LOGO数字图像处理数字图像处理主讲：魏丽主讲：魏丽www.themegallery.com第第1 1章章 数字图像处理概述数字图像处理概述v图像处理的基本知识图像处理的基本知识v数字图像处理术语数字图像处理术语v数字图像处理的方法和内容数字图像处理的方法和内容v数字图像处理的应用及特点数字图像处理的应用及特点www.themegallery.com一、图像处理的发展一、图像处理的发展 人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据统计，在人类接受的信息中，听觉信息占统计，在人类接受的信息中，听觉信息占2020，视觉信息占视觉信息占6060，其他如味觉、触觉、嗅觉总，其他如味觉、触觉、嗅觉总起来不过占起来不过占2020。所以，作为传递信息的重要。所以，作为传递信息的重要媒体和手段媒体和手段图像信息是十分重要的，俗话图像信息是十分重要的，俗话说说“百闻不如一见百闻不如一见”。www.themegallery.com19211921年电报打印机采用特殊字年电报打印机采用特殊字符在编码纸带打印。符在编码纸带打印。19221922年两次穿越大西洋，年两次穿越大西洋，穿孔纸得到图像检测误穿孔纸得到图像检测误差。差。 世界上出现第一幅照片（世界上出现第一幅照片（18391839年）及意大利人年）及意大利人乘飞机拍摄了第一张照片（乘飞机拍摄了第一张照片（19091909年）通常被认为是年）通常被认为是遥感技术的起源，也是图像处理技术的兴起。遥感技术的起源，也是图像处理技术的兴起。www.themegallery.com19291929年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片 电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照殊的打印设备重现该图片。按照19291929年的技术水平，如年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压缩后传输时间减少到果不压缩，需要一个多星期，压缩后传输时间减少到3 3个个小时。小时。 DIP 发展标志事件发展标志事件1www.themegallery.comDIP 发展标志事件发展标志事件2 由徘徊者由徘徊者7 7号在号在19641964年年7 7月月3131日上午（东部白日上午（东部白天时间）天时间）9 9点点0909分在光线分在光线影响月球表面前约影响月球表面前约1717分分钟时摄取的第一张月球钟时摄取的第一张月球图像。这也是美国航天图像。这也是美国航天器取得的第一幅月球图器取得的第一幅月球图像。像。www.themegallery.com图像处理与相关学科的关系图像处理与相关学科的关系 图像理解图像理解数据（描述）数据（描述）图像处理图像处理计算机计算机图形学图形学图像图像计计算算机机视视觉觉模模式式识识别别图像图像分析分析数据数据分析分析图像图像人人符号符号客观世界www.themegallery.com二、图像处理的基本知识二、图像处理的基本知识1)1)图像图像对客观存在物体的一种相似性、生动的写真或描述。对客观存在物体的一种相似性、生动的写真或描述。根据其形式或产生方法分类：根据其形式或产生方法分类： www.themegallery.com二、图像处理的基本知识二、图像处理的基本知识1) 1) 模拟图像模拟图像 模拟图像可用连续函数来描述。模拟图像可用连续函数来描述。 2) 2) 数字图像数字图像 可用矩阵或数组来描述可用矩阵或数组来描述()() 图像处理相关术语图像处理相关术语www.themegallery.com三、三、 数字图像处理的主要方法及主要内容数字图像处理的主要方法及主要内容 1.1. 数字图像处理方法：数字图像处理方法： 两大类：空间域法和变换域法。两大类：空间域法和变换域法。 A A、空间域法：这种方法是把图像看作是平空间域法：这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：函数进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：www.themegallery.com（1 1）邻域处理法：）邻域处理法：梯度运算梯度运算 ( (gradient Algorithm)gradient Algorithm)拉普拉斯算子运算拉普拉斯算子运算 ( (LaplacianLaplacian operator) operator)平滑算子运算平滑算子运算 ( (Smoothing operator)Smoothing operator)卷积运算卷积运算 ( (Convolution algorithm)Convolution algorithm)（2 2）点处理法：点处理法：如灰度处理（如灰度处理（grey processing），），面积、周长、面积、周长、体积、重心运算等等。体积、重心运算等等。www.themegallery.com B B、变换域法：变换域法： 数字图像处理的变换域处理方法是首先对数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。得到处理结果。 这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。取等处理。www.themegallery.com2.数字图像处理的主要内容：数字图像处理的主要内容：图像信息的获取图像信息的获取图像信息的存储图像信息的存储图像信息处理图像信息处理图像描述图像描述图像识别图像识别图像理解图像理解www.themegallery.com1 1、图像信息的获取、图像信息的获取( (Image Information Image Information Acquisition):Acquisition): 主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。图像获图像、光电转换及数字化等几个步骤。图像获取的方法有如下几种：取的方法有如下几种： www.themegallery.com(1)(1)电视摄像机电视摄像机 这是目前使用最广泛的图像获取设备。早这是目前使用最广泛的图像获取设备。早期主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年期主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年来，主要是采用来，主要是采用CCDCCD摄像设备。摄像设备。 特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。度高。www.themegallery.com( (2)2)扫描鼓扫描鼓 一种高精度的滚桶式的图像摄取设备。一种高精度的滚桶式的图像摄取设备。 特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以输出。特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以输出。 缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。多用于静缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。多用于静止图像的输入、输出设备。止图像的输入、输出设备。www.themegallery.com( (3)3)扫描仪扫描仪 特特点点：精精度度和和分分辨辨率率中中等等，600600DPIDPI精精度度的的扫扫描描仪仪已已常常见见。扫扫描描仪仪的的成成本本很很低低，近近几几年年尤尤其其降降价价显显著著。所所以以是是当当今今应应用用最最为为广广泛泛的的图图像像信息获取设备。信息获取设备。 缺点：速度较慢，非实时设备。缺点：速度较慢，非实时设备。www.themegallery.com( (4)4)显微光密度计显微光密度计 精度较高，速度低。精度较高，速度低。( (5)5)遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，如：如： 光学摄影：摄像机、多光谱像机等。光学摄影：摄像机、多光谱像机等。 红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪。红外扫描仪。 MSSMSS：多光谱扫描仪。：多光谱扫描仪。 微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷达达、合成孔径雷达( (SAR)SAR)。返回返回www.themegallery.com2.2.信息的存储信息的存储 ( (Image information Storage)Image information Storage) 图图像像信信息息的的突突出出特特点点是是数数据据量量巨巨大大。一一般般作作档档案案存存储储主主要要采采用用磁磁带带、磁磁盘盘或或光光盘盘。为为解解决决海海量量存存储储问问题题主主要要研研究究数数据据压压缩缩、图图像像格格式式及及图图像数据库、图像检索技术等。像数据库、图像检索技术等。返回返回www.themegallery.com3. 图像信息处理图像信息处理(Digital Image processing) 几何处理几何处理( (geometrical processing)geometrical processing) 算术处理算术处理( (Arithmetic processing)Arithmetic processing)：加、减、乘、除：加、减、乘、除 图像变换图像变换(Image transformation)(Image transformation) 图像增强和复原图像增强和复原( (Image Enhancement and Restoration)Image Enhancement and Restoration) 图像重建图像重建( (Image Reconstruction)Image Reconstruction) 图像编码压缩图像编码压缩( (Image Encoding)Image Encoding) www.themegallery.com图像的几何变换 www.themegallery.com图像增强图像增强 图图像像增增强强处处理理主主要要是是突突出出图图像像中中感感兴兴趣趣的的信信息息，而而减减弱弱或或去去除除不不需需要要的的信信息息，从从而而使使有有用用信信息息得得到到加加强强，便便于于区区分分或或解解释释。主主要要方方法法有有直直方方图图增增强强、伪伪彩彩色色增增强强法法( (pseudo pseudo color)color)、灰度窗口等技术。灰度窗口等技术。www.themegallery.com 图像复原图像复原 图图像像复复原原处处理理的的主主要要目目的的是是去去掉掉干干扰扰和和模模糊糊，恢恢复复图图像像的的本本来来面面目目。典典型型的的例例子子如如去去噪噪就就属属于于复复原原处处理理。图图像像噪噪声声包包括括随随机机噪噪声声和和相相干干噪噪声声，随随机机噪噪声声干干扰扰表表现现为为麻麻点点干干扰扰，相相干干噪噪声声表表现现为为网网纹纹干干扰扰。 去去模模糊糊也也是是复复原原处处理理的的任任务务。这这些些模模糊糊来来自自透透镜镜散散焦焦，相相对对运运动动，大大气气湍湍流流，云云层层遮遮挡挡等等。这这些些干干扰扰可可用用维维纳纳滤波、逆滤波、同态滤波等方法加以去除。滤波、逆滤波、同态滤波等方法加以去除。www.themegallery.comwww.themegallery.com 图像重建图像重建 几何处理、图像增强、图像复原都是从图几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像。而处理结果得到的是图像。 www.themegallery.com 图像编码图像编码 图像编码的研究属于信息论中信源编码范畴，图像编码的研究属于信息论中信源编码范畴，其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人类视觉其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性对图像信号进行高效编码，的生理学及心理学特性对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，以解决数据量大的矛盾。一即研究数据压缩技术，以解决数据量大的矛盾。一般来说，图像编码目的有三个：般来说，图像编码目的有三个： 减少数据存贮量；减少数据存贮量； 降低数据率以减少传输带宽；降低数据率以减少传输带宽； 压缩信息量，便于特征抽取，为识别作准备。压缩信息量，便于特征抽取，为识别作准备。返回返回www.themegallery.com4.4.图像描述图像描述图像描述图像描述：用一组描述子来表征图像中被描述物：用一组描述子来表征图像中被描述物体的某些特征。描述子可以是一组数据或符号，体的某些特征。描述子可以是一组数据或符号，定性或定量说明被描述物体的部分特性，或图像定性或定量说明被描述物体的部分特性，或图像中各部分彼此间的相互关系，为图像分析和识别中各部分彼此间的相互关系，为图像分析和识别提供依据。提供依据。描述子描述子：二值图像的几何特征和拓扑特征、二维：二值图像的几何特征和拓扑特征、二维区域描述、边界描述、纹理描述、三维物体描述。区域描述、边界描述、纹理描述、三维物体描述。返回返回www.themegallery.com 5. 5.图像识别图像识别 图图像像识识别别属属于于模模式式识识别别的的范范畴畴，是是数数字字图图像像处处理理的的又又一一研研究究领领域域。当当今今，模模式式识识别别方方法法大致有三种，即：大致有三种，即： 统计识别法；统计识别法； 句法结构模式识别法；句法结构模式识别法； 模糊识别法。模糊识别法。 返回返回www.themegallery.com6.6.图像理解图像理解 图图像像理理解解是是由由模模式式识识别别发发展展起起来来的的方方法法。该该处处理理输输入入的的是是图图像像，输输出出的的是是一一种种描描述述。这这种种描描述述并并不不仅仅是是单单纯纯的的用用符符号号作作出出详详细细的的描描绘绘，而而且且要要利利用用客客观观世世界界的的知知识识使使计计算算机机进进行行联联想想、思考及推论。思考及推论。www.themegallery.com四、数字图像处理的应用四、数字图像处理的应用www.themegallery.comv在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至18951895年年X X射射线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（教授（1845184519231923年），在他从事阴极射线的研究时，发年），在他从事阴极射线的研究时，发现了现了X X射线。为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意射线。为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意义的图像义的图像。www.themegallery.com 2020世纪世纪7070年代计算机轴向断层年代计算机轴向断层( (CAT)CAT)、简称计算机简称计算机断层断层( (CT)CT)是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件之一。之一。 断层技术是断层技术是Godfrey N. Godfrey N. HounsfielaHounsfiela和和Allan Allan M.CormackM.Cormack教授分别发明的，他们共同获得教授分别发明的，他们共同获得19791979年诺贝年诺贝尔医学奖。尔医学奖。 X X射线在射线在18951895年由威尔霍姆年由威尔霍姆康瑞德康瑞德伦琴伦琴发现的，由于他的发现，他获得了发现的，由于他的发现，他获得了19011901年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖。学奖。www.themegallery.comwww.themegallery.com工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研制等。别零件，装配质量检查），工业机器人研制等。www.themegallery.com军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、声纳军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、声纳图像处理，导弹制导，军事仿真等。图像处理，导弹制导，军事仿真等。www.themegallery.com公共安全公共安全www.themegallery.comwww.themegallery.com五、数字图像处理的特点五、数字图像处理的特点 再现性好再现性好 处理精度高处理精度高 适用领域广泛适用领域广泛 灵活性强灵活性强 图像数据量庞大图像数据量庞大 占用频带较宽占用频带较宽 图像质量评价受主观因素的影响图像质量评价受主观因素的影响 实际的技术领域广泛实际的技术领域广泛www.themegallery.com