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数字图像处理综述第1页，共69页，编辑于2022年，星期六第一章绪论第二章图像处理与MATLAB第三章图像显示第四章点处理第五章邻域处理第六章图像几何变换第七章傅里叶变换第八章图像恢复第九章图像分割第十章数学形态学第十一章图像拓补学第十二章锐化和边界第十三章彩色图像处理第十四章图像压缩编码第2页，共69页，编辑于2022年，星期六1.1图像和图片1.2什么是图像处理1.3图像的采集与抽样1.4图像和数字图像1.5图像处理的一些应用1.6图像处理概述1.7图像处理的过程1.8数字图像的种类1.9数字图像的大小1.10图像感知第一章 绪论第3页，共69页，编辑于2022年，星期六1.1图像和图片1、基本概念、基本概念 （1）图：是物体反射或者透射电磁波的分布。）图：是物体反射或者透射电磁波的分布。（2）像：是人的视觉系统对接收的图信息在大脑中形成的印象。）像：是人的视觉系统对接收的图信息在大脑中形成的印象。（3）图像：是）图像：是“图图”和和“像像”的结合。具体来说，就是用各种观测系统以的结合。具体来说，就是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的、可以直接或间接作用于人的视觉系不同形式和手段观测客观世界而获得的、可以直接或间接作用于人的视觉系统而产生的视知觉实体。统而产生的视知觉实体。（4）图像处理：是对图像信息进行加工以满足人的视觉或应用需求的行为。）图像处理：是对图像信息进行加工以满足人的视觉或应用需求的行为。（5）数字图像处理，就是利用计算机技术或其他数字技术，对图像信息）数字图像处理，就是利用计算机技术或其他数字技术，对图像信息进行某些数学运算和各种加工处理，以改善图像的视觉效果和提高图像进行某些数学运算和各种加工处理，以改善图像的视觉效果和提高图像实用性的技术。实用性的技术。第4页，共69页，编辑于2022年，星期六图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。据统计，在人类接受的信息中，图像等视觉信息所占的比重达到75%。数字图像处理技术已经成为信息科学、计算机科学、工程科学、地球科学等诸多方面的学者研究图像的有效工具。第5页，共69页，编辑于2022年，星期六图像处理图像处理主要有如下三方面的目的：（1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。如去除图像中的噪声，增强边缘，去除运动模糊，改变图像的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几何变换等，从而改善图像的质量，以达到或真实的、或清晰的、或色彩丰富的、或意想不到的艺术效果。（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析，这些特征包括很多方面，如频域特性、灰度颜色特性、边界区域特性、纹理特性、形状拓扑特性以及关系结构等。还可以对图像去细节化处理（3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。图像的输出与显示照相、激光拷贝、喷墨打印、CRT显示器、液晶显示等1.2什么是图像处理第6页，共69页，编辑于2022年，星期六人从物体感受的颜色由物体反射光决定人从物体感受的颜色由物体反射光决定 若所有反射的可见光波长均衡，则物体显示白色若所有反射的可见光波长均衡，则物体显示白色 有有颜颜色色的的物物体体是是因因为为吸吸收收了了其其他他波波长长的的大大部部分分能能量量，从从而而反反射射某某段段波波长长范围的光。范围的光。没没有有颜颜色色的的光光叫叫单单色色光光，灰灰度度级级通通常常用用来来描描述述单单色色光光的的强强度度，其其范范围从黑到灰，最后到白。围从黑到灰，最后到白。在在原原理理上上，如如果果可可以以开开发发出出一一种种传传感感器器，能能够够检检测测由由一一种种电电磁磁波波谱谱发发射射的的能量，就可以在那一段波长上对感兴趣的物体成像。能量，就可以在那一段波长上对感兴趣的物体成像。成像原理1.3图像的采集与抽样第7页，共69页，编辑于2022年，星期六一、图像获取1.利用可见光成像：如利用CCD照相机，或CMOS集成块，或使用平板扫描仪等等。2.利用其他电磁波成像，如Gamma射线 等 根据信息源分类根据信息源分类 （电磁波谱）（电磁波谱）根据光子能量排布的电磁波谱根据光子能量排布的电磁波谱第8页，共69页，编辑于2022年，星期六CCD传感器传感器 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charged Coupled Device），感应可见），感应可见光的光强光的光强 扫描仪的图像数字化过程原理图 CMOS传感器 互补性金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）第9页，共69页，编辑于2022年，星期六GammaGamma射线射线 (a)(a)骨骼扫描骨骼扫描(b)(b)PETPET图像图像(c)(c)天鹅星座环天鹅星座环(d)(d)来自反应器电子来自反应器电子管的伽马辐射管的伽马辐射第10页，共69页，编辑于2022年，星期六X X射线射线 （a a）胸部）胸部X X射线图像射线图像（b b）主动脉造影图像）主动脉造影图像（c c）头部）头部CTCT（d d）电路板）电路板（e e）天鹅星座环）天鹅星座环第11页，共69页，编辑于2022年，星期六紫外线成像紫外线成像 (1)(1)普通谷物普通谷物(2)(2)被真菌感染的谷物被真菌感染的谷物(3)(3)天鹅星座环天鹅星座环第12页，共69页，编辑于2022年，星期六可见光与红外波段成像可见光与红外波段成像 第13页，共69页，编辑于2022年，星期六可见光与红外波段成像可见光与红外波段成像 利用可见光显微镜获取的图像利用可见光显微镜获取的图像(1)(1)紫杉酚紫杉酚 250250倍倍(2)(2)胆固醇胆固醇 4040倍倍(3)(3)微处理器微处理器 6060倍倍(4)(4)镍氢化物薄片镍氢化物薄片 600600倍倍（5 5）音频）音频CDCD的表面的表面 17501750倍倍(6)(6)有机超导有机超导 450450倍倍第14页，共69页，编辑于2022年，星期六可见光与红外波段成像（遥感图像）可见光与红外波段成像（遥感图像）华盛顿地区的卫星图像华盛顿地区的卫星图像第15页，共69页，编辑于2022年，星期六可见光与红外波段成像可见光与红外波段成像 第16页，共69页，编辑于2022年，星期六可见光与红可见光与红 外波段成像外波段成像 利用图像处理技术检测产品利用图像处理技术检测产品(a)(a)电路板电路板(b)(b)封装的丸剂封装的丸剂(c)(c)瓶子瓶子(d)(d)清洁塑料上的气泡清洁塑料上的气泡(e)谷物谷物(f)目镜掺杂物图像目镜掺杂物图像 第17页，共69页，编辑于2022年，星期六可见光与红可见光与红 外波段成像外波段成像 (a)(a)指纹指纹(b)(b)纸币纸币(c)(c)（d d）自动读取牌照）自动读取牌照第18页，共69页，编辑于2022年，星期六微微波波段段成成像像 （雷雷达达）不不受受气气候候、光光照照条条件件影影响响，可可以以穿穿透透云云层层，通通过过植植被被、冰冰层层和极干燥地区和极干燥地区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第19页，共69页，编辑于2022年，星期六无线电波成像无线电波成像 (a)(a)膝盖膝盖 (b)(b)脊椎脊椎磁共振成像磁共振成像(MRI)(MRI)第20页，共69页，编辑于2022年，星期六其他图像成像方式其他图像成像方式 声波成像声波成像 地震模型横截面图像地震模型横截面图像第21页，共69页，编辑于2022年，星期六其他图像成像方式其他图像成像方式 超声波成像超声波成像 (a)(a)胎儿胎儿 (b)(b)胎儿另一侧胎儿另一侧 (c)(c)甲状腺甲状腺 (d)(d)肌肉层有损害肌肉层有损害 第22页，共69页，编辑于2022年，星期六二、图像采样按图像空间坐标和明暗程度的连续性可分为模拟图像和数字图像。按图像空间坐标和明暗程度的连续性可分为模拟图像和数字图像。模拟图像指空间坐标和明暗程度都是连续变化的、计模拟图像指空间坐标和明暗程度都是连续变化的、计 算机无法直接处理的图像。算机无法直接处理的图像。数字图像是一种空间坐标和灰度均不连续的、数字图像是一种空间坐标和灰度均不连续的、用离散的数字表示的图像。这样的图像才能被计算机处理。用离散的数字表示的图像。这样的图像才能被计算机处理。第23页，共69页，编辑于2022年，星期六 采样采样 图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点。由于图像是一种二维分布的信息，为了对它进行采样操作，需要先将二维信号变为一维信号，再对一维信号完成采样。具体做法是，先沿垂直方向按一定间隔从上到下顺序地沿水平方向直线扫描，取出各水平线上灰度值的一维扫描。而后再对一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号，即先沿垂直方向采样，再沿水平方向采样这两个步骤完成采样操作。对于运动图像（即时间域上的连续图像），需先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水平方向采样由这三个步骤完成。第24页，共69页，编辑于2022年，星期六 对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为M个，每列（即纵向）像素为N个，则图像大小为MN个像素。在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题，它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般，图像中细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样定理，若一维信号g(t)的最大频率为，以T1/2为间隔进行采样，则能够根据采样结果g(iT)(i=,-1,0,1，)完全恢复g(t)，即 式中 第25页，共69页，编辑于2022年，星期六图2-2 采样示意图 第26页，共69页，编辑于2022年，星期六 采样间隔大小的选取要根据原图象中包含何种程度的细微浓淡变化来确定。一般,图象中细节越多，说明其中包含的高频成分越多，则采样间隔应越小。第27页，共69页，编辑于2022年，星期六量化量化 模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。图a说明了量化过程。若连续灰度值用z来表示，对于满足zizzi+1的z值，都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。一般，像素值量化后用一个字节8 bit来表示。如图b 所示，把由黑灰白的连续变化的灰度值，量化为0255共256级灰度值，灰度值的范围为0255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。第28页，共69页，编辑于2022年，星期六量化示意图（a）量化；(b)量化为8 bit 第29页，共69页，编辑于2022年，星期六 连续灰度值量化为灰度级的方法有两种，一种是等间隔量化，另一种是非等间隔量化。等间隔量化就是简单地把采样值的灰度范围等间隔地分割并进行量化。对于像素灰度值在黑白范围较均匀分布的图像，这种量化方法可以得到较小的量化误差。该方法也称为均匀量化或线性量化。非均匀量化是依据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量化误差最小的原则来进行量化。具体做法是对图像中像素灰度值频繁出现的灰度值范围，量化间隔取小一些，而对那些像素灰度值极少出现的范围，则量化间隔取大一些。第30页，共69页，编辑于2022年，星期六均匀量化效果示意图第31页，共69页，编辑于2022年，星期六非均匀量化效果示意图第32页，共69页，编辑于2022年，星期六注意：由于图像灰度值的概率分布密度函数因图像不同而异，所以不可能找到一个适用于各种不同图像的最佳非等间隔量化方案。因此，实用上一般都采用等间隔量化。第33页，共69页，编辑于2022年，星期六三、三、采样与量化参数的选择采样与量化参数的选择 一幅图像在采样时，行、列的采样点与量化时每个像素量化的级数，既影响数字图像的质量，也影响到该数字图像数据量的大小。假定图像取MN个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为Q，一般Q总是取为2的整数幂，即Q=2k,则存储一幅数字图像所需的二进制位数b为 字节数B为 第34页，共69页，编辑于2022年，星期六 对一幅图像，当量化级数Q一定时，采样点数MN对图像质量有着显著的影响。如下图所示，采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。当人眼每度视角内象素超过20对后，已无法察觉数字图象与连续图象的差别。每度视角内象素点对越少则图象上的块状效应越明显。第35页，共69页，编辑于2022年，星期六图不同采样点数对图像质量的影响（a）原始图像(512512)；（b）采样图像1(256256)；（c）采样图像2(128128)；（d）采样图像3(6464)；（e）采样图像4(3232)；（f）采样图像5(1616)第36页，共69页，编辑于2022年，星期六同理，当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。如下图所示，量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像出现假轮廓。对人眼来说,量化级别大于32时就能得到满意的视觉效果。第37页，共69页，编辑于2022年，星期六图2-5 不同量化级别对图像质量的影响（a）原始图像(256阶)；（b）量化图像1(64阶)；（c）量化图像2(32阶)；（d）量化图像3(16阶)；（e）量化图像4(4阶)；（f）量化图像5(2阶)第38页，共69页，编辑于2022年，星期六低bit量化的伪轮廓现象示意图第39页，共69页，编辑于2022年，星期六 一般，当限定数字图像的大小时,为了得到质量较好的图像可采用如下原则：（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓。（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊（混叠）。对于彩色图像，是按照颜色成分红（R）、绿（G）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8 bit量化，即每种颜色量级别是256，则可以处理256256256=16 777 216种颜色。第40页，共69页，编辑于2022年，星期六若干常用的MN值 汉字汉字:16*16到256*256象素取决于字的大小 显微镜图象:256*256或512*512象素 电视图象:500700*480象素。卫星图象:3240*2340象素。SAR(合成孔雷达)：8000*8000象素。CRT显示器:640*4802048*2048象素第41页，共69页，编辑于2022年，星期六1.4图像和数字图像模拟图像指空间坐标和明暗程度都是连续变化的图像模拟图像指空间坐标和明暗程度都是连续变化的图像数字图像是一种空间坐标和灰度均不连续的、用离散的数字表示的图像。数字图像是一种空间坐标和灰度均不连续的、用离散的数字表示的图像。模拟图像见P9图1.13，坐标与自然坐标相符，任意位置处的灰度为01之间的一个值。第42页，共69页，编辑于2022年，星期六数字图像的表示数字图像的表示 表示数字图像所用坐标的约定，用矩阵坐标描述，为了编程方便。表示数字图像所用坐标的约定，用矩阵坐标描述，为了编程方便。M,NM,N必须为正数，灰度必须为正数，灰度 级取值为级取值为2 2的整数次幂的整数次幂 L=2L=2k k,为为k k位图像位图像 图像存储量图像存储量 b=M*N*k b=M*N*k 第43页，共69页，编辑于2022年，星期六数字图像第44页，共69页，编辑于2022年，星期六1.5图像处理的一些应用1.生物医学生物医学 利用电磁波谱成像分析系统诊断病情。如显微镜图像分析，DNA成像分析等；第45页，共69页，编辑于2022年，星期六CT及核磁共振、超声波、X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，提供诊断依据。第46页，共69页，编辑于2022年，星期六2.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。第47页，共69页，编辑于2022年，星期六3.工业生产工业生产 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），工业机器人视觉等。4.军事军事 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。第48页，共69页，编辑于2022年，星期六5.通信通信 图像传真，可视电话，卫星通讯，数字电视等。第49页，共69页，编辑于2022年，星期六6.公安公安指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。第50页，共69页，编辑于2022年，星期六7.气象预报气象预报 获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号 风云2号第51页，共69页，编辑于2022年，星期六8、高能物理高能物理 核子泡室图片分析。9、考古考古 恢复珍贵的文物图片、名画、壁画。第52页，共69页，编辑于2022年，星期六1.6图像处理概述1.图像增强：图像增强的目的是为了改善画质，使图像的显示效果更加清晰。比如 锐化和去模糊处理 提亮边界 增加对比度或亮度 去噪第53页，共69页，编辑于2022年，星期六散焦模糊图像的清晰化第54页，共69页，编辑于2022年，星期六大雾天气下的景物清晰化第55页，共69页，编辑于2022年，星期六突出边界第56页，共69页，编辑于2022年，星期六低照度下图片加亮第57页，共69页，编辑于2022年，星期六图像消噪第58页，共69页，编辑于2022年，星期六2.图像重建：图像重建是指从数据到图像的处理，即输入的是某种数据，而经过处理后得到的结果是图像，图象重建最典型的应用是医学上的计算断层摄影技术（CT）。把退化、模糊了的图像复原.包括图像辐射和几何校正等内容；由断层扫描重建二、三维图像。第59页，共69页，编辑于2022年，星期六3.图像分割：图像分割是指通过某种方法，使得画面场景被分为“目标物”及“非目标物”两类,即将图像的像素变换为黑、白两种。第60页，共69页，编辑于2022年，星期六1.7图像处理任务基本步骤1、图像获取2、预处理3、分割4、表示和描述5、识别和理解第61页，共69页，编辑于2022年，星期六1.8数字图像的类型1.二值图像2.灰度图像3.真彩色或RGB图像4.索引图像二值图像黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为值图像。2值图像的像素值为0、1。第62页，共69页，编辑于2022年，星期六灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。第63页，共69页，编辑于2022年，星期六彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RGB是由不同的灰度级来描述的。彩色图像不能用一个矩阵来描述了，一般是用三个矩阵同时来描述。第64页，共69页，编辑于2022年，星期六索引模式和灰度模式比较类似，它的每个象素点也可以有256种颜色容量，但它可以负载彩色。索引模式的图像最多只能有256种颜色。当图像转换成索引模式时，系统会自动根据图像上的颜色归纳出能代表大多数的256种颜色，就象一张颜色表，然后用这256种来代替整个图像上所有的颜色信息。索引的图像只支持一个图层，并且只有一个索引彩色通道。索引模式的图像就像是一块块由彩色的小瓷砖所拼成的，由于它最多只能有256种彩色，所以它所形成的文件相对其它彩色要小得多。索引模式的另一个好处是它所形成的每一个颜色都有其独立的索引标识。调色板通常与索引图像存储在一起，装载图像时，调色板将和图像一同自动装载。具体例子见P14-1.19第65页，共69页，编辑于2022年，星期六1.9数字图像的大小图像类型存储容量（字节）二值图像5125121/8=0.033M灰度图像5125121=0.262M彩色图像5125123=0.786M512*512图像第66页，共69页，编辑于2022年，星期六一些人眼的视觉特性引起的错觉，说明人眼感觉亮度并不是简单的强度函数例例1:马赫带马赫带 1.10人眼的视觉特点第67页，共69页，编辑于2022年，星期六例例2:背景变亮背景变亮,相同强度的方块变暗相同强度的方块变暗 第68页，共69页，编辑于2022年，星期六视觉错觉视觉错觉 第69页，共69页，编辑于2022年，星期六