法结构识别侧重于结构和基元，模糊识别法是把模糊数学的一些概念和理论用于识别处理。在模糊识别处理中充分考虑人的主观概率，同时也考虑了人的非逻辑思维方法及人的生理、心理反映，这一独特性的识别方法目前正处于研究阶段，方法尚在发展中。（8）图像理解图像理解是由模式识别发展起来的方法。该处理输入的是图像，输出的是一种描述。这种描述并不仅是单纯的用符号作出详细的描绘，而且要利用客观世界的知识使计算机进行联想、思考及推论，从而理解图像所表现的内容。图像理解有时也叫景物理解。在这一领域还有相当多的问题需要进行深入研究。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)24“战斧”巡航导弹2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)25美制“捕鲸叉”反舰巡航导弹2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)262020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)262020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)261999年5月8日清晨5时45分,中国驻南联盟大使馆被炸。死记者3人：邵云环，朱颖，许杏虎（夫妇两人）。黑蝙蝠B-2隐形战略轰炸机从美本土密苏里州怀特曼空军基地起飞，飞行15个小时。投下5枚GPS制导炸弹，每枚重900多公斤，穿透力可达80米深，其中1枚从屋顶钻到地下室的没爆。左图为被炸的楼体。右图为塞尔维亚排爆专家清理中国使馆废墟内未爆炸弹。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)27（9）数学形态学图像处理腐蚀、膨胀等形态学方法。（10）遥感感信息处理遥感参数、图像配准，全景畸变校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)28以上所述的各项处理任务是图像处理所涉及到的主要内容。总的说来，经多年的发展，图像处理经历了从静止图像到活动图像；从单色图像到彩色图像；从客观图像到主观图像；从二维图像到三维图像的发展历程。特别是与计算机图形学的结合已能产生高度逼真、非常纯净、更有创造性的图像。由此派生出来的虚拟现实技术的发展或许将从根本上改变我们的学习、生产和生活方式。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)29天津复康路三维实景虚拟一些计算机绘制图象和场景示例：2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)30居室虚拟12020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)31居室虚拟22020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)32自然景观模拟2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)33美人鱼2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)341.1.4数字图像处理的主要方法数字图像处理方法大致可分为两大类，即：空域法和变换域法。1.空域法这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这－二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有下面两大类：（1）邻域处理法其中包括：梯度运算（GradientAlgorithm），拉普拉斯算子运算（LaplacianOperator），平滑算子运算（SmoothingOperator）和卷积运算（ConvolutionAlgorithm）。（2）点处理法灰度处理(greyprocessing），面积、周长、体积、重心运算等等。2020年2月18日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)352.变换域法数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像