第1章数字图像处理基础.ppt

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1、数字图像处理数字图像处理Digital Image ProcessingDigital Image Processing张涛华北水利水电大学机械学院E_mail:参考书目参考书目n阮秋琦，数字图像处理学，电子工业出版社nKenneth R.Castleman(美),Digital Image Processing.n张德丰，详解matlab数字图像处理，电子工业出版社n姚敏等，数字图像处理，北京：机械工业出版社，2006 考核方式考核方式平时成绩（平时成绩（50%）+期末考试（期末考试（50%)图像灰度变换图像灰度变换 图像运算图像运算图像形态学处理图像形态学处理 彩色图像处理彩色图像处理 图

2、像平滑锐化图像平滑锐化 图像正交变换图像正交变换图像压缩编码图像压缩编码 图像分割图像分割第第1 1章章 数字图像处理基础数字图像处理基础n数字图像处理概述n图像数字化n图像质量n图像格式1.1 1.1 数字图像处理概述数字图像处理概述n为什么学习图像处理n图像处理技术应用n图像特点为什么学习图像处理为什么学习图像处理 二二、图像处理的应用、图像处理的应用 数数字字图图像像处处理理的的应应用用越越来来越越广广。它它的的应应用用已已渗渗透透到到了了工工程程、工工业业、医医疗疗保保健健、航航空空航航天天，军军事事、科科研研、安安全全保保卫卫等等各各个个方方面面，在在国国计计民民生生及国民经济中发挥

3、越来越大的作用。及国民经济中发挥越来越大的作用。学学 科科 应应 用用 内内 容容 物理、化学物理、化学 结晶分析、谱分析结晶分析、谱分析 生物、医学生物、医学 细胞分析、染色体分类、细胞分析、染色体分类、血球分类、血球分类、X X光照片分光照片分 析、析、CTCT环境保护环境保护 水质及大气污染调查水质及大气污染调查地地 质质 资源勘探、地图绘资源勘探、地图绘 制、制、GISGIS 农农 林林 植被分布调查、农作物估植被分布调查、农作物估 海海 洋洋 鱼群探查、海洋污染监测鱼群探查、海洋污染监测 水水 利利 河流分布、水利及水害调河流分布、水利及水害调 气气 象象 云图分析等云图分析等 通通

4、 信信 传真、电视、多媒体通信传真、电视、多媒体通信 工业、交通工业、交通 工业探伤、铁路选线、机器工业探伤、铁路选线、机器 人、产品质量监测人、产品质量监测 经经 济济 电子商务、身份认证、防伪电子商务、身份认证、防伪 军军 事事 军事侦察、导弹军事侦察、导弹制制导、电导、电 子沙盘、军事训练子沙盘、军事训练法法 律律 指纹识别、人脸识别等指纹识别、人脸识别等安安 全全 加密、信息隐藏、数字水加密、信息隐藏、数字水 印等印等X X射线射线CTCTMRI成像成像B超图像归档与管理模块图像归档与管理模块 影像显示影像显示图像处理模块图像处理模块报告模块报告模块（4 4）、工业生产的质量控制：）、

5、工业生产的质量控制：在在生生产产线线中中对对生生产产的的产产品品及及部部件件进进行行无无损损检检测也是图像处理技术的一个广泛的应用领域。测也是图像处理技术的一个广泛的应用领域。公路路面破损图像识别公路路面破损图像识别网裂龟裂网裂龟裂三、图像处理技术的分类三、图像处理技术的分类 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）模拟图像处理模拟图像处理(Analog image processing)；模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处

6、理的典型例子，理等，电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，它处理的是活动图像，25帧帧/秒。秒。优点：优点：速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。速度，并可同时并行处理。缺点：缺点：精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。处理能力。（2 2）数字图像处理数字图像处理(Digital Image processing)Digital Image processing)：数数字字图图像像处处理理一一般般都都用用计计算算机机处处理理，因因此此也也称称之之谓谓计计

7、算算机机图图像像处处理理（Computer Imageprocessing）。）。优点：优点：处处理理精精度度高高，处处理理内内容容丰丰富富，可可进进行行复复杂杂的的非非线线性性处处理理，有有灵灵活活的的变变通通能能力力，一一般般来来说说只只要要改变软件就可以改变处理内容。改变软件就可以改变处理内容。缺点：缺点：处处理理速速度度是是一一个个重重要要问问题题，特特别别是是进进行行复复杂杂的的处处理理更更是是如如此此。一一般般情情况况下下处处理理静静止止画画面面居居多多，如如果果实实时时处处理理一一般般精精度度的的数数字字图图像像需需要要具具有有100100MipsMips的处理能力的处理能力。（

8、1 1）图像信息量）图像信息量和和数据量大数据量大 在在数数字字图图像像处处理理中中，一一幅幅图图像像可可看看成成是是由由图图像像矩矩阵阵中中的的像像素素（pixelpixel）组组成成的的，每每个个像像素素的的灰灰度度级级至至少少要要6 6bitbit（单单色色图图像像）来来表表示示，一一般般采采用用8 8bitbit（彩彩色色图图像像），高高精精度度的的可可用用1212bitbit或或1616bitbit。例如：例如：256 2562562568=648=64KbytesKbytes 512 5125125128=256Kbytes8=256Kbytes 1024 102410241024

9、8=1Mbytes8=1Mbytes 2048 2048204820488=4Mbytes8=4Mbytes X光光照照片片一一般般用用64Kb256Kb的的数数据据量量，一一幅幅遥遥感感图图像像324023404=30Mbits，因因此此，大大数数据据量量给给存存储储、传传输输和和处处理理都都带带来来巨巨大大的的困困难难。（2 2）图像处理技术综合性强；图像处理技术综合性强；在在数数字字图图像像处处理理中中涉涉及及的的基基础础知知识识和和专专业业技技术术相相当当广广泛泛。一一般般来来说说涉涉及及通通信信技技术术、计计算算机机技技术术、电电子子技技术术、电电视视技技术术，至至于于涉涉及及到到的

10、的数数学学、物理等方面的基础知识就更多。物理等方面的基础知识就更多。当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，只当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，只是把通信中的一维问题推广到二维，以便于分析，是把通信中的一维问题推广到二维，以便于分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，图像处理技术与通信技术休戚相关。图像处理技术与通信技术休戚相关。在在图图像像处处理理工工程程中中的的信信息息获获取取和和显显示示技技术术主主要要源源于于电电视视技技术术，其其中中的的摄摄像像、显显示示、同同步步等等各各项技术是必不可少的。项技术是必不可少的。计计算算机机已已是

11、是图图像像处处理理的的常常规规工工具具，在在图图像像处处理理中中涉涉及及到到软软件件、硬硬件件、网网络络、接接口口等等多多项项技技术术，特特别别是是并并行行处处理理技技术术在在实实时时图图像像处处理理中中显显得十分重要。得十分重要。图图像像处处理理技技术术的的发发展展涉涉及及越越来来越越多多的的基基础础理理论论知知识识，雄雄厚厚的的数数理理基基础础及及相相关关的的边边缘缘学学科科知知识识对对图图像像处处理理科科学学的的发发展展有有越越来来越越大大的的影影响响。总总之之图图像像处处理理科科学学是是一一项项涉涉及及多多学学科科的的综综合合性性科科学。学。（3 3）图像信息理论与通信理论密切相关。）

12、图像信息理论与通信理论密切相关。早早在在19481948年年ShannonShannon发发表表了了“A A mathematical mathematical Theory Theory of of CommunicationCommunication”（通通信信中中的的数数学学理理论论）一一文文，它它奠奠定定了了信信息息论论的的基基础础。此此后后，信信息息理理论论已已渗渗透透到到了了各各个个领领域域。图像信息论也属于信息论科学中的一个分支。图像信息论也属于信息论科学中的一个分支。从当今的理论发展看，我们可以说，图像信息论从当今的理论发展看，我们可以说，图像信息论是在通信理论研究的基础上发展

13、起来的。图像理是在通信理论研究的基础上发展起来的。图像理论是把通信中的一维问题推广到二维空间上来研论是把通信中的一维问题推广到二维空间上来研究的，也就是说，通信研究的是一维时间信息；究的，也就是说，通信研究的是一维时间信息；图像研究的是二维空间信息；图像研究的是二维空间信息；总总之之，通通信信中中的的一一维维问问题题都都可可推推广广到到二二维维，尽尽管管有有些些理理论论尚尚不不完完全全贴贴切切，但但对对图图像像自自身身理理论论体体系系的的形形成有极大的借鉴意义。成有极大的借鉴意义。1.2 1.2 图像数字化图像数字化n大多数传感器的输出是连续电压波形n为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据

14、转化为数字形式n包括两种处理：采样和量化n采样：图像空间坐标的数字化n量化：图像函数值（灰度值）的数字化1 1.2 2.1.1 采样采样采样：指将空域上或时域上连续的图像(模拟图像)变换成离散采样点(像素)集合的一种操作。即：空间坐标的离散化。图像采样图像采样(栅格化栅格化)图像的采样与数字图像的质量量化：把采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。即：灰度的离散化。1 1.2 2.2.2 量化量化图像尺寸计算图像尺寸计算为像素的大小图像大小空间分辨率和灰度分辨率空间分辨率和灰度分辨率空间分辨率空间分辨率(spatial resolution)：图像空间中可分辨的最小细

15、节。一般用单位长度上采样的像素数目或单位长度上的线对数目表示。灰度分辨率灰度分辨率(contrast resolution)：图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。1.31.3图像的质量图像的质量n灰度级：表示像素明暗程度的整数量.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.例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次.图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好256个层次的图像64个层次的图像16个层次的图像图像层次图像层次对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小对比度=最大亮度/最小亮度图像对比度图像对比

16、度图像清晰度图像清晰度n亮度n对比度n尺寸大小n细微层次n颜色饱和度与清晰度相关的主要因素1、亮度2、对比度3、尺寸大小4、细微层次5、颜色饱和度1.4 1.4 图像文件格式图像文件格式 图像文件格式分两大类：一类是静态图像文件格式，一类是动态图像文件格式。静态图像格式有GIF，TIF，BMP，PCX，JPG，PSD等；动态图像格式有AVI，MPG等。PSD和EPS是Adobe公司开发的图像专用格式.BMP、PCX和TIFF是Windows平台常用的图像文件格式.GIF、JPG和PNG是网上最流行的图像文件格式。1、PSD格式能够保存图像信息，而且进行了压缩，压缩后不失真。2、PDF格式图像文

17、件的加密格式，须输入正确密码才能使用。3、EPS格式是Adobe公司开发的打印机及其他输出设备的页面描述语言。4、JPG格式 定义了图像文件通用的压缩编码，是一种高效的压缩文件格式。在保存文件时删除人眼无法分辨的图像信息，节省存储空间，但被删除图像信息无法在解压时还原。JPEG可以自由设置压缩比，但压缩率越高导致图像质量越差。与GIF相比，JPEG压缩成同样大小时，图像质量远远大于GIF图像。5、GIF是图像交换格式，只支持256色以内的图像；采用无损压缩存储，在不影响图像质量的情况下，可以生成很小的文件；支持透明色，可以使图像浮现在背景之上；GIF文件可以制作动画。6、PNG格式专门为用于网页图片而优化压缩图像设计成功的文件图像格式。PNG逐渐替代GIF、JPEG成为网络图像的流行格式。7、BMP格式是最普通的位图图像文件格式8、TIFF格式是现存图像文件格式中最复杂的一种，提供存储各种信息的完备手段，可以存储专门的信息而不违反格式宗旨。9、PCX格式是最早支持彩色图像的一种文件格式，支持RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，但不支持Alpha通道。BMP文件结构BMPBMP图像文件格式图像文件格式 BMP 图像文件的结构一般可分为三部分：文件头、位图信息头和图像数据。