第一節、概述數字圖像處理的起源數字圖像處理根本概念數字圖像處理的主要方法數字圖像最早的應用之一是在報業，20世紀20年代的海底電纜使得倫敦與紐約之間圖片的傳輸從過去的一個多星期縮短到3個小時以內。但這還不是數字圖像處理，因為沒有計算機的介入。20世紀60年代，美國噴氣推進實驗室〔JetPropulsionLaboratory，JPL〕運用計算機處理了由漫游者7號發回的月球外表照片存在的畸變。這張照片也是美國太空船拍攝的首張月球照片。二、數字圖像處理的根本概念二、數字圖像處理的根本概念圖像的本質數字圖像的獲取數字圖像的類型數字圖像的文件格式圖像通道灰度值方圖1、圖像的本質關于圖像，有不同的定義：

需要指出的是，上述對圖像定義的范圍要遠遠超過人眼能看到的東西。它還包含了許多人眼無法直接接受到的圖像信息，例如紅外圖像、x光圖像和超聲波圖像等，這些圖像均客觀地存在著且已在實際中普遍使用，但人的眼睛無法看到它們。大多數圖像是它所表示的對象信息的一個濃縮和概括，換言之，一幅圖像所包含的信息要遠遠少于原對象。因此，一幅圖像是該對象的一個不完全、不精確，但在某種意義上恰當的表示。借助于集合的概念，可根據圖像的生成方法或存在形式將其做如下劃分：What’sthat?2、數字圖像的獲取

采樣是將模擬圖像在空間離散化的過程。其過程包括：測量一幅圖像每個位置的灰度值，傳感元件將光亮度轉化為電壓值，對圖像信號的定義域離散化。采樣〔抽樣〕均勻采樣〔抽樣〕定理假設信號頻率有限且不大于fm，那么用不低于2fm的頻率加以采樣時，原信號可以由采樣后的信號完全重建。其中2fm稱為奈奎斯特〔Nyquist〕采樣頻率。此定理也叫奈奎斯特采樣定理〔也有文獻稱作香農〔Shannon〕采樣定理〕。離散化圖像的描述量化量化是利用模數轉換器對模擬圖像信號的值域〔灰度〕進行離散化的操作〔或過程〕。通常的做法是將灰度值量化為2n個區間。量化會導致數字圖像與原模擬圖像之間無法防止的差異，這稱作量化誤差。量化的級別越多，量化誤差就越小。圖像的采樣和量化3、數字圖像的類型數字圖像大致可分為二值圖像、灰度圖像、彩色圖像和多光譜圖像等幾類。二值圖像只能從0或1中取值，在顯示時，它對應于黑和白兩種狀態。文字稿、線條圖、指紋圖等常可以用這種方式存儲，其特點是占用的空間小。灰度圖像對應于人們日常生活和工作中常見的黑白照片，表現為黑和白的不同濃淡層次，它可以用下式表示：0≤f〔i,j〕≤2n-1式中的n是灰度量化的位數，取決于圖像數字化設備的能力，例如灰度被量化為8位時像素值將在0—255間。彩色圖像又經常分為真彩色圖像和索引色彩色圖像。前者常由RGB三個通道的8位灰度圖像組成〔共24位〕，后者一般是由256種顏色組成。前者的視覺效果比較逼真〔此即“真彩色〞的由來〕，但占用空間較大；后者的色彩過渡欠自然，但所需的存儲空間小。當然也有類似于真彩色圖像但位深度較小〔比方5位〕的彩色圖像，但在實際使用中較少見。真彩色圖像索引色彩色圖像如果一幅圖像由多種光譜成分組成時，可以用下式表示：0≤fk〔i,j〕≤2n-1其中k值大于4。很多遙感圖像都是多光譜圖像。4、數字圖像的文件格式數字圖像以一定格式的文件的形式進行存儲和傳輸，圖像文件格式有很多，有壓縮的和非壓縮的。比較常用的有BMP，JPEG，TIFF，GIF等。BMP格式BMP格式是WINDOWS系統通用的圖片格式，文件名后綴為.Bmp，絕大多數數碼照片處理軟件都支持這種文件格式。它以一種點陣方式來貯存照片，是一種非壓縮或無損壓縮的圖像文件格式，只支持單色、16色、256色和真彩色等四種圖像。由于是非壓縮或無損壓縮的，所以文件往往很大，傳輸不太方便，通常用在對圖像質量要求非常高的場合。TIFF格式TIFF圖象格式(擴展名為tif，全名是TaggedImageFileFormat)是AldusCorporation于1986年設計的是一種非失真的壓縮格式(最高也只能做到2至3倍的壓縮比)，它能保持原有圖象的顏色及層次，但占用空間很大，故TIFF常被應用于較專業的用途如書籍出版海報等，很少應用于互聯網上。其另外一個特點是可以在一個文件中存儲多幅圖像。JPEG格式JPEG圖象格式(擴展名為jpg，全名是JointPhotographicExpertsGroup〕是一種失真式的圖象壓縮方式。它的壓縮比率通常在10:1到40:1之間，在壓縮圖象的過程中圖象中重復或不重要的資料會被喪失因此圖象會有失真。不過由于它可使圖象占用空間大幅減小，故很適合應用于網上傳輸。JPEG格式壓縮的主要是高頻信息，對色彩的信息保存較好，它可以支持24bits真彩色所以也普遍應用于需要連續色調的圖象。JPEG的最新版本是JPEG2000，它采用了小波變換，壓縮比更高，而圖像細節的損失更小。GIF格式GIF圖象格式(擴展名是gif)在壓縮的過程中圖像的像素資料不會被喪失，然而喪失的卻是圖像的色彩，即一局部本來不同的顏色被壓縮成了同一種顏色。這是因為GIF格式最多只能儲存256色(8bits)，這種格式通常用來在網絡上使用，如制作網頁等。除此之外，還有其他的一些文件格式，如PDF、PCX、TGA、PNG、PSD等格式。5、圖像通道通道的概念主要是針對彩色和多光譜圖像而言。因為這些圖像是由多個獨立的主色圖像組成，每一個主色圖像稱為一個通道，它記錄了相應主色的亮度信息〔即相當于一個灰度圖像〕。比方最常見的RGB彩色圖像就是由紅〔R〕、綠〔G〕、藍〔B〕三個通道組成。5、圖像通道顏色可以用不同的模型進行表示，除了最常用的RGB模式外，還有Lab、YIQ、HSI、CMYK、YCbCr等多種模式。同一圖像用不同色彩模式表示時，其通道的內容也會有一定差異。

RGB模式HSI模型YIQ模型CIELab模型YCbCr模型除存放圖像顏色信息的通道外，還可以有另一種性質的通道，這就是Alpha通道。這種通道由用戶自己建立，用來存放用戶的操作內容，例如存放區域分割信息(蒙版)、存放與彩色圖像對應的灰度圖像、存放選擇區域邊界以及用于通道計算等。它們與主色通道一起構成一幅圖像，但Alpha通道不是組成圖像的必要條件，沒有Alpha通道的圖像照樣是完整的圖像。目前只有少數的圖像處理軟件支持Alpha通道，其中包括最常用的Photoshop。Photoshop圖像通道調色板

6、灰度直方圖灰度直方圖簡稱直方圖，是灰度級的函數，描述的是灰度圖像中具有該灰度級的像素的個數。其橫坐標是灰度級，縱坐標是該灰度出現的頻率(或像素的個數)。

6、灰度直方圖直方圖表達了圖像的統計特性，在圖像處理中具有重要的作用。有些圖像增強的操作就是直接針對直方圖進行的。同時，直方圖給出一個簡單可見的指示，用來判斷一幅圖像是否合理地利用了全部可能的灰度級范圍，這在進行圖像數字化時很有用。三、數字圖像處理的主要方法1、空域處理

點運算實際上就是對圖像的每個像素值按一定的映射關系進行運算，得到一幅新圖像的過程。假設原圖象為A(x,y),經點運算處理后得到的圖像為B(x,y)，那么B(x,y)=f[A(x,y)]圖像處理中進行的數學變換都是點運算。對于一幅輸入圖像，經過點運算將產生一幅輸出圖像，后者的每個像素點的灰度值僅由相應輸入像素點的值決定。點運算鄰域運算鄰域處理(有時稱為區處理，模板處理等)指的是以某一像素為中心從圖像中取出一個小區域，然后用該小區域的像素經某種運算變換得到該中心像素的新值。由于中心像素周圍的鄰域像素在二維方向上提供了圖像在該范圍內的亮度變化信息，因此這樣的處理實際上就是對這種局部亮度變化作調整。鄰域運算鄰域處理與點處理的區別在于：點處理只使用圖像中的一個像素值經某一變換后求出該像素的新值，而鄰域處理那么需要用一個像素組來決定中心像素的值。鄰域處理等價于某種空間濾波處理。空間濾波在圖像處理中有很多應用，例如圖像的特征提取、圖像的銳化與平滑、圖像的模糊以及消除圖像小的隨機噪聲等。幾何變換處理幾何變換處理目的是改變圖像中各物體之間的空間關系。這種運算可以看成是將(各)物體在圖像內移動和變形。幾何變換處理需要兩個獨立的過程。首先，需要一個算法來定義空間變換本身，用它描述每個像素如何從其初始位置“移動〞到終止位置，即每個像素的“運動〞；同時，還需要一個用于灰度插值的算法。空間變換與灰度插值幾何變換處理常用來對圖像的變形進行校正，或者對記錄同一對象的不同圖像進行配準等。很多影視作品中常利用它來到達影像變形的目的。圖像代數與邏輯運算圖像代數運算是指將兩幅圖像通過對應像素之間的加、減、乘、除運算得到輸出〔結果〕圖像的方法。在加、乘法運算時可以是兩幅以上的圖像同時參與運算。定義如下：C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)；C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)C(x,y)=A(x,y)×B(x,y)；C(x,y)=A(x,y)÷B(x,y)加法運算多幅去噪處理之前處理之后據理論分析，對M幅含噪聲圖像進行疊加平均，其噪聲水平可以降到原來的。減法運算去除指紋圖像的不規那么背景干擾

不均勻照明的校正乘法運算乘法運算在數字圖像處理中可用來對圖像進行掩模〔mask〕處理。掩模一般是一個二值化的模板。對應于被掩蔽的局部的值為0，非掩蔽局部那么為1。與這樣的一個掩模圖像相乘的結果是原圖像上的一局部被屏蔽了。除法運算圖象除法的可以用來校正由于照明或傳感器的非均勻性造成的圖象灰度陰影。在多光譜圖像分析時，有時也會用到圖像之間的除法運算。圖像邏輯運算及其應用常見的圖像邏輯運算有與、或、非等，其主要針對二值圖像，在圖像理解與分析領域比較有用，數字圖像處理中一類很重要的方法——數學形態學方法，就是以此為根底的。運用這種方法也可以為圖像提供模板，與其他運算方法結合起來獲得某種特殊效果。2、變換域處理圖像的變換域處理往往是在無法通過空域處理現實某種效果或實現過程比較繁復的情況下采用，變換的目的是使處理更加方便。比方利用傅立葉變換可以從頻譜分析的角度認識和處理圖像；利用離散余弦變換可以將圖像的能量集中在少數的變換系數上，從而減少圖像的存儲空間等等。第二節、數字圖像處理的主要內容圖像增強圖像恢復圖像壓縮與編碼圖像分析與理解圖像處理的三個層次一、圖像增強圖像增強是數字圖像處理的根本內容之一，其目的在于突出圖像上感興趣的內容，使得從視覺效果上看，某些特定信息得到增強，變得明顯，而處理效果的評價也主要以人的主觀感受為主要依據。需要指出的是，圖像增強處理只是突出了某些信息，增強了對某些信息的辨識能力，其他信息那么可能受到壓縮。一、圖像增強圖像增強處理根據處理過程所在空間的不同可以分為空域增強和頻率域增強，前者主要的處理手段有灰度變換〔通過點運算實現〕和空間濾波〔通過鄰域運算實現〕，后者那么是先將圖像通過諸如傅立葉變換的數學變換轉換到頻率域加以針對頻率的處理，然后再進行反變換。一、圖像增強根據處理對象的不同，圖像增強還可以分為灰度圖像增強和彩色圖像增強。其中彩色圖像的增強除了基于色度學原理的顏色模型變換以外，絕大多數的處理方法與灰度圖像相同，因為彩色圖像實際上是由多個通道的灰度圖像組成的，分別將各個通道進行處理之后，彩色圖像的處理也就完成了。二、圖像恢復圖像退化模型圖像恢復的方法非常多，其中包括逆濾波、維納濾波等線性方法，以及最大熵、Lucy-Richardson算法等非線性方法。圖像恢復實例〔最大熵〕三、圖像壓縮編碼

1、壓縮圖像的必要性

2、圖像壓縮的可能性圖像存在以下信息冗余：

編碼冗余像素間冗余心理視覺冗余3、圖像壓縮的方法從對信息保持程度的角度，壓縮編碼可分為無損壓縮和有損壓縮。從其實現的機理分類，又可分為字典法(行程編碼)、統計編碼〔哈夫曼編碼〕、預測編碼方法、變換編碼方法等。四、圖像分析與理解圖像分析與理解屬于相對較高層次的圖像處理，它主要研究如何幫助機器通過圖像認識客觀對象。主要程序是：分割→描述→識別，決策，…第三節、常用圖像處理軟件常用圖像處理軟件的種類Photoshop及其功能簡介一、常用圖像處理軟件的種類通用軟件

專業處理軟件

特定領域專用軟件

1、通用圖像處理軟件從專業的角度看，通用的圖像處理軟件具有的處理功能面比較窄，比方不具備圖像恢復、頻域處理等根本功能，不過一些由第三方開發的Plug-in〔插件〕在一定程度上彌補了這一缺陷。2、專業的圖像處理軟件3、特定領域的圖像處理軟件這類軟件主要根據特定研究領域的特點而“量身定做〞，比方專為天文研究設計的Registax、Winstar、Starcalc，為生物研究設計的ImageMaster2DPlatinumViewer、LabImage等等。也有一些專門為刑偵、司法鑒定設計的軟件如Poliview，名捕，恒銳等等。二、Photoshop及其功能簡介此局部內容由教師課堂通過上機演示介紹，包括：Photoshop的點運算功能Photoshop的鄰域運算功能Photoshop的代數運算功能Photoshop的幾何變換功能Photoshop的顏色處理功能Photoshop的圖像分割功能改善圖像視覺效果，挖掘圖像隱含信息，提高圖像證據價值刑事現場和物證信息的重組和再