数字图像处理课件第一章PPT课件

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1、1.1 1.1 数字图像处理及发展简史数字图像处理及发展简史 1.1.1 图像的定义 图像：二维空间上的强度分布u如果只考虑光的能量u图像在视觉上表现为灰色影像-灰度图像： u u静止灰度图像：),(tyxfI ),(yxfI 第1页/共89页1.1.21.1.2模拟图像与数字图像模拟图像与数字图像 模拟图像：模拟图像： 强度和空间位置以连续或近似连续形式分布。如照片、电影胶片（记录在乳胶介质上）和物理图像（如人眼可见的自然图像）等，可连续放大而细节不失真。第2页/共89页模拟图像人眼成像模拟图像人眼成像瞳孔，晶状体视网膜神经大脑第3页/共89页模拟图像例人眼成模拟图像例人眼成像像 视网膜区域

2、分布了大量的视觉细胞，以接受外界光的强弱及颜色。 中央凹的视觉细胞分布很密，向外逐渐稀疏。视网膜结构中央凹第4页/共89页 视网膜中央区域称为a区域，主要以观察物体的细节为主。 视网膜边界区域称为区域，主要以观察运动物体为主。第5页/共89页数字图像例数码相机成像数字图像例数码相机成像光学镜头CCD阵面存储器CCD阵面结构第6页/共89页模拟图像与数字图像模拟图像与数字图像 数字图像：数字图像： 一个被采样和量化后的二维函数，采用等距离矩形网格采样，对幅度进行间隔量化。第7页/共89页1.1.31.1.3数字图像原理数字图像原理取样和量化的基本概念u数字化包括取样和量化两个过程 ：u取样取样

3、：对空间连续坐标(x, y)的离散化 u量化量化 ：幅值 f (x, y)的离散化u数字化图像所需的主要硬件：u采样孔、图像扫描机构 、光传感器 、量化器 、输出存储体 第8页/共89页1.1.3数字图像原理x0y宽度方向：列宽度方向：列高度方向：高度方向：行行若灰度级划分为若灰度级划分为8，则，则用用3个二进制位表示：个二进制位表示：238（称为（称为8色图像色图像或或3位图像）位图像）象素象素07654321彩色模拟图像彩色模拟图像灰度图像（缩小）灰度图像（缩小）第9页/共89页 （a）连续图像 （b）数字化结果第10页/共89页 （c）像素 （d）灰度级第11页/共89页1.1.4 1.

4、1.4 数字图像的基本属数字图像的基本属性性在计算机中的二维阵列（网格）：二维数组 两个基本属性： 几何属性：坐标 物理属性：灰度、亮度I颜色、透射度、深度。第12页/共89页第13页/共89页第14页/共89页 1.1.5 1.1.5 数字图像表示数字图像表示 单色图像(monochrome image) ：即黑白图像，每个像素的灰度值只有0和1 灰度图像(grayscale image) ：每个像素的灰度值占一个字节 彩色图像： 真彩色图像：每个像素的灰度值占三个字节，分别为 R、G、B 索引彩色图像：即调色板彩色图像，如8位或16位伪彩色图像 多谱图像：如由卫星多孔径雷达所成的多波段图像

5、，多幅图像表达同一图像的不同波段信息 压缩图像第15页/共89页彩色空间示意图彩色空间示意图第16页/共89页数字图像常见参数数字图像常见参数 分辩率：用来描述数字图象所表示的空间细节的程度（高或低）。 设备无关：象素的个数 M * N 设备有关：如pixel/mm Intensity & Contract（亮度和对比度）& gray level 灰度级：表示1Byte/pixel-256级（灰度级） 第17页/共89页1.1.2 1.1.2 图像处理的发展简史图像处理的发展简史 数字图像处理首次成功地应用在1964年美国宇航局喷气推进实验室（NASA JPL）对“徘徊者7号”探测器发来的几千

6、张月球照片的进行几何校正、灰度变换、去除噪声等处理 考虑了太阳位置和月球环境的影响 用计算机绘制了月球表面的照片。第18页/共89页20052005年年1 1月月1414日，日，“惠更斯惠更斯”探测器拍摄了探测器拍摄了“土卫六土卫六”的图像的图像 土卫六的地貌图 陆地卫星5号第19页/共89页 1.2.1 图像处理的目的 一般地，图像处理中需要完成以下一个或几个任务： （1）提高图像的视觉质量以提供人眼主观满意或较满意的效果。 （2）提取图像中目标的某些特征，以便于计算机分析或机器人识别。 （3）为了存储和传输庞大的图像和视频信息，常常对这类数据进行有效的压缩。 （4）信息的可视化。 （5）信

7、息安全的需要。1.2 1.2 图像处理的目的、任务与特点图像处理的目的、任务与特点第20页/共89页1.2.2 1.2.2 图像处理的任务图像处理的任务 图像处理的主要任务：图像获取与数字化图像增强图像恢复图像重建图像变换图像编码与压缩图像分割第21页/共89页1.2.3 1.2.3 数字图像处理的特点数字图像处理的特点 1具有数字信号处理技术共有的特点。如： （1）处理精度高。 （2）重现性能好。 （3）灵活性高。 2数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。 3数字图像处理技术适用面宽。原始模拟图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的

8、波谱图像、超声波图像或红外图像。第22页/共89页 图1.5 胸部X光片图像 图1.6 红外热像仪检测的手第23页/共89页1.2.3 1.2.3 数字图像处理的特点数字图像处理的特点4数字图像处理技术综合性强。5数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些不足之处，如（1）数字图像处理的信息大多是二维或二维以上的多维信息，数据量巨大（2）数字图像信号占用的频带较宽。（3）处理费时。第24页/共89页1.3 1.3 基本的图像处理系统基本的图像处理系统 图像处理系统包括 图像处理硬件和图像处理软件。 1.3.1 图像处理硬件 微机图像处理硬件系统主要 由图像输入设备、图像运算处理设备（微计算机

9、）、图像存储器、图像输出设备等组成。 软件系统包括 操作系统、控制软件及应用软件等。第25页/共89页基本的数字图像处理系统基本的数字图像处理系统第26页/共89页1.3.1 1.3.1 图像处理硬件图像处理硬件 1. 1. 图像输入设备图像输入设备 完成将模拟光学图像转换成模拟电图像的过程。 数字化图像输入设备还进一步将模拟电图像进行数字化以便于存储介质存储和计算机处理。第27页/共89页 2. 图像存储器 为了适应图像的大数据量要求，输入图像、输出图像以及中间结果图像必须用大容量存储介质进行存储。 3. 主机 用于图像处理的计算机。 4显示器及图像输出设备第28页/共89页1.3.2 1.

10、3.2 图像处理软件图像处理软件 图1.11 图像处理软件 系统的层次结构第29页/共89页1.3.2 1.3.2 图像处理软件图像处理软件1. 图像设备驱动程序2. 操作系统：（1）IBM PC及兼容机一般使用Microsoft Windows操作系统。（2）Apple Macintosh机一般使用Mac OS X操作系统。（3）图形工作站典型使用UNIX或X WINDOWS操作系统。3图像处理开发工具（1）VC+面向对象可视化集成工具（2）MATLAB的图像处理工具箱（3）图像应用软件：Photoshop、CorelDRAW、ACDSee第30页/共89页1.3.3 1.3.3 数字图像处

11、理内容的四个层数字图像处理内容的四个层次次 (1) 图像输入输出（扫描仪、多媒体视频卡、图像卡、监视系统） (2) 图像表示、转换（多媒体各种文件格式、几何、亮度、对比度、剪贴） (3) 图像处理、分析（特征提出、图像压缩、几何校正2D3D） (4) 图像理解、解释第31页/共89页计算机视觉计算机视觉 计算机视觉是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段,有计算机代替大脑完成处理和解释,为计算机和机器人开发具有人类水平的视觉能力。 最终目标：实现对三维景物世界的理解。第32页/共89页计算机视觉计算机视觉 计算机视觉处理的原始信息多是图像，在这个意义上计算机视觉应当是图像处理的一部分。 从

12、发展的眼光来看，图像处理的发展方向必然趋向计算机视觉。图像处理将成为计算机视觉的前期研究内容。第33页/共89页经典理论经典理论MarrMarr理论理论2维2.5维3维提取二维平面特征建立三维模型将二维平面特征进行组合进而得到三维信息第34页/共89页为什么要研究为什么要研究 生物视觉在图像处理方面具有计算机远达不到的能力。 即使是婴儿的图像识别能力也远远超过目前计算机。 依据生物视觉机理，提高计算机图像处理能力，是计算机图像处理的必然发展趋势。第35页/共89页计算机视觉学科的难题计算机视觉学科的难题 软件角度：软件角度： “一只马戏团的猴子如何教会另一只马戏团的猴子如何演马戏”。 硬件角度

13、：硬件角度： 大脑信息处理的机制与计算机不同 大脑：大量CPU（简单） 计算机：少量CPU（复杂）第36页/共89页好处好处l永无止尽l研究人员可以大胆发挥想象力，充分开发个人的智力。在理解与掌握现有理论基础上，研究将不受束缚。l没有权威，全依仗研究人员悟性。l所谓：“人人都是食神！”第37页/共89页计算机视觉研究的特计算机视觉研究的特点点 多学科交叉计算机视觉计算机心理学生理学物理学信号处理数学最优化理论高等几何线性系统高度代数概率统计随机过程等等第38页/共89页计算机视觉研究的途径计算机视觉研究的途径 硬件：硬件： 第四代计算机（人工智能计算机） 软件：软件： 通过研究人的视觉机理，提

14、高计算机图像处理能力： 传感器（眼睛）：成像机理及前期处理 处理机理（大脑）：人工神经网络第39页/共89页有效途径有效途径 研究视觉错觉： 假象：虚幻、不真实 错觉：真实，错误 从错觉出发，可能能够了解人视觉机理。进一步将其数学模型化。即可达到目的。第40页/共89页常见错觉常见错觉Hermann格子图像第41页/共89页MullerLyer错觉第42页/共89页Ponzo错觉第43页/共89页Hering错觉第44页/共89页Orbison错觉第45页/共89页Pogendoff错觉第46页/共89页Zollnar错觉第47页/共89页图像表示与转换图像表示与转换 放大、缩小：第48页/共

15、89页图像表示与转换图像表示与转换 旋转第49页/共89页图像表示与转换 亮度调整第50页/共89页图像表示与转换图像表示与转换 对比度调整第51页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 图像分割第52页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 图像分割第53页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 纹理分割第54页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 角点检测第55页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 线条检测第56页/共89页图像处理与分析图像处理与分析l线条检测第57页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 边缘检测第58页/共89页图像处理与分析图像处理与分析 边缘检测第59页/共

16、89页图图像像压压缩缩第60页/共89页预测编码预测编码第61页/共89页预预测测编编码码第62页/共89页行程编码行程编码1.1.原始图像及其属性原始图像及其属性第63页/共89页行程编码行程编码2.2.压缩文件的属性压缩文件的属性解压后生成的文件解压后生成的文件 由于行程编码属于无损压缩，所以原始图像和解压后的图像基本上没有任何差别，不会出现失真的情况第64页/共89页LZWLZW编码编码1.1.原始图像及其属性原始图像及其属性第65页/共89页LZWLZW编码编码2.压缩文件的属性属性解压后生成的文件第66页/共89页几何校正几何校正第67页/共89页多项式卷绕多项式卷绕第68页/共89

17、页图像处理范例图像处理范例图像分割图像分割第69页/共89页图像处理范例图像处理范例图像融合图像融合（a）待融合图像CT(b) 待融合图像MR（f）融合规则四的结果(e) 融合规则三的结果(c) 融合规则一的结果（d）融合规则二的结果（g）融合规则五的结果图44 运用不同的融合规则得到的融合结果第70页/共89页图像处理范例图像处理范例边缘提取边缘提取第71页/共89页图像处理范例图像处理范例边缘检测边缘检测第72页/共89页图像处理范例图像处理范例边缘检测边缘检测第73页/共89页图像处理范例图像处理范例边缘检测边缘检测第74页/共89页图像处理范例图像处理范例畸变校畸变校正正第75页/共8

18、9页图像处理范例图像处理范例几何校正几何校正第76页/共89页图像处理范例图像处理范例背景更新背景更新第77页/共89页图像处理范例图像处理范例背景更背景更新新第78页/共89页图像处理范例图像处理范例目标检测目标检测第79页/共89页1. 1. 数字图像处理的应用数字图像处理的应用1.1.遥感遥感 资源普查、规划，气象预报，环保（污染调查） 利用卫星照片和航空照片 辐射校正（亮度）和几何校正 提取地物地貌特征或三维重建（shape from shadow, SFS） 第80页/共89页1. 1. 数字图像处理的应用数字图像处理的应用2.2.工程与办公自动化工程与办公自动化文件与图纸读取（文档

19、保存数字化）， OCR，文字识别等 3.3.生物医学图像处理生物医学图像处理 在X光片，血细胞图像，淋巴细胞图像，染色体图像，B超图像等中的处理及识别 CT图像处理及三维重建（虚拟人体） 第81页/共89页第82页/共89页第83页/共89页1. 1. 数字图像处理的应用数字图像处理的应用 4.4.军事公安军事公安 侦察、寻找目标、制导、警戒 安全系统和鉴别系统：入口控制，指纹、人脸、眼纹识别 核材料检测 5.5.工业自动化工业自动化 生产线控制（机械手判位、定位） 产品质量监控（外观缺陷检测） 枪号识别，车牌识别等第84页/共89页1. 1. 数字图像处理的应用数字图像处理的应用6.6.通讯通讯 电视会议、电视鉴测 可视电话（压缩）7.7.工业和科学研究中的可视化技术工业和科学研究中的可视化技术 把计算结果和过程用图象/图形显示，并可处理 流场、气象、核爆模拟 第85页/共89页1. 1. 数字图像处理的应用数字图像处理的应用 8.8.多媒体、视频特技多媒体、视频特技 如电影特技 9. 9.虚拟实现（虚拟实现（Virtual RealityVirtual Reality） 环境模型、环境重视 第86页/共89页第87页/共89页第88页/共89页感谢您的观看。第89页/共89页