第2章数字图像处理的数学基础及精选文档.ppt
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1、第第2 2章数字图像处理的数学基础及章数字图像处理的数学基础及本讲稿第一页,共七十页2.1 2.1 线性系统线性系统 2.1.1 线性系统分析线性系统分析2.1.2 移不变系统分析移不变系统分析 本讲稿第二页,共七十页2.1.1 线性系统分析线性系统分析 任何一个实际系统,当给定一个输入信号任何一个实际系统,当给定一个输入信号u u(t t),则产生相应的输出信号,则产生相应的输出信号y y(t t),系统的输入,系统的输入信号与输出信号之间实质上是一种数学运算,可信号与输出信号之间实质上是一种数学运算,可以采用如图以采用如图2-12-1所示的模型表示。所示的模型表示。图图图图2-1 2-1
2、应应应应用系用系用系用系统统统统模型模型模型模型本讲稿第三页,共七十页本讲稿第四页,共七十页2.1.2 移不变系统分析移不变系统分析本讲稿第五页,共七十页2.2 2.2 调用信号调用信号 2.2.1 调谐信号分析调谐信号分析2.2.2 对调谐信号的响应分析对调谐信号的响应分析2.2.3 系统传递函数分析系统传递函数分析 本讲稿第六页,共七十页2.2.1 调谐信号分析调谐信号分析本讲稿第七页,共七十页2.2.2 对调谐信号的响应分析对调谐信号的响应分析本讲稿第八页,共七十页本讲稿第九页,共七十页本讲稿第十页,共七十页2.2.3 系统传递函数分析系统传递函数分析1 1传递函数的形式传递函数的形式
3、对对于于线线性性移移不不变变系系统统,式式(2-152-15)描描述述了了输输入入信信号号与与输输出出信信号号之之间间的的关关系系,其其中中H H()称称为为系系统的传递函数。统的传递函数。传传递递函函数数H H()包包含含了了所所表表示示系系统统的的全全部部特特征。征。本讲稿第十一页,共七十页本讲稿第十二页,共七十页2线性移不变系统对余弦信号的输出线性移不变系统对余弦信号的输出本讲稿第十三页,共七十页 A A()为系统的增益因子,代表系统对输入信为系统的增益因子,代表系统对输入信号的缩放比例。号的缩放比例。为输出信号的相位,其作用是将调谐输入信为输出信号的相位,其作用是将调谐输入信号的时间坐
4、标加以平移。号的时间坐标加以平移。综上所述,线性移不变系统具有以下性质:综上所述,线性移不变系统具有以下性质:(1 1)调谐输入产生同频率的调谐输出;)调谐输入产生同频率的调谐输出;(2 2)系统的传递函数是一个仅依赖于频率)系统的传递函数是一个仅依赖于频率的复函数,它包含了系统的全部特征信息;的复函数,它包含了系统的全部特征信息;(3 3)传递函数对调谐输入信号仅产生幅值的)传递函数对调谐输入信号仅产生幅值的缩放和相位的平移。缩放和相位的平移。本讲稿第十四页,共七十页2.3 2.3 卷积和滤波卷积和滤波 2.3.1 连续卷积分析连续卷积分析2.3.2 离散卷积分析离散卷积分析2.3.3 滤波
5、分析滤波分析 本讲稿第十五页,共七十页2.3.1 连续卷积分析连续卷积分析本讲稿第十六页,共七十页2.3.2 离散卷积分析离散卷积分析本讲稿第十七页,共七十页2.3.3 滤波分析滤波分析 卷积运算在信号处理和图像处理学科中通常卷积运算在信号处理和图像处理学科中通常称为滤波。称为滤波。一个线性移不变系统输入和输出之间的关系,一个线性移不变系统输入和输出之间的关系,既可以采用传递函数进行描述,也可以采用卷积既可以采用传递函数进行描述,也可以采用卷积的形式进行描述。的形式进行描述。也就是说,线性移不变系统的输出可通过输入也就是说,线性移不变系统的输出可通过输入信号与系统的冲击响应函数信号与系统的冲击
6、响应函数h(t)h(t)的卷积得到,即的卷积得到,即本讲稿第十八页,共七十页本讲稿第十九页,共七十页2.4 2.4 关联函数关联函数2.4.1 关联函数的定义分析关联函数的定义分析2.4.2 关联与卷积的关系分析关联与卷积的关系分析 本讲稿第二十页,共七十页2.4.1 关联函数的定义分析关联函数的定义分析本讲稿第二十一页,共七十页1自关联函数自关联函数本讲稿第二十二页,共七十页2互关联函数互关联函数本讲稿第二十三页,共七十页2.4.2 关联与卷积的关系分析关联与卷积的关系分析本讲稿第二十四页,共七十页2.5 2.5 运算类型运算类型 具有代表性的图像处理典型算法从功能上具有代表性的图像处理典型
7、算法从功能上包括以下几种:包括以下几种:(1 1)单幅图像)单幅图像单幅图像单幅图像 (2 2)多幅图像)多幅图像单幅图像单幅图像 (3 3)单幅图像或多幅图像)单幅图像或多幅图像数值数值/符号等符号等 本讲稿第二十五页,共七十页2.6 2.6 二维系统二维系统 2.6.1 二维线性系统分析二维线性系统分析2.6.2 二维位置不变线性系统分析二维位置不变线性系统分析2.6.3 二维系统的梯度算子分析二维系统的梯度算子分析 本讲稿第二十六页,共七十页2.6.1 二维线性系统分析二维线性系统分析本讲稿第二十七页,共七十页2.6.2 二维位置不变线性系统分析二维位置不变线性系统分析本讲稿第二十八页,
8、共七十页本讲稿第二十九页,共七十页2.6.3 二维系统的梯度算子分析二维系统的梯度算子分析1 1连续系统梯度算子连续系统梯度算子本讲稿第三十页,共七十页本讲稿第三十一页,共七十页 由于无论是由于无论是x x方向还是方向还是y y方向,离散系统的坐方向,离散系统的坐标值最小增量为标值最小增量为1 1,因而以相邻点之差近似表示梯,因而以相邻点之差近似表示梯度分量。度分量。2离散系统梯度算子离散系统梯度算子本讲稿第三十二页,共七十页本讲稿第三十三页,共七十页2.7 2.7 点运算点运算 2.7.1 线性点运算分析线性点运算分析2.7.2 非线性点运算分析非线性点运算分析2.7.3 直方图修正分析直方
9、图修正分析 本讲稿第三十四页,共七十页 对于一幅输入图像,若输出图像的每个像素点对于一幅输入图像,若输出图像的每个像素点的灰度值由输入像素来决定,则这样的图像变换称的灰度值由输入像素来决定,则这样的图像变换称为图像的点运算(为图像的点运算(point operationpoint operation),即该点像),即该点像素灰度的输出值仅是本身灰度的单一函数。素灰度的输出值仅是本身灰度的单一函数。点运算的结果由灰度变换函数(点运算的结果由灰度变换函数(gray-scale gray-scale transformation,GSTtransformation,GST)确定,即:)确定,即:B
10、B(x x,y y)=)=A(A(x x,y y)式中,式中,A A(x x,y y)是运算前的图像像素值,)是运算前的图像像素值,B B(x x,y y)是点运算后的图像值,是点运算后的图像值,是对是对A A(x x,y y)的一的一种映射函数,即种映射函数,即GSTGST函数。函数。本讲稿第三十五页,共七十页2.7.1 线性点运算分析线性点运算分析 当灰度变换当灰度变换GSTGST函数为线性时,即函数为线性时,即B B=(A A)=)=AA+,此时的变换称为线性点运算。,此时的变换称为线性点运算。显然,当显然,当=1 1,=0=0时,原图像不发生变化;时,原图像不发生变化;当当=1=1,0
11、 0时,图像灰度值增加或降低;时,图像灰度值增加或降低;当当11时,输出图像对比度增大;当时,输出图像对比度增大;当0011时,时,输出图像对比度减小;当输出图像对比度减小;当00时,图像亮区域时,图像亮区域变暗,暗区域变亮,即图像求补。变暗,暗区域变亮,即图像求补。本讲稿第三十六页,共七十页 当图像的曝光不足或过度时,图像灰度值就当图像的曝光不足或过度时,图像灰度值就会限制在一个较小的范围内,这时在显示器上看会限制在一个较小的范围内,这时在显示器上看到的将是一个模糊的图像。到的将是一个模糊的图像。利用线性点运算对图像进行处理,就能增强图利用线性点运算对图像进行处理,就能增强图像的灰度层次,改
12、善图像的视觉效果。像的灰度层次,改善图像的视觉效果。本讲稿第三十七页,共七十页图图图图2-2 cameraman2-2 cameraman图图图图像像像像经过经过经过经过不同的不同的不同的不同的线线线线性点运算后的性点运算后的性点运算后的性点运算后的结结结结果果果果本讲稿第三十八页,共七十页2.7.2 非线性点运算分析非线性点运算分析本讲稿第三十九页,共七十页本讲稿第四十页,共七十页2.7.3 直方图修正分析直方图修正分析1点运算对直方图的影响点运算对直方图的影响 下面通过一个示例来说明点运算对直方图的影下面通过一个示例来说明点运算对直方图的影响。响。【例【例2-32-3】cameramanc
13、ameraman图像图像f(x)=1.25x+45f(x)=1.25x+45的直方图变化情况。的直方图变化情况。本讲稿第四十一页,共七十页 直方图均衡化又称为直方图平坦化。直方图均衡化又称为直方图平坦化。直直方方图图均均衡衡化化的的基基本本思思想想是是将将原原始始图图像像的的不不均均衡的直方图变化为均匀分布的形式。衡的直方图变化为均匀分布的形式。即即将将输输入入图图像像转转换换为为在在每每一一灰灰度度级级上上都都有有相相同同的的像像素素点点数数(即即输输出出的的直直方方图图是是平平坦坦的的,其其分分布为均匀分布)。布为均匀分布)。直直方方图图均均衡衡化化的的结结果果扩扩展展了了像像元元取取值值
14、的的动动态态范围,从而达到增强图像整体对比度的效果。范围,从而达到增强图像整体对比度的效果。直方图均衡化参考以下示例。直方图均衡化参考以下示例。2直方图均衡化直方图均衡化本讲稿第四十二页,共七十页2.8 2.8 代数运算代数运算 2.8.1 代数运算的意义代数运算的意义2.8.2 加法运算加法运算2.8.3 减法运算减法运算2.8.4 乘法运算乘法运算2.8.5 除法运算除法运算 本讲稿第四十三页,共七十页2.8.1 代数运算的意义代数运算的意义 在数字图像处理技术中,代数运算具有非在数字图像处理技术中,代数运算具有非常广泛的应用和重要的意义。常广泛的应用和重要的意义。图像相加也可用于将一幅图
15、像的内容叠加到图像相加也可用于将一幅图像的内容叠加到另一幅图像上,从而实现二次曝光(另一幅图像上,从而实现二次曝光(double-double-exposureexposure)。)。图像相减运算可用于消除一幅图像中所不需图像相减运算可用于消除一幅图像中所不需要的加性图案,加性图案可能是缓慢变化的背景要的加性图案,加性图案可能是缓慢变化的背景阴影、周期性噪声,或在图像上每一像素点均已阴影、周期性噪声,或在图像上每一像素点均已知的附加污染等。知的附加污染等。减法运算还可用于检测同一场景的两幅图像之减法运算还可用于检测同一场景的两幅图像之间的变化。间的变化。本讲稿第四十四页,共七十页 在数字图像处
16、理中,虽然乘、除运算应用得在数字图像处理中,虽然乘、除运算应用得相对少一些,但它们也具有很重要的应用。相对少一些,但它们也具有很重要的应用。例如,在获取数字化图像过程中,图像数例如,在获取数字化图像过程中,图像数字化设备对一幅图像各点的敏感程度不可能完字化设备对一幅图像各点的敏感程度不可能完全相同,乘、除运算可用于纠正这方面的不利全相同,乘、除运算可用于纠正这方面的不利影响。影响。此外,乘法运算在获取图像的局部图案时此外,乘法运算在获取图像的局部图案时发挥作用,用一幅掩膜图像(发挥作用,用一幅掩膜图像(mask imagemask image)乘)乘以某一图像可遮住该图像中的某些部分,使其以某
17、一图像可遮住该图像中的某些部分,使其仅保留图像中感兴趣的部分,而除法运算还可仅保留图像中感兴趣的部分,而除法运算还可以产生对颜色和多光谱图像分析十分重要的比以产生对颜色和多光谱图像分析十分重要的比率图像。率图像。本讲稿第四十五页,共七十页2.8.2 加法运算加法运算 加法运算通常用于平均值降噪等多种场合。加法运算通常用于平均值降噪等多种场合。图像相加一般用于对同一场景的多幅图像求平均,图像相加一般用于对同一场景的多幅图像求平均,以便有效地降低加性噪声。以便有效地降低加性噪声。若有一静止场景的图像被加性随机噪声污若有一静止场景的图像被加性随机噪声污染,且已获得由幅该静止场景图像组成的图像染,且已
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