数字图像处理讲课.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 概论,图像,图像：用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用与人眼进而产生视知觉的实体。,图像与景物的区别：,图像是视觉景物的某种形式的表示和记录。,人眼看到的客观世界，系统观测到的客观世界称为景物。,图像在人类感知中扮演最重要的角色。,6080的信息来自图像,成像机器可覆盖几乎所有电磁波谱,还存在其他成像方式（声波，电子显微镜，分形图像等等）,图像分类,物体,objects,图像images,不可见的物理图像,Non-visible,physical image,数学函数Mathematical function,连续函数,continuous,离散函数,Discrete,(digital image),可见的图像,Visible image,光图像,Optical,image,图片pictures,照片photograph,图drawing,画paintings,数字图像处理,一般用数字计算机处理或其他高速、大规模集成数字硬件处理，所以亦称为计算机图像处理。,对从图像信息转换来的数字电信号进行某些数字运算或处理，以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期的结果。,特点：,精度高、灵活性强,可以长期保存不失真。分辨率高,、但速度受限。,图像数字化,我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模拟图像，所以数字图像处理的一个先决条件就是将连续图像离散化，转换为数字图像。,用网格把要处理的图像罩上，,在每个像素位置，亮度被采样和量化，得到对应点上一个表示亮、暗程度的一个整数值。图像变成一个整数矩阵。每个像素具有两个属性：位置和灰度。,数字化实例,几个名词解释,空间分辨率（spatial resolution）,：,指网格在水平方向和垂直方向共分多少格，用M*N表示，其值常为2的整数次幂。每一个离散像点称为像元或像素（,pixel,）。,分辨率（Image resolution）,：能区分图像上两个像元的最小距离。,灰度（gray scale）：,使用黑色调表示物体，即用黑色为基准色，不同的饱和度的黑色来显示图像。,灰度级：,指黑白显示器中显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中表现为颜色的不同，灰度级越多，图像层次越清楚逼真。,灰度直方图,（histogram）：是灰度级的函数，它表示图象中具有每种灰度级的象素的个数，反映图象中每种灰度出现的频率。,图像处理的整个过程,摄像机产生一个对应于物体的光学图像，显影后的胶片上形成对应于,光学图像的负像。胶片在数字化器的光敏面上形成一个光学图像，由它,形成输入数字图像，再经过6次转换得到输出图像。每一步都可能产生退化。,图像处理系统的组成,图像处理系统的组成,图像采集,图像存储,图像显示,图像分析,图像通讯,图像采集,通讯网络,一个典型的图像采集系统,光学成像系统,图像感应系统,图像采集系统,图像处理系统,镜头,CCD或CMOS图像传感器,图像捕捉卡,计算机,获取数字图像的设备即采集装置。采集装置都包括下面部件：光敏感器件、扫描系统和模/数转换装置。,图像采集,基于CCD光电耦器件的输入设备,摄像机、数字摄像机,数字相机,平板扫描仪,基于光电倍增管的输入设备,滚筒扫描仪,图像输入系统选择要求,输入系统是图像处理的信号来源，此信号的质量将直接影响图像处理的好坏，最主要的问题是输入设备引入了噪声，噪声不可避免，去噪很重要。,其次就是空间分辨率，它取决于应用类型。,数码相机,(1)镜头将光线会聚到感光器件CCD上；,(2)CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置；,(3)CCD的功能是光强信号转变为不同强度的电信号，得到拍摄景物的图像信息；,(4)ADC将模拟信号到数字信号的转换；,(5)MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG、BMP格式，并将图像文件被存储在内置存储器中；,(6)LCD显示查看拍摄照片；部分数字相机还提供连接计算机和电视机的接口。,图像显示,图像显示的主要形式：,软拷贝形式：,显示器等装置上面显示的图像,硬拷贝形式：,幻灯片、照片或透明胶片、,印刷机、打印机、复印机等得到的印件,图像显示,主要考虑：,存取速度、存取方式,存储容量、存储寿命,处理和分析过程中使用的快速存储器。,计算机内存、帧缓存,用于比较快地重新调用的在线或联机存储器。,磁盘、磁光盘（MO),不经常使用的数据库（档案库）存储器。,磁带、光盘,一般存储系统,常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等,海量存储备份系统,采用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备,图像存储模块,近程图像通信主要指不同设备间交换图像数据。,用于局域网的软件和硬件协议,远程图像通信就是把图像传送到远方终端。,主要问题就是数据量大而传输通道窄。,图像压缩,按传输图像种类分为,静止图像通信，如电报、传真和图文电视等,动态图像通信，如电视、可视电话等。,图像通信模块,主机,以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像处理系统,采用大型机,图像处理软件,由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。,图像处理软件,图像处理所需的设备,图像传感器,电视摄像机,扫描仪,数码照相机,遥感图像获取设备,计算机,图像输入卡（采集卡),显示卡,图像存贮装置,图像数字化设备,输入图像,输出图像,打印机,绘图仪,图像处理计算机,图像输出设备,光谱,400,nm,700,nm,紫外光,红外光,546.1,nm,435.8,nm,780,nm,伽马射线成像,伽马射线成像用于核医学、天文观测,核医学中将放射性同位素注射到病人,体内，衰变时放出伽马射线，然后用,检测器收集到放射物产生图像。,天文观测利用物体自然辐射成像。,X射线成像,X射线成像用于医学诊断、工业检测等领域。,X射线管产生X射线。X射线管是带有阴阳极的真空管。阴极加热释放自由电子，高速流向阳极。电子撞击原子核时释放能量，产生X射线。X射线的能量由阳极电压控制，阴极电流控制X射线的数量。,伦琴与第一张X光片,X射线成像减影法,将造影剂诸如血管。将之前和之后的图像相减，突出注入造影剂的血管。,X射线成像,X射线成像用于医学诊断、工,业检测等领域。,X射线管产生X射线。X射线管,是带有阴阳极的真空管。阴极,加热释放自由电子，高速流向,阳极。电子撞击原子核时释放,能量，产生X射线。X射线的,能量由阳极电压控制，阴极电,流控制X射线的数量。,紫外线成像,紫外线成像用于平板印刷技术、工业检测、显微镜方法、激光、生物图像、天文观测等。,紫外光本身不可见，与荧,光材料内电子碰撞，把电,子提高到较高能级。受激,电子释放到较低能级，以,可见光范围内低能光子发,光。,左图为普通谷物的荧光显,微图像。,右图为被真菌感染的谷物,的荧光显微镜图像。,可见光及红外线成像,左图为放大250倍的,紫杉汾,右图为放大40倍的,胆固醇,华盛顿地区的卫星图像,可见光及红外线成像,微波图像,雷达像一个闪光照相机，自己提供照明（微波脉冲），去照明一个区域，并快速拍摄图像，与照相机镜头不同，雷达用天线和计算机记录图像。在雷达图像中，只能看到反射到雷达天线的微波能量。,西藏东南山区雷达图像,无线电波图像,无线电波图像主要应用在医学和天文学。,在医学中，用于核磁共振成像。核磁共振成像可以在任何平面产生图像。,膝盖和脊柱图像,头部图像,声波图像,声波成像应用于地质勘探、工业和医学中。,地质应用采用几百赫兹的中低端声波。最重要的应用是矿藏和石油勘测。为了透过地表获取图像，发出100赫兹的频率振动。返回声波的强度和速度由地表下的成分决定，经计算机分析得出图像。,其他应用采用百万赫兹的超声波。,数字图像特点,可以长期保存不失真。,分辨率高,数据量大,256*256 8bit灰度图像 64k,512*512,8bit灰度图像 768k,30帧/秒的电视图像序列 500k22.5M,相关性强,可以充分利用现代信息处理技术,简明历史,本世纪20年代，纽约伦敦海底电缆传输数字化的新闻图片。传递时间从一个多星期减少到3个小时。,1921年通过海底电缆传送，用电报打印机采用特殊字符在编码纸带中打印出来的图像。,1929年从伦敦到纽约15级色调通过电缆传递照片。从早期5个灰度到15灰度。,1922年，两次穿越大西洋后，采用光学还原技术，从穿孔纸带得到图像。,简明历史,五十年代中期在太空计划的推动下开始这项技术的研究。重要标志是1964年美国喷气推进实验室（JPL）正式使用数字计算机对“旅行者7号”太空船送回的四千多张月球照片进行了处理。,美国航天器传送的第一张月球照片，1964年7月31日在光线影响月球表面17分钟摄取的图像。,计算机,图像处理,未处理的原始月球表面图像,经计算机处理过的月球表面图像,数字图像处理的主要应用,通讯技术图象传真，电视电话，卫星通讯，数字电视,宇宙探索其他星体图片处理,遥感技术农林资源调查，作物长势监视，自然灾害(水、火、风、虫等)监测、预报，地势、地貌以及地质构造测绘，找矿，水文、海洋调查，环境污染笋测，等等,生物医学X射线、超声、显微图片分析，内窥镜图、温谱图分析，断层及核磁共振分析,工业生产无损探伤，石油勘探，生产过程的自动化(识别零件，装配，质量检查)，工业机器人视觉,数字图像处理的主要应用,计算机科学文字、图象输入的研究，计算机辅助设计，人工智能研究，多媒体汁算机与智能计算机研究,气象预报天气云图测绘、传输,军事技术航空及卫星侦察照片的判读，导弹制导，雷达、声纳图象处理，军事仿真,高能物理核子泡室图片分析,侦缉破案指纹鉴别，印鉴、伪钞识别，手迹分析,考古恢复珍贵的文物图片，名画，壁画。,发展趋势,1：结合网络和Internet技术需求而发展起来的新技术，比如网上图象、视频的传输、点播和新的浏览、查询手段。,2：高级图象处理技术，结合最新的数学进展，诸如小波、分形、形态学等技术。,3：智能化，图象自动分析、识别与理解。,数字图像处理课程学习内容,包括,图像数字化,、,图像变换,、图像压缩编码、,图像增强、,图像恢复、,图像分割。,图像增强,增强构成图像的像素，使它更适合某一特定应用,图像恢复,试图利用退化现象的某种先验知识，来复原原始图像,图象边缘检测,图象分割,图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中物,体的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。,将一幅图像划分为几个组成部分或分割出目标物体。,图象分割,彩色图像处理,形态学处理,膨胀操作实例,利用数学形态学对图像进行处理,图像隐藏,保密通信中的应用,第二章 物理基础,图像的获取,图像（Image）-是客观世界的景物通过光学系统作用后产生的影像。图像直观地反映了场景中物体的颜色、亮度等特征，从而使我们能清晰分辨他们的形状、大小和空间的位置。人类获取信息的70%是通过视觉系统感知的。,2.2光度学简介,光度学,：光学中研究光的辐射、吸收、照射、反射、散射、漫射等有关光的度量的学科，同时结合人的视觉特征来确定光的度量及使用的单位。,发光强度,：发光体在给定方向上的发光强度是该发光体在该方向的立体角元d内传输的光通量d除以该立体角元所得之商，即单位立体角的光通量。,公式：,其中光强单位为坎德拉（cd）（国际单位），为立体角，单位为球面度（sr），1cd=1lm/sr。,光通量：光源以电磁波的形式辐射出的光功率称为光通量。其单位流明的意义为：发光强度为1cd的均匀点光源在1球面立体角内发射的光通量。,人眼对不同波长的可见光敏感程度不一样，同时在不同的光暗程度下这一特性也有所差别，根据这一特性可以画出视敏度曲线。,亮度,：,亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度用符号L表示，亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）。,光照强度（简称照度）：照射在单位面积上的光通量。单位为勒，在1平方米的面积上照有1lm的光通量称为1lx。照度于成像的好坏有很大的关系，电视台常需要强光来照射。,2.3色度学简介,2.3.1彩色视觉,为了进行图像的彩色分析而建立的彩色计量的学科，称为色度学。,人眼对彩色的感知由三个量来度量：色调、饱和度、亮度。,色调,：,色调由可见光光谱中各分量成分的波长来组成，它是指物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的，不同波长产生不同颜色的感觉，它决定了颜色本质的根本特征。,饱和度：,饱和度反映了彩色的浓淡，它取决于彩色光中白光的含量，白光越多，彩色越淡。当白光占主要成分时，彩色淡化为白色。,色调和饱和度合称,色度,，,它既说明了彩色的波长成分分布又说明了这种彩色光的深浅浓淡（参白的多少）。,亮度：,彩色光对人眼引起的光刺激强度，与光的能量有关，彩色光的亮度对人来说就是彩色的明亮程度。,2.3.2三基色,自然界中的绝大多数彩色都可以用适当比例的三种基本彩色混合组成的等效色来模拟。这三种颜色就被称为三基色。常用的三基色，红（R），绿（G），蓝（B）。通过三基色在白色屏幕下相互叠加可以产生其它颜色。,上面提到的是用三基色相互叠加的方法得到其它颜色，还有一种方法是用相减混色。这种方法通常被用在彩色印刷和彩色绘画中。在这种方法中三基色是品红，青和黄。,1.彩色的模拟和分解,前面说过不同单色的可见光引起人眼的不同彩色感觉，但是同样的彩色感觉却可以另外的相应的光谱段组成非单波长三基色的不同比例组成。例如白光由七种颜色组成但是也能由三色波长红、绿、蓝组成。,图像处理中模拟彩色可用相加混合法，实现的方法有多种：,（1）三基色同时投到一全反射表面合成，如投到白色幕布上。,（2）因视觉残留作用，把三基色按时间轮流投到一全反射面上，只要轮换的速度足够快，仍能使人感知为各种彩色。,（3）三基色光分别头到一个面的三个点上，只要这些点相互邻接，距离很近，就可因人眼的视觉分辨率无法分开三个点而产生三基色相加色的感觉，彩色电视机就是利用这个原理。,（4）两眼分别同时观看不同彩色的同一图像，产生彩色合成效果。,彩色图像的分解最常用的方法是用三基色的滤色片透镜或棱镜得到三幅同样的三基色图像，再分别对每幅图像进行处理。,2.物理三基色，R,G,B,有很多方法选择三基色，但是实用的必须容易获得，配出彩色尽可能多，稳定，为此国际照明委员会CIE指定物理三基色光的波长，用这种R,G,B配出的白光称为E白，此时三基色的光通量比例为,3、计算三基色,物理三基色使用不便，首先用它计算各种彩色时，三色系数有时会出现负值（高饱和蓝光和绿光时）。为此CIE规定了一种虚拟的三基色系（XYZ）标准系统，它克服了原三基色系缺点，匹配彩色时，三基色系都是正值。,4、XYZ色度图,5、XYZ色度图的配色,图像处理中可根据色度图进行各种配色，也可以对彩色进行分解。理论上我们可以根据XYZ色度图查处新的颜色，并把它输入计算机分析。但是实际上人眼刚刚能认出图像差别的能力比较差。刚辨色差大的意义是在x-y色度图中x，y变化很大时，人所感到的彩色仍无变化。这样难以利用色度图三基色的分量进行定量的彩色计算和彩色处理。,6、各种色度坐标系,（1）均匀色度坐标系UCS系统,（2）修正UCS系统，其刚辨色差的线性更好,2.3.3彩色视觉建模及彩色匹配原理,人的视觉是由眼内的视网膜面上分布的光接收体形成的。这种光接收体可分为锥状体和杆状体两类。每只眼的锥状体约有600万到700万，它对彩色敏感。杆状体约有7500万到1.5亿个，它对亮度变化敏感。,2彩色匹配原理,从色度学的研究导出了一整套有用的彩色匹配规则，如下,（1）任何色彩可以用不多于三个基色配成；,（2）混合色的光亮度等于各分量亮度之和,（3）人眼不能分解混合彩色光的各个分量；,（4）在某一亮度等级上的彩色匹配可适用于较宽光度范围,2.4视觉模型,1、人眼生理结构,图像的光学成像原理透视投影,小孔成像模型,P点的空间坐标为P（X,Y,Z)像坐标为p(x,y),则根据小孔成像原理有：,焦距,亮度适应现象,人的视觉系统能够适应的光强度,级别范围是很宽的，从夜视阈值,到强闪光有10,10,量级。,主观亮度是进入人眼中光强度的,对数函数。,与整个适应范围相比，能同时鉴别,的光强度级的范围很小。,交叉线表示当眼睛适应这一强度级,时，人眼能感觉的主观亮度范围。,短线之下作黑色解释。短线之上，延伸到一定程度，人眼适应的强度级提高。,3、人眼的空间分辨率,4、人眼的亮度分辨率（灰度刚辨能力）,5、图像的对比度,6、人眼视觉的空间频率特性,7、马赫带,8、人眼的其它特性,（1）视觉残留,（2）同时对比度,（3）图像和结构的感觉,（4）对称性和镜像,（5）错觉,马赫带效应和同时对比度,说明人所感觉到的亮度不是亮度的简单函数。,视觉错觉,a中可以看到矩形,b中可以看到圆,c中一条线比另一条长,d中等距平行线不平行,冲击函数的取样性质,为了计算机处理，图像函数f(x,y)在空间和取值上必须数字化。图像的数字化包括采样和量化两个过程。,图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点。,模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。,图像数字化,数字图像,二维函数 f(x,y)表示数字图像。空间离散，幅值离散。,x,y是空间坐标，f(x,y)幅值称为强度或者灰度,反映了黑白灰度的关系。,彩色图像，各点的数值还应当反映色彩的变化，可用f(,i,j,)表示，其中是波长。如果图像是运动的，还应是时间t的函数，即可表示为,f,(,i,j,t,)。,在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题，它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般，图像中细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样定理，若一维信号,f,(,t,)的最大频率为，以,T,1/2为间隔进行采样，则能够根据采样结果,f,(,iT,)(,i,=,-1,0,1，)完全恢复,g,(,t,)，否则出现采样混淆。,式中,采 样,sinc函数,（又叫辛格函数也做Sa(x)）,空间分辨率,空间分辨率,式中,采 样,帽檐出现锯齿头发变粗头发不成条不能分辨人脸,均匀采样与非均匀采样,对灰度连续的图像f(x,y)沿x方向以等间隔,x采样,采样点数为M；沿y方向，以等间隔,y采样，采样点数为N，连续图像f(x,y)数字化后，可以得到一个MXN的离散样本阵列f(m,n)。M,N一般选2的整数幂。,在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样。,若连续灰度值用z来表示，对于满足,z,i,z,z,i,+1,的,z,值，都量化为整数,q,i,。,q,i,称为像素的灰度值，,z,与,q,i,的差称为量化误差。一般，像素值量化后用一个字节8 bit来表示。如图所示，把由黑灰白的连续变化的灰度值，量化为0255共256级灰度值，灰度值的范围为0255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。,量 化,当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像出现假轮廓。,连续灰度值量化为灰度级的方法有两种，一种是等间隔量化，另一种是非等间隔量化。等间隔量化就是简单地把采样值的灰度范围等间隔地分割并进行量化。对于像素灰度值在黑白范围较均匀分布的图像，这种量化方法可以得到较小的量化误差。该方法也称为均匀量化或线性量化。为了减小量化误差，引入了非均匀量化的方法。,非均匀量化是依据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量化误差最小的原则来进行量化。具体做法是对图像中像素灰度值频繁出现的灰度值范围，量化间隔取小一些，而对那些像素灰度值极少出现的范围，则量化间隔取大一些。由于图像灰度值的概率分布密度函数因图像不同而异，所以不可能找到一个适用于各种不同图像的最佳非等间隔量化方案。因此，实用上一般都采用等间隔量化。,均匀量化和非均匀量化,（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓。,（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，因为眼睛在剧烈灰度变化区估计灰度的能力相对较差。,（3）锥形量化：出现频度高的灰度区细量化，其余区域粗量化。,（4）对于彩色图像，是按照颜色成分红（R）、绿（G）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8 bit量化，即每种颜色量级别是256，则可以处理256256256=16 777 216种颜色。,数字化原则,2.6.3扫描和彩色制式,THE END,THANKS!,