1、 隨著人類社會的進步，科學技術的發展，人們對信息處理和信息交流的要求越來越高。圖像信息具有直觀、形象、易懂和信息量大等特點，因此它是在人們日常的生活、生產中接觸最多的信息種類之一。第一章 圖像與計算機圖像處理1 近年來，圖像信息處理已經得到一定的發展，但隨著對圖像處理的要求不斷提高，應用領域不斷擴大，圖像理論必須不斷提高、補充和發展。圖像的處理已經從可見光譜擴展到光譜中各個階段，從靜止圖像發展到運動圖像，從物體的外部延伸到物體的內部，以及進行人工智能化的圖像處理等。本章介紹有關圖像、數字圖像的概念，闡明用計算機進行圖像處理的基本運算方法和特點。2 1.1 圖像 1.1.1 圖像 為了實現對圖像

2、信號的處理和傳輸，首先必須對圖像進行正確的描述，即什么是圖像。對人們來說，圖像并不陌生，但卻很難用一句話說清其含意。從廣義上說，圖像是自然界景物的客觀反映，是人類認識世界和人類本身的重要源泉。3 圖像信息不僅包含光通量分布，而且還包含人類視覺的主觀感覺。隨著計算機技術的迅速發展，人們可以人為地創造出色彩斑斕、千姿百態的各種圖像。概括地講，圖像包含以下幾個重要內容：視頻（Video） 圖形（Graphics） 動圖（Animation） 符號（Symbol）與文字（Character）45 1.2 圖像技術及圖像的分類1.2.1 圖像技術 圖像技術在廣義上是各種與圖像有關的技術的總稱。目前，人們

3、主要討論的是數字圖像，即主要應用的是計算機圖像技術。這包括利用計算機和其他電子設備進行和完成的一系列工作。78 1.2.2 圖像的分類 由于實際存在的自然圖像多種多樣，內容千變萬化，故其分類也極為復雜，但圖像按性質特征來分，大致可分為如下幾種情況：（1）灰度分類（2）色彩分類 （3）運動分類 （4）按時空分布分類10 1.3 圖像系統的構成 1.3.1 圖像系統的線性模型 為了簡單起見，實際中通常把傳輸或處理圖像信號的系統近似為二維線性位移不變系統。用這種系統模型來分析和設計被證明是有效的。與熟悉的一維線性時不變系統類似，這種系統的頻率響應是該系統的脈沖響應的傅立葉變換。1112 1.3.2

4、圖像處理系統的構成 實際的圖像處理系統是一個非常復雜，既包括硬件又包括軟件的系統，隨著具體應用目標的不同，其構成也是大不相同的。圖 1.3所示為圖像處理系統的基本結構，系統主要是由照明用光源、攝像單元、A /D 轉換器、圖像存儲器及計算機等要素構成。其工作過程如下：對象物反射的光在攝像單元被轉換成電信號（模擬信號），再由 A /D 轉換器把其轉換成數字信號，然后被存儲在圖像存儲器中，有待計算機做進一步的處理。1415（2）攝像單元1）CCD 圖像傳感器 CCD 圖像傳感器由光電轉換單元構成，光電傳感單元的排列分為線陣排列和面陣排列兩種。圖像傳感器的工作原理是把光能量轉換為電荷，并且具有將轉換得

5、到的電荷進行存儲的能力，以及使電荷向輸出電極移動的掃描能力。1718192）CCD 彩色攝像光學系統的構成 圖 1.7是彩色攝像單元的結構模型圖，對象物反射的光通過透鏡和光學低通濾波器之后由三棱鏡把光分為 RGB 三原色，再由 3個 CCD 圖像傳感器把紅 R、綠 G、藍 B 的光信號變換為3個電信號。2021 （3）圖像的數字化 一般的圖像都是模擬圖像，即圖像上的信息是連續變化的模擬量。如一幅黑白灰照片上的物體是通過照片上各點的光的強度（簡稱光強）不同而體現的，而照片上的光強是一個連續變化的量，也就是說，在一定范圍內，光強的任何值都可能出現。對于這種模擬圖像只能采用模擬處理方式進行處理，例如

6、按光學原理用透鏡將照片放大。22二維連續函數基本表達式為24 當二維函數 f（x，y）被某二維窗函數 h（x，y）截成空間有限函數時，類似一維函數，x、y方向為互相間隔的二維峰狀函數。為了有效地恢復原空間有限函數，要利用周期性質。對一個M N 的圖像，若采樣間隔滿足25 則 fS（x，y）構成一個 M N 實數矩陣其中每個元素為圖像 f（x，y）的離散采樣值。272）采樣圖像的量化 經過抽樣后的圖像還不是數字圖像，因為這些像素上的灰度值仍是一個連續量。所謂量化指的是將像素的灰度離散化，使之由連續量轉換為離散的整數值。 為了進行計算機處理，必須把無窮多個離散值化簡為有限個離散值，即量化，這樣才便

7、于賦予每一個離散值互異的編碼以進入計算機。28 1.4 圖像質量的評價 1.4.1 人類的視覺 視覺所感受到的圖像可看做是三維光輻射場對人眼的影響。進行分析時，首先需要建立物理模型，這種模型以照射、反射現象為基礎（包括輻射、傳播、照射、反射和吸收等方面的容）；若圖像分析的結果或其中間過程需要人的干預或理解時，則還有必要對人眼的視覺機理以及人眼的構造進行研究。29（1）圖像與視覺的關系 圖像最終需要由人或機器來觀察、識別、理解。研究圖像與視覺之間的對應關系，是一個非常重要的問題，需要從符號和信息兩個角度探討圖像與視覺的對應關系。（2）光度學 光度學是光學中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫

8、射等有關光的度量的學科，同時結合人眼的視覺特征來確定光的度量及使用單位。30 1.4.2 視覺系統的局限性和計算機圖像處理技術產生的必然性 固然人的視覺系統可看成是一種神奇的、高度自動化的生物圖像處理系統，但是，面對當今科學技術飛速發展的形勢，人的視覺系統還存在許多不足之處。 1）主觀性 2）局限性 3）缺乏持久性 4）模糊性31 1.4.3 圖像質量的評價方法 圖像質量評價的研究是圖像信息科學的基礎研究之一。對于圖像處理系統，其信息的主體是圖像，衡量這個系統的重要指標就是圖像的質量。如在圖像編碼中就是在保持被編碼圖像一定質量的前提下，以盡量少的碼字來代表圖像，以節省信息和存儲容量。而圖像增強

9、就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質量。又例如圖像復原則用于補償圖像的降質，使復原后的圖像盡可能接近原始圖像質量。所有這些，都要求有一個合理的圖像質量評價方法。32（1）圖像的主觀評價 這種方法就是通過人來觀察圖像，對圖像的優劣做出主觀評定，然后對評分進行統計平均得出評價結果。 1）觀察者既要有未經過訓練者，同時考慮 一定經驗者 2）參加評分的人員至少要有 20名333435（2）圖像的客觀評價 盡管質量的主觀評價是最權威的方式，但是在一些研究場合，或者由于實驗條件的限制，也希望對圖像有一個定量的客觀描述。圖像質量的客觀評價由于著眼點不同而有多種方法，這里介紹的是一種經常使用的所謂的逼真度測量。對

10、于彩色圖像逼真度的定量表示是一個十分復雜的 問題。當前，對黑白圖像逼真度的定量表示應用較多。3637 其中，運算符 Q.表示在計算逼真度前，為使測量值與主觀評價的結果一致而進行的某種預處理（如對數處理、冪處理等）。對于數字圖像，另外還有一種常用的方法即峰值均方誤差PMSE：38 1.5 數字圖像處理的基本概念 1.5.1 基本處理過程 數字圖像信息可看成是一個二維數組 f（i，j），對它處理的基本過程如同電視光柵掃描過程，按照由左到右，由上到下的順序進行（圖 1.8（a），并在掃描過程中逐點對各像素進行幀處理。這樣的掃描過程稱為順向掃描。與此相對的就是由下到上，由右到左的逆向掃描（圖 1.8（

11、b），也是一種常見的處理過程。3940 1.5.2 基本運算形式 在掃描過程中，用計算機對各像素進行的處理有各種方式，在此稱它為運算形式。下面介紹幾種基本的運算形式。（1）點運算 在對圖像各像素進行處理時，只輸入該像素本身灰度的運算方式稱為點運算。圖 1.9中,輸入圖像 F 上某像素的灰度 f（i，j），現采用點運算方式作某種 p處理，得到輸出圖像 G 上該像素的灰度為 g（i，j），即41（2）領域運算 在對圖像各像素進行處理時，不僅輸入該像素本身的灰度，還要輸入以該像素為中心的某局部區域（即領域）中的一些像素的灰度進行運算的方式，稱為領域運算。42（3）并行運算 并行運算指的是對圖像上各像

12、素同時進行相同處理的運算方式。這種運算方式處理速快,但只能用于處理結果與處理順序無關的場合。43（4）串行運算 串行運算是相對于并行運算而言的，指的是在圖像上按照規定的順序逐個對像素進行處理的運算形式。圖 1.11所示的領域運算形式就是串行運算的典型實例，若 d處理內容為將該像素領域中已處理的 4個像素的灰度輸出值分別加 1后，取最小值作為該像素的輸出值，那么，當采用順向掃描時（圖 1.11（a），d處理運算式為：44（5）迭代運算 反復多次進行相同處理的運算，稱為迭代運算。迭代運算常用于一次運算不能達到處理目的的情況。 迭代運算的反復次數可以在處理前設定，也可在處理過程中根據是否達到處理目的

13、由計算機自動判別后確定。45（6）窗口運算 圖像的信息量很大，為減少處理時間，在可能的情況下，常常采用窗口運算來替代全圖像運算。所謂窗口運算是指對圖像特定的矩形區域進行某種運算的形式。46（7）模板運算 對圖像中特定形狀的區域進行某種運算的方式稱為模板運算。這里的模板就是指特定形狀的區域，它常常是與圖像中存在的對象物有相同特征的一個局部的子圖像，因此模板實質上就是一個二維數組。圖 1.13（a）中是一幅對象物為洋蔥的圖像，而模板（圖 1.13（b）就是一個與對象物完全一樣的子圖像。通過對圖像上各像素的模板運算，可以找到圖像上與模板特征相同的對象物的存在位置。4748 （8）幀運算 以上各種運算都是在一幅圖像內進行的，圖像與圖像之間不發生關系。通常一幅完整的圖像被稱為一幀，在兩幅或多幅圖像之間進行運算產生一幅新圖像的處理稱之為