数字图像处理-第三版-知识总结及习题解答(冈萨雷斯版)

1.1图像与图像处理的概念图像(Image)：使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觉的实体。包括：·各类图片，如普通照片、X光片、遥感图片；·各类光学图像，如电影、电视画面；·客观世界在人们心目中的有形想象以及外部描述，如绘画、绘图等。数字图像：为了能用计算机对图像进行加工，需要把连续图像在坐标空间和性质空间都离散化，这种离散化了的图像是数字图像。图像中每个基本单元叫做图像的元素，简称像素（Pixel）。数字图像处理（DigitalImageProcessing）：是指应用计算机来合成、变换已有的数字图像，从而产生一种新的效果，并把加工处理后的图像重新输出，这个过程称为数字图像处理。也称之为计算机图像处理（ComputerImageProcessing）。1.2图像处理科学的意义1.图像是人们从客观世界获取信息的重要来源·人类是通过感觉器官从客观世界获取信息的，即通过耳、目、口、鼻、手通过听、看、味、嗅和接触的方式获取信息。在这些信息中，视觉信息占70％。·视觉信息的特点是信息量大，传播速度快，作用距离远，有心理和生理作用，加上大脑的思维和联想，具有很强的判断能力。·人的视觉十分完善，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪。2.图像信息处理是人类视觉延续的重要手段非可见光成像。如：γ射线、X射线、紫外线、红外线、微波。利用图像处理技术把这些不可见射线所成图像加以处理并转换成可见图像，可对非人类习惯的那些图像源进行加工。3.图像处理技术对国计民生有重大意义图像处理技术发展到今天，许多技术已日益趋于成熟，应用也越来越广泛。它渗透到许多领域，如遥感、生物医学、通信、工业、航空航天、军事、安全保卫等。1.3数字图像处理的特点1.图像信息量大每个像素的灰度级至少要用6bit（单色图像）来表示，一般采用8bit（彩色图像），高精度的可用12bit或16bit。一般分辨率的图像像素为256×256、512×512256×256×8=64kB512×512×8=256kB高分辨率图像像素可达1024×1024、2048×20481024×1024×8＝1MB2048×2048×8＝4MB如：X射线照片一般用64到256kB的数据量一幅遥感图像3240×2340×4≈30Mb2.图像处理技术综合性强一般来说涉及通信技术、计算机技术、电视技术、电子技术，至于涉及到的数学、物理学等方面的基础知识就更多。3.图像信息理论与通信理论密切相关图像理论是把通信中的一维问题推广到二维空间上来研究的。通信研究的是一维时间信息，时间域和频率域的问题。任何一个随时间变化的波形都是由许多频率不同、振幅不同的正弦波组合而成的。图像研究的是二维空间信息，研究的是空间域和空间频率域（或变换域）之间的关系。任何一幅平面图像是由许多频率、振幅不同的X-Y方向的空间频率波相叠加而成。1.4数字图像处理的主要方法1.空域法把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。主要有两大类：·域处理法：包括梯度运算，拉普拉斯算子运算，平滑算子运算和卷积运算。·点处理法：包括灰度处理，面积、周长、体积、重心运算等等。2.变换域法数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，然后在施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。包括滤波、数据压缩、特征提取等处理。1.5数字图像处理的主要内容完整的数字图像处理系统大体上可分为如下几个方面：1.图像的信息的获取（Imageinformationacquisition）把一幅图像转换成适合输入计算机和数字设备的数字信号。需要两个部件以获取数字图像：(1)物理设备，该设备对我们希望成像的物体发射的能量很敏感。(2)数字化器，是一种把物理感知装置的输出转化为数字形式的设备。常见的图像输入设备有：扫描仪、摄像机、数码相机、图像采集卡等2.图像信息的存储（Imageinformationstorage）主要有三类：（1）处理过程中使用的快速存储器；·计算机内存。·帧缓存，通常可存储多幅图像并可以视频速度读取。它可以允许对图像进行放大、缩小，以及垂直翻转和水平翻转。（2）用于比较快的重新调用的在线或联机存储器；·磁盘，可存储几个Gbyte的数据；·磁光存储器，可在51／4英寸的光片上存储上Gbyte的数据；·光盘塔，一个光盘塔可放几十个到几百个光盘，利用机械装置插入或从光盘驱动器中抽取光盘。（3）不经常使用的数据库（档案库）存储器。·磁带。长13英尺的磁带可存储近1Gbyte的数据，但储藏寿命较短。·一次写多次读（WORM）光盘。可在12英寸的光盘上存储6Gbyte数据，在14英寸的光盘上存储10Gbyte数据，并易于储藏。3.图像信息的传送（Imageinformationtransmission）可分为系统内部传送与远距离传送：（1）内部传送：指在不同设备间交换图像数据。现在有许多用于局域通信的软件和硬件以及各种标准协议。多采用DMA(DirectMemoryAccess)技术以解决速度问题。（2）外部远距离传送：主要问题是图像数据量大而传输通道比较窄。这一状况由于光纤和其他宽带技术的发展，正在迅速得到改进。另一方面，解决这个问题需要依靠对图像数据压缩。4.图像的输出与显示图像处理的昀终目的是为人或机器提供一幅更便于解释和识别的图像。因此图像的输出也是图像处理的重要内容之一。主要分两类：（1）硬拷贝（记录图像）。如激光打印机、胶片照相机、热敏装置、喷墨装置和数字单元（如CD-ROM）等。（2）软拷贝。如CRT(CathodeRayTube)显示、液晶显示器（LCD）、场致发光显示（FED）。5.数字图像处理（Digitalimageprocessing）主要包括以下几项内容：（1）几何处理（GeometricalImageProcessing）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，全景畸变校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。（2）算术处理（ArithmeticProcessing）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（ImageEnhancement）就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。·改善图像的视觉效果，提高图像成分的清晰度；·使图像变得更有利于计算机处理，便于进一步进行区分或解释。（4）图像复原（或恢复）（ImageRestoration）就是尽可能地减少或者去除图像在获取过程中的降质（干扰和模糊），恢复被退化图像的本来面貌，从而改善图像质量。关键是对每种退化（图像品质下降）建立一个合理的模型。5）图像重建（ImageReconstruction）是从数据到图像的处理。即输入的是某种数据,而处理结果得到的是图像。典型应用有CT技术和三维重建技术。（6）图像编码（ImageEncoding）主要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征对图像信号进行高效编码，其目的是压缩数据量，以解决数据量大的矛盾。（7）图像识别（ImageRecognition）利用计算机识别出图像中的目标并分类、用机器的智能代替人的智能。它所研究的领域十分广泛，如，机械加工中零部件的识别、分类；从遥感图片中分辨农作物、森林、湖泊和军事设施；从气象观测数据或气象卫星照片准确预报天气；从X光照片判断是否发生肿瘤；从心电图的波形判断被检查者是否患有心脏病；在交通中心实现交通管制、识别违章行驶的汽车及司机，等等。1.6数字图像处理的起源与应用数字图像处理的起源：昀早可追溯到20世纪20年代，借助打印设备进行数字图像的处理。基于光学还原的技术，该技术在电报接收端用穿孔纸带打出图片。到1929年由早期的用5个灰度等级对图像编码，增加到15个等级。真正数字图像处理技术的诞生可追溯到20世纪60年代早期。数字图像处理技术在20世纪60年代末和20世纪70年代初开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学等领域。数字图像处理主要应用于下面的几个领域:（1）通讯按业务性能划分可分为：电视广播传真、可视电话、会议电视、图文电视、可视图文以及电缆电视。按图像变化性质分可分为：静止图像和活动图像通信。（2）遥感航空遥感和卫星遥感图像都需要数字图像处理技术的加工处理，并提取出有用的信息。主要用于土地测绘，资源调查，气候监测，农作物估产，自然灾害预测预报，环境污染监测，气象卫星云图处理以及地面军事目标的识别。（3）生物医学领域中的应用计算机图像处理在医学上应用昀成功的例子就X射线CT(X-rayComputedTomography)，20世纪70年代发明的计算机轴向断层术（CAT），简称计算机断层。（4）工业生产中的应用从70年代起得到了迅速的发展，图像处理技术的重要应用领域。在生产线中对产品及部件进行无损检测，如食品、水果质量检查，无损探伤，焊缝质量或表面缺陷等等。（5）军事、公安等方面的应用军事目标的侦察、制导和警戒系统、自动灭火器的控制及反伪装；公安部门的现场照片、指纹、手迹、人像等的处理和辨识；历史文字和图片档案的修复和管理等。（6）教学和科研领域如科学可视化技术，远程培训及教学也将大量使用图像处理技术的成果。（7）电子商务如身份认证、产品防伪、水印技术等。1.7数字图像处理领域的发展动向需进一步研究的问题：（1）在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。（2）加强软件研究、开发新的处理方法。（3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。（4）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系。（5）图像处理领域的标准化。未来发展动向大致可归纳为：（1）图像处理的发展将围绕HDTV的研制，开展实时图像处理的理论及技术研究，向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。（2）图像、图形相结合，朝着三维成像或多维成像的方向发展。（3）硬件芯片研究。（4）新理论与新算法研究。2－1.数字数据传输通常用波特率度量，其定义为每秒中传输的比特数。通常的传输是以一个开始比特、一个字节（8比特）的信息和一个停止比特组成的包完成的。基于这个概念回答下列问题：（a）用56K波特的调制解调器传输一幅1024×1024、256级灰度的图像要花费几分钟？（b）以７５０K波特［是典型的电话DSL（数字用户线）连接的速度］传输要用多少时间？解：(a)传输数据包(包括起始比特和终止比特)为：N=n+m=10bits对于一幅1024×1024大小的图像，其总的数据量为M=(1024)2×N，故以56K波特的速率传输所需时间为T=M/56000=(1024)2×(8+2)/56000=187.25s=3.1min(b)以750K波特的速率传输所需时间为T=M/56000=(1024)2×(8+2)/750000=14s（类似题目）在串行通信中，常用波特率描述传输的速率，它被定义为每秒传输的数据比特数。串行通信中，数据传输的单位是帧，也称字符。假如一帧数据由一个起始比特位、8个信息比特位和一个结束比特位构成。根据以上概念，请问：（1）如果要利用一个波特率为56kbps（1k=1000）的信道来传输一幅大小为1024×1024、256级灰度的数字图像需要多长时间？（2）如果是用波特率为750kbps的信道来传输上述图像，所需时间又是多少？（3）如果要传输的图像是512×512的真彩色图像（颜色数目是32bit），则分别在上面两种信道下传输，各需要多长时间？解答：（1）传输的比特数为1024×1024×8×(1+8+1)/8=10485760，则在波特率为56kbps的信道上传输时，所需时间为10485760/56000=187.25秒。（2）传输的比特数为1024×1024×8×(1+8+1)/8=10485760，则在波特率为750kbps的信道上传输时，所需时间为10485760/750000=13.98秒=14