朱志刚的数字图像讲义1.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流朱志刚的数字图像讲义1.精品文档.0. 数字图象处理Digital Image Processing 1. 图象：Image, picture 图象处理图形：graphics 图形学IPCG分析逆不确定信号处理合成正确定制图不同之处：互逆过程、信号处理、计算机制图相同之处：l 成像机理、几何关系l 显示、输出2. 什么是数字图象？在计算机中的二维阵列（网格）：二维组一个数（Intensity）一个向量（R, G, B）两个基本属性： 几何属性：坐标 物理属性：灰度、亮度I颜色、透射度、深度。基本处理过程和系统 输入（成象、数字化）Camera

2、 Scanner 表示（存贮处理）计算机，Frame Grabber，Disk 输出（转换、传输）Monitor，Printer，特点：数据量大，一幅电视图象，5125128=25KBytes 图象数据量 B/W Image 5125128 bits=256Kbytes200页文字书：1.3MB /一页1300K/200=6.5KB，中文2000字一页书图象：0.13MB /10241024bits 130KB 集体行为：并行处理3. 应用(1) 通讯l 电视会议电视鉴测（压缩）(2) 宇宙探测、遥感l 火星探测l 地形地质、环境监测、气象、军事、安全(3) 生物医学l X ray, CT,

3、MRT, 3D reconstruction（虚拟人体）(4) 自动化l inspection（电路板，各种生产线、铝板）l monitoring（IVHS，ITS，火车号码识别）(5) 军事、公安l 侦察、制导、擎戒（海湾战争）l 安全系统和鉴别系统：入口控制，指纹、人脸、眼纹(6) 文档 人脸合成l OCR(7) 多媒体、视频特技l 阿甘正传（阿甘的腿， 迪）(8) 景物理解与机器人视觉l 军事侦察、危险环境、服务、娱乐、邮政(9) 科学计算可视化（Visualization）l 把计算结果和过程用图象/图形显示，并可处理(10) 虚拟实现（Virtual Reality）l 环境模型、环

4、境重视4. 对图象处理可分为四个层次(1) 图象输入输出（扫描仪、多媒体视频卡、图象板、监视系统）(2) 图象表示、转换（多媒体各种文件格式、几何、亮度、对比度、剪贴）给人看(3) 图象处理、分析（特征提出、图象压缩、几何校正2D3D）给机器看(4) 图象理解、解释（符号表示，3D建模）2D3D5. 课程内容(1) 简介(2)(2) 表示输入输出(4)(3) 图象基本处理（予处理） 点运算：直方图LUT (look up table)（2） 正交变换：Fourier频域，Walsh，小波（4） 领域运算：卷积平滑：滤波（2）边缘提取：梯度、边缘（3+1小结） 几何运算：成象机理2D几何（2）

5、形态运算：形态滤波（4）(4) 图象分析（4）l 特征提取l 图象分割l 图象表示(5) 图象压缩（4）l 基本原理l 几种常用方法（象素、预测、变换）(6) 测验（2）(7) 讲义实验l 数字图象处理基础l 附录：小波、分形l 实验：附录给出几道题，根据具体情况选择、新加l 作业：每章后皆有l 课程安排方式l 讲课：最基本概念l 自学：看讲义或参考文献Testingl 实验：特别重视l 测验l 一个神经网络如何工作？l 人脑人是一个最好的神经网络、表示、输入输出1. 表示(1) 成象几何模型(2) 光学模型(3) 数字图象表示l 基本概念灰度图象：坐标、象素、分辩率、对比度、亮度彩色图象R、

6、G、B二值图象广义图象：float，complex2. 图象获取(1) 摄像机，A/D、同步、Video信号、帧、场、隔行扫描、CCD、方向比。(2) 扫描仪：分辨率dpi，慢速(3) 数字成象：遥感、医学、距离3. 图象表现(1) 显示l 方向比l 分辩率（设备），象素 ，调色板，8位彩色如何实现(2) 打印（自学P24-P32）l 分辩率，空间l 灰度区域上点数l 图案法l 抖动法l 基本方法：混色一、图象表示输入输出1. 图象表示(1) 摄像机成象模型（几何）凸透镜 成象物距 像距 焦距简化（只有光心有光通过图象聚在 平面上），针孔模型：（光学成象）正立（电子扫描）运动摄像机或物体P P

7、皆时间的函数任一点在Spatial-Temporal space中划出一道轨迹，反映于相对运动和点的三位坐标。沿X轴匀速平移微分关于t深度（depth），距离（range）立体视觉（stereo vision），已知时刻p点图象此几何和图象处理什么关系？立体视觉：correspondence problem, matching左右图象对中对应点灰度（颜色）相同运动视觉：long line: matchingshort time: optical flow equationxt image为locus slopea或b在任一时刻其图象皆相同或关于不同时刻点的关系，和图象灰度联系起来在Fourie

8、r变换时还要讲运动轨迹在领域中的特性l 边缘提取l 局部方向l 领域分析(2) 平面图象表示（光学特性）图象I上象素光的强度（Intensity）是位置，时间t和光波的函数。黑白图象（灰度图象gray level image，grayscale image，在时刻t，图象位置上，象素值等于不同光波光强在其上的加权和，其中权值为相对视敏函数，表示传感元对光波入的敏感性，即由光子转为电子的能力。彩色图象。（彩色：白光（全光谱）照射在不同反射特性物体上的反射光，三基色原理，只要测量R，G，B三种波长的反射光即可。where为什么彩色图象可用三种基色表示？几乎任何一种颜色皆可由R，G，B三基色比例相加

9、混合而三基色波长（CIE）b: 435.8nmg: 546.1nmr: 700nm运动图象和静止图象图象内容不随时间变化2D图象图象内容随时间变化，3D ST aube，其中每一幅图象可视为静止图象。广义图象l 不仅可见光，而且不可见光，ray，红外，超声l 不仅是光，而且其它特性：l 激光距离成象，声纳（Sonar）l MRI（Magnetic Resonance image）l 原子核在强磁场下对电磁快的吸收性(3) 数字图象表示灰度图象(grayscale image)单色图象(Monochrome image)l image coordinatel Sampling and Quant

10、izationl pixel and resolution分辩率用来描述数字图象所表示的空间细节的程度（高或低），一般一幅图象。设备无关：象素的个数设备有关，如dpi，pixel/mm lineIntensity & Contract（亮度和对比度）& gray level灰度级：表示1Byte/pixel。256级（灰度级）如何改变亮度和对比度？（灰度级多不一定说亮度高，和人眼观察有关）=( + offset) * scale彩色图象l 真彩色：R，G，B8:8:8=24位真彩色l YUV表示：还可以用Y:U:V=4:2:2或4:1:1（16位或16位彩色8位彩色）l 调色板彩色：或8位彩色

11、索此表示（象素值是LUT or palette的地址）其它：参见P1214摄像机工作原理1. 光谱积分（反射）2. 空间积分聚焦空间一个点成象在多个图象点上，反之一个图象点是空间多个点和3. 时间积分（曝光）2. 图象I/O主要讲Camera和CRT(Cathode Ray Tube)Video Image Capture & Display在讲图象采集、显示时，先讲摄像机工作原理(1) 摄象机工作原理l CCDl Interlacingl explosionl Video信号格式l 格式l 制式(2) Frame GrabberA/D D/A(3) Monitor(CRT)摄像机工作原理+数

12、字图象采集卡工作原理1. 成象与信号采集CCD：电荷耦合器件，可看成间隔很小的MOS电容器、单片阵列构成移位寄存器，通过充电积学电荷。(1) S曝光(2) 垂直回扫期间转移到暗区(3) 加垂直同步、水平同步，一行一行输出（放大）。2. 隔行扫描机制（Interlacing）InterlacingS扫描只有行，垂直线数不多。而625行需S，有内烁Interlacing：S扫描3. 曝光时间：电子快门l 无论如何电荷在一定时间积累，故总有运动模糊l 两场时间差，故大运动量下 影很明显。4. 采样、量化（Frame Grabber，Image Capture）获取：在时序逻辑控制下，产生（或由同步时

13、序）同步信号，并从视频信号中分离出同步信号和图象信号（模拟）又在时序逻辑控制下，将其采样、量化，并写到对应的FB位置。1.Image1.1 Image model & Representation 1.2 Video Image I/O(1) PAL：25帧/秒NTSC：30帧/秒奇数场、偶数场（ 625行， 525行）全电视信号：负极性图象信号(2) Sensors:l Vidicon tube光导管：光强、电阻小、放电快，充电电流大、电位低l CCD：集成芯片代替扫描线圈、充电、移位寄存器（480行离散）(3) 方向比4:3Vidicon 12.79.6mm2CCD 8.86.6mmmon

14、itor: 14”, 21” 4:3(4) 彩色625行6254/3列离散品形三色点，40万个象素3(5) A/D5125128：6M次转换/秒，160ns/pixelD/A秒(6) (7) Frame Grabber (A/D+FB+D/A)(8) LUT1.3图象打印Laser printerInk Jet printer I/O, B/W1. 图案法例5级灰度，可用4个点表示点阵图象5个O/I灰度256级，1616点阵图案256个mask 16168bits标准图案（mask） 2. 抖动法图案法问题：原图gray level image 打印图dots如5126408108in(300

15、02400)若目标图幅面小于该值，出现问题解决办法 将原图分辩率降低，144180 1616 将原图灰度层次减少，每个象素44个点第三种方法P28页第四种方法：灰度步骤1：步骤2：二值化+误差传二值化后，将误差传布到领域末处理的点上从空间效果上看有灰度层次若打星点，周围值亮度增加若打白点，周围值亮度减少彩色图象三个通道1.5 16级灰度打印机，44 patternO/I打印16级灰度打印 最后打印值如灰度1002. Pixels2.1 Pixels as random variables1. 某象素的亮度为随机变量约束均值方差一般：离散：二项分布其中例1 不同时刻多幅图象平均 次拍摄设服从服从

16、高斯分布3. 直方图histogrampd. (probability density) is not know a prioriRather its estimated from measurements如果观察不依赖于象素的位置，则p.d.可用histogram近似表示(1) 定义图象直方图表示一幅图中每种灰度出现的频率L级1/2-化d.p.d c.p.d.f (2) hist + k =0 ; 0 k L-1hist + f(x, y)+t ; 0 x, y N-1, N-1(3) 用途：对一幅图象，简单 hist可得到一些有用信息noise of CCD camera too dark

17、 or too bright2.2 Point Operation 某象素上值的改变只和该象素上的值及其位置有关，和领域无关Camera非线性特性补偿 亮度、对比度的最优化 突出具有某类度特性的象素 平衡传感器的不均匀性1. 各次点运算l Contrast stretching digital negative. Range compression: ，可显示的动态范围增大，但分辩率降低。2. LUT operations512512次只需计算256次3. histogram equalization 在内，单调增加 s, r 1-1对应 满足均衡化 分布函数（图象看成无穷大）离散化公式：动态

18、范围扩大，但量化级数，所以合并直方图规定化直方图直观改变（人工）例1： 先求例2 6464*23bits灰度图象 n=646407900.190.190.19110230.250.440.2528500.210.650.2136560.160.810.2443290.080.8960.2452450.060.950.1161220.030.9870.117810.021.0070.114. Pseudo-Color Operation 5. 非各次点运算l 光照或传感器敏感度不均匀Sensor image ideal image Cl Window operation频域矩阵点乘若每点计算，复

19、杂度大事先做成二维表Dyadic LUT Operation2.3 Dyadic Point Operations (Two Value Function)1. Image ALU Operations +（多图象平均法），*（差影法），/（不均匀），AND（交），OR（并），XOR（比较）。2. Dyadic LUT Operation(Two Value Operation)如L=256，则DLUT 256*256=64K Bytes例如： 求ALU可用 任何二元函数 2.4 Pixel Classification象素分类（例：彩色道路分割）1. S-I算法（相对阈值）H. S. I R道路：I大 S小 N非道路I小S大S-I2. RGB：算法（绝对标准） 阴影偏兰色，故对阴影区，B大，R，G值小(1) 阴影特性：