数 字 图 像处 理 基 础数字图象处理绪论 教师：吴正华（副教授） 学位：博士 邮箱： 电话： 在本科和硕士研究生阶段所学专业为： 电子仪器及测量技术 在博士阶段所学专业为： 生物医学工程 目前的研究方向为： 人工智能数字图象处理绪论教材教材 数数 字字 图图 像像 处处 理理 学学 阮秋琦阮秋琦 电子工业出版社电子工业出版社参考书参考书1、Digital Image Processing (Second Edition)， R.C.Gonzalez，R.E.Woods2、 数字图像处理数字图像处理 （北京交大，阮秋琦译）（北京交大，阮秋琦译） 3、Computer Image Processing and Pattern Recognition， University of Tennessee。4、图像处理学，图像处理学，W.K.Pratt。5、数字图像处理（数字图像处理（Digital Picture Processing） A.Rosenfeld ，中译本中译本 数字图象处理绪论6、 Digital Image processing using MATLAB. Rafael C. Gonzalez. Richard E. Woods. Steven L. Eddins7、Pattern Recognition Principle， R.C.Gonzalez，J. Tou。8、图像处理和分析图像处理和分析 （清华大学，章毓晋编著）。（清华大学，章毓晋编著）。9、数字图像处理（、数字图像处理（Digital Image processing）（清华大学（清华大学 林学訚等译林学訚等译)数字图象处理绪论本课程的目的内容安排 大致依照教材的脉络行课，根据实际情况对某些内容做适当删减，如第三章中的一些处理方法。(32学时） 分十个章节： 第一章 概括介绍 第二章 图像及图像系统的相关基础知识及视觉系统 第三章 各种正交变换方法 （重点） 第四章 图像增强的各种方法数字图象处理绪论第五章 图像编码 （重点）第六章 图像复原第七章 图像重建第八章 图像分析第九章 数学形态学原理第十章 模式识别的理论和方法数字图象处理绪论 听觉听觉20%20%人类传递信息人类传递信息 视觉信息占视觉信息占6060 其他感觉器官约其他感觉器官约20%20%第一幅照片第一幅照片 （18391839年）年）第一幅遥感照片（第一幅遥感照片（19091909年）年）第一章 绪 论数字图象处理绪论 德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（1845184519231923年）的第一张年）的第一张X X光照片光照片数字图象处理绪论 一、数字图像处理的起源一、数字图像处理的起源 数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年代。数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年代。 1921年经编码后用电报打印机打印的图像数字图象处理绪论1929年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片按照按照19291929年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，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压缩后传输时间减少到3 3个小时。个小时。数字图象处理绪论1922年两次通过大西洋后打印的数字图像数字图象处理绪论下图示出了由徘徊者7号在1964年7月31日上午（东部白天时间）9点09分在光线影响月球表面前约17分钟时摄取的第一张月球图像。这也是美国航天器取得的第一幅月球图像。数字图象处理绪论计算机断层（CT）是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着一个物体(或病人)，一个X射线源，带有检测器的同心圆绕着物体旋转，X射线通过物体并由位于环上对面的相应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体的“切片”的图像。数字图象处理绪论 射射 线：线：0.003 0.003 0.03 0.03 射射 线：线：0.03 0.03 3 3 紫外线：紫外线：3 3 300 300 红外线：红外线：0.8 0.8 300 300 微微 波波 0.3 0.3 100 100 二、图像处理科学对人类具有重要意义二、图像处理科学对人类具有重要意义 (1) (1) 图像是人们从客观世界获取信息的重要来源图像是人们从客观世界获取信息的重要来源 (2) (2) 图像信息处理是人类视觉延续的重要手段图像信息处理是人类视觉延续的重要手段 (3) (3) 图像处理技术对国计民生有重要意义图像处理技术对国计民生有重要意义数字图象处理绪论三、图像处理技术的分类三、图像处理技术的分类大致可分为两类：大致可分为两类： 模拟图像处理与数字图像处理。（1 1） 模拟图像处理模拟图像处理( (Analog image processing)Analog image processing) 模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处理的典遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，型例子，它处理的是活动图像，25帧帧/秒。秒。 优点：优点： 速度快，实时，可同时并行处理。速度快，实时，可同时并行处理。 缺点：缺点： 精度较差，灵活性差，非线性处理能力。精度较差，灵活性差，非线性处理能力。数字图象处理绪论（2 2） 数字图像处理数字图像处理( (Digital Image processing)Digital Image processing) 优优点点： 精精度度高高，内内容容丰丰富富，可可进进行行复复杂杂的的非非线线性性处处理理，有有灵灵活活的的变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。 缺点：处理速度还是一个问题，缺点：处理速度还是一个问题，分辨率及精度尚有一定限制。分辨率及精度尚有一定限制。 数字图象处理绪论四、四、 数字图像处理的特点数字图像处理的特点（1）图像信息量大、数据量也大）图像信息量大、数据量也大（2） 图像处理技术综合性强图像处理技术综合性强（3）图像信息理论与通信理论密切相关）图像信息理论与通信理论密切相关数字图象处理绪论五、五、 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 空域法空域法 两大类：两大类： 变换域法。变换域法。 空空域域法法-这这种种方方法法是是把把图图像像看看作作是是平平面面中中各各个个像像素素组组成成的的集集合合，然然后后直直接对这一二维函数进行相应的处理。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：空域处理法主要有两大类： (1) (1) 邻域处理法：其中包括梯度运算邻域处理法：其中包括梯度运算 ( (gradient Algorithm)gradient Algorithm)、平滑、平滑 算子算子运算运算 ( (Smoothing operator)Smoothing operator)等等 (2) 点处理法：如灰度处理（点处理法：如灰度处理（grey processing），），面积、周长、体积、面积、周长、体积、 重心重心运算等等。运算等等。数字图象处理绪论 变换域法：变换域法： 首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各首先对图像进行正交变换，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，得到处理结果。种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。 这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。数字图象处理绪论 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 图像信息的存贮图像信息的存贮 图像信息的传送图像信息的传送 图像信息处理图像信息处理 图像信息的输出和显示图像信息的输出和显示数字图象处理绪论（A A）图像获取）图像获取(1)(1)电视摄像机电视摄像机( (Video Camera)Video Camera)特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。缺点：灰度层次较差、非线性失真较大、有黑斑效应，在使用中需校正。缺点：灰度层次较差、非线性失真较大、有黑斑效应，在使用中需校正。数字图象处理绪论(2)(2)飞点扫描器飞点扫描器( (flying point Scanner)flying point Scanner) 这是一种以光源做扫描的图像获取设备。这是一种以光源做扫描的图像获取设备。 其其特特点点是是：精精度度较较高高、图图像像清清晰晰、可可透透射射成成像像亦亦可可反反射射成成像像，但但是是其其体积略显庞大。体积略显庞大。数字图象处理绪论(3)(3)扫描鼓：这是一种高精度的滚桶式的图像摄取设备。扫描鼓：这是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。缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。(4)(4)扫描仪扫描仪 特点：精度和分辨率中等，特点：精度和分辨率中等，600600DPIDPI精度的扫描仪已常见。精度的扫描仪已常见。 缺点：速度较慢，非实时设备。缺点：速度较慢，非实时设备。数字图象处理绪论(5)(5)显微光密度计，精度较高，速度低。显微光密度计，精度较高，速度低。(6)(6)遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，如：遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，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、多通道红外扫描仪。红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪。 MSS MSS ：多光谱扫描仪。多光谱扫描仪。 微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷 达达( (SAR)SAR)。数字图象处理绪论( (B)B)信息的存贮：信息的存贮：( (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贮贮主主要要采采用用磁磁带、磁盘或光盘。带、磁盘或光盘。( (C)C)图像信息的传送：图像信息的传送：( (Image information transmission)Image information transmission) 图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离传送。图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离传送。数字图象处理绪论 (D)数字图像处理数字图像处理 (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)图像增强图像增强( (Image Enhancement)Image Enhancement)图像复原图像复原( (Image Restoration)Image Restoration)图像重建图像重建( (Image Reconstruction)Image Reconstruction)图像编码图像编码( (Image Encoding)Image Encoding)图像识别图像识别( (Image Recognition)Image Recognition)图像理解图像理解( (Image Understanding)Image Understanding) 数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论 E E、图像的输出与显示图像的输出与显示 一种是硬拷贝，另一种是软拷贝。一种是硬拷贝，另一种是软拷贝。（1）CRT显示显示 优点：显示质量好、亮度高、优点：显示质量好、亮度高、 电子束寻址方式简单、制造成本低等。电子束寻址方式简单、制造成本低等。 缺点：体积大缺点：体积大数字图象处理绪论（2 2）、液晶显示器）、液晶显示器LCD LCD 数字图象处理绪论 LCDLCD的突出性能是极吸引人的，的突出性能是极吸引人的， 体积小，重量轻体积小，重量轻 低功耗，低电压低功耗，低电压 无软无软X X射线射线 全色显示及相当的亮度全色显示及相当的亮度 缺点：缺点： 视角较窄视角较窄 寻址复杂寻址复杂 亮度较低亮度较低数字图象处理绪论（3 3）彩色等离子显示技术（）彩色等离子显示技术（Plasma Display Panel-PDPPlasma Display Panel-PDP）数字图象处理绪论 它的工作原理有两个基本过程：它的工作原理有两个基本过程： 1 1）气体放电，惰性气体受电信号的作用放电发射真空紫外线）气体放电，惰性气体受电信号的作用放电发射真空紫外线 2 2）紫外线激发荧光粉发光）紫外线激发荧光粉发光 等离子显示技术有如下特点：等离子显示技术有如下特点： 易于大面积显示，可达到易于大面积显示，可达到8080英吋英吋 全色显示，显示器可显示全色显示，显示器可显示256256级灰度和级灰度和16701670万种颜色万种颜色 伏安特性非线性强，可寻址伏安特性非线性强，可寻址20002000线以上线以上数字图象处理绪论可实现高亮度显示可实现高亮度显示 对比度高对比度高视角在所有的平板显示器中是最大的，可达到视角在所有的平板显示器中是最大的，可达到160160度度 色纯度好，与色纯度好，与CRTCRT相当相当 寿命长，可达寿命长，可达3 3万小时以上万小时以上 工作电压低，一般小于工作电压低，一般小于200200伏伏 易于批量生产易于批量生产其其主主要要缺缺点点： 功功耗耗较较大大，目目前前在在以以上上。此此外外，在在亮亮环环境境下下对对比比度度有有 待提高。其最大的弱点是价格偏高待提高。其最大的弱点是价格偏高数字图象处理绪论（4 4）、场致发光显示器）、场致发光显示器( (Field Effect Display -FED)Field Effect Display -FED)其显著优点是：其显著优点是： 薄型，无需加背光源，一般比薄型，无需加背光源，一般比LCDLCD还要薄还要薄 易于拼接，可做成大屏幕易于拼接，可做成大屏幕 可高度集成做成高清晰度显示器可高度集成做成高清晰度显示器 电压低，功耗小，寿命长电压低，功耗小，寿命长 图像质量好图像质量好 发光亮度起伏小，成品率高发光亮度起伏小，成品率高 不需要偏转线圈，无不需要偏转线圈，无X X射线，抗电磁辐干扰和辐射射线，抗电磁辐干扰和辐射 生产工艺简单，生产工艺简单，FEDFED有数百个阴极，有几个不工作没有影响有数百个阴极，有几个不工作没有影响 数字图象处理绪论(5) 新型显示设备-E-Paper (电子纸,数码纸)数字图象处理绪论 将来会有更多的新型器件和原理制成新的显示器，如：将来会有更多的新型器件和原理制成新的显示器，如： 碳纳米管制成的显示器（日本）碳纳米管制成的显示器（日本） 铁电液晶显示器（韩国）铁电液晶显示器（韩国） Sharp Sharp公司甚至做出了能卷曲的显示器公司甚至做出了能卷曲的显示器数字图象处理绪论六、数字图像处理的应用六、数字图像处理的应用(1)(1)遥感：遥感：( (Remote Sensing)Remote Sensing) 数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论(2) (2) 医学应用医学应用数字图象处理绪论数字图象处理绪论（3) 3) 图像处理技术在通信中的应用图像处理技术在通信中的应用（4 4） 工业生产的质量控制工业生产的质量控制（5 5） 安全保章、公安等方面的应用安全保章、公安等方面的应用（6 6） 教学及科研领域中也将大量应用图像处理技术教学及科研领域中也将大量应用图像处理技术（7）当前呼声甚高的电子商务中，图像处理技术也大有可为）当前呼声甚高的电子商务中，图像处理技术也大有可为 数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论数字图象处理绪论(a)Lena原图(b) 水印(d) 水印图像(e) 提取效果水印的嵌入和提取(c) 置乱的水印数字图象处理绪论 (a) 原始彩色图像 (b)水印Candy(c) 水印图像 (d)提取的Candy 在彩色图像中嵌入水印数字图象处理绪论七、七、 数字图像处理领域的发展动向数字图像处理领域的发展动向 （1）在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题）在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题（2 2）加强软件研究、开发新的处理方法）加强软件研究、开发新的处理方法（3 3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展（4）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系（5）时刻注意图像处理领域的标准化问题）时刻注意图像处理领域的标准化问题数字图象处理绪论 图像处理技术未来发展大致可归纳如下四点：图像处理技术未来发展大致可归纳如下四点：（1）图图像像处处理理的的发发展展将将向向着着高高速速、高高分分辨辨率率、立立体体化化、多多媒媒体体化化、 智能化和标准化方向发展智能化和标准化方向发展 (2) (2)图像、图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展图像、图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展 (3) (3)硬件芯片研究硬件芯片研究 (4) (4)新理论与算法研究新理论与算法研究数字图象处理绪论