計算機視覺基礎 課件 人工智能_第1頁
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文檔簡介

計算機視覺基礎前導知識結構?

基礎理論?

高等數學、概率論與數理統計、幾何學、圖論、…?

專業理論?

數字圖像處理、數字信號系統、…?

編程能力?

Python、C/C++、Matlab、Java、…?

硬件與系統知識?

嵌入式系統、硬件語言、系統結構、…Hangzhou

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周文暉如何學??

計算機視覺是一門多學科交叉性課程,涉及計算機、信息、電子、仿生、數學等。?

如何去學??

學習的階段和層次?

本科生是導論,概念、發展和思想建模。?

研究生階段涉及算法、編程和實現。?

學習的方法?

學習必要性:智能化是社會發展趨勢。?

學習的方法:日常生活中培養興趣。Hangzhou

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周文暉教材?

章毓晉編著《計算機視覺教程》人民郵電出版社

2017年3月第2版Hangzhou

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周文暉主要參考書目?

Rafael

C.

Gonzalez.

Digital

Image

Processing

(3rd

Edition).

Prentice

Hall.?

馬頌德,張正友.

計算機視覺—計算理論與算法基礎.

科學出版社.

2003.?

Richard

I.

Hartley,

Andrew

Zisserman.

Multiple

View

Geometry

in

Computer

Vision.Cambridge

University

Press.

2004.?

…Hangzhou

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周文暉第一章

緒論1.1

計算機視覺Hangzhou

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周文暉人們是怎樣認識世界Hangzhou

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周文暉人的五感Hangzhou

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周文暉百聞不如一見?

人類從外界獲取的信息約60~90%來自視覺系統視感覺視知覺①

光的物理特性;①

接收到視覺刺激后的反應;②

將分散刺激加以組織,構成具有一定形狀的整體以認識世界。②

光刺激視覺感受器官的程度;③

光作用于視網膜后經視覺系統加工而產生的感覺。視覺的最終目的是對客觀場景的解釋和描述Hangzhou

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周文暉什么是計算機視覺??

教材定義:采用計算機實現人類視覺功能。讓計算機理解圖像和視頻Whatkindofscene?Wherearethecars?How

faristhebuilding?…Hangzhou

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周文暉與數字圖像處理的區別?

數字圖像處理?

圖像/視頻

‐>

圖像/視頻?

圖像變換、圖像濾波、圖像復原、圖像壓縮、

…?

計算機視覺?

圖像/視頻

‐>

模型?

David

Marr

視覺計算理論的創始人?

二維基素圖

‐>

2.5維要素圖

‐>

三維模型表征Hangzhou

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周文暉Vision

is

really

hard?

視覺是大自然智慧的一個奇跡?

視覺皮層面積約占整個大腦皮層面積的50%Isthat

aqueen

orabishop??

視力正常的人類大腦中視覺活動占整個大腦活動的主導地位Hangzhou

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周文暉CVPR2021ICCV2021Hangzhou

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周文暉深度學習已經成為計算機視覺中的標配??

首要原因是深度學習可以做到傳統方法無法達到的精度;?

深度學習算法的通用性強;比如faster

RCNN在人臉、行人、一般物體檢測任務上都可以取得非常好的效果;?

工程開發、優化、維護成本低。深度學習計算主要是卷積和矩陣乘,針對這種計算優化,所有深度學習算法都可以提升性能。Hangzhou

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周文暉深度學習面臨的挑戰Deep

Learning:

A

Critical

Appraisal/abs/1801.00631?

1、截至目前,深度學習依然嚴重依賴于數據集的質量和數量;?

2、截至目前,深度學習遷移能力有限;它所學會的,只是特定場景下的特例。?

3、截至目前,深度學習還不夠透明;神經網絡的“黑箱”性質至今沒有解決。?

4、深度學習還未與先驗知識結合?

……Hangzhou

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周文暉NeurlPS

2019

https://objectnet.dev/?

MIT

聯合

IBM

研究團隊提出了一個數據集,圖像識別

S

OTA

模型的性能下降了

40

多個點ol

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周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:外觀、大小和形狀圖像中的人存在各種形狀、大小和外觀Hangzhou

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周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:復雜姿態/運動Hangzhou

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周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:復雜和不可預測的行為Hangzhou

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周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:噪聲和遮擋Hangzhou

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周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:外觀變化Hangzce院

周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:上下文間依賴性Hangzhou

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周文暉傳統計算機視覺面臨的挑戰:視點變化Hangzhou

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周文暉挑戰或機遇??

雖然計算機視覺面臨諸多挑戰,但圖像隱含著許多有用的線索,可以解釋和描述場景結構。Hangzhou

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周文暉智利Fredo的3D鉛筆素描Hangzhou

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周文暉深度線索:直線透視?

平行直線在圖像平面上相交Hangzhou

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周文暉深度線索:空間透視?

濃淡遠近法Hangzhou

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周文暉遠近順序線索:遮擋Hangzhou

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周文暉形狀線索:紋理梯度Hangzhou

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周文暉形狀和光照線索:陰影Hangzhou

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周文暉位置和光照線索:投影Hangzhou

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周文暉視覺錯覺棋盤格亮度錯覺。圖中A,B兩塊區域的亮度是一致的/wiki/File:Grey_square_optical_illusion.svgHangzhou

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周文暉視覺錯覺兩個著名的錯覺輪廓。a圖中能夠看到一個比背景亮度更亮的白色三角形。b圖中能夠看到一根豎直的細線輪廓。人們已經發現了靈長類的視覺皮層存在編碼對兩種錯覺輪廓有反應的神經元。Hangzhou

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周文暉手繪翻頁動畫Hangzhou

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周文暉研究方法?

仿生學方法?

仿生模型

‐>計算模型?

工程方法?

數學、信號處理等方法Hangzhou

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周文暉計算機視覺應用領域交通安全生物醫學影視娛樂安防監控人機交互輔助服務Hangzhou

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周文暉OCR(光學字符識別)Digit

recognition,

AT&TlabsLicense

platereaders/~yann//wiki/Automatic_number_plate_recognitionHangzhou

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周文暉智能交通Hangzhou人臉檢測

大部分數字像機都具有人臉檢測和定位功能?

Canon,

Sony,

Fuji,

…Hangzhou

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周文暉表情識別Hangzhou

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周文暉Sony

Cyber-shot?

T70

Digital

Still

Camera多視點三維重建?

Building

Rome

in

a

DayHangzhou

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oce

an機學院

周文暉多視點三維重建………………直徑10米、高7米50個CCD相機Hangzhou

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杭州電2000個LEDof周文暉基于視覺的生物識別?

虹膜識別“Howthe

AfghanGirlwasIdentifiedbyHerIrisPatterns”Read

thestory

wikipediaHangzhou

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Univool

ofC計算機學院

周文暉基于視覺的生物識別?

指紋識別Facerecognitionsystemsnowbeginning

toappearmorewidely/Fingerprintscannersonmanynewlaptops,otherdevicesHangzhou

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周文暉輔助駕駛

Mobileye?

已應用在寶馬、英菲尼迪、沃爾沃等的高端車型。Hangzhou

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周文暉無人駕駛汽車?

DARPA

“Grand

Challenge”

2004/200510小時內跑完132英里Hangzhou

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周文暉無人駕駛汽車?

DARPA

“Urban

Challenge”

2007要求在都市環境自動駕駛,遵守交通規則。并根據交通狀況做出適當反應。Hangzhou

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周文暉Google無人駕駛汽車/2010/10/10/science/10google.html?ref=artificialintelligenceHangzhou

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杭州電子科技大學自動駕駛/輔助駕駛Adas上圖中預測的目標和目標類別(藍色=汽車;綠色=可駕駛空間;紅色=行人)Hangzhou

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周文暉基于視覺的人機交互?

Kinect/en-us/kinectforwindows/develop/Hangzhou

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周文暉智能機器人

好奇號火星探測器,于2011年11月發射,2012年8月成功登陸火星表面。它是美國第七個火星著陸探測器,第四臺火星車,也是世界上第一輛采用核動力驅動的火星車。

美國“雅典娜”系列火星探測器NASA'S

Mars

Exploration

Rover

SpiritMatthies

et

al.

“Computer

Vision

on

Mars”Hangzhou

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周文暉工業機器人?

一汽和二汽點焊線Hangzhou

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周文暉醫學成像Hangzhou

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周文暉第一章

緒論1.2

圖像基礎Hangzhou

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周文暉CCD/CMOS成像原理?

光電轉換/光積分過程Hangzhou

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周文暉采樣和量化投影到傳感器陣列取樣、量化后的數字圖像上的連續圖像Hangzhou

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周文暉采樣和量化Hangzhou

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周文暉采樣和量化Hangzhou

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周文暉采樣和量化

圖像表示255

255

255

255

255

255

255

255

255

255

255

255255

255

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255

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255

255

255255

255

255

200

255

255

255

255

255

255

255=255

255

255

75

75

75

255

255

255

255

255

255255

255

75

95

95

75

255

255

255

255

255

255255

255

96

127

145

175

255

255

255

255

255

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255

127

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175

175

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255

127

145

200

200

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175

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255

255

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255

127

145

200

200

175

175

95

47

255

255255

255

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145

145

175

127

127

95

47

255

255255

255

74

127

127

127

95

95

95

47

255

255255

255

255

74

74

74

74

74

74

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255

255255

255

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255

255

255

255

255

255

255255

255

255

255

255

255

255

255

255

255

255

255每個值為一個字節,0

=

black,

255

=

whiteHangzhou

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周文暉0.92

0.93

0.94

0.97

0.62

0.37

0.85

0.97

0.93

0.92

0.990.95

0.89

0.82

0.89

0.56

0.31

0.75

0.92

0.81

0.95

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0.72

0.51

0.55

0.51

0.42

0.57

0.41

0.49

0.91

0.920.96

0.95

0.88

0.94

0.56

0.46

0.91

0.87

0.90

0.97

0.950.71

0.81

0.81

0.87

0.57

0.37

0.80

0.88

0.89

0.79

0.850.49

0.62

0.60

0.58

0.50

0.60

0.58

0.50

0.61

0.45

0.330.86

0.84

0.74

0.58

0.51

0.39

0.73

0.92

0.91

0.49

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0.67

0.54

0.85

0.48

0.37

0.88

0.90

0.94

0.82

0.930.69

0.49

0.56

0.66

0.43

0.42

0.77

0.73

0.71

0.90

0.990.79

0.73

0.90

0.67

0.33

0.61

0.69

0.79

0.73

0.93

0.970.91

0.94

0.89

0.49

0.41

0.78

0.78

0.77

0.89

0.99

0.93圖像表示Hangzhou

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周文暉不同采樣率測試128x128像素256x256像素空間分辨率:數字化的空間采樣點數64x64像素32x32像素Hangzhou

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周文暉不同量化灰階測試32級灰度256級灰度幅度分辨率:采樣點值的量化級數8級灰度2級灰度Hangzhou

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周文暉R彩色圖像GBHangzhou

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周文暉彩色圖像表示columnrowR0.92

0.93

0.94

0.97

0.62

0.37

0.85

0.97

0.93

0.92

0.990.95

0.89

0.82

0.89

0.56

0.31

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0.81

0.95

0.910.89

0.72

0.51

0.55

0.51

0.42

0.57

0.41

0.49

0.91

0.920.96

0.95

0.88

0.94

0.56

0.46

0.91

0.87

0.90

0.97

0.950.71

0.81

0.81

0.87

0.57

0.37

0.80

0.88

0.89

0.79

0.850.49

0.62

0.60

0.58

0.50

0.60

0.58

0.50

0.61

0.45

0.330.86

0.84

0.74

0.58

0.51

0.39

0.73

0.92

0.91

0.49

0.740.96

0.67

0.54

0.85

0.48

0.37

0.88

0.90

0.94

0.82

0.930.69

0.49

0.56

0.66

0.43

0.42

0.77

0.73

0.71

0.90

0.990.79

0.73

0.90

0.67

0.33

0.61

0.69

0.79

0.73

0.93

0.970.91

0.94

0.89

0.49

0.41

0.78

0.78

0.77

0.89

0.99

0.93G0.92

0.990.95

0.910.91

0.920.97

0.950.79

0.850.45

0.330.49

0.740.82

0.93B0.92

0.990.95

0.910.91

0.920.97

0.950.79

0.850.45

0.330.49

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0.930.69

0.49

0.56

0.66

0.43

0.42

0.77

0.73

0.71

0.90

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0.73

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0.67

0.33

0.61

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0.73

0.93

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0.94

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0.49

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0.78

0.77

0.89

0.99

0.93Hangzhou

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周文暉常見顏色的RGB組合顏色黑色白色灰色紅色綠色藍色青色紫色黃色紅色分量R綠色分量G藍色分量B000255128255025512802551280255000255255255002550255255255Hangzhou

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周文暉像機成像流程Hangzhou

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周文暉像機成像流程——鏡頭組?

鏡頭組像機成像流程——光圈?

光圈Hangzhou

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周文暉像機成像流程——快門?

快門Hangzhou

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周文暉像機成像流程——Bayer格式?

RAW和DemosaicHangzhou

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周文暉數字圖像的表示?

一幅圖像可以定義為一個二維函數

f(x,y),空間坐標(x,y)上的值

f稱為該點圖像的灰度。f

(0,1)f

(1,

1)

f

(0,

N

1)

f

(0,

0)

f

(1,

0)

f

(1,

N

1)?

矩陣表示:

f

(x,

y)

f

(M

1,

0)

f

(M

1,

1)

f

(M

1,

N

1)

矩陣中的每個元素對應著圖像的一個點或區域,稱為像素(pixel)。Hangzhou

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周文暉數字圖像的存儲?

數組存儲方式?

二維數組

f(x,y)=

I[y][x]?

一維數組

f(x,y)=

I[y*width+x]?

數組類型(8bits)?

BYTE

unsignedchar?

指針表示:內存分配同數組存儲方式?

指針BYTE*pimg;BYTE**ppimg;?

指向指針的指針Hangzhou

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周文暉數字圖像坐標系?

圖像左上角為圖像坐標系原點,即(0,0)點Hangzhou

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周文暉數字圖像格式?

圖像文件格式?

BMP格式?

GIF格式?

TIFF格式?

JPEG格式?

…Hangzhou

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周文暉BMP圖像格式?

BMP文件組成?

位圖文件頭、位圖信息頭、調色板和數據?

位圖文件頭?

包含BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息typedef

struct

tagBITMAPFILEHEADER

{WORDbfType;DWORD//

位圖文件的類型,必須為BMbfSize;

//

位圖文件的大小,以字節為單位WORDbfReserved1;

//

位圖文件保留字,必須為0WORDbfReserved2;

//

位圖文件保留字,必須為0DWORDbfOffBits;

//

位圖數據起始地址相對文件頭的偏移}

BITMAPFILEHEADER;Hangzhou

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周文暉?

位圖信息頭:用于說明位圖的尺寸等信息BMP圖像格式(2)typedef

struct

tagBITMAPINFOHEADER

{DWORD

biSize;//

本結構所占用字節數LONG

biWidth;

//

位圖的寬度,以像素為單位LONG

biHeight;

//

位圖的高度,以像素為單位WORD

biPlanes;

//

目標設備的級別,必須為1WORD

biBitCount;

//

每個像素所需的位數,必須是1(雙色),//

4(16色),8(256色)或24(真彩色)之一DWORD

biCompression;

//

位圖壓縮類型,必須是

0(不壓縮),//

1(BI_RLE8壓縮類型)或2(BI_RLE4壓縮類型)之一DWORD

biSizeImage;//

位圖的大小,以字節為單位LONG

biXPelsPerMeter;

//

位圖水平分辨率,每米像素數LONG

biYPelsPerMeter;

//

位圖垂直分辨率,每米像素數DWORD

biClrUsed;//

位圖實際使用的顏色表中的顏色數DWORD

biClrImportant;

//

位圖顯示過程中重要的顏色數}

BITMAPINFOHEADER;Hangzhou

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周文暉BMP圖像格式(3)?

調色板:用于說明位圖中的顏色typedef

struct

tagRGBQUAD

{BYTE

rgbBlue;BYTE

rgbGreen;BYTE

rgbRed;//

藍色的亮度(值范圍為0-255)//

綠色的亮度(值范圍為0-255)//

紅色的亮度(值范圍為0-255)BYTE

rgbReserved;

//

保留,必須為0}

RGBQUAD;?

位圖數據?

記錄了位圖的每一個像素值,?

記錄順序是在掃描行內是從左到右,掃描行之間是從下到上?

彩色分量順序是GBRHangzhou

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周文暉讀取BMP圖像(1)//

打開BMP文件FILE

*fp_BMP;

fopen_s(&fp_BMP,

filename,

"rb");//

讀位圖文件頭fread(&bmfh.bfType,sizeof(unsigned

short),1,fp_BMP);if(bmfh.bfType

!=

(unsigned

short)0x4D42)

//

若文件頭兩個不是"BM“return

FALSE;fread(&bmfh.bfSize,sizeof(unsigned

long),1,fp_BMP);fread(&bmfh.bfReserved1,sizeof(unsigned

short),1,fp_BMP);fread(&bmfh.bfReserved2,sizeof(unsigned

short),1,fp_BMP);fread(&bmfh.bfOffBits,sizeof(unsigned

long),1,fp_BMP);Hangzhou

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周文暉讀取BMP圖像(2)//

讀位圖信息頭fread((char*)&bmih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp_BMP);bmpwidth

=

(int)bmih.biWidth;bmpheight=

(int)bmih.biHeight;//

讀取圖像寬度//

讀取圖像高度//

讀取圖像位數if

(bmih.biBitCount

==

8)nbit

=

1;else

if

(bmih.biBitCount

==

24)

nbit

=

3;elsereturn

FALSE;//

距離文件起始點偏移bmfh.bfOffBits,開始讀圖像fseek(fp_BMP,

bmfh.bfOffBits,

SEEK_SET);Hangzhou

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周文暉讀取BMP圖像(3)//

讀取數據for(i=bmpheight‐1;

i>=0;

i‐‐)

{addr

=

i*bmih.biWidth*nbit

;fread(linebuf,sizeof(BYTE),linebuf_size,fp_BMP);

//

讀入一行數據if

(bmih.biBitCount

==

8)memcpy((pbuf‐>Img+addr),

linebuf,

bmpwidth*sizeof(BYTE));else

if

(bmih.biBitCount

==

24)

{

//

存放順序為B,G,R,B,G,R,...for(j=0;

j<bmpwidth;

j++)

{pbuf‐>Img[addr+j*3+2]

=

linebuf[j*3];pbuf‐>Img[addr+j*3+1]

=

linebuf[j*3+1];pbuf‐>Img[addr+j*3]

=

linebuf[j*3+2];}}}Hangzhou

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周文暉Matlab及其圖像處理庫?

MATLAB是Math

Works公司開發的科學計算工具軟件包。?

主要特色:?

“草稿紙式”的編程語言?

提供了大量的進行數組和矩陣運算的函數?

提供了各種科學計算工具箱?

具有良好的用戶界面?

具有良好的軟件復用性Hangzhou

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周文暉Matlab桌面?

Matlab桌面是Matlab應用的主窗口?

包括5個子窗口:?

命令窗口?

工作空間窗口?

當前目錄窗口?

歷史命令窗口?

圖形窗口Hangzhou

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周文暉Matlab的ImageProcessing

TOOLBOXHangz

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