第1章数字图像处理基础

数字图像处理DigitalImageProcessing张涛华北水利水电大学机械学院E_mail:[e-mail]参考书目阮秋琦，数字图像处理学，电子工业出版社KennethR.Castleman(美),DigitalImageProcessing.张德丰，详解matlab数字图像处理，电子工业出版社姚敏等，数字图像处理，北京：机械工业出版社，2006考核方式平时成绩（50%）+期末考试（50%)主要内容图像灰度变换图像运算图像形态学处理彩色图像处理图像平滑锐化图像正交变换图像压缩编码图像分割第1章数字图像处理基础数字图像处理概述图像数字化图像质量图像格式1.1数字图像处理概述为什么学习图像处理图像处理技术应用图像特点为什么学习图像处理二、图像处理的应用数字图像处理的应用越来越广。它的应用已渗透到了工程、工业、医疗保健、航空航天，军事、科研、安全保卫等各个方面，在国计民生及国民经济中发挥越来越大的作用。学科应用内容物理、化学结晶分析、谱分析生物、医学细胞分析、染色体分类、血球分类、X光照片分析、CT环境保护水质及大气污染调查地质资源勘探、地图绘制、GIS农林植被分布调查、农作物估海洋鱼群探查、海洋污染监测水利河流分布、水利及水害调气象云图分析等通信传真、电视、多媒体通信工业、交通工业探伤、铁路选线、机器人、产品质量监测经济电子商务、身份认证、防伪军事军事侦察、导弹制导、电子沙盘、军事训练法律指纹识别、人脸识别等安全加密、信息隐藏、数字水印等X射线CTMRI成像B超图像归档与管理模块影像显示图像处理模块报告模块（4）、工业生产的质量控制：在生产线中对生产的产品及部件进行无损检测也是图像处理技术的一个广泛的应用领域。公路路面破损图像识别网裂龟裂三、图像处理技术的分类模拟图像处理数字图像处理。（1）模拟图像处理(Analogimageprocessing)；模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，25帧/秒。优点：速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。缺点：精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。（2）数字图像处理(DigitalImageprocessing)：数字图像处理一般都用计算机处理，因此也称之谓计算机图像处理（ComputerImageprocessing）。优点：处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。缺点：处理速度是一个重要问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像需要具有100Mips的处理能力。（1）图像信息量和数据量大在数字图像处理中，一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素（pixel）组成的，每个像素的灰度级至少要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。例如：256×256×8=64Kbytes512×512×8=256Kbytes1024×1024×8=1Mbytes2048×2048×8=4MbytesX光照片一般用64Kb～256Kb的数据量，一幅遥感图像3240×2340×4=30Mbits，因此，大数据量给存储、传输和处理都带来巨大的困难。（2）图像处理技术综合性强；在数字图像处理中涉及的基础知识和专业技术相当广泛。一般来说涉及通信技术、计算机技术、电子技术、电视技术，至于涉及到的数学、物理等方面的基础知识就更多。当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，只是把通信中的一维问题推广到二维，以便于分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，图像处理技术与通信技术休戚相关。在图像处理工程中的信息获取和显示技术主要源于电视技术，其中的摄像、显示、同步等各项技术是必不可少的。计算机已是图像处理的常规工具，在图像处理中涉及到软件、硬件、网络、接口等多项技术，特别是并行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。图像处理技术的发展涉及越来越多的基础理论知识，雄厚的数理基础及相关的边缘学科知识对图像处理科学的发展有越来越大的影响。总之图像处理科学是一项涉及多学科的综合性科学。（3）图像信息理论与通信理论密切相关。早在1948年Shannon发表了“AmathematicalTheoryofCommunication”（通信中的数学理论）一文，它奠定了信息论的基础。此后，信息理论已渗透到了各个领域。图像信息论也属于信息论科学中的一个分支。从当今的理论发展看，我们可以说，图像信息论是在通信理论研究的基础上发展起来的。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，也就是说，通信研究的是一维时间信息；图像研究的是二维空间信息；总之，通信中的一维问题都可推广到二维，尽管有些理论尚不完全贴切，但对图像自身理论体系的形成有极大的借鉴意义。1.2图像数字化大多数传感器的输出是连续电压波形为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形式包括两种处理：采样和量化采样：图像空间坐标的数字化量化：图像函数值（灰度值）的数字化1.2.1采样采样：指将空域上或时域上连续的图像(模拟图像)变换成离散采样点(像素)集合的一种操作。即：空间坐标的离散化。图像采样(栅格化)图像的采样与数字图像的质量量化：把采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。即：灰度的离散化。1.2.2量化连续灰度值量化值(整数值)灰度标度灰度量化Zi＋1ZiZi－1qi＋1qi－125525412812710……(a)(b)图像尺寸计算yx与为像素的大小图像大小＝yNxM**空间分辨率和灰度分辨率空间分辨率(spatialresolution)：图像空间中可分辨的最小细节。一般用单位长度上采样的像素数目或单位长度上的线对数目表示。灰度分辨率(contrastresolution)：图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。1.3图像的质量灰度级：表示像素明暗程度的整数量.例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像.层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量.例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次.图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好256个层次的图像64个层次的图像16个层次的图像图像层次对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小对比度=最大亮度/最小亮度图像对比度图像清晰度亮度对比度尺寸大小细微层次颜色饱和度与清晰度相关的主要因素1、亮度2、对比度3、尺寸大小4、细微层次5、颜色饱和度1.4图像文件格式图像文件格式分两大类：一类是静态图像文件格式，一类是动态图像文件格式。静态图像格式有GIF，TIF，BMP，PCX，JPG，PSD等；动态图像格式有AVI，MPG等。①PSD和EPS是Adobe公司开发的图像专用格式.②BMP、PCX和TIFF是Windows平台常用的图像文件格式.③GIF、JPG和PNG是网上最流行的图像文件格式。1、PSD格式能够保存图像信息，而且进行了压缩，压缩后不失真。2、PDF格式图像文件的加密格式，须输入正确密码才能使用。3、EPS格式是Adobe公司开发的打印机及其他输出设备的页面描述语言。4、JPG格式定义了图像文件通用的压缩编码，是一种高效的压缩文件格式。在保存文件时删除人眼无法分辨的图像信息，节省存储空间，但被删除图像信息无法在解压时还原。JPEG可以自由设置压缩比，但压缩率越高导致图像质量越差。与GIF相比，JPEG压缩成同样大小时，图像质量远远大于GIF图像。5、GIF是图像交换格式，只支持256色以内的图像；采用无损压缩存储，在不影响图像质量的情况下，可以生成很小的文件；支持透明色，可以使图像浮现在背景之上；GIF文件可以制作动画。6、PNG格式专门为用于网页图片而优化压缩图像设计成功的文件图像格式。PNG逐渐替代GIF、JPEG成为网络图像的流行格式。7、BMP格式是最普通的位图图像文件格式8、TIFF格式是现存图像文件格式中最复杂的一种，提供存储各种信息的完备手段，可以存储专门的信息而不违反格式宗旨。9、PCX格式是最早支持彩色图像的一种文件格式，支持RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，但不支持Alpha通道。BMP文件结构BMP图像文件格式BMP图像文件的结构一般可分为三部分：文件头、位图信息头和图像数据。