１数据库技术导论.pdf

数字图像处理数字图像处理 第一章 绪论 讲解内容 1.课程性质、教学计划和要求简介； 2. 数字图像处理的基本概念、主要内容、系统 组成、特点及其应用 目的 1. 要求学生了解数字图像处理的主要内容及相关 知识，熟悉数字图像处理与其他学科的关系； 2.重点掌握数字图像处理的基本概念、系统组成、 特点及应用。 第一章 绪 论 1.1 1.1 何谓数字图像处理何谓数字图像处理 1.1.1 图像的概念图像的概念 图像是对客观存在的物体的一种相似性的、生动的图像是对客观存在的物体的一种相似性的、生动的 写真或描述。写真或描述。 1.1.2 图像的类别图像的类别 物物 体体 图像图像 数学数学 函数函数 不可见的不可见的 物理图像物理图像 可见的图像可见的图像 投投 影影 照片、照片、 图与画图与画 可见光成像和不可见光成像可见光成像和不可见光成像 400nm 700nm 紫外光红外光 546.1nm 435.8nm 780nm 单波段、多波段和超波段图像单波段、多波段和超波段图像 伽马射线成像伽马射线成像 核医学核医学： a)同位素注射:骨骼扫 描图像 b)“正电子放射” (PET)核成像: 脑部和 肺部各有一个肿瘤 天文观测天文观测: c)物体自然辐射伽马射 线成像: :天鹅星座环 核工业: d)核反应器电子管辐射 图像. 主要用途包括核 医学和天文观测等。 X X射线成像射线成像 A A）病人胸部图像）病人胸部图像 B B）血管照相术）血管照相术 C C）计算机断层成像术）计算机断层成像术 D D）电路板的）电路板的X X射线图像射线图像 E E）天鹅星座环）天鹅星座环 医学诊断、工业医学诊断、工业 和其他领域。和其他领域。 紫外波段成像紫外波段成像 荧光显微镜方法荧光显微镜方法: a)普通谷物的荧光 显微镜图像; b)被一种真菌感染 了的谷物. 天文观测天文观测: : c)在紫外波段高能区成 像的天鹅星座环。 紫外光的应用包括 平板印刷技术、工业 检测、生物监测以及 天文观测等. 如陆地卫星Landsat 多光谱图像。 成像地区是华盛顿， 包括建筑物、道路、植被 和通过城市的主要河流等。 可见光及红外波段成像可见光及红外波段成像 微波波段成像微波波段成像 典型应用是雷达： 成像雷达的独特 处是在任何范围、全 天时、全天候、的采 集数据能力。雷达波 可以穿透云层，在一 定条件下还可以通过 植被、冰层和极干燥 的沙漠。在许多情况 下，雷达是探测地球 表面不可接近地区的 一种方法。 图图1.16 1.16 西藏东南山区航天器拍摄的雷达图像西藏东南山区航天器拍摄的雷达图像 无线电波成像无线电波成像 主要应用在医学和天文学。 医学： 磁共振成像(MRl) a)膝盖图像； b)颈部图像； 天文学： 蟹状脉冲星图像。 其他成像模式其他成像模式 超声波成像、电子显微镜方法和合成成像。 利用“声波”的成像在地质勘探、工业和医学中得到了 应用。 地震模型横截面图像 确定胎儿的性别 透射(发射)电子显微镜(TEM) 彩色与非彩色图像彩色与非彩色图像 光与色光与色 三种典型地物的波谱反射特性三种典型地物的波谱反射特性 消色体与有色体消色体与有色体 模拟图像和数字图像模拟图像和数字图像 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。 其特点：光照位置和光照强度均为连续变化的其特点：光照位置和光照强度均为连续变化的。 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 像素或像元的属性：空间位置和灰度。像素或像元的属性：空间位置和灰度。 ),(yxFI 1, 11 , 10 , 1 1, 11 , 10 , 1 1, 01 , 00 , 0 , NMMM N N iii iii iii nmII 1.1.3 图像处理的概念 图像处理图像处理 模拟图像处理模拟图像处理 数字图像处理数字图像处理 1.2数字图像处理学的内容和与其它相关学科的关系数字图像处理学的内容和与其它相关学科的关系 1.2.1 图像处理的内容 它是研究图像的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综它是研究图像的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综 合利用的一门崭新学科。合利用的一门崭新学科。 根据抽象程度不同可分为三个层次：狭义图像处理、图像分根据抽象程度不同可分为三个层次：狭义图像处理、图像分 析和图像理解。如图析和图像理解。如图1.2.1所示。所示。 具体而言，数字图像处理的内容包括： 图像的数字化图像的数字化 图像变换图像变换 图像变换目的在于：处理问题简化、有利于特征图像变换目的在于：处理问题简化、有利于特征 提取、加强对图像信息的理解。提取、加强对图像信息的理解。 图像变换算法很多，重点学习傅立叶变换图像变换算法很多，重点学习傅立叶变换的算法、的算法、 性质和应用。性质和应用。 如何由一幅模拟图如何由一幅模拟图 像获取一幅满足需求的像获取一幅满足需求的 数字图像，使图像便于数字图像，使图像便于 计算机处理、分析。计算机处理、分析。 图像增强图像增强 图像的恢复与重建图像的恢复与重建 介绍各种增强方介绍各种增强方 法及其应用。增强图法及其应用。增强图 像的有用信息，消弱像的有用信息，消弱 噪声的干扰。噪声的干扰。 把退化、模糊了的图像复原把退化、模糊了的图像复原.包包 括图像辐射校正和几何校正等内容。括图像辐射校正和几何校正等内容。 由断层扫描重建二、三维图像。由断层扫描重建二、三维图像。 图像编码图像编码 简化图像的表示，压缩图像的数据，便于存储和传输。简化图像的表示，压缩图像的数据，便于存储和传输。 256K21k 图像分割图像分割 图像分割是指将一幅图像划分为互不重叠的区域的处理。图像分割是指将一幅图像划分为互不重叠的区域的处理。 重点介绍图像分割的方法及其应用。重点介绍图像分割的方法及其应用。 二值图像处理与形状分析二值图像处理与形状分析 介绍二值图像的几何概念、二值图像连接成分的各种介绍二值图像的几何概念、二值图像连接成分的各种 变形算法和二值图像特征提取与分析的各种方法。变形算法和二值图像特征提取与分析的各种方法。 检测或去掉小成分 骨架提取边界提取 纹理分析纹理分析 主要介绍影像纹理的概念、特征提取与分析的一些方主要介绍影像纹理的概念、特征提取与分析的一些方 法与应用。法与应用。 图像识别图像识别 对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。 1.2.2 与相关学科的关系 它与模式识别、计算机图形学、计算机视觉等学它与模式识别、计算机图形学、计算机视觉等学 科既相互联系又相互区别。科既相互联系又相互区别。 1.3 1.3 数字图像处理系统概述数字图像处理系统概述 数字图像处理系统由硬件和软件组成。数字图像处理系统由硬件和软件组成。 采集采集 显示显示 存储存储 通信通信 主机主机 图像处理软件图像处理软件 获取数字图像的设备即采集装置获取数字图像的设备即采集装置。 扫描仪扫描仪 数码照相机数码照相机 数码摄像机数码摄像机 1.3.1 图像采集模块图像采集模块 采集装置都包括下面两个部件：采集装置都包括下面两个部件： 光敏感器件光敏感器件 模模/数转换装置数转换装置 1.3.2 图像显示模块图像显示模块 图像显示的主要形式：图像显示的主要形式： 软拷贝形式软拷贝形式 硬拷贝形式硬拷贝形式 常用硬盘、软盘、常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等盘、活动硬盘、光盘、磁带等 在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、 光光 盘塔等存储设备盘塔等存储设备。 1.3.3图像存储模块图像存储模块 1.3.4 图像通信模块图像通信模块 图像通信就是把图像传送到远方终端。图像通信就是把图像传送到远方终端。 按传输图像种类分为按传输图像种类分为 静止图像通信，如电报、传真和图文电视等静止图像通信，如电报、传真和图文电视等 活动图像通信，如电视、可视电话等。活动图像通信，如电视、可视电话等。 1.3.51.3.5主机主机 以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像 处理系统处理系统 采用大型机采用大型机 1.3.6 1.3.6 图像处理软件图像处理软件 由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。 Photoshop是美國Adobe公司的王牌产品，它在图形 图像处理领域拥有毋庸置疑的权威。在图像处理、修 饰和绘画时，具有非常强大的功能。无论是平面广告 设计、室内装潢，还是处理个人照片，Photoshop都已 经成为不可或缺的工具。随着近年来个人电脑的普及， 使用Photoshop的家庭用户也多了起来。 另外还有Adobe Illustrator、Fireworks以及动态图片 处理软件Ulead GIF Animator等。 1.4.1 数字图像处理的特点数字图像处理的特点 精度高精度高 对于一幅图像而言，数字化时不管是用对于一幅图像而言，数字化时不管是用4比特、比特、8比特还是比特还是 其它比特表示，只需改变计算机中程序的参数，处理方法不变。其它比特表示，只需改变计算机中程序的参数，处理方法不变。 所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能 的。而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必的。而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必 须对装置进行大幅度改进。须对装置进行大幅度改进。 再现性好再现性好 不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。在传送不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。在传送 和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢 失或遭破坏，保持了完好的再现性。而在模拟图像处理过程中，失或遭破坏，保持了完好的再现性。而在模拟图像处理过程中， 就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。 1.4 1.4 数字图像处理的特点数字图像处理的特点、发展与、发展与应用应用 通用性、灵活性强通用性、灵活性强 对对可见图像和不可见光图像（如可见图像和不可见光图像（如X光图像、光图像、 热红外图像和超声波图像等），尽管这些图像热红外图像和超声波图像等），尽管这些图像 生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当 把这些图像数字化后，对于计算机来说，都可把这些图像数字化后，对于计算机来说，都可 同样进行处理，这就是数字处理图像的通用性。同样进行处理，这就是数字处理图像的通用性。 另外另外，改变处理图像的计算机程序，可对，改变处理图像的计算机程序，可对 图像进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、图像进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、 拼接、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运拼接、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运 算等，所以灵活性很高。算等，所以灵活性很高。 1.4.2数字图像处理的应用数字图像处理的应用 数字处理图像在生物医学数字处理图像在生物医学 、遥感、遥感 、工业、工业 、军、军 事、通信、公安等领域有着广泛的应用。事、通信、公安等领域有着广泛的应用。 生物医学：利用电磁波谱成像分析系统诊断病生物医学：利用电磁波谱成像分析系统诊断病 情。如情。如显微镜图像分析，显微镜图像分析，DNADNA成像分析等；成像分析等； CTCT及核磁共振、超声波、及核磁共振、超声波、 X X射线成像分析等。如三维测射线成像分析等。如三维测 量可视化软件系统可对各类医学断层图像进行分析处理，提量可视化软件系统可对各类医学断层图像进行分析处理，提 供诊断依据。供诊断依据。 遥感遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害 监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环 境污染检测等等。 MSS Landsat5 Landsat 7 Ikonos Geo-Eye2 QuickBird Worldview-2 ZS-3卫星(2.1/8)02C星 (5/10,2.4)嫦娥三号卫星 着陆器嫦娥三号月球车 水体减少 水体增加 水体未变化 武汉市东湖新技术开发区变化检测 2013 2012 1998年长江（枝城年长江（枝城-岳阳）洪涝灾害监测岳阳）洪涝灾害监测 工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动工业生产：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），工业机器人研化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研 制等。制等。 军事军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、：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。声纳图像处理，导弹制导，军事仿真等。 在军事方面制作电子沙盘 通信：图像传真，数字电视、网络可视聊天、可通信：图像传真，数字电视、网络可视聊天、可 视电话网页动画等。视电话网页动画等。 独特的独特的Exact Time和和Auto Balance技术技术 语音图像唇形同步语音图像唇形同步 超凡卓越的音频视频表现超凡卓越的音频视频表现 只需350毫秒 Hi Hello 地图符号识别地图符号识别 公安：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、公安：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、 印记鉴别分析等。印记鉴别分析等。 气象预报：获取气象云图进行测绘、判读气象预报：获取气象云图进行测绘、判读等。 风云1号风云2号 1.4.3图像处理技术的进展 从图像处理技术的发展来看 在实时性上实现了实时采集、实时传输、实时显示、实时处理； 在视觉模拟上实现了多目多维处理； 在分辨率上实现了高分辨率显示与处理； 在色彩上实现了无限色； 在硬件处理器结构上实现了多结构和可重结构； 在图像系统结构上实现了以计算机内存为中心和以网络为中心的系统 结构； 在显示方式上实现了单屏图像显示； 在芯片上实现了超大规模集成和可再编程； 在图像压缩上实现了超低码率的压缩； 在数据传输上是实现了Internet网上的图像传输； 在并行处理上实现了多DSP、多CPU、多微机、MMX/SSE的并行处理； 在软件平台上实现了多平台（Windows、Linux等）； 在算法上实现了多领域、多层次、多创新的大发展 目前面临的挑战 超低码率的图像编码技术、癌细胞的识别技术、模糊图像复原技 术、手写体的识别技术、知识的挖掘、图像的浏览、复杂应用的实时 系统技术等等。这些挑战集中在以下3个方面： （1）图像处理的网络化； （2）复杂问题的求解； （3）处理的高速化。 在一个大型项目里，这3方面的挑战往往是交织在一起的，因此包 含有综合技术集成的研究是科研人员面临的新课题，这也正是当前图 像应用急需解决的重要课题。