图像处理概述

高级数字图像处理陈志华联系方式媒体计算与仿真研究室八教403[e-mail]13611782159欢迎多交流，多联系！同学自我介绍研究方向、导师、课题等，有图像处理基础？关于纪律不迟到、不早退、不旷课有特殊情况，提前请假遵守课堂纪律课代表推荐协助考勤、讲座报名等课程目的与要求掌握数字图像处理的概念、原理和方法为图像相关领域的学习或研究打下良好基础说明属于媒体计算领域和相关课程《视觉计算》、《多媒体信息建模与检索》互补课程安排课程内容分为数字图像处理的理论及实践概念繁多、内容广泛、理论性和实践性很强内容简化，选自多本教材；课时：32学时讨论、小讲座等互动环节课堂提问、练习课外自己动手编程课程考核考核平时成绩40%考勤、课堂练习、回答问题课堂小讲座、讨论考试（或论文）成绩60%讲座安排围绕图像处理领域，做10分钟-20分钟PPT技术点、知识点介绍应用研究现状程序实现与演示论文阅读鼓励介绍自己的学术研究成果……每位同学都要讲，按团队准备和评分课代表收集大家选题小讲座评分选题恰当：不宽泛，和课程内容不重复PPT简洁：提纲式，字号至少为28，不超过50字/页，不照抄网上内容内容熟悉，陈述流畅：不要照稿子念，和大家有互动：眼神、手势、提问等有亮点：如编程实现、图文并茂、视频演示…数字图像处理概述及基础参考书数字图像处理(第二版)，冈萨雷斯等著，电子工业出版社,2013章毓晋，图象工程上册—图象处理，清华大学出版社,2008章毓晋，图象工程中册—图象分析，清华大学出版社,2008章毓晋，图象工程下册—图象理解，清华大学出版社,,2008国内外相关学术会议和期刊国内期刊JournalofComputerScienceandTechnology(JCST)(SCI)计算机学报软件学报电子学报计算机研究与发展中国图像图形学报国外学术会议IEEEInternationalConferenceonComputerVision(ICCV)IEEEInternationalConferenceonComputerVisionandPatternRecognition(CVPR)ACMMultimediaConference(MM)IEEEInternationalConferenceonImageProcessing(ICIP)InternationalConferenceonPatternRecognition(ICPR)国外期刊IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence(PAMI)IEEETransactionsonImageProcessing(TIP)InternationalJournalofComputerVision(IJCV)PatternRecognition(PR)IEEETransactionsonCircuitsandSystemsforVideoTechnology(CSVT)图像处理的主要内容基础知识图像几何变换彩色图像处理边缘检测图像增强图像分割形态学处理图像压缩应用实践基础知识1概述概念：图像、数字图像、像素数字图像处理的起源数字图像处理的应用领域图像处理系统的基本组成结构2技术基础图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系1.1图像基本概念图像定义为二维函数f(x,y)，其中，x,y是空间坐标，f(x,y)是点(x,y)的幅值灰度图像是一个二维灰度（或亮度）函数f(x,y)彩色图像由三个（如RGB，HSV）二维灰度（或亮度）函数f(x,y)组成什么是数字图像？像素组成的二维排列，可以用矩阵表示单色（灰度）图像:每个像素的亮度用一个数值来表示，通常在0--255，0表示黑、255表示白，其它值表示黑白之间的灰度彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255则代表相应的基色在该像素中取得最大值数字图像的像素表示什么是像素？数字图像由二维的元素组成。每一个元素具有一个特定的位置（x,y）和幅值f(x,y),这些元素就称为像素。19补充：图像图像——Image，是对事物的一种描述形式，它以人类视觉特性为载体在空间位置记录颜色值，一个空间位置记录一个颜色值，那么空间位置及对应颜色值的集合就是图像再具体点，是指在一个二维矩形区域内的每个点记录一个颜色20图像获取通过记录现实世界，获取图像手机照相机摄像机红外摄像机…21图像22图像的简单分类按照人眼视觉感知范围分可见图像不可见图像按照图像空间坐标和亮度（或色彩）的连续性分类模拟图像：空间坐标和颜色值均连续取值数字图像：空间坐标和颜色值均不连续取值23可见光与电磁波谱X射线紫外线γ射线红外线微波无线电波蓝绿红400600500700波长（nm）人类可见波长范围24可见光与电磁波谱25模拟图像图像的空间坐标和颜色值均连续取值例如：由胶片照相机拍摄的照片理论上，照片上的任意一点都有对应的颜色，因此坐标位置是在[0－宽度]×[0－高度]的二维范围中取值同样，由胶片相机拍摄的照片，其每个点的感光值也都是连续取值的，并且取值范围（也称为动态范围）非常大26数字图像图像的空间坐标和颜色值均不连续取值例如，数码相机所拍摄的数字图像空间坐标取值不连续一般在网格点位置上才记录颜色颜色取值不连续每个网格点上的颜色取值只有有限种选择没有颜色1.2数字图像处理的起源人类分析的需要图像在传输过程后的更好复原空间应用：图像增强、图像复原医学图像……作用：通过图像增强、图像复原等技术，增强或复原模糊或损毁的图像机器感知的需要自动字符识别OCR人脸识别指纹识别……28数字图像历史追溯数字图像处理最早的应用之一是在报纸业1921年，Bartlane电缆图片传输系统，在伦敦和纽约之间，经横跨大西洋的海底电缆发送数字化报纸的图片。该系统传送一幅图片所需时间小于3小时，而之前需要1周以上。首先对图像进行编码；然后在接收端由专用打印设备进行图片重建291921年一幅由电报打印机打印的数字图像(5个灰度级)301921年底照像复制技术应用，在电报接受终端用穿孔带还原图像图像信号两次穿越大西洋后的效果。311929年引人了编码的图片纸带来调制光束，从而改善底板感光的系统，使灰度级增加到15个等级。1.3数字图像处理的主要研究内容图像增强图像分割图像复原图像变换图像压缩图像重建图像配准、图像融合、图像水印、数学形态学…1.4图像处理的应用领域数字图象处理技术已应用到很多领域(1)遥感图像应用农业普查、森林覆盖计算、水利工程等的客观估计计算、森林火灾监护－－客观反映火灾情况、面积水体界线的确定在近红外图像上，水体呈黑色；(2)导弹制导图象识别技术应用于导弹的精确制导，使其精确打击目标。如：机场、桥梁等。(3)生物特征识别军事、公安中的人脸、指纹、掌纹识别等。(4)医学应用CT、MR1、PET、B超、DSA、血管造影、红外乳腺、显微病理、电子显微镜、远程医疗图像、皮肤图象、X射线、γ刀与χ刀脑外科等等离不开图像。X-RayMRIPET（核医学影像）超声图象PhotocourtesyPhilipsResearchUltrasoundexaminationduringpregnancyDSA数字减影血管造影(DigitalSubtractionAngiography)红外图象(5)日常生活数码照片管理、处理等。1.4图像处理系统的基本组成结构常用图像处理软件及平台Windows自带软件-画图可以画任意图形、填充颜色等，同时也可编辑图像ACDSee目前流行的数字图像处理软件，支持超过50种常见多媒体格式，拥有如去除红眼、剪切图像、锐化、浮雕特效、旋转、镜像等功能效果。AdobePhotoshop公认的最好的通用平面美术设计软件。由Adobe公司开发设计。它完成了DTP和图像软件的结合，使设计师可在电脑上直接完成文字的录入、排版、图像处理、形象创造和分色制板的全过程。Fireworks网页制作三剑客之一，最适合与Dreamweaver共同使用，处理网页中的图片。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。VisualC++.net实现许多图像之间的变换，或者自己编写函数来画出设计好的图像。图像存储系统图像文件格式体系互联网用：GIF、JPG印刷用：TIF、JPG、TAG、PCX国际标准：TIF、JPG、BMP图像存储体系：分级存储内存存储：处理时使用硬盘存储：处理、备份时用（在线）备份存储：光盘、磁带图像文件的常用格式BMP位图文件，是一种与硬件设备无关的图像文件格式，是Windows操作系统采用的图像文件存储格式，是Windows操作系统内交换图像数据的一种标准。GIF原义是“图像互换格式”，是CompuServe公司制定的一种图像文件存储格式，其最初的目的是希望每个BBS使用者都能够通过GIF图像文件格式轻易存储并交换图像数据。图像文件的常用格式TIFF图像文件格式由Aldus公司与Microsoft公司共同开发设计的图像文件格式。PCX图像文件格式是PCPaintbrush绘图软件内的文件格式，专门用于存储该软件所产生的图像画面数据。JPEG图像文件格式一种有损压缩格式，是最常用的图像文件格式，由国际标准化组织和国际电话电报咨询委员会制定。2技术基础图像的采样和量化数字图像的表示数字图像的质量像素间的一些基本关系邻域处理方法是图像增强过程的核心。2.1图像的采样和量化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数字化包括两种处理：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）的数字化图像采样空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N、M图像的量化函数取值的数字化被称为图像的量化，如量化到256个灰度级图像的采样与数字图像的质量图像的采样与数字图像的质量1024*1024512*512256*25632*32128*12864*64图像的量化与数字图像的质量图像的采样和量化非统一的图像采样在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样非统一的图像量化在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象2.2数字图像的表示二维离散亮度函数——f(x,y)x，y说明图像像素的空间坐标函数值f代表了在点(x,y)处像素的灰度值二维矩阵——A[m,n]m,n说明图像的宽和高。矩阵元素a(i，j)的值，表示图像在第i行，第j列的像素的灰度值；i,j表示几何位置256个层次的图像16个层次的图像64个层次的图像2.3图像的质量图像质量指标—1、层次（灰度级）对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小对比度=最大亮度/最小亮度图像质量：2、对比度图像的质量：3、清晰度人眼宏观看到的图像的清晰程度与清晰度相关的主要因素亮度对比度尺寸大小细微层次颜色饱和度降低亮度影响清晰度因素——1、亮度原图降低对比度原图影响清晰度因素——2、对比度缩小尺寸原图影响清晰度因素——3、尺寸大小减少细微层次原图影响清晰度因素——4、细微层次降低颜色饱和度原图影响清晰度因素——5、颜色饱和度2.4像素间的一些基本关系相邻像素：4邻域8邻域连通性4连通8连通距离相邻像素——4邻域4邻域：