1、第一章 引言數字圖像處理1.1 圖像的重要性 人類離不開圖像，計算機圖像技術滲透到各個科技領域，百聞不如一見。畫面比文字更形象生動，人類70%信息來自視覺。 21世紀信息技術時代，衛星通訊、數據傳輸、壓縮、計算機網絡、多媒體、人工智能等技術都離不開圖象。圖象處理識別的過程：人類： 一幅圖象 圖上有字 中文字含義 計算機： 采集 分析 識別（判斷）一、圖象處理是交叉邊緣學科： 是計算機、傳感器、信息技術、信號處理、人工智能、模式識別、應用對象等的交叉學科和技術。二、圖象處理分類： 模擬圖像處理實時光學（實時，速度快）但只是有限處理）如：望遠鏡、顯微鏡、哈哈鏡、透鏡、膠片合成照相、凸透鏡實時FFT

2、變換 計算機圖像處理：圖象處理技術是隨著計算機處理速度和數據量增加發展起來的。第階段：科學計算，有限個原始數據；第階段：數據管理應用；第階段：數字圖像處理。如一幅衛片spot星 800080007(波段)=64M7(數據量之大少見之) 三、圖像技術應用： 我國發射衛星中，80%左右屬軍事偵察。如96年科學衛星實際上也是軍事偵察。 微機普及圖像民用、普及、計算機成熟是圖像技術普及應用基礎。數字圖象處理技術已應用到各個領域，以下舉幾個例子：1遙感圖像：農業普查、森林覆蓋計算、水利工程等的客觀估計、計算。 2石油管線鋪設：周期短、效率高。 3應用遙感圖像技術可普查北京市垃圾有多少。4森林火災監護客觀

3、反映火災情況、面積。5巡艦彈：圖象識別技術應用于導彈的精確未制導，使其精確打擊目標。如：機場、橋梁等。6軍事、公安、安全：指紋、掌紋、虹膜等識別。7醫學應用：CT、MRI、PET、B超、DSA、血管造影、紅外乳腺、顯微病理、電子顯微鏡、遠程醫療圖像、皮膚圖象、X線、刀與刀腦外科等等離不開圖像。8工業圖像：X線控探傷（軸）、X線檢察、三維測量（定位、形狀測量）機器人視覺、商檢。9民用：數碼相機、數字視頻、照片掃描、計算機邏輯管理等。1.2 圖像處理的內容一、圖像的定義： 客觀對象（物體）一種仿真的或模擬的描述，一種生動的圖形表述。 圖像指廣義的概念： Image Image是Object之一子集

4、 可見 不可見 數學函數 光學 畫面 照片 可測量的物理量 溫度壓力等曲線 圖像處理是信號處理的子類，另外與計算機科學、人工智能等領域也有密切的關系。傳統的一維信號處理的方法和概念很多仍然可以直接應用在圖像處理上，比如降噪、量化等。然而，圖像屬于二維信號，和一維信號相比，它有自己特殊的一面，處理的方式和角度也有所不同。圖像處理軟件Corel公司的CorelDraw、Adobe公司的Illustrator、Macromedia公司的Freehand、三維動畫制作軟件3Dmax等；此外，在計算機輔助設計與制造等工程領域，常用的圖形處理軟件還包括：AutoCAD，GHCAD，Pro/E，UG，CAT

5、IA，MDT，CAXA電子圖版等等。 這些軟件可以繪制矢量圖形，以數學方式定義頁面元素的處理信息，可以對矢量圖形及圖元獨立進行移動、縮放、旋轉和扭曲等變換，并可以不同的分辨率進行圖形輸出。 三、數字化： 由模擬照片到數字圖象的過程。采樣：將圖象分成離散的（橫豎均勻的）網格點。采樣是將時間上、幅值上都連續的模擬信號，在采樣脈沖的作用，轉換成時間上離散（時間上有固定間隔）、但幅值上仍連續的離散模擬信號。所以采樣又稱為波形的離散化過程。 量化：將圖象上各個網格點的黑白及彩色程度做數字量化，如：256級，由0到255，亮度從黑到白變化，人眼僅能分辨50左右級灰度。 人眼分辨率遠遠小于目前儀器設備分辨率

6、，但圖像質量最終判別依據是人。幾何：80點/mm，黑白：12bit4096層(人眼僅看40多層) 四、處理：經過一系列操作得到所需結果。 點處理： 與原始數據 局域處理： 與原始數據 及其鄰域 全局處理： 與原始數據 及全圖處理包括如下幾類：圖像預處理改善象質，以便于目視判讀。 校正技術：對形狀變形的圖象進行幾何校正、輻射校正。增強技術：去除干擾，突出主要特征，包括：平滑與銳化技術。恢復技術：忠實原圖，去除干擾，恢復原圖像，實用中往往干擾復雜，模型不清，難能準確恢復。圖像分析（測量）（analysis）：密度（灰度）、平面幾何參數，三維參數測量技術。圖像識別（recognition）：模式識別

7、與景物分析1.4 圖象的數據格式 從數據組織角度來談圖像數據基本格式，而不是從人的感受角度來談。四類用緊湊程度不同的表達方式：灰度的彩色圖象：灰度級：0255，1字節/pixel彩色： R G B 224=16M真色彩 0255 0255 0255 3字節/pixel彩色R(紅)叫一個波段，對單一波彩可看作灰度圖像。 關于各種標準圖像格式：Tiff 、BMP、TAG、GIF、DXF、JPG 等不介紹。二值圖像：黑或白 1bit/pixel是指每個像素不是黑就是白，其灰度值沒有中間過渡的圖像。二值圖像一般用來描述文字或者圖形，其優點是占用空間少，缺點是，當表示人物，風景的圖像時，二值圖像只能描述

8、其輪廓，不能描述細節。這時候要用更高的灰度級。 二值圖像是每個像素只有兩個可能值的數字圖像。人們經常用黑白、B&W、單色圖像表示二值圖像，但是也可以用來表示每個像素只有一個采樣值的任何圖像，例如灰度圖像等。 二值圖像經常出現在數字圖像處理中作為圖像掩碼或者在圖像分割、二值化和dithering的結果中出現。一些輸入輸出設備，如激光打印機、傳真機、單色計算機顯示器等都可以處理二值圖像。 二值圖像經常使用位圖格式存儲。1.5 視覺現象 客觀存在是不變的，而人的感覺是與周圍環境有關的 ，人感覺是會變的。人眼對亮度的適應能力：人眼的適應亮度范圍很寬1010(最大與最小之差)光強度量用勒克斯：Lux 0

9、.02Lux CCD黑白 太陽光度:白天10000Lux 同時識別亮度范圍很有限的：（適應的范圍寬，同時識別范圍窄）。如從亮屋到黑屋什么都看不見（需適應2030秒），從黑屋到白屋適應較快（僅需12秒）。 光強客觀是存在的，主觀感覺是以光強的對數成線性關系（正比）的。 同時對比度： 人眼對亮度有適應能力，因此很難判別亮度絕對值。即使相同亮度，但若背景亮度不同，人眼的主觀感覺的亮度亦不一致。 對比靈敏度：人眼剛能分辨光強出差別I 與 背景光強I的關系I/I。在相當范圍內為0.02（50層），但當很大或很小時比值加大。 解釋：256級灰度，8bits，計算機處理方便 8bits6bits眼睛感覺不到

10、。 分辨率以分辨率為1024768的屏幕來說，即每一條水平線上包含有1024個像素點，共有768條線，即掃描列數為1024行，行數為768列。分辨率不僅與顯示尺寸有關，還受顯像管點距、視頻帶寬等因素的影響。其中，它和刷新頻率的關系比較密切，嚴格地說，只有當刷新頻率為“無閃爍刷新頻率”，顯示器能達到最高多少分辨率，才能稱這個顯示器的最高分辨率為多少。分辨率是和圖像相關的一個重要概念，它是衡量圖像細節表現力的技術參數。但分辨率的種類有很多，其含義也各不相同。正確理解分辨率在各種情況下的具體含義，弄清不同表示方法之間的相互關系，是至關重要的一步。 一些同學往往把分辨率和點距混為一談，其實，這是兩個截

11、然不同的概念。點距是指象素點與點之間的距離，象素數越多，其分辨率就越高，因此，分辨率通常是以象素數來計量的，如：640480，其象素數為307200。 注：640為水平象素數，480為垂直象素數。 由于在圖形環境中，高分辨率能有效地收縮屏幕圖象，因此，在屏幕尺寸不變的情況下，其分辨率不能越過它的最大合理限度，否則，就失去了意義。 Mach帶(馬赫帶現象) 人眼在觀察均勻黑區與白區形成邊界時，與實際情況不一致，即在亮度變化部位附近有暗區更暗，亮區更亮的感覺。這一更黑和更亮的帶叫Mach帶。 主觀感覺相當于增加了一個分量，相當于原圖進行了二階導數操作。 空間錯覺： 人帶有主觀經驗性錯覺。 1.6

12、圖像處理系統框圖 數字圖像處理及其特點特點目的主要內容圖像工程與相關學科相關學科領域圖像工程與相關學科數字圖像處理硬件系統圖像處理系統軟件數字圖像處理應用發展動向參考書：1、數字圖像處理,朱志剛等譯,Kenneth.R.Castleman著，電子工業出版社，1998。 2、數字圖像處理， Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods著，阮秋琦等譯，電子工業出版社（第二版）。3、圖象工程:圖象處理和分析， 章毓晉，清華大學出版社,1999。4、圖像處理、分析與機器視覺， Image Processing, Analysis, and Machine Vision second edition, MILAN SONKA, VACLAV HLAVAC, ROGER BOYLE,人民郵電出版社，2002年1月。5、DIGITAL IMAGE PROCESSING，Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods, 1992.6、W.K.普拉特(W. K. Pratt), “數字圖像處理學” , 科學出版社19847、A. Rosenfield and A. kaka,“Digital Pict