數字圖像處理－圖像處理主講教師：水和參考書：，圖像工程上冊-圖像處理，（第3版）參考書：1．李朝暉，《數字圖像處理及應用》，機械工業，等編著，《數字圖像處理與圖像通信》，郵電大學編著，《數字圖像處理學》，電子工業，課堂要求嚴格遵守學校的作息制度，上課不假制度。課程性質：考試課程成績評定：平時成績（30％）＋試卷成績（70％）平時成績：作業＋考勤、不早退、嚴格執行請第一章

緒論圖像基本概念圖像工程簡介圖像處理系統主要內容和安排早期英文書籍用picture指代圖像，隨著數字技術發展，先都用image指代離散化的“圖象”，前者是連續（模擬）的，后者是離散（數字）的。在《數字圖像處理》（ 等譯）中，圖像定義為

“在一般的意義下，一幅圖像是另一個東西的一個表示”，是其所表示物體的信息的一個濃縮或者概括。先生在《數字圖像處理》中將圖像定義為“以某一技術被再現于二維平面上的視覺信息”，通俗地說就是指那些用技術把目標原封不動地一模一樣地再現出來的圖像。綜上所述，可以認為圖像是與之相對應的物體或目標（Objects）的一個表示，這個表示可以通過某種技術手段得到。圖像的若干定義數字圖像是指由被稱作象素的小塊區域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個小塊區域稱為象素（pixel）每個象素包括兩個屬性：位置和亮度（或色彩）。對灰度圖像而言，每個象素的亮度用一個數值（即灰度值）來表示，通常數值范圍在0到255之間，即可用一個字節來表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級別。1.1

圖像基本概念物理圖像及對應的數字圖像1.1

圖像基本概念灰度級1.1

圖像基本概念圖像分類亮度等級二值圖像（只有黑白亮度等級）灰度圖像（有多種亮度等級）色調無色調的灰度（黑白）圖像有色調的彩

像靜態圖像活動圖像內容的變化性質空間維數平面的二維圖像的三維圖像1.1

圖像基本概念圖像類型{廣義}，動畫，繪圖，文字/檔，...{狹義}2-D對，多光譜，多視3-D，彩色，場圖像，...序列圖像，...運動圖像（單幅），...灰度

深度，紋理圖像，...圖像（廣義/抽像）

圖像（狹義/具體）1.1

圖像基本概念圖像表示2-D數組f

(x,

y)x

，y：2-D空間XY中坐標點的位置f：代表圖像在(x,y)的性質F

的數值f，x，y

的值可以是任意實數

性質F

:可對應不同物理量,常用灰度表示yf（x，y）x01.1

圖像基本概念f(0,0)f(1,0)f

(0,1)f

(1,1)f

(0,

M

1)

f

(1,

M

1)f

(x,

y)

f(N

1,0)

f

(N

1,1)f

(N

1,

M

1)圖像表示數組/矩陣該數組的每一個元素都稱為像元、圖元或象素1.1

圖像基本概念圖像表示數組/矩陣

1

2

88

8

22

12

50128

192

2081.1

圖像基本概念數字圖像定義：與之對應的物體的一個數字表示2-D數組

I

(r,

c)r

代表圖像的行（row）c

代表圖像的列（column）I

代表離散化后的fI，c，r

的值都是整數實際中仍常用f

(x,y)CR0I（r,c）1.1

圖像基本概念左圖所用的坐標系統常在屏幕顯示中采用右圖所用的坐標系統常在圖像計算中采用。f

(x,

y)既可代表這幅圖像，也可表示在(x,

y)坐標處象素的值。Y（c）OI(r,c)（X

r）OXYf

(x,y)1.1

圖像基本概念1.2

圖像工程簡介1.2.1

圖像技術和圖像工程一、圖像技術及發展歷史圖像是用各種觀測系統以不同形式和觀測客觀世界而獲得的。可以直接或間接作用于人眼并進而產生視知覺的實體。上世紀20年代，

蘭（Bartlane)電纜 傳輸系統大型計算機的出現，人們開始用計算機改善圖像。1964、1965年

噴射推進 （JPL：Jet

PropulsionLaboratory）進行了太空探測工作，用計算機來處理發回的月球圖片，以校正飛船上電視

機中各種不同形式的固有的圖像畸變。1972年英國EMI公司工程師Housfield發明了用于頭顱的X射線計算機斷層攝影裝置，也就是通常所說的CT（ComputerTomograph）。九十年代，出現核磁

MRI1.2

圖像工程簡介1.2.2

圖像工程的三個層次圖像工程三層次：圖像處理（圖像——>圖像）著重強調在圖像之間進行的變換圖像分析（圖像

——>數據）對圖像中感

的目標進行檢測和測量，以獲得它們的客觀信息從而建立對圖像的描述圖像理解（圖像

——>解釋）在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目標的性質和它們之間的相互聯系，并得出對圖像內容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋1.2

圖像工程簡介圖像工程三層次圖像分析圖像理解圖像處理符號目標象素中層低層語義低高抽象程度操作對象小大數據量1.2

圖像工程簡介圖像工程三層次圖像處理(a)(b)(c)1231231.2

圖像工程簡介圖像工程三層次圖像分析1：黃色、綠色2：紅色3：綠色1231.2

圖像工程簡介圖像工程三層次圖像理解1：黃色2：紅色3：綠色尖辣椒紅青椒綠青椒1.2

圖像工程簡介圖像處理圖像理解計機視覺圖像圖像（人）符號圖像分析計算機圖形學數據模式新理新論工新具客觀世算界1.2.3

圖像工程相關學科和領域1.2

圖像工程簡介主要相關學科：圖形學：原指用圖形（graph）、圖表(chart)、繪圖(drawing)等形式表達數據信息的科學計算機圖形學：圖像模式識別：試圖把圖像分解成可用符號較抽象地描述的類別計算機視覺：主要強調用計算機實現人的視覺功能，目前的研究內容主要與圖像理解相結合1.2

圖像工程簡介研究的就是如何利用計算機技術來產生這些形式，即試圖從非圖像形式的數據描述來生成真的圖像圖像技術應用領域示例文字

：文字識別，過期 復原，郵件分撿，支票，簽名辮偽，辦公自動化；交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。1.2

圖像工程簡介1.2.4

圖像工程的技術應用遙感：JPL

（Jet

Propulsion

Laboratory）探索者月球圖像勇氣號火星圖像農作物產量計算農作物病情防治山林防火等巡航

制導，精確制導氣像預報自然 監測礦藏勘探資源探測a.

/home/index.htmlA

Closer

View

Of

the

Crater's

Intriguing

Rock

Outcrop1.2

圖像工程簡介視覺監視、

：銀行防盜，人臉識別、

、 的鑒定識別等。1.2

圖像工程簡介工業檢測與測量：公路路面破損圖像識別網裂龜裂1.2

圖像工程簡介軍事偵察、高精度制導Chinese_embassy1.2

圖像工程簡介醫療

：X光（x-ray）、

CT技術，癌細胞識別、

MRI(Magnetic

resonanceimaging)、等。1.2

圖像工程簡介通訊：可視

， 點播，電視會議，按需電視，

教育等。1.2

圖像工程簡介影視業、 、公眾服務：，基于內容檢索等。1.2

圖像工程簡介圖像工程期刊[CT]：《CT理論與應用研究》[CX]：《測繪學報》[DC]：《電子測量與儀器學報》[DK]：《電子科學學刊》[DX]：《電子學報》[JX]：

《計算機學報》[MR]：《模式識別與人工智能》[SC]：

《

與處理》[TX]：《通信學報》[XC]：《信號處理》[YX]：《遙感學報》[ZS]：

《中國生物醫學工程學報》[Zti]：

《中國體視學和圖像分析》[Ztu]：《中國圖像圖形學報》[ZX]：《自動化學報》1.2

圖像工程簡介分類A：圖像處理

A1：圖像

和獲取（成像方法、

機校正等）A2：圖像重建（從投影重建圖像）

A3：圖像變換，濾波，增強，恢復或復原等

A4：圖像壓縮編碼（算法研究、國際標準實現等）B1：邊緣檢測，圖像分割

B2：目標表達，描述，測量（二值圖處理、融合數學形態學方法等）

B3：目標形狀，紋理，空間，運動等的分析B4：（2-D）目標識別，分類和提取

C1：（序列、

）圖像匹配、鑲嵌C2：3-D

建模，重構、場景恢復C3：圖像感知，解釋，推理B：圖像分析C：圖像理解1.2

圖像工程簡介分類D：技術應用D1：硬件，（硬件）系統和快速/并行算法D2：

，通信

D3：文檔（包括文字，數字，符號等）D4：生物，醫學D5：遙感、 、測繪D6：其它E：綜

論

E1：綜述（介紹圖像處理、分析、理解或它們的綜合，進展）1.2

圖像工程簡介2000年開始增加了3個小類A：圖像處理A5：圖像數字水印和圖像信息隱藏

B：圖像分析B5：人臉和

的檢測、定位與識別C：圖像理解C4：基于內容的圖像和 檢索1.2

圖像工程簡介文獻中比較集中的領域A：圖像處理

A1：圖像

和獲取（成像方法、

機校正等）A3：圖像變換，濾波，增強，恢復或復原等A4：圖像壓縮編碼（算法研究、國際標準實現等）A5：圖像數字水印和圖像信息隱藏B1：邊緣檢測，圖像分割B4：（2-D）目標識別，分類和提取B：圖像分析B5：人臉和

的檢測、定位與識別C1：（序列）圖像（特征點）匹配、融合、鑲嵌C4：基于內容的圖像和

檢索C：圖像理解1.2

圖像工程簡介1.3

圖像處理系統系統構成框圖圖像圖像顯示和打印圖像圖像處理通信處理顯示輸出輸入打印1.3

圖像處理系統1.3.1

系統構成框圖1.3

圖像處理系統1.3.2

圖像圖像

裝置為

數字圖像，需要兩種裝置（器件）：傳感器，對某個電磁能量譜波段（如X射線、紫外線、可見光、紅外線等）敏感的物理器件，它能產生與所接收到的電磁能量成正比的（模擬）電信號；數字化器，它能將上述（模擬）電信號轉化為數字（離散）的形式。1.3.2

圖像圖像

設備1、電荷偶合器件CCD(Charge-Coupled

Device)利用電荷傳送和讀出方式工作固態陣：由感光基元構成感光基元產生正比于光強的電壓，機空間分辨率取決于基元排列數字化器將感應的模擬圖像轉化為數字圖像1.3

圖像處理系統2、CMOS器件CMOS

機1)光敏二極管型無源象素結構光敏二極管型有源象素結構光柵型有源象素結構3、電荷注射器件CID(Charge-Injection

Device)1）積分模式非消除性模式消除性模式1.3

圖像處理系統1.3.3

圖像顯示打印圖像顯示圖像處理的結果多是供觀察的圖像數據?亮度模式顯示主要顯示設備包括陰極射線管（CRT-CathodeRay

Tubes)、液晶顯示器LCD等1.3

圖像處理系統圖像打印1.

半調輸出（halftoning）圖像的原始灰度常有幾十到幾百級，但多數圖像輸出設備的灰度只有兩級。為了在這些設備上輸出圖像并保持其原有的灰度級，常采用一種稱為半調輸出的技術，將灰度圖像轉化為二值圖像。一種具體實現方法為先將圖像區域細分，取鄰近的單元結合起來組成輸出區域，這樣在每個輸出區域內包含若干個單元，只要把一些單元輸出黑，而把其它單元輸出白就可得到不同灰度的效果。用實心點圖案仿真灰度級的處理過程稱為半(影)調。1.3

圖像處理系統半調輸出象素灰度半調輸出方法示例2×2

?打印點尺寸5種灰度012341.3

圖像處理系統半調輸出方法示例3

×3

?

10種灰度01234567891.3

圖像處理系統幅度調制（AM）調整輸出點的尺寸來顯示不同灰度。如早期報紙上的圖片頻率調制（FM）輸出點的尺寸是固定的但其在空間的分布取決于所需表示的灰度，分布密 較暗；分布稀

較亮。2、調制模板是半調輸出技術的一種具體實現方法。輸出不同灰度，建立一套模板，每個模板對應一個輸出單元。1.3

圖像處理系統3.抖動技術（dithering）半調輸出是以減少圖像的空間分辨率來增加圖像的幅度分辨率的，所以有可能導致圖像采樣過粗而影響圖像的顯示質量。為改善上述方法得到的圖像質量，可以采用抖動技術。抖動技術是彌補所用顏色不足的一個有效的辦法。用隨 化掩蓋虛假輪廓。抖動(Dithering)：通過調節或變動圖像的幅度值來改善量化過粗圖像的顯示質量。1.3

圖像處理系統抖動實例下圖給出一組抖動實例圖，圖(a)是256個灰度級的原始圖像；圖(b)是借助圖3

3象素區域的半調技術得到的輸出圖，在臉部和肩部等區域有比較明顯的虛假輪廓現像；圖(c)是利用抖動技術進行改善的結果，所疊加的抖動值在[-8,8]間均勻分布；圖(d)也是利用抖動技術進行改善的結果，用與

原圖同尺寸進行半調打印的輸出結果。1.3

圖像處理系統(a)(b)(c)(d)1.3

圖像處理系統1.3.4

圖像1、圖像

器處理和分析過程中使用的快速

器計算機內存，幀緩存較快重新調用的

或聯機

器磁盤，磁光盤不經常使用的數據庫（ 庫）

器磁帶，光盤，光盤塔1.3

圖像處理系統圖像數據量度單位比特（bit），字節（1byte=8

bit）千(103

)字節（

K

byte）兆（

106

）字節（M

byte）吉（

109

）字節（Gbyte）太（

1012

）字節（T

byte）1.3

圖像處理系統2、圖像格式矢量格式用線段或線段的組合體來表示圖像如：畫點、畫線、畫曲線、畫圓、畫矩形等光柵格式用許多圖像點（象素）的集合來表示圖像（顏色、亮度、屬性）BMP

（bitmap）格式，GIF（

Graphics

Interchange

Format

）格式，TIFF（

Tagged

Image

Format

File

）格式，JPEG（

Joint

Photographic

Experts

Group

）格式1.3

圖像處理系統圖像

格式BMP格式（Bitmap）：位圖，是與設備無關的圖像文件格式①位圖文件頭（也稱表頭）：包含關于這個文件的信息如以象素為單位的寬度、高度，位圖的彩色、壓縮方法等。②位圖信息（常稱調色板）：圖像顏色的RGB值定義1:單色，4:16色，8:256色，24:真彩色③位圖陣列（即圖像數據）：用BYTE數據結構，這些數據結構取決于壓縮方法，它們表示象素顏色在調色板中的索引號。圖像為真彩色時，圖像數據則直接表示紅、綠、藍的相對亮度R:8bit，

G:8bit，

B:8bit1.3

圖像處理系統圖像 格式

GIF格式（Graphics

Interchange

Format，圖像交換格式）8位文件格式，以數據塊（block）為單位來

圖像的相關信息。一個GIF文件由表示圖形/圖像的數據塊、數據子塊以及顯示圖形/圖像的控制信息塊組成。最多只能

256

像圖像數據均為壓縮過的（LZW算法）一個GIF文件中可以存放多幅圖像以實現網頁上的動畫1.3

圖像處理系統圖像

格式

TIFF格式（TagImageFormat

File）：標記圖像文件格式，是基于標志域的圖像文件格式。支持任意尺寸的圖像。獨立于操作系統和文件系統二值圖像（TIFF-B）灰度圖像（

TIFF-G）調色板彩 （

TIFF

-P）全彩

像（

TIFF

-R）1.3

圖像處理系統文件分類圖像

格式JPEG格式（Joint

Photographic

Experts

Group：聯合圖像組），數碼相機均使用該種模式。適用于連續色調靜態的灰度或彩

像JPEG文件交換格式：JFIF

（file

interchange

format）一種使用灰度表示或者使用Y，Cb，Cr分量彩色表示的JPEG圖像，包含一個與JPG兼容的頭。圖像可以是灰度的也可以是彩色的1.3

圖像處理系統空間或傳輸時間、1.3.5

圖像處理對圖像進行壓縮編碼以減少對其所需傳輸通路的要求對圖像進行各種加工以改善圖像的視覺效果并為自動識別打下基礎對圖像中感

目標進行檢測、提取以測量其參數和描述其性質，在此基礎上對目標進行識別、分類，建立符號表達一般可以用算法的形式描述（