1、前一页后一页1数字图像处理数字图像处理宋怀波机械与电子工程学院21.1 数字图像数字图像1.1.1 数字图像的基本概念数字图像的基本概念T图：图：反射光或透射光的分布，或自身发出的能量反射光或透射光的分布，或自身发出的能量T（客观）（客观）T像：像：人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识或认识T（主（主 观）观）T 图像处理图像处理:是对图像信息进行加工处理，以满足人是对图像信息进行加工处理，以满足人的视觉心理和实际应用的需求。的视觉心理和实际应用的需求。31.1.1 数字图像的基本概念数字图像的基本概念v模拟图像模拟图像 连续的连续的，采用数字
2、化（离散化）表示和数字，采用数字化（离散化）表示和数字技术处理之前，图像是连续的，这一类图像技术处理之前，图像是连续的，这一类图像称为模拟图像或连续图像称为模拟图像或连续图像 连续：连续：指从指从时间时间上和从上和从数值数值上是不间断的上是不间断的41.1.1 数字图像的基本概念数字图像的基本概念v数字图像数字图像 由连续的模拟图像由连续的模拟图像采样采样和和量化量化而得。而得。组成数字图像的基本单位是组成数字图像的基本单位是像素像素，所以数字图像是，所以数字图像是像素的集合。像素的集合。v像素的值代表图像在该位置的亮度（或灰度），称像素的值代表图像在该位置的亮度（或灰度），称为为图像的灰度值
3、图像的灰度值。v数字图像像素具有数字图像像素具有整数坐标整数坐标和和整数灰度值整数灰度值。5v表达：表达：建模，图像采样、数字化建模，图像采样、数字化v图像和视觉基础图像和视觉基础v图像变换：图像变换：提高图像质量提高图像质量图像处理图像处理图像基础图像基础T 图像增强：图像增强：改善图像质量改善图像质量T 图像几何处理：图像几何处理：平移、缩放、旋转、扭曲平移、缩放、旋转、扭曲T 图像复原：图像复原：去噪声、去模糊去噪声、去模糊T 图像重建：图像重建：重建原始图像重建原始图像T 图像编码压缩：图像编码压缩：减少存储量和传输量减少存储量和传输量T 图像分割：图像分割：分割、理解、目标描述分割、
4、理解、目标描述1.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容61.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容v图像的增强图像的增强v图像增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要图像增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质量。细节，改善视觉质量。71.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容图像复原图像复原8图像的平滑图像的平滑(Image Smoothing)即图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中，即图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中，因因成像设备和环境成像设备和环境所造成的图像失真，提取有用信息
5、。所造成的图像失真，提取有用信息。1.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容 原图像原图像 噪声干扰的图像噪声干扰的图像 去噪后的图像去噪后的图像（Wiener滤波）滤波）9101.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容v边缘锐化边缘锐化v加强图像的轮廓边缘和细节，形加强图像的轮廓边缘和细节，形成完整的边界，将物体从图像中成完整的边界，将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来。的区域检测出来。v锐化的作用是要使灰度反差增强锐化的作用是要使灰度反差增强，因为边缘和轮廓都位于灰度突，因为边缘和轮廓都位于灰度突变
6、的地方。所以锐化算法的实现变的地方。所以锐化算法的实现是是基于微分基于微分作用。作用。v它是早期视觉理论和算法中的基它是早期视觉理论和算法中的基本问题。本问题。111.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容v图像分割（图像分割（separate？Divide？Segment！）！）v将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面。将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面。v在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。度度量。v其本质是其本质是将像素进行分类。分类依据是像素的将像素进行分类。分类依据是像素
7、的灰度值、颜灰度值、颜色、频谱特性、空间特性或纹理特性色、频谱特性、空间特性或纹理特性等。等。121.2.2 数字图像处理的主要研究内容数字图像处理的主要研究内容v图像校正图像校正v数字图像信息的获取来数字图像信息的获取来自于自于CCD。但其。但其I/O特特性不是线性的，如果不性不是线性的，如果不进行校正处理，将无法进行校正处理，将无法得到好的图像效果。得到好的图像效果。v图像校正是为改善图像图像校正是为改善图像质量而提出的一种处理质量而提出的一种处理方法。方法。校正校正没有没有校正前校正前为为2.0的校正的校正14第第2章章 图像处理基础知识图像处理基础知识v2.1 图像数字化图像数字化v2
8、.2 图像数据结构图像数据结构 v2.3 图像文件格式图像文件格式v2.4 图像质量评价图像质量评价15计算机图像处理的内容计算机图像处理的内容p如何对模拟图像进行采样、量化以产生数字图像如何对模拟图像进行采样、量化以产生数字图像 图像的数字化是指将一幅图像从原来的形式转化图像的数字化是指将一幅图像从原来的形式转化为数字的形式，主要研究为数字的形式，主要研究如何对图像进行采样、如何对图像进行采样、量化以及编码等量化以及编码等过程。过程。p如何压缩图像数据以便存储和传输如何压缩图像数据以便存储和传输 图像编码压缩可减少用于描述图像的数据量，以图像编码压缩可减少用于描述图像的数据量，以节省图像传输
9、和处理的时间，减少存储容量。节省图像传输和处理的时间，减少存储容量。p如何对数字图像做各种变换以方便处理如何对数字图像做各种变换以方便处理16图像变换图像变换由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理涉及的计算量由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理涉及的计算量很大。很大。图像变换方法：图像变换方法：傅立叶变换傅立叶变换、离散余弦变换离散余弦变换、离散小波变换等离散小波变换等 几何变换：如图像缩放、旋转、平移、投影等。几何变换：如图像缩放、旋转、平移、投影等。目的：目的：将空间域的处理转换为变换域的处理，减少计算量，获得更有将空间域的处理转换为变换域的处理，减少计算量，获得更有效的处理。效的处
10、理。图像重构图像重构(Image Reconstruction)采用滤波方法，如去噪、干扰和模糊等，恢复或重建原图像。采用滤波方法，如去噪、干扰和模糊等，恢复或重建原图像。171.2 图像与图像数字化过程图像与图像数字化过程v图像的表示图像的表示v物体所发出的光线进入人眼，在人眼的视网膜上成象，物体所发出的光线进入人眼，在人眼的视网膜上成象，这就是人眼所看到的客观世界，称之为这就是人眼所看到的客观世界，称之为景象景象。v“象象”反映了客观景物的亮度和颜色随空间位置和方反映了客观景物的亮度和颜色随空间位置和方向的变化，因此向的变化，因此“象象”是空间坐标的函数。是空间坐标的函数。18 在空间图像
11、信息中，在空间图像信息中，光强度光强度是其基本要素，它随是其基本要素，它随图图像空间坐标像空间坐标(x,y,z)及光线的及光线的波长波长和和时间时间t的变化而变的变化而变化，因此空间图像函数可表示为：化，因此空间图像函数可表示为：),(tzyxfg平面图像同样可表示为：平面图像同样可表示为：),(tyxfg19 CCD器件器件.swf CCD器件器件1.swf2.1.1 图像传感器与数字成像图像传感器与数字成像 电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)是典是典型的固体图象传感器，它型的固体图象传感器，它是是1970年贝尔实验室的年贝尔实验室的WSBoyle和和GESmith发明的。发明的。它成功地应
12、用于数码相它成功地应用于数码相机、摄像机、扫描仪、机、摄像机、扫描仪、广播电视、可视电话和广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。前景和巨大的潜力。20数字图像输入输出设备21CCD光敏元的基础是光敏元的基础是金属金属氧化物氧化物硅硅MOS电容器电容器1、CCD的工作原理的工作原理CCD的单元结构的单元结构P型半导体多数载流型半导体多数载流子为空穴子为空穴加正电压加正电压Metal Oxide Semiconductor接地接地22CCD的单元结构的单元结构N型半导体多数载流型
13、半导体多数载流子为电子子为电子加负电压加负电压 半导体也可采用半导体也可采用N型半导体，如下图所示。型半导体，如下图所示。很薄很薄接地接地23入射光强则光生电荷多，弱则光生电荷少，无光照入射光强则光生电荷多，弱则光生电荷少，无光照的光敏元则无光生电荷。的光敏元则无光生电荷。这样就把光的强弱变成与其成例的电荷的数量，实这样就把光的强弱变成与其成例的电荷的数量，实现了现了光电转换光电转换。若停止光照，电荷在一定时间内也不会损失，可实若停止光照，电荷在一定时间内也不会损失，可实现对光照的记忆。现对光照的记忆。24 近年来另一种图像感器近年来另一种图像感器互补金属氧化物场效应互补金属氧化物场效应管管C
14、MOS光电传感器。光电传感器。已在电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视频电话、扫已在电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视频电话、扫描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、指纹认描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、指纹认证等图像输入领域得到广泛的应用。证等图像输入领域得到广泛的应用。CMOS型型CCD和普通和普通MOS型型CCD使用相同的感光使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电转换后的光电转换后的信息读取方式不同。信息读取方式不同。CMOS光电传感器经光电转换后直光电传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号，信号读取十分简单。接产生电流或电压信号
15、，信号读取十分简单。Complement Metal Oxide Semiconductor252.1.2 数字化原理数字化原理图像数字化概述图像数字化概述 数字化的数字化的目的目的是把真实的图像转变成计算机能够接受的是把真实的图像转变成计算机能够接受的显示和存储格式，以便于计算机进行分析处理。显示和存储格式，以便于计算机进行分析处理。图像的数字化过程分为图像的数字化过程分为采样、量化与编码采样、量化与编码三步。三步。采样的采样的实质实质就是要用多少个点来描述一张图像，采样的就是要用多少个点来描述一张图像，采样的结果即通常所说的图像分辨率。如，一幅结果即通常所说的图像分辨率。如，一幅64048
16、0的图像，的图像，表示这幅图像由表示这幅图像由307200个像素点组成。个像素点组成。采样频率是指一秒钟内采样的次数，它反映了采样点之采样频率是指一秒钟内采样的次数，它反映了采样点之间的间隔大小。间的间隔大小。采样频率越高，得到的图像样本就越细腻逼真，图像的采样频率越高，得到的图像样本就越细腻逼真，图像的质量也越高，但要求的存储量也越大。质量也越高，但要求的存储量也越大。26,fx yfx yx yfx yAfx y模拟图像的数学模型是一个二元函数，的函数值是能量的记录，是非负有界的实数，同时，一幅实际图像的尺寸是有限的，一般定义在某一矩形域中模拟图像数字化后得到数字图像。数字图像的数学模型仍
17、用二元函数来表示，但此时的坐标值和函数值是离散的，是整数值 01数学模型数学模型272采样和量化采样和量化 v采样：采样：空间上的离散化空间上的离散化v量化：量化：灰度上的离散化灰度上的离散化(0,0)(0,1)(,)(1,0)(1,1)nTffnfx yfnfnn抽 样T连续信号（抽样、量化）连续信号（抽样、量化）数字信号数字信号2.1.2 数字化原理数字化原理28 采样点阵：正方形、正三角采样点阵：正方形、正三角v图像矩阵的特点：图像矩阵的特点：有限值有限值 数字化抽样：数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等六角形点阵等0(,)fx y 2.1.2 数
18、字化原理数字化原理293.采样定理采样定理v 一维采样定理一维采样定理：惠特克卡切尼柯夫香农采样定理：惠特克卡切尼柯夫香农采样定理2.1.2 数字化原理数字化原理二维采样定理二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的：采样频率大于图像信号最高频率的2倍倍305.量化量化v均匀量化均匀量化v非均匀量化非均匀量化 a）基于视觉特性：）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化进行细量化 b）基于概率分布：）基于概率分布：先计算所有可能的亮度值出现的先计算所有可能
19、的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的进行细量化概率分布，对概率分布大的进行细量化,对概率分布对概率分布小的进行粗量化。小的进行粗量化。非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化数实现量化2.1.2 数字化原理数字化原理31T量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样点上进行的，所以必须先采样后量化。采样点上进行的，所以必须先采样后量化。T量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，二者紧密相关，同时完成。作，二者紧密相关，同时完成。2.1.2 数字化原理数
20、字化原理6.采样和量化的关系采样和量化的关系,f x yf x y采样 空间离散的像素矩阵量化 对信号的幅度进行离散分层的过程322.1.2 数字化原理数字化原理222128 128 698304(12)512 512 82097152(256)mnkkMNGMNGNNGGkBMNK 图像尺寸每个像素所具有的离散灰度级数（不同灰度值的个数）=2点采样，每点灰度级 级，占 位。存一幅图像所需的位数（bit）、332.1.2 数字化原理数字化原理NKNKNKk和 的关系：1）图像质量一般随 和 的增加而增加。在极小情况下固定的，减小 能改进图像质量，因为增加了图像的反差。2)对具有大量细节的图像通
21、常只需要很少的灰度级数就可较好地表示3)为常数的一系列图像主观看起来可以有较大的差异34图像采样就是在水平和垂直方向上等间隔地分割成网状图像采样就是在水平和垂直方向上等间隔地分割成网状35图像量化图像量化u采样后得到的亮度或色采样后得到的亮度或色彩在取值空间上仍连续。彩在取值空间上仍连续。把这些连续量表示的像把这些连续量表示的像素值离散化为整数值的素值离散化为整数值的操作叫操作叫量化量化。u图像量化实际就是将图图像量化实际就是将图像采样后的样本值的范像采样后的样本值的范围分为有限多个区域，围分为有限多个区域，落入某区域中的所有样落入某区域中的所有样本值用同一值表示，用本值用同一值表示，用有限的
22、离散数值量来代有限的离散数值量来代替无限的连续模拟量。替无限的连续模拟量。u量化时确定的离散取值量化时确定的离散取值个数称为量化级数，表个数称为量化级数，表示量化的色彩或亮度值示量化的色彩或亮度值所需的二进制位数称为所需的二进制位数称为量化字长。量化字长。u一般可用一般可用8位、位、16位、位、24位或更高的字长来表位或更高的字长来表示颜色。示颜色。u量化字长越大，越能真量化字长越大，越能真实反映原有图像的颜色。实反映原有图像的颜色。但得到的数字图像容量但得到的数字图像容量也越大。也越大。3688 像素像素(256色色)1616像素像素(256色色)3232像素像素(256色色)6464像素像
23、素(16位量化，位量化，65536种颜色种颜色)不同采样精度所获得的图像分辨率不同不同采样精度所获得的图像分辨率不同马赛克！375 bit(32色色)4 bit(16色色)3 bit(8色色)2 bit(4色色)1 bit(2色色)不同量化字长的灰度图象效果不同量化字长的灰度图象效果图像界永恒的图像界永恒的Lenav她是让无数专家为之痴迷和她是让无数专家为之痴迷和痛苦的研究对象；痛苦的研究对象；v是充斥着枯燥数学公式的论是充斥着枯燥数学公式的论文中最吸引眼球的光芒；文中最吸引眼球的光芒；v任何一本图像处理书籍，都任何一本图像处理书籍，都能看到她动人的微笑；能看到她动人的微笑；v她就是她就是Le
24、na，她的照片是图，她的照片是图像处理领域使用最为广泛的像处理领域使用最为广泛的标准测试图。标准测试图。一举成名计算机界一举成名计算机界v1973年，美国南加州大学年，美国南加州大学信号与图像处理研究所年信号与图像处理研究所年轻的助教轻的助教亚历山大亚历山大和研究和研究员员威廉威廉，试图从一叠常用，试图从一叠常用的测试图片中找出一张适的测试图片中找出一张适合测试压缩算法的图片：合测试压缩算法的图片：最好是人脸，表面光滑，最好是人脸，表面光滑，内容多层次。内容多层次。v正巧有人拿着一本正巧有人拿着一本花花公子花花公子杂志（杂志（1972年年11月刊）到实月刊）到实验室串门。验室串门。v亚历山大发
25、现这张有着光滑面亚历山大发现这张有着光滑面庞和繁杂饰物的图片正好符合庞和繁杂饰物的图片正好符合要求，于是，他们撕下这张彩要求，于是，他们撕下这张彩图，将上半部扫描成一张图，将上半部扫描成一张512512像素大小的图片，像素大小的图片，“雷娜图雷娜图”就此诞生。就此诞生。v特别提示：特别提示：v年满十八岁打算年满十八岁打算Google的同学的同学们，搜素之前请先卸载绿坝；们，搜素之前请先卸载绿坝；v十八岁以下的小朋友请耐心等十八岁以下的小朋友请耐心等待长大。待长大。图像界永恒的图像界永恒的Lenav亚历山大用此图测试了自己的压缩算法，满意地完亚历山大用此图测试了自己的压缩算法，满意地完成了论文。
26、成了论文。v远在芝加哥的雷娜对此一无所知，在结束自己的模远在芝加哥的雷娜对此一无所知，在结束自己的模特生涯后，她回到故乡瑞典，结婚生子。特生涯后，她回到故乡瑞典，结婚生子。v论文发表后，不断有人向他索要原始的扫描件，以论文发表后，不断有人向他索要原始的扫描件，以便比较。久而久之，这张图片成为了图像处理领域便比较。久而久之，这张图片成为了图像处理领域的一个标准测试图。的一个标准测试图。v研究者奋斗的目标只有一个：如何在保证图片质量研究者奋斗的目标只有一个：如何在保证图片质量的同时让它的压缩率高一点，再高一点的同时让它的压缩率高一点，再高一点41图像界永恒的图像界永恒的Lenav1988年，一家瑞
27、典的电脑出版社联系并采访到了雷娜，这是年，一家瑞典的电脑出版社联系并采访到了雷娜，这是她十五年来首次得知自己的照片被应用在计算机行业里。她十五年来首次得知自己的照片被应用在计算机行业里。v1991年，国际光学工程学会下属的年，国际光学工程学会下属的Optical Engineering杂志杂志使用雷娜图作为其使用雷娜图作为其7月刊的封面。至此，月刊的封面。至此，花花公子花花公子才得知才得知这张图片已然在学术界被这张图片已然在学术界被“盗用盗用”了了18年之久！年之久！v1997年，在年，在花花公子花花公子杂志社的帮助下，图像科学和技术杂志社的帮助下，图像科学和技术会议会议(IS&T)的筹办方正
28、式邀请雷娜参会。的筹办方正式邀请雷娜参会。v这离当初雷娜图的诞生，已经过去了约四分之一个世纪，当这离当初雷娜图的诞生，已经过去了约四分之一个世纪，当初的年轻助教已成为业内的知名学者，而红颜少女的鬓边终初的年轻助教已成为业内的知名学者，而红颜少女的鬓边终于也见到了白发。于也见到了白发。v“他们肯定早已厌烦我了，这么多年都看着同一张照片。他们肯定早已厌烦我了，这么多年都看着同一张照片。”-LENA“雷娜图雷娜图”并非完美无缺并非完美无缺v雷娜图为何如此受欢迎？雷娜图为何如此受欢迎？v1.图片含细节、平坦区域、阴图片含细节、平坦区域、阴影和纹理，有利于测试各种影和纹理，有利于测试各种不同的图像处理算
29、法。不同的图像处理算法。v2.非常迷人的女性照片。非常迷人的女性照片。v3.图片频段丰富，而人眼对于图片频段丰富，而人眼对于人脸的细节差别感受也远比人脸的细节差别感受也远比一般的景物更为明显。一般的景物更为明显。v由于软件错误，由于软件错误，LENA图只图只有有511行数据。行数据。v由于数模转换器计时器的问由于数模转换器计时器的问题，图像比原件有略微的拉题，图像比原件有略微的拉长变形。长变形。v最重要的是，作为一张标准最重要的是，作为一张标准图，雷娜图缺少了很多关键图，雷娜图缺少了很多关键信息，例如所用胶片、光线信息，例如所用胶片、光线环境、印刷环境、扫描仪型环境、印刷环境、扫描仪型号等。号
30、等。Lena对比照对比照写给写给Lena的诗的诗哦，亲爱的哦，亲爱的Lena，你的美丽是如此浩瀚而难以快速描绘，你的美丽是如此浩瀚而难以快速描绘，如果我能压缩你的影像，我想我能震动整个世界！如果我能压缩你的影像，我想我能震动整个世界！唉，唉，当我第一次使用矢量量化，当我第一次使用矢量量化，我发现你的面庞只属于你自己，我发现你的面庞只属于你自己，你那千缕丝般的长发，怎能用离散余弦变换来匹配？你那千缕丝般的长发，怎能用离散余弦变换来匹配？而你那性感的双唇，而你那性感的双唇，即使耗尽十三部超级计算机也找不到合适的分形碎片来形容！即使耗尽十三部超级计算机也找不到合适的分形碎片来形容！虽然这些挫折如此巨大，虽然这些挫折如此巨大，我也许还能将它们一一克服，我也许还能将它们一一克服，但当滤波器夺走了你眼中的光彩，但当滤波器夺走了你眼中的光彩，我只能说：我只能说：“算了，数字化就好。算了，数字化就好。”45常用图像处理软件常用图像处理软件3D MAX
