第一章数字图像处理的基本概念课件.ppt

1、医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院第一章第一章 数字图像处理的基本概念数字图像处理的基本概念v图像的概念v数字图像处理技术v数字图像的发展历程与主要应用领域v课程学习要求医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.1 图像的概念图像的概念v1.1.1图像的分类图像的分类v1.1.2图像信息的分类图像信息的分类v1.1.3图像处理的基本方法图像处理的基本方法v1.1.4数字图像处理的基本术语数字图像处理的基本术语医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.1.1图像的分类图像的分类v“图像”(i

2、mage) 一幅图像就是一个东西的视觉表示，它包含了所表示物体的相关描述信息，出现形式多种多样n可视的和不可视的；n抽象的和实际的；n适于和不适于计算机处理的。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1、按照图像的存在形式分、按照图像的存在形式分v （1）“物理图像” (physical images) 物质或能量的实际分布n“可见的图像”(visible image)n“图片” (picture)，包括“照片” (photograph)、“图” (drawings指用线条画成的)和“画” (paintings)， “图片”等价于“图像”，也就是说“pictu

3、re”经常和“image”一词混用；n“光图像” (optical images)，即用透镜、光栅和全息术产生的图像，如荧幕、屏幕上出现的影像。光(学)图像是光强度的空间分布。n“不可见的图像”，如温度、压力、高度以及人口密度等的分布图。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院图像类型图像类型v（2）抽象图像n即“数学图像”，包括连续函数和离散函数。n离散函数图像就是计算机可以处理的形式。n物理图像必须要变成离散函数才能被计算机处理。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院2、按照图像的色彩特性分、按照图像的色彩特性分v彩色图像，

4、又称为“多光谱图像”n图像上的每个点有多于一个的局部特征。n彩色电视中重现的三基色图像，每个像素点就需要有红、绿、蓝三个基色的三个亮度值表示。n遥感图像可以提供多达7个不同通道的信息。v黑白图像，又称“灰度图像”、“亮度图像”、“单色图像”等，n每个像素点只有一个亮度值。n黑白照片n黑白电视画面。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院3、按照图像的光谱特性分、按照图像的光谱特性分v“可见光图像”；v“红外光图像”；v“雷达图像”；v“声呐图像”。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院4、按照图像的时间特性分、按照图像的时间特性

5、分v“动态图像”n随时间变化的图像，如电视和电影画面。v“静止图像”n不随时间变化的图像，如各类图片。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.1.2图像信息的分类图像信息的分类v三类n符号信息n景物信息n情绪信息 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院图像信息图像信息(1)符号信息符号信息v一般是用文字、符号、图形等表示的具体的或抽象的事物。n电路图、机械图、打印的文件等，一般用二值图像表示。n地图中也包含大量符号，但需要关注颜色信息，因为它们都有确定的物理含义，如蓝色一般表示湿地。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆

6、大大学学生物工程生物工程学学院院图像信息图像信息(2)景物信息景物信息v是一种能够使人产生主观感觉，但不取决于人本身的客观场景中包含的信息。景物信息内容丰富，较难以表达，只有在明确目标的前提下，才能得到正确处理n如卫星云图中蕴含着气旋信息，气旋的位置与强度是一种客观存在。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院图像信息图像信息(3)情绪信息情绪信息v依赖于观察者，如艺术图片的效果就与观看者本身的生理、心理、修养有很大的关系，此类信息无法刻画。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.1.3图像处理的基本方法图像处理的基本方法

7、v图像处理（图像处理（image processing）n对图像加工的各种技术方法的统称，它已被广泛地应用于许多领域。v基本方法n模拟图像处理n数字图像处理 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1、模拟图像处理、模拟图像处理v 包括光学图像处理和电子图像处理（电子光学处理）v 光学方法是图像处理发展的起源v 光学处理具有处理速度快、信息量大、分辨率高、经济等优点。v 模拟图像处理的缺点是精度差、灵活性差，器件具有专用性，并且缺乏判断分析能力，不具备非线性处理能力。v 趋势：将光学处理和计算机相结合的方法，如利用光学方法对图像进行傅立叶变换，再用计算机对频谱分

8、析。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院2、数字图像处理、数字图像处理v 就是将图像转换成一个数据矩阵存放在图像存储器中，然后再利用数字计算机，或其它的大规模集成数字器件，对图像信息进行数字运算或处理。v 优点：精度高、处理内容丰富、可以进行复杂的非线性处理，处理方式灵活，同样的图像硬件系统，在改变软件之后何以用于其它完全不同的任务。v 缺点：由于目前计算机性能的限制，数字图像处理的速度有限，对于一些有实时性要求的任务，必须利用DSP加速或构建专用系统。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院两种基本的图像数学模型两种基本的

9、图像数学模型v连续模型n一般的图像都是能量的连续分布v离散模型n就是把数字图像看成离散采样点的集合，每个点具有其各自的属性。n处理运算就是对这些离散单元的操作。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院图像数学模型的应用原则图像数学模型的应用原则v在图像处理中，根据任务和目的的不同，经常会采用不同的模型来处理图像，或者在不同的阶段是用不同的模型，保证系统的最佳性能。v图像在数字化时必须满足采样定理，这样离散的图像才能与它的连续形式对应。v“数字图像处理”不是指“数字图像的处理”，而是指“图像的数字处理”。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物

10、工程学学院院1.1.4数字图像处理的几个基本术语v数字化数字化(digitizing)n将一幅图像从其原来的形式转换为数字形式的处理过程，包括“扫描”、“采样”与“量化”三个步骤n通常将“扫描”合并到“采样”阶段，合并为两个过程。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院扫描（扫描（scanning）v扫描v图像元素(picture element)，简称像素(pixel)n空间坐标以及图像信息两个部分。v数字化v光栅(raster)。 图像数字化图像数字化采样列采样行图片像素行间隔采样列间隔灰阶黑灰白0128255物理图像19643灰度像素数字图像物理图像及其

11、对应的数字图像物理图像及其对应的数字图像医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院采样采样(sampling)v在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。v图像传感n电压值/电流n图像空间的数字化n感光单元v“采样定理” 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院量化量化(quantization)v将采样时测量的灰度值转化成整数表示。v模数转换器(ADC)n将电压值转化成一个整数。一幅图像的数字表示，即数字图像f(x,y), f(x,y)以及x、y都是整数。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院几个重要

12、概念几个重要概念v1、处理处理：让某个事物受到一个过程的作用v2、过程过程（ process ）：指能导致某个所期望目标的一系列的动作或操作。v3、数字图像处理数字图像处理：对一个物体的数字表示施加一系列的操作，以得到所期望的结果。v4、数字图像的限制性定义：一个被采样和量化后的二维函数（该二维函数由光学方法产生），采用等距离矩形网格采样，对幅度进行等间隔量化。n一幅数字图像是一个被量化的采样数值的二维矩阵。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院重要概念（续）重要概念（续）v5、显示显示（display）：由一幅数字图像生成一可见的、直观的图像。n“回放”、“

13、图像重建”、“硬拷贝”、“图像记录”n显示设备有暂时的、永久的两类。v6、对比度对比度（contrast）：一幅图像中灰度反差的大小。v7、噪声噪声（noise）：加性的或乘法性的污染。v8、采样密度采样密度（sampling density）:图像上单位长度包含的采样点数。 像素间距（pixel spacing）=1/采样密度医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院重要概念（续）重要概念（续）v9、放大率放大率（magnification）：图像中物体与其所对应的景物中物体的比例关系。v10、运算运算（operation）：注意运算前后图像之间的对应关系。n（

14、1）全局运算全局运算：对整幅图像同时处理n（2）点运算点运算：由对应点决定n（3）局部运算局部运算：由中心像素周围的有关像素决定医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.2数字图像处理技术v 广义的数字图像处理是指从图像获取到图像信息输出的全过程，即图像处理系统，n与计算机应用相关的设备n图像处理相关的方法n有效软件的实现n图像处理软件的应用n图像信息在计算机中的表示n图像数据库及检索n图像信息应用等。v 狭义的数字图像处理仅指其中对图像信息进行处理。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院广义图像处理广义图像处理v图像信息获

15、取，即获取研究对象的图像，并转换成数字信号，以便于计算机或其它数字设备处理。n研究重点：图像成像设备和数字化设备。v图像信息的存储。n图像存储设备，以及图像存储的格式、图像压缩标准以及图像数据库技术等。v图像信息的传送，包括内部传送与远距离传送。n内部传送多采用DMA（Direct Memory Access）；远距离传送图像压缩技术，减少占用带宽。v图像信息处理，即狭义的图像处理n利用计算机可以实现的算法。v图像的输出与显示，即为人或计算机提供便于理解以及识别的图像。n软拷贝与硬拷贝两种形式。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院狭义的计算机图像处理狭义的计

16、算机图像处理v 几何处理n坐标变换：图像的放大与缩小、旋转、移动n图像畸变校正n几何特征计算等。v 算术与逻辑运算n图像的加减乘除，与或非等运算v 图像增强n根据任务目标突出图像中感兴趣的信息，消除干扰，改善图像的视觉效果或增强便于机器识别的信息v 此三项是图像预处理中常涉及的内容。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院狭义的计算机图像处理狭义的计算机图像处理2v图像复原n根据图像退化模型，消除退化因素，恢复原始的图像。n散焦，散焦模型，逆滤波。v图像编码n研究压缩图像数据的方法，需要研究并利用图像的冗余特征n如统计冗余、生理视觉冗余、知识冗余等。v图像分割n

17、根据图像的某些特征将图像划分为不同的区域，以便于对图像中的物体或目标进行分析与识别。n如“机动车视觉系统”中根据图像中的灰度信息分割白色导引线和路面。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院狭义的计算机图像处理狭义的计算机图像处理3v图像重建n输入的是非图像信息，如数据、公式等，输出为图像。n主要有卷积反投影法等。n常用于医学设备n图像模式识别n在图像分割的基础上提取特征，对图像中的内容进行判决分类。v图像分析与理解n根据图像局部内容之间的关系，利用有关知识进行推理与联想，对图像中所表现的内容进行理解。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物

18、工程学学院院1.3 数字图像处理的发展历程与主要应用领域数字图像处理的发展历程与主要应用领域v发展历程v不断拓展的应用领域医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.3.1发展历程发展历程v改善视觉效果：n增强人类分析判断时采用的图像信息v生物视觉系统仿生：n计算机技术、人工智能技术n处理自动装置感受的景物数据（计算机视觉、模式识别（Pattern Recognition）等） 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1、改善视觉效果、改善视觉效果v打印技术与半调技术相结合v编码技术医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学

19、生物工程生物工程学学院院用15种色调的设备，从伦敦到纽约，用电缆进行传送的Perihing 和Fozh两将军未经修饰的图片医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院2、计算机图像处理技术、计算机图像处理技术v 1946年第一台电子计算机v 60年代，第三代计算机nJPLn图像增强和图像复原v 70年代n遥感和医学图片n Rosenfeld ，1976v 80年代n3D图像获取设备以及分析系统v 90年代n人类生活和社会发展的各个方面医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院美国航天器传送的第一张月球照片，美国航天器传送的第一张月球照片

20、，“旅行者旅行者7号号”1964年年7月月31日日9点点09分在光线影响月球前分在光线影响月球前17分钟前摄取的图像分钟前摄取的图像医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院3、数字图像处理的显著成就、数字图像处理的显著成就v从可见光谱扩展到各波段：n遥感图像的多光谱处理、侧视雷达遥感图像处理、红外波段的图像处理（如夜视仪、热像仪等）、超声图像处理。v从静止图像到运动图像的处理：n如运动模糊图像的恢复、心脏搏动序列图像的处理、对运动目标的跟踪、巡航导弹的地形识别及瞄准等。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院数字图像处理的显著成就

21、数字图像处理的显著成就2v从物体的外部到内部图像的处理：n如人体的无损检测设备CT、MRI及宇航用密封零件的无损检测、海关用的集装箱不开箱检查等。v从整体到局部图像的处理（AOI技术）：n有选择性地对人类感兴趣的局部图像进行处理，如空间、灰度、颜色、频域都可以开窗口进行加工处理(如放大、变换、校正等)。 医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院数字图像处理的显著成就数字图像处理的显著成就3v提取图像中特征的处理：n从图像中抽出感兴趣的区域、物体以特征的形式表现出来，以便计算机识别控制。v人工智能化的图像处理：n用计算机去理解图像，并进行景物分析，即计算机视觉系统

22、n如机动车自动驾驶系统和机器人的视觉操纵系统等。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院4、数字图像处理的学科特点、数字图像处理的学科特点 v 因此图像处理技术不仅是融合多学科的新兴学科，而且是工程性很强的学科。n计算机应用，涉及的领域包括数学、物理学、生物学以及生理学等基础学科，又在电子技术、计算机科学、信息理论、医学、控制理论以及系统工程等应用学科新成就的促进下迅速发展。n图像系统与研究目标密切相关，需针对不同应用、不同要求采用不同的方法、构建不同的系统。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院几个学科之间的关系几个学科之间的

23、关系v 数字图像处理数字图像处理(process)：图像图像v 数字图像分析数字图像分析（ analysis ）：图像非图像的表示v 计算机图形学计算机图形学(computer graphics)：用计算机将由概念或数学模型表示的物体（不是实物）进行处理，并显示成图像。v 计算机视觉计算机视觉（computer vision）：研究模拟人眼功能的理解自然景物的系统。v 数字成像数字成像（digital imaging）:更广义的一个概念，涵盖任何用计算机来操作（manipulate）与图像有关数据的技术，包括计算机图形学、计算机视觉、数字图像处理与分析。医学图医学图像像处处理理讲义讲义重重庆庆大大学学生物工程生物工程学学院院1.3.2不断拓展的应用领域v 遥感遥感(Remote Sensing) v 生物医学生物医学(Physic) v 文件处理文件处理(File Manipulation) v 科学研究科学研究(Science Research) v 工业检测工业检测(Industry Check) v 机器人视觉机器人视觉(Robot Vision) v 军事军事(Military Affairs) v 公安公安(Public Security) v 其他其他