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1、计算机图像处理,计算机图像处理,教 学 要 求：1）成绩分布：实验成绩20分，平时成绩10分，卷面70分。2）听课要求：认真听课，做笔记，及时复习。3）实验要求：有预习报告，认真实验，做实验报告。,计算机图像处理,第4章 图像增强,计算机图像处理课程性质：本课程作为专业主干课，是电子信息专业本科生的必修课，通过学习，掌握计算机图像处理与分析的基本概念，典型算法和基本实用技术。,课程内容：本课程主要为两部分内容：第一部分为图像处理的基础。包括绪论、图像处理的基本概念和图像变换。第二部分为图像处理的理论和方法。包括图像增强、图像复原、图像编码与压缩、图像分析与识别基础等。,第1章 绪论,1.1计算
2、机图像处理概述1.图像处理的概念(image)什么是图像?,图像是与之相对应的物体或目标(object)的一个表示，这个表示可以通过某种技术手段得到。包括照片、绘画、传真、卫星遥感图片、X光片、红外热成像、超声波图像、心脑电图、B超、CT图像、显微图像等。,几幅图像,图像的分类：图像可以根据其形式或产生的方法来分类。,人眼视觉图像：照片、图、画等。数学图像：由连续函数或离散函数生成的抽象图像。物理图像：反映物体的电磁波辐射能，包括可见光和不可见光。绝大部分的物理图像是数学图像。,图像的分类,2.数字图像的概念(定义)从物理和数学角度看，图像是记录物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间
3、坐标和波长的函数，即，这样的图像能被计算机处理，计算机图像处理即数字图像处理。通常，一幅图像可以被看成是空间各个坐标点上彩色强度的集合。其中，x、y、z是空间坐标，是波长，t是时间，I是像素点的强度。它表示活动的、彩色的、三维的视频图像。对于静止图像，则与时间t无关；对于单色图像，则波长为常数；对于平面图像，则与坐标z无关。,数字图像,3.计算机图像处理 利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得预期的结果的技术。基于计算机的图像处理学是从信息处理、自动控制系统论、计算机科学、数据通信、电视技术等学科中脱颖而出的，成为研究“图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合利用”的一门崭新学科
4、。,此时，图像为平面上静止的单色图像，其数学表达式为：另外一种描述图像的方法是以统计学为基础的统计性表征法，即把图像信息作为随机信号。,数字图像的发展：,主动脉造影图像,胸部x射线图像,显微镜获得图像音频CD的表面（1750倍）,卫星多光谱图像,反射到雷达天线的微波图像,三维计算机模型产生的图像,超声波成像肌肉层有损害,5.数字图像处理的特点：（1）直观形象，信息量大；（2）精度高,容易实现；（3）再现性好；（4）通用性、灵活性高。,4.数字图像处理获得的途径：将传统的可见光图像经过数字化处理转换为数字图像。例如：将一幅照片通过扫描仪输入到计算机中。应用各种光电转换设备直接得到数字图像。直接由
5、离散数学函数生成数字图像。,1.2数字图像处理研究内容与应用,研究内容：,图形数字化（图像获取）：把连续图像用一组数字表示，便于用计算机分析处理。,图像变换：对图像进行正交变换，以便进行处理。,二维图像及其离散傅立叶频谱的显示a)原始图像 b)离散傅立叶频谱,图像增强：对图像的某些特征进行强调或锐化而不增加图像的相关数据。,a)原图 b)图像增强后的图,c)原图d)经过复原的图,图像增强图例,图像复原图例,图像复原：去除图像中的噪声干扰和模糊，恢复图像的客观面目。,图像编码：在满足一定的图形质量要求下对图像进行编码，可以压缩表示图像的数据。图像分析：对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，从而获得
6、所需的客观信息。图像识别：找到图像的特征，以便进一步处理。图像理解：在图像分析的基础上得出对图像内容含义的理解及解释，从而指导和规划行为。,a)一幅免疫细胞图像,b)指纹图像,图像处理学三层次示意图,数字图像处理方法 图字图像处理方法分为大两类：空间域处理（空域法）和变换域处理（频域法）。空域法：直接对获取的数字图像进行处理。频域法：对先对获取的数字图像进行正交变换，得 到变换系数阵列，然后再进行处理，最后 再逆变换到空间域，得到图像的处理结果。,主要应用：计算机科学：计算机辅助设计、人工智能研究和多媒体计算机研究等。通信技术：图像传真、可视电话、卫星通信等。生物医学：X射线、超声、显微图片分
7、析，温图谱分析，断层及核磁共振分析等。,遥感技术：自然灾害预报、监测，地质结构测绘，找矿，水文、农林资源调查等。,军事技术：导弹制导，雷达、声纳图像处理，军事仿真等。,考古：恢复珍贵的文物图片、名画和壁画等。,侦查破案和商业应用：指纹鉴别，手迹分析，伪钞识别等。,其它应用：材料分析、服装试穿显示、发型设计显示、现场视频管理等。,狭义图像处理,模式识别,新技术新工具新理论,图像处理学与相关学科和领域的联系和区别,1.2.4图像处理学与其他相关学科的关系,图像处理和分析系统构成示意图,1.数字图像处理系统 一个图像处理和分析系统的基本组成有：采集、显示、存储、通信、处理和分析五个模块。,（1）对某
8、个电磁能量波段（X射线，紫外线，可见光，红外线等）敏感的物理器件。（2）数字化器：电荷耦合器件（CCD)照相机，视频摄像机和扫描仪等。,1.图像采集模块,2.图像显示模块图像的处理结果通过输出设备显示出来。如显示器、打印机、胶片等。,3.图像存储模块一般选用大容量的存储器，如光盘、硬盘、SD卡等。,4.图像处理和分析模块 图像处理和分析模块可以用软件实现，也可以用硬件实现。,5.图像通信模块 图像通信可借助综合业务网、计算机局域网和普通电话网等。,6.图像处理软件 用于数字图像文件存储和交换的标准图像文件格式。有未压缩格式（位图BMP）和压缩格式（GIF格式）,1.4 数字图像处理工具软件MA
9、TLAB MATLAB是Math Works公司开发的科学计算工具软件包。其中，MATLAB的Image Processing TOOLBOX提供了图像处理涉及的许多处理算法。,1.5数字图像处理中的基本图像类型,1.数字图像的矩阵表示 从客观景物得到的图像是二维的，因此一幅图像可以用一个二维数组 来表示，这里x和y表示二维空间中的一个坐标点的位置，f 值代表图像在点(x,y)的某种性质F的数值。这个图像性质一般用灰度值来表示。,灰度：图像上对应点的亮度值。计算机图像处理中，坐标空间x,y和性质F值都是离散的，一般在整数集合中取值。,数字图像的矩阵表示：,图（a）所用坐标系通常在屏幕显示中采用
10、，即原点0在图像左上角图（b）所用坐标系通常在图像计算中采用，即原点0在图像左下角,像素：通常，表示图像的二维数组是连续的，将连续参数x,y,和f取离散值后，图像被分割成很多小的网格，每个网格即为像素。每个像素具有独立的属性。一个像素最少具有两个属性，即像元的位置(x,y)和灰度值（F）。位置由像元所在的行列坐标决定，通常用坐标对（x,y）表示。,位图图像（bitmap）：一幅图像有许多像素点构成，每个像素点包含着反映图像在该点的明暗和颜色变化等信息，这种图像叫做位图图像。,像素间基本关系：,例：免疫细胞图像分割的过程示意图：,（1）原图,（2）边界图,（3）区域图,像素间的基本关系：(1)邻
11、域：设p为位于坐标(x,y)的一个像素，则四邻域：p的个水平和垂直相邻像素的坐标为：(x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1)上述像素组成p的邻域，用N4(p)表示。每个像素距(x,y)一个单位距离。,(a)4邻域N4(p),(b)对角邻域ND(p),(c)邻域N8(p),对角相邻像素集用ND(p)表示。ND(p)与N4(p)合起来称为p的邻域，用N8(p)表示。,对角邻域和8邻域：p的个对角相邻像素的坐标为：(x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x-1,y+1)，(x-1,y-1),(2)连通性：判断像素间是否连通的两个要素：像素是否相邻、灰度值是否满足特定的相似性准
12、则。三种类型的连接性：令V是定义连接性的灰度值集合，如：具有灰度值为32至48之间像素的连通性，即 V=32,33,47,48连接：个像素p和r在V中取值，且r在N4(p)中连接：个像素p和r在V中取值，且r在N8(p)中,m连接(混合连接)：个像素p和r在V中取值，且满足下列条件之一：r在N4(p)中；r在ND(p)中且N4(p)N4(r)不包含V中取值的像素，即该集合是由p和r的在V中取值的近邻像素组成。,(d)V=时m连接,(3)距离给定三个像素p,q,r其坐标分别为(x,y),(s,t),(u,v)如果满足三个条件（书p25)，则D是距离函数或度量。,p和q之间的欧氏距离：(取圆形窗口
13、),p和q之间的D4距离(城市街区距离):(取菱形窗口),p和q之间的D8距离(棋盘距离)：(取方形窗口),例：m连通时的像素间距离的计算。(a)是某个子图像，其中像素p和q的值均为。(b)当s=0,t=0时，则Dm(p,q)=2;(c)当s=0,t=1时，则Dm(p,q)=3;(d)当s=0,t=1时，则Dm(p,q)=3;(e)当s=1,t=1时，则Dm(p,q)=4;,2.数字化过程三个步骤：扫描、采样和量化。扫描：按照一定的先后顺序对图像进行遍历的过程。采样：将空间上连续的图像变成离散点的操作。采样过程即可看作将图像平面划分成网格的过程。量化：将采样得到的灰度值转换为离散的整数值。灰度
14、级：一幅图像中不同灰度值的个数。一般取 0255，即256个灰度级。,3.描述数字图像的基本参数描述数字图像的基本参数有三个：图像分辨率、图像深度和图像数据容量。图像分辨率：指对原始图像的采样分辨率，即图像水平或垂直方向单位长度上所包含的采样点数。单位是“像素点/单位长度”，例如：像素点/毫米、像素点/英寸。习惯上也以水平方向上的像素点与垂直方向上的像素点的乘积表示，如：640480。图像深度：位图图像中，各像素点的亮度或色彩信息用二进制数位来表示，这一数据位的位数即为像素深度，也叫图像深度。图像深度越深，能够表现的颜色数量越多，图像的色彩也越丰富。,图像数据量：图像数据量是一幅图像的总像素点
15、数目与每个像素点所需字节数的乘积。不同图像分辨率、图像深度与图像数据量的关系：,4.像素数、量化参数与数字图像关系像素数（采样）对图像的影响：采样间隔越大，所得图像像素越少，空间分辨率低，图像质量差；采样间隔越小，所得图像像素越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。,图像像素数对图像的影响,4.像素数、量化参数与数字图像关系量化参数（灰度级）与数字图像关系：量化等级越多，图像层次越丰富，灰度分辨率高，图象质量好，但数据量大；反之图像质量变差，会出现假轮廓现象，但数据量小。,灰度级变化所产生的效果,5.图像的基本类型,（1）二值图像：像素取值仅为0和1，“0”代表黑色，“1”代表白色。,（2
16、）灰度图像：像素取值范围为0，255，“0”表示纯黑，“255”表示纯白色，中间数字从大到小表示由黑到白的过渡色。,图2 灰度图像,图1 二值（黑白）图像,二值图像,灰度图像,（3）索引图像（彩色图像）：索引图像除存放图像的二维矩阵外，还包括一个颜色索引矩阵，即数据矩阵（I）和一个颜色影像表矩阵（Map）。,Map矩阵是一个3列若干行的数据阵列，其每一行分别表示红色、绿色和蓝色的颜色值。图像中的像素颜色由数据矩阵I作为索引指向矩阵Map进行索引。,索引图像,例如：数据矩阵I中的值1指向颜色矩阵Map中的第一行，2指向第二行等。,RGB彩色图像,（4）RGB彩色图像：RGB彩色图像有一个三维数据矩阵，每个像素的颜色值分别由红（R）绿（G）蓝（B）三原色的组合来表示，并直接存放在图像矩阵中。,思考题：1.名词解释：灰度、像素、图像分辨率、图像深度、图像数据量。2.什么是采样与量化？3.图像的四种基本类型是什么？4.说明图像函数 的各个参数的具体含义。5.简述图像处理系统的基本流程。,
