数字图像处理课件-第一章R1.ppt

1、数字图像处理数字图像处理单单 位：西安电子科技大学位：西安电子科技大学 模式识别与智能控制研究所模式识别与智能控制研究所主讲人：赵亦工主讲人：赵亦工电电 话：话：136-0915-3607邮邮 件：件：教学概况教学概况p教学目的教学目的u理解概念、掌握方法、学会应用理解概念、掌握方法、学会应用p教学安排教学安排u本课程授课包括考试，本课程授课包括考试，48学时。学时。u3次课后上机实验，每次次课后上机实验，每次4学时。学时。u前两次课统计选课人数。前两次课统计选课人数。第一章第一章 绪论绪论1.1 图像和图像处理图像和图像处理1.2 数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的步骤和方法1.3 数字

2、图像处理系统的组成数字图像处理系统的组成1.4 数字图像处理的主要应用数字图像处理的主要应用1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例1.6 课程内容简介课程内容简介1.1 图像和图像处理图像和图像处理什么是图：什么是图：o物体透射（吸收）或反射能量（光、无线电波、声波、高能射线等）随空间的分布，物体透射（吸收）或反射能量（光、无线电波、声波、高能射线等）随空间的分布，是客观存在的。是客观存在的。o来自于自然界，自然形成：动植物、自然环境等。来自于自然界，自然形成：动植物、自然环境等。o来自于人类，设计和创造：绘画、人造物体等。来自于人类，设计和创造：绘画、人造物体等。o自然界中存在的图

3、（某种能量的空间分布），很多不在可见光波段自然界中存在的图（某种能量的空间分布），很多不在可见光波段（电磁波、声波（电磁波、声波和高能粒子射线）和高能粒子射线），或空间尺度过小，用肉眼无法观察到，需要借助专门的工具。，或空间尺度过小，用肉眼无法观察到，需要借助专门的工具。n扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM：利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原子水平，可查看大分子和生物膜分子结构。其分辨率可达原子水平，可查看大分子和生物膜分子结构。n原子力显微镜原子力显微镜AFM：通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极通过检测

4、待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质的。可观察大分子在微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质的。可观察大分子在体内的活动变化。可以三维记录拍摄。体内的活动变化。可以三维记录拍摄。1.1 图像和图像处理图像和图像处理o借助工具，借助工具，“图图”可以转换成可见光的形式，人可以通过肉眼观察。可以转换成可见光的形式，人可以通过肉眼观察。1.1 图像和图像处理图像和图像处理什么是像：什么是像： “像像”是人的视觉系统对图在大脑中形成的印象或认识，属于人的主观感觉。是人的视觉系统对图在大脑中形成的印象或认识，属于人的主观感觉。什么是图像：什么

5、是图像： 图像（图像（image）是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的）是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的心理因素；是对客观存在的物体的一种可视的、具有相似性的描述或映射，它包心理因素；是对客观存在的物体的一种可视的、具有相似性的描述或映射，它包含了被描述对象的有关信息。含了被描述对象的有关信息。小结：小结：n图是某种物理客观存在，像是人对这种客观存在的主观感受。图是某种物理客观存在，像是人对这种客观存在的主观感受。 n人类从外界获取的信息中有人类从外界获取的信息中有75%来自视觉，即以图像的形式获取。来自视觉，即以图像的形式获取。1.1 图像和图像处理图像和

6、图像处理图像处理：图像处理： 图像处理（图像处理（image processing）就是对包含图像信息的数据进行加工处理）就是对包含图像信息的数据进行加工处理和分析，以满足人的视觉心理需要和某种实际应用的需求（如图像色彩增强、机和分析，以满足人的视觉心理需要和某种实际应用的需求（如图像色彩增强、机器人视觉系统等）。器人视觉系统等）。图像处理的分类：图像处理的分类： 图像处理可分为以下图像处理可分为以下3类（按数据类型和处理手段）类（按数据类型和处理手段） ：n模拟图像处理（模拟图像处理（analogue image processing） n数字图像处理（数字图像处理（digital imag

7、e processing） n光电结合处理（光电结合处理（optoelectronic image processing）1.1 图像和图像处理图像和图像处理模拟图像处理：模拟图像处理： 也称光学图像处理，它是利用光学透镜或光学照相方法对模拟图像进行的处理。也称光学图像处理，它是利用光学透镜或光学照相方法对模拟图像进行的处理。实时性强、速度快、处理信息量大、分辨率高；处理精度低，功能改变灵活性差，实时性强、速度快、处理信息量大、分辨率高；处理精度低，功能改变灵活性差，能够完成的处理功能有限，难以具备智能化功能能够完成的处理功能有限，难以具备智能化功能 。数字图像处理：数字图像处理： 利用计算机

8、对数字化后的图像进行处理利用计算机对数字化后的图像进行处理 。精度高、功能改变灵活性好、能完成复。精度高、功能改变灵活性好、能完成复杂的处理功能、具备智能化功能；处理速度受到计算机和数字器件的限制，处理杂的处理功能、具备智能化功能；处理速度受到计算机和数字器件的限制，处理流程一般是串行处理，处理速度较慢。流程一般是串行处理，处理速度较慢。光电结合处理：光电结合处理： 用光学方法完成运算量巨大的处理（如频谱变换等），而用计算机对光学处理结用光学方法完成运算量巨大的处理（如频谱变换等），而用计算机对光学处理结果（如频谱）进行分析判断等处理。该方法是前两种方法的有机结合，它集结了果（如频谱）进行分析

9、判断等处理。该方法是前两种方法的有机结合，它集结了二者的优点。光电结合处理是今后图像处理的发展方向，也是一个值得关注的研二者的优点。光电结合处理是今后图像处理的发展方向，也是一个值得关注的研究方向。究方向。 1.1 图像和图像处理图像和图像处理图像的数学表示：图像的数学表示： 一幅图像所包含的信息首先表现为光（某种物理量）的强度（一幅图像所包含的信息首先表现为光（某种物理量）的强度（intensity）,即一即一幅图像可看成是空间各个坐标点上的光强度幅图像可看成是空间各个坐标点上的光强度I 的集合，其普遍数学表达式为：的集合，其普遍数学表达式为： I = f (x，y，z，t) 式中式中(x,

10、y,z)是空间坐标，是空间坐标， 是波长，是波长，t是时间，是时间，I是光点是光点(x,y,z)的强度（幅度）。的强度（幅度）。 上式表示一幅运动的上式表示一幅运动的(t)、彩色、彩色/多光谱的多光谱的( )、立体的、立体的(x,y,z)图像。图像。图像种类：图像种类：1.1 图像和图像处理图像和图像处理图像的分解和组合关系：图像的分解和组合关系： n运动图像可用（静止）图像序列表示，运动图像可用（静止）图像序列表示，n彩色图像可分解成三基色图像，彩色图像可分解成三基色图像，n三维图像可由二维重建。三维图像可由二维重建。 本课程主要针对平面上的静止灰度图像进行论述。本课程主要针对平面上的静止灰

11、度图像进行论述。 图像的特点：图像的特点：（1）空间有界：人的视野有限，一幅图像的大小也有限。）空间有界：人的视野有限，一幅图像的大小也有限。 （2）幅度（强度）有限）幅度（强度）有限 ：即对于所有的：即对于所有的x，y都有都有0f(x,y) Bm ，其中，其中Bm为有限值为有限值 。1.2 数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的目的：数字图像处理的目的： 一般而言，一般而言， 对图像进行加工和分析主要有如下三方面的目的：对图像进行加工和分析主要有如下三方面的目的： n提高图像的视感质量，提高图像的视感质量， 以达到赏心悦目的目的。以达到赏心悦目的目的。如去除图像中的噪

12、声，如去除图像中的噪声， 改变改变图像的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几图像的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几何变换等，从而改善图像的质量，何变换等，从而改善图像的质量， 以达到或真实的、或清晰的、或色彩丰富以达到或真实的、或清晰的、或色彩丰富的、或意想不到的艺术效果。的、或意想不到的艺术效果。n提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，提取图像中所包含的某些特征或特殊信息， 以便于计算机分析，以便于计算机分析，例如，常用例如，常用作模式识别、计算机视觉的预处理等。这些特征包括很多方面，作模式识别、计算机视觉的预处理等。这些特征包括很多方面，

13、 如频域特性、如频域特性、灰度颜色特性、边界区域特性、纹理特性、形状拓扑特性以及关系结灰度颜色特性、边界区域特性、纹理特性、形状拓扑特性以及关系结构等。构等。n对图像数据进行变换、编码和压缩，对图像数据进行变换、编码和压缩， 以便图像存储和传输。以便图像存储和传输。图像数字化的途径：图像数字化的途径：n采用图像扫描仪等将图像数字化。采用图像扫描仪等将图像数字化。n对图像传感器采集的模拟图像信号进行数字化。对图像传感器采集的模拟图像信号进行数字化。1.2 数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的基本步骤：数字图像处理的基本步骤：o图像信息的获取：图像信息的获取：采用图像扫描

14、仪等将图像数字化；使用数字图像传感器。采用图像扫描仪等将图像数字化；使用数字图像传感器。o图像信息的存储：图像信息的存储：对获取的数字图像、处理过程中的图像信息以及处理结果存储对获取的数字图像、处理过程中的图像信息以及处理结果存储在计算机等数字系统中。在计算机等数字系统中。o图像信息的处理：图像信息的处理：即数字图像处理，它是指用数字计算机或数字系统对数字图像即数字图像处理，它是指用数字计算机或数字系统对数字图像进行的各种处理进行的各种处理 。o图像信息的传输：图像信息的传输：要解决的主要问题是传输信道和数据量的矛盾问题，一方面要要解决的主要问题是传输信道和数据量的矛盾问题，一方面要改善传输信

15、道，提高传输速率，另外要对传输的图像信息进行压缩编码，以减少改善传输信道，提高传输速率，另外要对传输的图像信息进行压缩编码，以减少描述图像信息的数据量。描述图像信息的数据量。o图像信息的输出和显示：图像信息的输出和显示：用可视的方法进行输出和显示（考虑人眼视觉模型）。用可视的方法进行输出和显示（考虑人眼视觉模型）。1.2 数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的步骤和方法数字图像处理的内容和方法：数字图像处理的内容和方法：o图像数字化：图像数字化：将非数字形式的图像信号通过数字化设备转换成数字图像，包括采样和量将非数字形式的图像信号通过数字化设备转换成数字图像，包括采样和量化。化。o图像变换：图

16、像变换：对图像信息进行变换以便于在变换域（频域）对图像进行更有效的处理。对图像信息进行变换以便于在变换域（频域）对图像进行更有效的处理。o图像增强：图像增强：增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，提高图像的清晰度，突出图像中增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，提高图像的清晰度，突出图像中所感兴趣的部分。所感兴趣的部分。o图像恢复（复原）：图像恢复（复原）：对退化的图像进行处理，使处理后的图像尽可能地接近原始（清晰）对退化的图像进行处理，使处理后的图像尽可能地接近原始（清晰）图像。图像。o图像压缩编码：图像压缩编码：对待处理图像进行压缩编码以减少图像的数据量。对待处理图像进行压缩编码以减少图像

17、的数据量。o图像分割：图像分割：根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，这些选定的特征包括图根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，这些选定的特征包括图像的边缘、区域等。像的边缘、区域等。o图像分析与描述：图像分析与描述：主要是对已经分割的或正在分割的图像各部分的属性及各部分之间的主要是对已经分割的或正在分割的图像各部分的属性及各部分之间的关系进行分析表述。关系进行分析表述。o图像识别分类：图像识别分类：根据从图像中提取的各目标物的特征，与目标物固有的特征进行匹配、根据从图像中提取的各目标物的特征，与目标物固有的特征进行匹配、识别，以作出对各目标物类属的判别。识别，以作出对各目标物

18、类属的判别。1.3 数字图像处理系统的组成数字图像处理系统的组成基本组成：基本组成： 一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像通信、图像处理一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像通信、图像处理和分析五个模块组成。和分析五个模块组成。如下图所示：如下图所示：1.3 数字图像处理系统的组成数字图像处理系统的组成o数字图像输入模块：数字图像输入模块： 也称图像采集或图像数字化，是利用图像采集设备（数码相机、数码摄像机等）来也称图像采集或图像数字化，是利用图像采集设备（数码相机、数码摄像机等）来获取数字图像，或通过数字化设备（如图像扫描仪）将要处理的连续图像转换成适于计获取数

19、字图像，或通过数字化设备（如图像扫描仪）将要处理的连续图像转换成适于计算机处理的数字图像。算机处理的数字图像。o数字图像存储模块：数字图像存储模块： 用于图像处理和分析的数字图像存储器可分为三类：处理和分析过程中使用的快速用于图像处理和分析的数字图像存储器可分为三类：处理和分析过程中使用的快速存储器；在线或联机存储器；不经常使用的数据库（档案库）存储器。如计算机内存、存储器；在线或联机存储器；不经常使用的数据库（档案库）存储器。如计算机内存、硬盘、软盘、闪存盘、硬盘、软盘、闪存盘、CD光盘、光盘、DVD光盘等。光盘等。o数字图像输出模块：数字图像输出模块： 在图像分析、识别和理解中，一般需要将

20、处理前后的图像显示出来，或将处理结果在图像分析、识别和理解中，一般需要将处理前后的图像显示出来，或将处理结果永久保存。前者称为软拷贝或显示，使用设备包括永久保存。前者称为软拷贝或显示，使用设备包括CRT显示器、液晶显示器和投影仪等。显示器、液晶显示器和投影仪等。后者称为硬拷贝，使用设备包括照相机、激光拷贝和打印机等。后者称为硬拷贝，使用设备包括照相机、激光拷贝和打印机等。o数字图像通信模块：数字图像通信模块： 对图像数据进行传输和通信。由于图像数据量很大，而能提供通信的信道传输率又对图像数据进行传输和通信。由于图像数据量很大，而能提供通信的信道传输率又有限，因此传输前必须对表示图像信息的数据进

21、行压缩编码，以减少图像数据量。有限，因此传输前必须对表示图像信息的数据进行压缩编码，以减少图像数据量。 1.3 数字图像处理系统的组成数字图像处理系统的组成o数字图像处理与分析模块：数字图像处理与分析模块： 包括处理算法、实现软件和计算机，一般包括下面三种形式：包括处理算法、实现软件和计算机，一般包括下面三种形式：n通用图像处理：通用图像处理：适用于功能要求灵活，图像数据量大，但实时性要求不高的适用于功能要求灵活，图像数据量大，但实时性要求不高的图像处理与分析算法，也可辅之于方便灵活的操作界面。图像处理与分析算法，也可辅之于方便灵活的操作界面。n专用图像处理系统：专用图像处理系统：对于象对于象

22、CT、核磁共振、彩色、核磁共振、彩色B超、机场安检等专用影像超、机场安检等专用影像处理，可采用能满足实际应用的专用计算机和专用图像处理算法等，来构成处理，可采用能满足实际应用的专用计算机和专用图像处理算法等，来构成专用图像处理系统。专用图像处理系统。n图像处理芯片：图像处理芯片：将许多图像处理功能集成在一个很小的芯片上，形成专用或将许多图像处理功能集成在一个很小的芯片上，形成专用或通用的图像处理芯片通用的图像处理芯片 。1.4 数字图像处理的主要应用数字图像处理的主要应用o通信方面的应用：通信方面的应用：图像信息传输、电视电话、卫星通信、数字电话等。主要是压图像信息传输、电视电话、卫星通信、数

23、字电话等。主要是压缩图像数据和动态图像（序列）传送缩图像数据和动态图像（序列）传送 。o宇宙探测中的应用：宇宙探测中的应用：主要是星体图片的获取、传送和处理。主要是星体图片的获取、传送和处理。o遥感方面的应用：遥感方面的应用：（航空遥感和卫星遥感），地形、地质、资源的勘测，自然灾（航空遥感和卫星遥感），地形、地质、资源的勘测，自然灾害监测、预报和调查，环境监测、调查等。害监测、预报和调查，环境监测、调查等。o生物医学方面的应用：生物医学方面的应用：细胞分析、染色体分类、放射图像处理、血球分类、各种细胞分析、染色体分类、放射图像处理、血球分类、各种CT、核磁共振图像分析、核磁共振图像分析、DNA

24、显示分析、显微图像处理、癌细胞识别、心脏活动显示分析、显微图像处理、癌细胞识别、心脏活动的动态分析、超声图像成像、生物进化的图像分析等等的动态分析、超声图像成像、生物进化的图像分析等等 。o军事公安方面的应用：军事公安方面的应用：n军事：军事：军事目标的侦察和探测、导弹制导、各种侦察图像的判读和识别，雷军事目标的侦察和探测、导弹制导、各种侦察图像的判读和识别，雷达、声纳图像处理、指挥自动化系统等达、声纳图像处理、指挥自动化系统等 。n公安：公安：现场实景照片、指纹、足迹的分析与鉴别，人像、印章、手迹的识别现场实景照片、指纹、足迹的分析与鉴别，人像、印章、手迹的识别与分析，集装箱内物品的核辐射成

25、像检测，人随身携带物品的与分析，集装箱内物品的核辐射成像检测，人随身携带物品的X射线检查等射线检查等 。1.4 数字图像处理的主要应用数字图像处理的主要应用o工业生产的应用：工业生产的应用：将将CAD和和CAM技术应用于磨具和零件优化设计和制造、印制板技术应用于磨具和零件优化设计和制造、印制板质量和缺陷的检测、无损探伤、石油气勘测、交通管制和机场监控、纺织物的图质量和缺陷的检测、无损探伤、石油气勘测、交通管制和机场监控、纺织物的图案设计、光的弹性场分析、运动工具的视觉反馈控制、流水线零件的自动监测识案设计、光的弹性场分析、运动工具的视觉反馈控制、流水线零件的自动监测识别、邮件自动分拣和包裹的自

26、动分拣识别等别、邮件自动分拣和包裹的自动分拣识别等 。o天气预报：天气预报：天气云图测绘、传输，气象卫星云图的处理和识别等天气云图测绘、传输，气象卫星云图的处理和识别等 。o考古：考古：珍贵文物图片、名画、壁画的展示与辅助恢复。珍贵文物图片、名画、壁画的展示与辅助恢复。o新领域新领域 ：n信息安全：信息安全：信息隐藏与数字水印信息隐藏与数字水印(数字水印数码相机数字水印数码相机)，指纹识别、虹膜识别，指纹识别、虹膜识别和面部识别等。和面部识别等。n图像检索：图像检索：基于内容的图像检测、识别与检索。基于内容的图像检测、识别与检索。n体育运动：体育运动：运动员动作的分析、评测及优化设计运动员动作

27、的分析、评测及优化设计 。1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例o装甲车辆遥控武器站装甲车辆遥控武器站1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例o视频图像目标自动跟踪与火控系统视频图像目标自动跟踪与火控系统1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例o视频图像目标自动跟踪与火控系统硬件结构视频图像目标自动跟踪与火控系统硬件结构输入模拟电路和输入模拟电路和ADC输出模拟输出模拟电路和电路和DAC以太网接口以太网接口串行接口串行接口模拟电源模拟电源时钟时钟数字电源数字电源同步分离同步分离DSPFPGA数据存储器数据存储器程序存储器程序存储器复位复位调调试试接接口口电源接口电源接

28、口1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例o视频图像目标自动跟踪与火控系统原理框图视频图像目标自动跟踪与火控系统原理框图1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例1.5 数字图像处理系统实例数字图像处理系统实例1.5 课程内容简介课程内容简介o图像处理基础图像处理基础n第一章第一章 绪论绪论n第二章第二章 数字图像处理基础数字图像处理基础n第三章第三章 图像变换图像变换o图像处理技术图像处理技术n图像增强图像增强n图像恢复图像恢复n图像压缩编码图像压缩编码o图像分析方法图像分析方法n图

29、像分割图像分割n图像描述图像描述n图像分类识别图像分类识别第一章第一章 习题习题 1.1 什么是图像？如何区分数字图像和模拟图像？什么是图像？如何区分数字图像和模拟图像？ 1.2 一般的数字图像处理要经过几个步骤？由哪些内容组成？一般的数字图像处理要经过几个步骤？由哪些内容组成？ 1.3 图像处理的目的是什么？针对每个目的请举出实际生活中的一个例子。图像处理的目的是什么？针对每个目的请举出实际生活中的一个例子。 1.4 说明图像数学表达式中各参数的含义，该表达式代表哪几种不同种类的图像？说明图像数学表达式中各参数的含义，该表达式代表哪几种不同种类的图像？ 1.5 说明表示的图像类型及其之间的关系。说明表示的图像类型及其之间的关系。 1.6 一个数字图像处理系统由哪几个模块组成？试说明各模块的作用。一个数字图像处理系统由哪几个模块组成？试说明各模块的作用。 1.7 数字图像处理主要应用在哪些方面？试举例说明。数字图像处理主要应用在哪些方面？试举例说明。本章要求及作业本章要求及作业本章要求：本章要求： 了解图像及图像处理的概念、图像的表达方法、图像处理系统的构成及数字了解图像及图像处理的概念、图像的表达方法、图像处理系统的构成及数字图像处理技术的应用。图像处理技术的应用。 本章作业：本章作业：（1）思考：思考：1.1，1.3，1.7。（2）必做：必做：1.2，1.4，1.5，1.6。