图像处理技术ppt课件

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1、信息与通信学院图像信息研究所信息与通信学院图像信息研究所欧阳宁欧阳宁20世纪世纪20年代，图像处理首次应用于改善伦敦和纽约之间海底年代，图像处理首次应用于改善伦敦和纽约之间海底电缆发送的图片质量。电缆发送的图片质量。20世纪世纪50年代，数字计算机发展到一定的水平，数字图像处理年代，数字计算机发展到一定的水平，数字图像处理才真正引起人们的兴趣。才真正引起人们的兴趣。1964年，美国喷气推进实验室用计算机对年，美国喷气推进实验室用计算机对“徘徊者七号徘徊者七号”太空太空船发回的大批月球照片进行处理，收到明显的效果。船发回的大批月球照片进行处理，收到明显的效果。20世纪世纪60年代末，数字图像处理

2、具备了比较完整的体系，形成年代末，数字图像处理具备了比较完整的体系，形成了一门新兴的学科。了一门新兴的学科。20世纪世纪70年代，数字图像处理技术得到迅猛的发展，理论和方年代，数字图像处理技术得到迅猛的发展，理论和方法进一步完善，应用范围更加广泛。法进一步完善，应用范围更加广泛。 图像图像 是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是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知觉的实体。可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。是指景物在某种成像介质上再现的视觉信息，本质上是具有是指景物在某种成像介质上再现的视觉信息，本质上是具有特

3、定信息的数据集合。特定信息的数据集合。可见图像可见图像不可见图像不可见图像可见图像可见图像 由可见光形成，能为人的视觉系统所感知的自然景由可见光形成，能为人的视觉系统所感知的自然景物的二维（平面）或三维（立体）的影像。物的二维（平面）或三维（立体）的影像。光学系统视网膜视觉通路感知感知眼球中眼球中视神经和大脑中视神经和大脑中350780nm信息处理信息处理光电转换光电转换不可见图像不可见图像 由由X射线、红外线、微波、超声波等形成的图像，射线、红外线、微波、超声波等形成的图像，不能为人的视觉系统直接感知，但能通过某些换能与显示装置不能为人的视觉系统直接感知，但能通过某些换能与显示装置变换后由视

4、觉感知。变换后由视觉感知。连续图像的表示连续图像的表示一个图像源，就是光辐射能量在空间和时间上的分布图，即一个图像源，就是光辐射能量在空间和时间上的分布图，即),(tzyxfI t 时间；时间；I 光强度（亮度或灰度），代表光辐射能量；光强度（亮度或灰度），代表光辐射能量； x, y, z 立体空间坐标；立体空间坐标； 光的波长，可见光波长范围：光的波长，可见光波长范围：350780 nm。其中其中： 单色平面静止图像单色平面静止图像与与z、t、无关无关，x、y 为连续变量的静止图像为连续变量的静止图像。 ),(yxfI 彩色平面彩色平面静止图像静止图像根据三基色原理，可分解为三幅单色图像根据

5、三基色原理，可分解为三幅单色图像 。 ),(yxfIGG),(yxfIBB),(yxfIRR数字图像数字图像 常见的图像是连续的，为了能用计算机对图像进行常见的图像是连续的，为了能用计算机对图像进行加工，需要把连续的图像离散化。加工，需要把连续的图像离散化。n 空间坐标离散化（采样）：空间坐标离散化（采样）： n 灰度值离散化（量化）：灰度值离散化（量化）：对每个样本值进行二进制编码。对每个样本值进行二进制编码。 连续坐标连续坐标（x, y） 离散坐标离散坐标（xi , yj ） i = 0,1,2,M-1； j = 0,1,2,N-1ijjifyxf),(),() 1)(1(1) 1(0)

6、1() 1(11110) 1(00100yxffffffffffNNNNNNijf取图像尺寸取图像尺寸 ，即即 ，则数字图像可表示为：则数字图像可表示为：NM 1, 2 , 1 , 0,Nji由于采样、量化均引入误差，因此，由于采样、量化均引入误差，因此， 是是 的一种近似表示。的一种近似表示。 ijf),(yxf一般取：行一般取：行( (或列或列) )的样点数：的样点数： ; 灰度量化级数：灰度量化级数： nN2mK2ijf数字图像的矩阵表示数字图像的矩阵表示数字图像的示例数字图像的示例125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,1

7、47,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49,155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142,146,152,159,161,159,154,138, 81, 78, 84,114, 95,167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,1

8、04,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114, 99, 57, 45, 51, 57, 54, 46, 38, 44, 38, 36, 44, 36, 25, (207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217,124,121) (226,144,133) (226,144,133) (224,137,124) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (227,151,136) (230

9、,170,154) (231,178,163) (231,178,163) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (240,205,187) (239,195,176) (231,138,123) (217,124,121) (215,169,161) (216,179,170) (216,179,170) (207,137,120) (159, 51, 71) (189, 89,101) (216,111,110) (217,124,121) (227,151,136) (227,151,1

10、36) (226,159,142) (226,159,142) (237,159,135) (237,159,135) (231,178,163) (236,187,171) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (236,187,171) 数字图像的示例数字图像的示例数字图像的特点数字图像的特点 图像帧内或帧间相邻像素间图像帧内或帧间相邻像素间灰度较为接近，说明相邻像素灰度较为接近，说明相邻像素间存在间存在 “相关性相关性” 。 这表明，一方面图像的数据这表明，一

11、方面图像的数据量很大，而另一方面信息的量很大，而另一方面信息的“冗余度冗余度”也较大。也较大。 图像数据压缩的实质，就是图像数据压缩的实质，就是利用其相关性，去除冗余度。利用其相关性，去除冗余度。如：如： 电视图像信号带宽电视图像信号带宽 5. .6 MHz ， 语音信号带宽语音信号带宽 4 kHz。 传输一路视频信号的成本大大传输一路视频信号的成本大大 高于语音信号。高于语音信号。 信息量（数据量）大信息量（数据量）大像素间相关性大像素间相关性大 占用频带宽占用频带宽判断视频效果主观因素大判断视频效果主观因素大在数字图像处理中，图像质在数字图像处理中，图像质量的主观评价占重要地位量的主观评价

12、占重要地位如如：单色图像，：单色图像，取取 行行( (列列) )样本点数：样本点数： 每样点量化级数：每样点量化级数： 则则 数据量：数据量： Mbit 存储量：存储量： KB 512N8m2152,097,28512512bitb2568/ bB由于数字图像处理是多学科交叉领域，因此由于数字图像处理是多学科交叉领域，因此充斥着相互矛充斥着相互矛盾和不准确的定义盾和不准确的定义。This view from NASAs Mars Exploration Rover Opportunity 中央气象台云图中央气象台云图 网 裂龟 裂 数字图像存储数字图像存储减少存储量减少存储量彩色活动图像：分辨

13、率为彩色活动图像：分辨率为 512512，色彩精度，色彩精度 3 8=24 (bit/ /pel) 每分钟的数据量为每分钟的数据量为 (512 512 24) 25 60/8 1180（MB/min） 数字图像传输数字图像传输提高传输效率提高传输效率一幅一幅512 512 8 (bit/ /pel)黑白图像，数据量为黑白图像，数据量为256（KB） 实时电视传输：所需速率实时电视传输：所需速率256 8 25 52. .43（Mb/ /s）在数字图像压缩中，有三种基本的数据冗余：在数字图像压缩中，有三种基本的数据冗余： 编码冗余编码冗余像素间冗余像素间冗余 心理视觉冗余心理视觉冗余帧内像素间冗

14、余帧间像素间冗余没有充分利用编码对像的概率特性所致。没有充分利用编码对像的概率特性所致。其每个像素值都可用它邻近若干像素值的线性组合来其每个像素值都可用它邻近若干像素值的线性组合来表示，或者说可由邻近像素值进行预测。表示，或者说可由邻近像素值进行预测。人眼对各种视觉信息呈现不同的灵敏度。人眼对各种视觉信息呈现不同的灵敏度。三维线框模型法(模型法)分形用于图像压缩编码小波变换用于图像压缩编码神经网络用于图像压缩编码运动补偿法运动补偿内插法位移估值法差分脉冲编码调制预测编码增量调制变换编码方波型变换正弦型变换基于特征矢量的变换第二代压缩法第二代压缩法经典压缩法经典压缩法霍夫曼编码算术编码线性码对数

15、码统计编码内插法游程编码法矢量量化法方块编码等其他编码法输入图输出图编码器解码器 CCIRConsultative Committee of International Radio（国际无国际无 线电咨询委员会，现为线电咨询委员会，现为ITU-R，即，即ITU无线通信部无线通信部） ITU International Telecommunication Union（国际电信联盟国际电信联盟） CCITTConsultative Committee International on Telegraph and Telephone（国际电报电话咨询委员会，国际电报电话咨询委员会，ITU的前身的前身

16、） ISOInternational Organization for Standardization（国际标准国际标准 化组织化组织）ISOITU- -T ( (CCITT) )ISOISO与与CCITT合作合作，于，于1986年成立联合图片专家小组年成立联合图片专家小组(Joint Photographic Experts Group- JPEG)，1991年年3月制订第月制订第10918号标准，号标准，即即: : “连续色调静止图像的数字压缩与编码连续色调静止图像的数字压缩与编码” ( (算法算法) ) 简称简称“JPEG”（1992年发布）。主要用于各种不同类型、不同分辩率年发布）。主

17、要用于各种不同类型、不同分辩率的彩色和黑白静止图像的传输、检索和存储等。的彩色和黑白静止图像的传输、检索和存储等。源图像数据源图像数据压缩图像数据压缩图像数据基于基于DCT的编码器的编码器重构图像数据重构图像数据压缩图像数据压缩图像数据基于基于DCT的解码器的解码器 JPEG提供了有损压缩和无损压缩两种压缩模式。有损压缩利用了提供了有损压缩和无损压缩两种压缩模式。有损压缩利用了 人的视觉心理特性（量化），对一般图像，压缩比可达人的视觉心理特性（量化），对一般图像，压缩比可达 20: :1（或或 25: :1），无损压缩常为，无损压缩常为2: :1。 JPEG可在高压缩比下，使重建图像保持较高的

18、保真度。可在高压缩比下，使重建图像保持较高的保真度。 平均比特率平均比特率 1.5 2.0 bit/pel 与源图像基本无区别与源图像基本无区别； 0.75 1.5 bit/pel 极好，满足大多数应用极好，满足大多数应用； 0.5 0.75 bit/pel 好至很好，满足多数应用好至很好，满足多数应用； 0.25 0.5 bit/pel 中等至好，满足某些应用。中等至好，满足某些应用。 JPEG适用于那些不太复杂以及一般取自真实景像的图像（电视适用于那些不太复杂以及一般取自真实景像的图像（电视 “冻结冻结”图像）。对图形（线图）及卡通图压缩不理想。图像）。对图形（线图）及卡通图压缩不理想。1

19、997年ISO/IEC JTC1 SC29第一工作组就提出了JPEG2000，并于2000年正式公布实施。 能吸纳各种先进的图像压缩编码技术。能吸纳各种先进的图像压缩编码技术。 提供一个更灵活、更开放的协议框架，使各种新的编码算法能够提供一个更灵活、更开放的协议框架，使各种新的编码算法能够 作为一个部件，方便地添加到该标准中去。作为一个部件，方便地添加到该标准中去。 在保持高比特率系统性能的条件下，使低比特率环境下的重建图在保持高比特率系统性能的条件下，使低比特率环境下的重建图 像的主观质量比现有标准有较大提高。像的主观质量比现有标准有较大提高。 低比特率编码应用低比特率编码应用； 处理大型图

20、像的能力处理大型图像的能力； 采用文本与图片混合编码方案采用文本与图片混合编码方案,实现连续灰度图像与二值图像集成实现连续灰度图像与二值图像集成； 采用渐进解码方案，可针对不同要求重建无失真或有失真图像采用渐进解码方案，可针对不同要求重建无失真或有失真图像； 基于不同分辩率的渐进传输基于不同分辩率的渐进传输； 采用防误差扩散、误差隐藏、重启动技术源或信道编码方案，增强采用防误差扩散、误差隐藏、重启动技术源或信道编码方案，增强 对误码的稳健性对误码的稳健性； 开放式的协议结构，可集成各种不同类型的压缩算法开放式的协议结构，可集成各种不同类型的压缩算法； 基于图像内容的描述，便于实现大型图像数据库

21、的图像检索基于图像内容的描述，便于实现大型图像数据库的图像检索； 通过水印、印章、标签、加密等技术实现数字图像版权安全保护。通过水印、印章、标签、加密等技术实现数字图像版权安全保护。 最有利的候选方案是小波子带编码和最有利的候选方案是小波子带编码和MPEG帧内金字塔型编码帧内金字塔型编码 高压缩率：高压缩率：JPEG2000格式的图片可在现在格式的图片可在现在JPEG的基础上再提高的基础上再提高l0 30，而且压缩后的图像显得更细腻平滑；，而且压缩后的图像显得更细腻平滑； 无损压缩：预测法作为对图像进行无损压缩编码的成熟方法被集成到无损压缩：预测法作为对图像进行无损压缩编码的成熟方法被集成到J

22、PEG2000中，其误差稳定性也较好，能更好地保证图像的质量；中，其误差稳定性也较好，能更好地保证图像的质量； 实现渐进传输实现渐进传输(Progressive Transmission)：先传输图像的轮廓数据，：先传输图像的轮廓数据，然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量，实现图像由朦胧到清晰。然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量，实现图像由朦胧到清晰。即不断地向图像中插人像素以不断提高图像的分辨率；即不断地向图像中插人像素以不断提高图像的分辨率； 支持支持“感兴趣区域感兴趣区域”(ROI，Region of Interest）：可对图片上感兴趣）：可对图片上感兴趣的区域在压缩时指定这

23、些区域的压缩质量，或在解压时指定某些区域的的区域在压缩时指定这些区域的压缩质量，或在解压时指定某些区域的解压要求，即结合了接收方对压缩的主观需求，实现了交互式压缩。解压要求，即结合了接收方对压缩的主观需求，实现了交互式压缩。MPEG-11991年年11 月月,MPEG提出提出 第第11172号标准草案，全称：号标准草案，全称： “用于数字存储媒体码率约为用于数字存储媒体码率约为1.5 Mbps的活动图像及其伴音的编码的活动图像及其伴音的编码” 简称简称 “MPEG-1”（1993年正式通过为国际标准）。年正式通过为国际标准）。是为是为1.5Mbs数字声像信息的存储而制定，没有指定具体的编码程数

24、字声像信息的存储而制定，没有指定具体的编码程序，只确定了一个标准的编码码流和对应的一个标准的解码器。序，只确定了一个标准的编码码流和对应的一个标准的解码器。ISO与与CCITT合作合作, 于于1988年成立活动图像专家小组年成立活动图像专家小组(Moving Picture Experts Group-MPEG)。 MPEG- -2 该标准是该标准是MPEG小组工作的第二阶段成果，称为小组工作的第二阶段成果，称为： “活动图像及其伴音信息的通用编码活动图像及其伴音信息的通用编码” 主要用于对主要用于对SDTV和和HDTV的编码，与的编码，与MPEG-1后向兼容。是促进后向兼容。是促进 计算机、

25、广播电视、数字通信三大领域交汇融合的共性关键技术。计算机、广播电视、数字通信三大领域交汇融合的共性关键技术。 说明说明：(1) 原用于原用于HDTV的的MPEG-3与与 MPEG-2合并而被取消合并而被取消； (2) ITU-T原计划制定适用于原计划制定适用于B-ISDN/ATM视频编码标准，视频编码标准， 后与后与MPEG联合，将联合，将MPEG-2正式作为正式作为ITU-T H. .262建建 议（议（1993. .11） 。 MPEG- -4 其目标是交互式的多媒体应用。其目标是交互式的多媒体应用。 不再是个单纯的视频音频编解码标准，它更多定义的是一种格式和不再是个单纯的视频音频编解码标

26、准，它更多定义的是一种格式和框架，而不是具体的算法，从而为多媒体数据压缩提供了一个更广泛框架，而不是具体的算法，从而为多媒体数据压缩提供了一个更广泛的平台。的平台。标准的主要特征是基于对像标准的主要特征是基于对像(ObjectBased)的编码和基于模型的编码和基于模型(ModelBased)的编码。的编码。针对流媒体特别是视频流发展的需求，针对流媒体特别是视频流发展的需求，2000年年MPEG4标准增补了标准增补了视频流应用框架，提出了可精细扩展编码方法视频流应用框架，提出了可精细扩展编码方法(FGS，Fine Granularity Scalability)。提供许多新功能。提供许多新功能

27、。 MPEG- -7 并不是压缩标准，全称为并不是压缩标准，全称为“多媒体内容描述接口多媒体内容描述接口(Multimedia Content Description Interface)”，要解决的是如何在多如繁星的资料中找到用户，要解决的是如何在多如繁星的资料中找到用户需要的资料。需要的资料。 MPEG-2l也不是压缩标准。其可以描述成一些关键技术的集成，这些技术可以通也不是压缩标准。其可以描述成一些关键技术的集成，这些技术可以通过访问全球网络和设备实现对多媒体资源透明和增强地使用，标准将讨过访问全球网络和设备实现对多媒体资源透明和增强地使用，标准将讨论是否需要和如何将协议、标准、技术等不

28、同的组件有机地结合起来，论是否需要和如何将协议、标准、技术等不同的组件有机地结合起来，是否需要新的规范，及在具备上述两个条件的前提下如何将不同的标准是否需要新的规范，及在具备上述两个条件的前提下如何将不同的标准集成在一起。集成在一起。 H.261 是是ITU-T于于 1990年年12 月通过的关于视频压缩编码的第一个国际标准化建月通过的关于视频压缩编码的第一个国际标准化建议，全称：议，全称： “p 64 kb/s 视听业务的视频编解码器视听业务的视频编解码器” 其中其中1p 30。该建议是针对可视电话。该建议是针对可视电话( p =1) 、会议电视、会议电视( p =6) 及窄带及窄带ISDN

29、等业务中，要求实时编解码与低延时应用而提出的。等业务中，要求实时编解码与低延时应用而提出的。 它是它是JPEG和和MPEG的基础。的基础。 H .263是是 ITU-T为进一步解决在普通公用电话网或移动电话网上传输低码为进一步解决在普通公用电话网或移动电话网上传输低码率率( 64 kb/s)kb/s)视频信息视频信息而制定的压缩标准而制定的压缩标准, 即即“低码率通信的视频编码低码率通信的视频编码”主要用于主要用于P*8kbs速率信道、面向可视电话业务。支持五种标准的速率信道、面向可视电话业务。支持五种标准的图像格式：图像格式：subQCIF，QCIF，CIF，4CIF和和16CIF。1996

30、年年3月正式发布。月正式发布。VCEG(Video Coding Expert Group)在在H263推出后继续对其进推出后继续对其进行改进，于行改进，于1998年公布了年公布了H.263+以及在以及在2000年后公布了年后公布了H.263+。 H .264 ITU-T的视频编码专家组的视频编码专家组(VCEG)与与ISOIEC JTCI的的MPEG专家专家组成立的联合视频专家组组成立的联合视频专家组(JVT，Joint Video Team)共同承担的极低共同承担的极低码率视频编码远期研究项目码率视频编码远期研究项目H.26L，其目标是突破现有各种标准的水，其目标是突破现有各种标准的水平，

31、获得视频质量实质性的提高。平，获得视频质量实质性的提高。 新标准于新标准于2003年年3月完成，成为月完成，成为ITU-T的的H.264建议和建议和ISOJEC的的MPEG-4标准的第标准的第10部分部分(ISOJEC 14496-10 AVC，简称，简称MPEG-4-10)。 H .264在系统层面上提出了一个全新的概念，分割出两个层次：在系统层面上提出了一个全新的概念，分割出两个层次：视频编码层视频编码层(VCL，Video Coding Layer)： 视频内容核心压缩信息视频内容核心压缩信息的描述，定义了宏块层和宏块层以下的语法；的描述，定义了宏块层和宏块层以下的语法；网络适配层网络适

32、配层( NAL，Network Adapter Layer) ，通过特定类型网络，通过特定类型网络进行传输的表述，定义了片层以及片层以上的语法，这样的结构便进行传输的表述，定义了片层以及片层以上的语法，这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。H.264可达到比可达到比H.263+提高一倍以上的编码效率，并且在相当宽的码提高一倍以上的编码效率，并且在相当宽的码率范围均获得很好的图像质量，满足各种视频应用的要求，但其复杂率范围均获得很好的图像质量，满足各种视频应用的要求，但其复杂度非常高，比度非常高，比MPEG-2高约一个数量级以上。高约一个数量级以上。结束，谢谢 !