1、數字圖像處理1本課程主要介紹數字圖像處理的基本概念、理論、方法和應用。通過學習本課程，掌握數字圖像處理的基本原理，培養解決實際圖像處理問題的能力。為進行數字圖像處理相關領域的研究奠定堅實的基礎。課 程 介 紹2參 考 教 材one345three7four8掌握數字圖像處理的基本方法，為數字圖像處理奠定良好的基礎。能夠把MATLAB應用于實際的圖像處理領域。 學 習 目 的10關于本課程的基礎知識和學習方法基礎知識： 線性代數、高數、概率論數字信號處理、程序設計語言 英語和編程基礎學習方法：切忌死記硬背通過數學理解處理圖像的意義上機編程分析圖像學 習 方 法11教 學 安 排課程安排總學時：4

2、8學時理論：32學時 上機：16學時成績評定平時成績：10%實驗成績：20%考試成績：70%（上機編程處理圖像）121.1 數字圖像處理的發展1.2 數字圖像處理的相關概念 1.3 數字圖像處理方法 1.4 數字圖像處理的主要研究內容1.5 數字圖像處理的應用實例1.6 數字圖像處理領域的發展動向第 1 章 緒論14 掌握常用圖像處理術語 了解發展過程及動向 了解數字圖像處理的應用學習目標15171.1 數字圖像處理的發展 圖像是人類獲取信息、表達信息和傳遞信息的重要手段。據統計，在人類接受的信息中，圖像等視覺信息所占的比重達到75%。 數字圖像處理技術已經成為信息科學、計算機科學、工程科學、

3、地球科學等諸多方面的學者研究圖像的有效工具。 18數字圖像處理起源于20世紀20年代。 當時，人們通過Bartlane海底電纜圖片傳輸系統，從倫敦到紐約傳輸了一幅經過數字壓縮后的照片，從而把傳輸時間從一周多減少到不到3小時。1921年電報打印機采用特殊字符在編碼紙帶打印。輸出設備從通用在到專用1922年兩次穿越大西洋，穿孔紙帶得到圖像檢測誤差。圖像通信系統信源編碼和信道編碼1929年從倫敦到紐約15級色調通過電纜傳輸照片。從早期5個灰度到15灰度。現在的網絡、移動通信再次歷經這個過程。19 為了傳輸圖片，該系統首先在傳輸端進行圖像編碼，然后在接收端用特殊打印設備重構該圖片。 該應用已經包含了數

4、字圖像處理的知識，但還稱不上真正意義的數字圖像處理，因為它沒有涉及到計算機。20 第一臺可以執行有意義的圖像處理任務的大型計算機出現在20世紀60年代早期。 1964年，位于加利福尼亞的美國噴氣推進實驗室（JPL實驗室）處理了太空船“徘徊者七號”發回的月球照片，以校正航天器上電視攝像機中的各種類型的圖像畸變，并考慮了太陽位置和月球環境的影響，由計算機成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。隨后又對探測飛船發回的近十萬張照片進行更為復雜的圖像處理，以致獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創舉奠定了堅實的基礎，也推動了數字圖像處理這門學科的誕生。 21“徘徊者7

5、號”太空船于1964年7月31號在東部白天時間著陸前17分鐘拍攝的，其中網狀標記表示經過了幾何校正22Hounsfield和Cormack因發明CT獲得1979年諾貝爾醫學和生理學獎。24圖像處理技術在許多應用領域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就，屬于這些領域的有航空航天、生物醫學工程、工業檢測、機器人視覺、公安司法、軍事制導、文化藝術等，使圖像處理成為一門引人注目、前景遠大的新型學科。 從70年代中期開始，隨著計算機技術和人工智能、思維科學研究的迅速發展，數字圖像處理向更高、更深層次發展。人們已開始研究如何用計算機系統解釋圖像，實現類似人類視覺系統理解外部世界，這被稱為圖像理解或計算機視

6、覺。 今天，幾乎不存在與數字圖像處理無關的技術領域25271.2 數字圖像處理的相關概念1.2.1 數字圖像及其組成要素 圖-是物體透射或反射光的分布，是客觀存在的。像-是人的視覺系統對圖的接收在大腦中形成的印象或反映。圖像-是圖和像的有機結合，是客觀世界能量或狀態以可視化形式在二維平面上的投影。28從人眼的視覺特點看，圖像分為可見圖像和不可見圖像。其中可見圖像又包括生成圖和光圖像兩類。光圖像側重于用透鏡、光柵和全息技術產生的圖像。通常所指的圖像是光圖像。29按波段多少，圖像可分為單波段、多波段和超波段圖像。 單波段圖像在每個點只有一個亮度值。 多光譜圖像上每一個點不只一個特性。 例如紅、綠、

7、藍三波段光譜圖像或彩色圖像在每個點具有紅、綠、藍三個亮度值，這三個值表示在不同光波段上的強度，人眼看來就是不同的顏色。30 按圖像空間坐標和明暗程度的連續性可分為模擬圖像和數字圖像。 模擬圖像指空間坐標和明暗程度都是連續變化的、計算機無法直接處理的圖像。 數字圖像是一種空間坐標和灰度均不連續的、用離散的數字表示的圖像。這樣的圖像才能被計算機處理。31（1）模擬圖像：光學圖像、模擬電視圖像等。 處理速度快，但精度和靈活度差。（2）數字圖像：數碼相機、數字電視等。是將連續的模擬圖像經過離散化處理后得到的計算機可以識別及處理的點陣圖像。數字圖像像素數字圖像的優點：（1）精度高：目前計算機可將模擬圖像

8、轉化成高精度數字圖像（2）處理方便：數字圖像是一組數據，可利用計算機對其處理（3）重復性好：數字圖像可比模擬圖像有正常的保質時間32數字圖像 數字圖像可以理解為圖像的數字表示，是時間和空間的非連續函數(信號)，是為了便于計算機處理的一種圖像表示形式。它是由一系列離散單元經過量化后形成的灰度值的集合，即像素(Pixel)的集合。33 對圖像進行一系列的操作以達到預期的目的的技術稱作圖像處理。圖像處理可分為模擬圖像處理和數字圖像處理兩種方式。 利用光學、照相和電子學方法對模擬圖像的處理稱為模擬圖像處理。目前，許多軍用、宇航的處理仍采用光學模擬處理。 利用計算機對數字圖像進行系列操作，從而獲得某種預

9、期的結果的技術稱為數字圖像處理，又稱計算機圖像處理。通常，也簡稱為圖像處理。1.2.2 圖像處理34 圖像處理的內容相當豐富，包括狹義的圖像處理、圖像分析與圖像理解。狹義的圖像處理著重強調在圖像之間進行的變換，是一個從圖像到圖像的過程，是比較低層的操作。狹義的圖像處理主要滿足對圖像進行各種加工，以改善圖像的視覺效果，或對圖像進行壓縮編碼以減少所需存儲空間或傳輸時間，達到傳輸通路的要求。特點：主要在像素級進行處理，處理的數據量非常大。351.2.3 圖像分析 圖像分析主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量，從而建立對圖像的描述。圖像分析主要研究用自動或半自動裝置和系統，從圖像中提取有用的測度、

10、數據或信息，生成非圖像的描述或者表示。圖像分析的內容分為特征提取、符號描述、目標檢測、景物匹配和識別等幾個部分。特點：是一個從圖像到數據的過程，可以看作是中層處理。361.2.4 圖像理解圖像理解是在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目標的性質和它們之間的相互聯系，并得出對圖像內容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋，從而指導和規劃行動。圖像理解有時也叫景物理解。圖像理解主要是高層操作，其處理過程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。371.2.5 與相關學科的關系數字圖像處理是一門新的交叉學科。它與數學、物理學、生理學、心理學、電子學、計算機科學等許多學科可以相互借鑒。從它的研究范圍來看，它

11、與模式識別、計算機視覺、計算機圖形學等多個專業又互相交叉。38宏觀世界圖像圖像數據(人)符號新技術新理論新工具圖像處理模式識別圖像分析計算機視覺計算機圖形學圖像理解圖像理解(轉換)圖像處理與相關學科的聯系和區別391.3 數字圖像處理方法數字圖像的處理方法種類繁多，根據不同的分類標準可以得到不向的分類結果。根據對圖像作用域的不同，數字圖像處理方法大致可分為兩大類，即：空域算法和變換域算法。401.3.1 空域處理方法空域處理方法是指在空間域內直接對數字圖像進行處理。在處理時，既可以直接對圖像各像素點進行灰度上的變換處理，也可以對圖像進行小區域模板的空域濾波等處理，以充分考慮像素鄰域像素點對其的

12、影響。空域處理法主要有兩大類： (1)鄰域處理法 (2)點處理法411.3.2 變換域處理方法 變換域處理方法首先主要是通過傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換或是比較新的小波變換等變換算法，將圖像從空域變換到相應的變換域，得到變換域系數陣列，然后在變換域中對圖像進行處理，處理完成后再將圖像從變換域反變換到空間域，得到處理結果。421.4 數字圖像處理研究的主要內容1.4.1 圖像變換1.4.2 圖像增強1.4.3 圖像編碼與壓縮1.4.4 圖像復原1.4.5 圖像重建431.4.1 圖像變換圖像變換是圖像處理和圖像分析的一個重要分支，它將圖像從空間域變換到變換域，然后在變換域對圖像進行處理和

13、分析。圖像變換是許多圖像處理和分析技術的基礎，是圖像增強和復原的基本工具，也是圖像特征提取的重要手段。常用的圖像變換有傅立葉變換、DCT變換，小波變換等。441.4.2 圖像增強圖像增強是指根據一定的要求，突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強的信息處理方法。根據增強處理過程所在的空間不同，圖像增強技術可分為基于空間域的增強方法和基于頻率域的增強方法兩類。圖像增強主要方法有直方圖增強、空域濾波法、頻率域濾波法以及彩色增強法等。451.4.3 圖像編碼與壓縮圖像編碼就是利用圖像信號的統計特性及人類視覺的生理學和心理學特性對圖像信號進行高效編碼，以解決數據量大的矛

14、盾。圖像編碼的目的有三個：盡量減少表示數字圖像時需要的數據量。降低數據率以減少傳輸帶寬；壓縮信息量,便于特征抽取，為識別作準備。根據解壓重建后的圖像和原始圖像之間是否具有誤差，圖像編碼壓縮分為無誤差編碼和有誤差編碼兩大類。根據編碼方法作用域不同，圖像編碼分為空間域編碼和變換域編碼兩大類。461.4.4 圖像復原圖像復原也叫圖像恢復。其目的是找出圖像降質的起因，并盡可能消除它，使圖像恢復本來面目。常用的恢復有糾正幾何失真、從已知圖像信號和噪聲的統計特性入手，用Wiener濾波等方法來改善信噪比等。471.4.5 圖像重建重建處理則是從數據到圖像的處理。也就是說輸入的是某種數據，而處理結果得到的是

15、圖像。該處理的典型應用就是CT技術。圖像重建的主要算法有代數法、迭代法、傅里葉反投影法、卷積反投影法等。481.5 數字圖像處理的應用實例1.5.1 生物醫學工程中的應用1.5.2 遙感領域中的應用1.5.3 工業方面的應用1.5.4 軍事公安領域的應用1.5.5 通信中的應用1.5.6 文字識別1.5.7 交通1.5.8 文化藝術491.5.1 生物醫學中的應用最突出的臨床應用就是超聲、核磁共振、相機和CT等技術。如X射線照片的分析，血球計數與染色體分類等。50目前，國際上最先進的醫學影像設備，都建立在先進的數字化信息處理技術基礎上而發展。computed tomography(Nuclea

16、r) Magnetic Resonance Imaging Positron Emission Tomography51SARS冠狀病毒圖像 52原始細胞圖像 (b)增強后的細胞圖像 細胞圖像增強實例 53超聲圖象 541.5.2 遙感領域中的應用（1）森林遙感圖像處理與應用（2）國土資源遙感圖像處理與應用（3）海洋遙感圖像處理與應用55圖a 原始合成圖像 圖b 分類結果遙感圖像自動分類56遙感圖像監測 (森林火災監護) 57夜間燈光數據圖像(提供人類居住區的情況) 5859天氣預報6061圖像的修復 （1990年發射的“哈勃”號太空望遠鏡拍攝超遠距離的物體，借助于圖像處理技術進行修復。）62

17、1.5.3 工業方面的應用在生產線中對生產的產品及部件進行無損檢測也是圖像處理技術的一個廣泛的應用領域。如晶振元件缺陷檢測、食品包裝出廠前的質量檢查、浮法玻璃生產線上對玻璃質量的監控和篩選、零件及產品無損檢測、焊縫及內部缺陷檢查、流水線零件自動檢測識別、郵件自動分檢、生產過程的監控等。63 電子顯微鏡成像過熱損壞的鎢絲（250倍）損壞的IC電路（2500倍）6465機器代替人進行操作 66 （a）網裂 (b) 龜裂路面破損圖像識別671.5.4 軍事公安領域的應用 該領域可采用圖像處理與模式識別等方法實現監控、案件偵破、交通管理等。如巡航導彈地形識別；側視雷達的地形偵察；遙控飛行器RPV（re

18、motely piloted vehicle ，無人駕駛）的引導；目標的識別與制導；警戒系統及自動火炮控制；反偽裝偵察；指紋自動識別；虹膜識別；犯罪臉形的形成；手跡，人像，印章的鑒定識別；過期檔案文字的復原等。686970 軍事應用 71紅外圖象（體溫檢測） 72紅外圖象 73人眼虹膜識別系統 74可見光及紅外波段成像拇指指紋751.5.5 通信中的應用圖像通信按業務性能劃分可分為： 電視廣播 可視電話和會議電視 傳真 圖文電視和可視圖文 電纜電視(CATV)76手機電視 77視頻通話 78手機上網 79基于H.323網絡視頻會議標準實現多點會議 80 基于H.320網絡視頻會議標準實現多點會議 81基于衛星