数 字 图 像 处 理计算机学院计算机学院 吕建平吕建平9/16/20241第一章第一章 引言引言 n“数字图像处理是一门选修课，同学们对此有先试听而后选择的习惯，此外，每逢新课，大家都关心这门课：ni.讲什么内容；nii.学了有什么用；niii.需要哪些根底知识。n考虑到这些因素，希望通过“数字图像处理引言的讲述，使同学们对数字图像处理技术有一个概貌性了解，引起大家学习这门课的兴趣。9/16/20242第一章第一章 引言引言 n1.图像图像是自然界景物的客观反映。n图像的种类很多，但就人眼中图像的形成以及人眼对亮度的适应和鉴别能力而言，可以用统一的一个数学表达式来表示图像：n图像模型，即图像的亮度函数：fx，yn其中：x，y是图像的位置坐标。n即：一幅图像中任一点的亮度值是位置变量x，y的函数，位置不同，亮度亦不同。9/16/20243第一章第一章 引言引言图1.1自然景物像图1.2胸部X光片图像9/16/20244第一章第一章 引言引言图1.3红外热像仪检测的手9/16/20245第一章第一章 引言引言n2数字图像n即指在位置坐标x，y和亮度nfx，y上都已离散化了的图像。n3数字图像处理的含义n数字图像处理始于二十世纪六十年代，其含义就是用数字电子计算机对图像进行加工处理，以得到某些预期的效果或从图像中提取有用的信息。9/16/20246第一章第一章 引言引言n数字图像处理的特点数字图像处理的特点n1 1具有数字信号处理技术共有的特点。如：具有数字信号处理技术共有的特点。如：n1 1处理精度高处理精度高n2 2重现性能好重现性能好n3 3灵活性高灵活性高n2 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。觉的预处理结果。n3 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，也可以是不可见的波谱图像、超声波图像或红外们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像、超声波图像或红外图像。图像。9/16/20247第一章第一章 引言引言n4数字图像处理技术综合性强。n5数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些缺乏之处，如:n1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。n2数字图像信号占用的频带较宽。n3处理费时。9/16/20248第一章第一章 引言引言n数字图像处理技术有：n1)图像信号数字化和图像变换n2)图像的增强和复原n3)图像的编码n4)图像的分割与表示n5)图像的识别和理解9/16/20249第一章第一章 引言引言 n4数字图像处理系统的构成:大容量存储器数字计算机输出设备操作台输入设备9/16/202410图1.4 数字图像处理系统结构图9/16/202411第一章第一章 引言引言 n图像处理软件n图1.5 图像处理软件n 系统的层次结构9/16/202412第一章第一章 引言引言 n5数字图像处理的应用n始于六十年代中期，四十多年来，大容量、高速计算机物质根底，空间遥感技术推动力推动了数字图像处理技术的蓬勃开展。n其主要应用领域有：n1空间遥感技术n 2 生 物 医 学 CT ComputedTomographyn3数字图像通信n4工业监视和计算机视觉n5文化艺术9/16/202413第一章第一章 引言引言 (a) (a)原始细胞图像原始细胞图像 (b) (b)增强后的细胞图像增强后的细胞图像 n 细胞图像增强实例细胞图像增强实例9/16/202414第一章第一章 引言引言 图图a a 原始合成图像原始合成图像 图图b b 分类结果分类结果 遥感图像自动分类遥感图像自动分类9/16/202415第一章第一章 引言引言 车牌识别9/16/202416第一章第一章 引言引言 n总之，数字图像处理技术开展迅速，应用广泛，前景美好。国防科技大学王绍霖教授在其所著的?数字图像处理?一书中曾给出这样的评价“数字图像处理是一新兴学科，从它的应用，可以看出它的新颖、广泛和复杂性，它是各门学科的综合，是当今高科技领域里的一朵鲜花。9/16/202417第一章第一章 引言引言 n6本课程要求具备n线性代数矢量及矩阵运算n数字信号处理付氏变换等知识n微机原理n软件技术根底等。9/16/202418 教材内容简介教材内容简介n“十十一一五五国国家家级级规规划划教教材材n电电气气与与电电子子信信息息类类规规划划教教材材n强强调调现现代代数数字字图图像像处处理理理理论与应用的紧密结合。论与应用的紧密结合。n在在阐阐述述根根本本原原理理的的根根底底上上，力力图图通通过过习习题题、实实验验和和计计算算机机软软件件工工具具实实现现图图像像处处理的根本方法。理的根本方法。n课程信箱：课程信箱：n友情提醒：友情提醒：n本课件仅供选课同学参考。本课件仅供选课同学参考。9/16/202419全书共分全书共分1010章章n.概述n数字图像的开展简史、根本的图像处理系统n2.图像数字化与显示n3. 图像变换n4. 图像增强n5. 图像编码与压缩n6. 图像复原n7. 图像分割8. 彩色图像处理9. 数学形态学及其应用10. 数字图像处理的应用图像处理软件、图像的数字水印、图像分析系统、图像数据库与基于内容的检索、图像存档与通信系统等内容。9/16/202420第一章第一章 引言引言 n7参考书目n1)期刊nComputerVision，GraphicsandImageProcessingnPatternRecognitionn图像识别与自动化n2书籍n王绍霖著?数字图像处理?国防科技大学出版社，1996年n陈廷标等?数字图像处理?人民邮电出版社，1990年n赵荣椿等?数字图像处理导论?西北工业大学出版社，1995年n美KennethR.Castleman著，朱志刚等译n?数字图像处理?电子工业出版社2002年2月9/16/202421教学要求教学要求n1.完成思考题n2.完成局部数字图像处理实验n3.阅读有关参考文献n4.能解决实际图像处理问题9/16/202422第一章第一章 引言引言 n说明：n选修课意在启迪思维，开阔视野，拓宽同学们的知识面，所以仅靠课堂教学是不够的，希望大家课后多阅读有关资料，上机实习，从而对数字图像处理有一个深入的了解。9/16/202423图像工程示意图图像工程示意图 n9/16/202424图像分析功能模块图像分析功能模块 n9/16/202425第二章第二章 图像信号数字化图像信号数字化 n就人类的视觉系统而言，人眼中的图像形成及对亮度适应和鉴别的能力说明，图像Image一词与光强度函数fx，y，t，有关。nx，y点处的fx，y，t，的幅值即为该点图像的光强度亮度。在单色图中，通常称之为灰度。nxyt横纵时间波长感光胶片9/16/20242621图像模型图像模型 n光是能量的一种形式，故有：n0fx，yn在我们每天的视觉活动中所感受到的图像一般都是由物体的反射光所构成，因此，fx，y可看成是由两个分量组成，即：nfx，y=ix，yrx，yn其中：0ix，yfm时,F(f)0其中fm为f(t)的最高频率分量n保证内插函数形式有限n2)采样周期T1/(2fm)防止交叠误差n只有这样，fs(t)的频谱函数Fs(f)便是F(f)的周期复制品仅差一常数，因而它包含了f(t)的全部信息。9/16/20244523 图像的采样和量化图像的采样和量化n采样定理：n一个连续函数f(t)，当其频谱有限及采样周期T1/2fm，那么f(t)唯一地由其在均匀间隔上的采样值f(nt)所决定。nn为了对采样值进行量化，尚需保持。n保持有全保持和局部保持之分。P20Fig2-7采样保持f(t)f1(t)f0(t)9/16/20244623 图像的采样和量化图像的采样和量化 n3.量化与编码n采样使图像信号在空间位置上离散化，而量化那么使其在幅值上离散化。n所谓量化电平，就是用有限个离散电平来表示实际连续电平，这些离散电平称为量化电平。n有公式：n当时，.n式中:K=0,1,2,3,m；:量化电平9/16/20244723 图像的采样和量化图像的采样和量化nna连续图像b数字化结果n图2.1图像的数字化过程9/16/20244823 图像的采样和量化图像的采样和量化nc像素d灰度级n图2.2图像的数字化过程9/16/20244923 图像的采样和量化图像的采样和量化 9/16/20245023 图像的采样和量化图像的采样和量化 9/16/202451图像量化实例图像量化实例 (a) 256 (a) 256级灰度图象级灰度图象 (b) (b) 子图子图 (c) (c) 子图对应的量化数据子图对应的量化数据9/16/20245223 图像的采样和量化图像的采样和量化 n至此,数字化三步曲已告结束.反观之,采样点数和灰度级数为多少方好?n灰度级固定:采样点:多少,棋盘效应.n采样点固定:灰度级:粗细,虚假轮廓.n经验数据:用于小型图像处理系统处理和显示:512x512,128或256x256,649/16/20245324 非均匀采样和量化非均匀采样和量化 n采样：背景少采，细节多采，但必须指明非均匀采样区域之边界，不适宜于细节过多的图像。换言之，在灰度级变化锋利的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样。n量化：灰度级急剧变化，不必分的过细，余下的可用于灰度级变化平稳的区域。n锥形量化：在整个灰度级范围内，某个范围的灰度级频繁出现，而另外一些灰度级出现较少，那么将这个范围内的灰度级量化较细，而把其它范围内的灰度级量化较粗。9/16/20245424 非均匀采样和量化非均匀采样和量化9/16/20245524 非均匀采样和量化非均匀采样和量化9/16/202456图像的采样与数字图像的质量9/16/202457图像的采样与数字图像的质量9/16/202458图像的采样与数字图像的质量 133x90 66x45 33x22265x1809/16/202459图像的量化与数字图像的质量 16灰度级8灰度级4灰度级 256灰度级9/16/202460图像的质量：1、层次n灰度级：表示像素明暗程度的整数量n例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像n层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量n例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次n图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好9/16/202461图像的质量：1、层次n n256个层次的图像n64个层次的图像n1616个层次的图像9/16/202462图像的质量：2、比照度n比照度：是指一幅图像中灰度反差的大小n比照度= 最大亮度/ 最小亮度9/16/202463图像的质量：3、清晰度n与清晰度相关的主要因素n 亮度n 比照度n 尺寸大小n 细微层次n 颜色饱和度9/16/202464影响清晰度因素1、亮度n原图降低亮度9/16/202465影响清晰度因素2、比照度n原图降低比照度9/16/202466影响清晰度因素3、尺寸大小n原图缩小尺寸9/16/202467影响清晰度因素4、细微层次n原图减少细微层次9/16/202468影响清晰度因素5、颜色饱和度n原图降低颜色饱和度9/16/202469