数字图象处理学一绪论

数字图象处理学清华大学电子工程系丁晓青教授刘长讼讲师第一章：绪论一.数字图象处理的发展历程:数字图象处理是从60年代以来随计算机的技术和VLSI的发展而产生、发展和不断成熟起来的一个新技术领域，理论上和实际应用上都并取得了巨大的成就。1964年美国JPL实验室处理卫星发射回来的月球表面的照片，用计算机进行图象复原，以改善图象的质量；--图象复原的研究和发展。一.数字图象处理的发展历程1970年代处理地球卫星获取的遥感图片，进行地质资源探测，农作物估产，水文气象监测等;--图象增强和图象识别的研究和发展。1971年X光断层图象重构技术，英国G.N.Hounsfield第一台脑断层摄象仪应用，1979年因此获诺贝尔奖。图象重构的研究和发展。（ComputerTomograph）70年代末，随着人工智能的兴起和发展，开始计算机视觉的研究，由2D图象中获取3D空间信息；--计算机视觉研究的兴起和图象分析研究和发展。一.数字图象处理的发展历程80年代末和90年代，高速计算机和大规模集成电路的发展，使图象处理技术更趋成熟：图象压缩和多媒体技术的突破和发展；文本图象的分析和理解，文字的识别取得重大的进展；全球通讯技术的蓬勃发展，使图象通讯和传输的广泛应用，各数字图象处理技术取得广泛的开拓性的发展，进入成熟应用阶段。二.数字图象处理的应用领域遥感图象处理：用于地质资源探测，农作物估产，水文气象监测等；生物医学图象处理：除断层图象重构CT(ComputerTomograph)外，还有X光透视、B超体内病变检测、各种细胞自动计数、自动检测和识别、生物图片分析等.军事图象处理：军事目标检测、地形配准、目标制导、红外制导、无人驾驶飞机等．工业图象处理：无损探伤、无接触式检测(温度、形状、应力等)、地质矿藏分析.二.数字图象处理的应用领域文本图象分析处理和识别：印刷和手写文字识别、版面分析和理解，图象检索，数字图书馆等。生物测量（Biometrics）：主要为保证安全，用于人的身份鉴定，如指纹识别，人脸识别，人类手势识别，虹膜（iris）识别等。图象通讯和传输：数字电视、高清析度电视(HDTV)、多媒体信息处理,可视电话、会议电视等，核心内容是数字图象压缩，特别是运动图象的压缩，图象压缩的研究和标准（JPEG，MPEG，H.261,等）机器人视觉：水下机器人,自动化生产线、无人驾驶汽车等．三．图象信息源和图象处理系统•图象信息源有：光成象,红外光成象，超声成象，X光成象，射线成象，显微图象，顺磁共振成象，铁磁共振成象，同位素质谱仪等.•图象处理系统主要包括：成象传感器：获取图象；不同光源不同传感器；图象显示器：显示图象；CRT,LCD,PDP等不同输出；图象存储器：图象帧数据存储；光盘存储器；图象处理器：图象高速处理（硬件和软件）；数字图象处理系统－成象传感器•成象传感器技术的里程碑是半导体光检测器件阵列的出现，其中最广泛应用的是CCD器件（ChargeCoupledDevice），由大量光敏元件组成，一个典型的高清晰度CCD传感器（RS170norm）是在一个10.5*11微米的栅格上有486行每行768个光敏元素。•现在更有便宜和小型的CMOS光电转换器问世。半导体传感器的主要优点是有精确和稳定的几何形状，很高的灵敏度，以及小的尺寸和对外界影响（如磁场和震动）不敏感性。数字图象处理系统－图象输入系统图象摄像输入：电子管摄像机；CCD摄像机；CMOS摄像机；图象扫描输入：飞点扫描图象输入系统；CCD线阵的文本扫描仪；数字图象处理系统－图象存储器图象存储器：半导体存储器、光存储器，一秒灰度视频图象要求7.5Mbyte数据,而一小时相应于12.6Gbyte数据，数据量惊人之大；新一代的连续视频记录装备光盘存储器1989年在市场出现，相当于存储一个半小时的连续视频磁带.数字图象存储在650MB的标准CD-ROM光盘上.在DVD数字光盘上可存储更多的数据,单面单密度可存4.7GB,双面双密度将增加4倍,达18.8GB.即便如此,图象压缩仍是十分重要的.数字图象处理系统－显示和处理图象显示：阴极射线管CRT显示图象；液晶平面显示器LCD；小型、视角小、温度变化小等离子体图象平面显示PDP；大型、功耗大、质量差硬拷贝输出：图象halftone打印输出；图象照相显象输出；图象处理：计算机软件处理，图象处理软件包；图象处理加速硬件:并行处理器,流水处理器Pipeline,Transputer等.四.数字图象处理有广阔的发展前景•人类视觉信息占人类获取信息的80％．图象信息在社会文明和人类生活中居极重要的地位，数字图象处理帮助人类从自然图象中获得更多更高质量的信息。•图象处理发展的最大困难之一是图象数据量大、处理运算量大．这一问题将随高速大规模集成电路、大容量存储器的发展而逐渐克服．图象处理研究的两个不同层次•人作为图象的接收者(Humanreadable)图象处理研究的目的（包括获取、传输、处理、再现等）为更好满足人类视觉感知的要求，帮助人类改善其视觉能力。－传统的图象处理；•计算机代替人作为图象的接收者(Machinereadable)由计算机实现人类视觉感知的功能，解决计算机视觉问题。利用模式识别、人工智能方法分析、理解和和辨识图象的内容，解决图象认知问题。例如，图象分割,文字识别,人体鉴别等问题。视觉是一个信息处理过程•“视觉是一个信息处理过程。它能从外部世界的图像中得到一个即对观察者有用又不受无关信息干扰的描述”•“视觉感知又是和过去留存于记忆中的同类活动有关，视觉储积起大量的视觉意象。记忆形象可用于对知觉对象的辨认，解释和补充。”•使计算机具有人类视觉能力，研究人类的视觉感知，模仿人类的视觉感知，是研究工作的重要途径。五.数字图象处理的研究内容•数字图象处理：•图象感知,ImagePerception•图象取样和量化，ImageSampling&Quantization•图象表示，ImageRepresentation•图象增强,ImageEnhancement•图象复原,ImageRestoration•图象变换,ImageTransformation•图象重构,ImageReconstruction•图象编码,ImageCoding•图象配准,ImageRegistration•目标检测,运动检测•数字图象分析与识别：•图象分割,ImageSegmentation•图象边缘提取ImageEdgeDetection•图象形状描述,ShapeDescription•图象特征提取,ImageFeatureExtraction•图象识别，ImageRecognition数字图象处理相关学科内容•计算机视觉：由2D图象得到3D空间信息；•高清析度数字电视HDTV•多媒体技术•VIDEO图象处理：图象时间序列的研究；•计算机图形学：由计算机生成各种2D和3D图象.–图象-----图象处理-----图象–图象-----图象分析-----图象描述–图象描述-----计算机图形学-----图象•基于模型的图象处理：如基于模型的图象压缩,与计算机图形学的结合。六.数字图象处理学的研究方法•用二维数字信号处理的理论和方法研究数字图象处理：–即图象处理过程为图象信号经过二维数字信号处理系统的过程；•用随机和统计信号处理的理论和方法研究图象处理，如图象复原和图象编码等问题；•数字图象处理的特定的理论和算法：–如各种非线性算法、数学形态学、拓扑学理论和方法等，研究图象的形状和纹理性态；–图像的结构分析方法，•引人人工智能的理论和方法，解决最优解搜索等问题；•利用几何成象的原理，研究三维视觉问题。课程大纲•第一章：绪论1学时，累计1学时•第二章：视觉和视觉特性:3学时，累计4学时•第三章:数字图象的取样、量化和表示4学时，•第四章:数字图象的变换4学时，•第五章:数字图象的随机模型和统计特性2学时，•第六章:数字图象的增强4学时，•第七章:数字图象的复原6学时，•第八章:数字图象的压缩编码8学时，•第九章：数字图象的分割8学时，•第十章：数字图象的纹理及纹理分析4学时，•第十章：字图象的形状描述4学时，累计48学时平时成绩和期末考试•平时习题•有若干专题研讨、实验和总结•期末闭卷考试•平时成果和期末考试成绩各占50％。参考书•W.Pratt,DigitalImageProcessing,ThirdEdition,2001.•ANILK.JAIN,FundamentalsofDigitalImageProcessing,PrenticeHall,EnglewoodCliffs,NJ07632;•A.Rosenfeld,A.C.Kak,DigitalPictureProcessing,AcademicPress；•KennethR.Castleman,DigitalImageProcessing•Editor:ALBovik,HandbookofImage&VideoProcessing