《数字图像处理》第1章

数字图像处理
徐迎晖 广东工业大学自动化学院
教学计划
课程性质和任务
通过本课程的学习，系统地了解数字图像的基本概念、 通过本课程的学习，系统地了解数字图像的基本概念、数字图像形成 的原理，掌握数字图像处理的理论基础和技术方法。 的原理，掌握数字图像处理的理论基础和技术方法。着重掌握数字图像的 增强、复原、压缩和分割的技术方法， 增强、复原、压缩和分割的技术方法，为今后能够从事有关数字图像处理 的研究和技术方法应用等工作掌握必备的基础知识。 的研究和技术方法应用等工作掌握必备的基础知识。
教学计划
课程内容
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 8章 10章 第10章 绪论 数字图像基础 空间域图像增强 频率域图像增强 图像复原 图像压缩 图像分割
教学要求
考核方式
本课程的考核分为平时成绩、 本课程的考核分为平时成绩 、 期末考试成绩两大 部分，其中期末考试以开卷笔试为主。 部分 ， 其中期末考试以开卷笔试为主 。 总成绩按以下 公式计算： 公式计算： 总成绩＝平时成绩×30% 期末成绩×70% 总成绩＝平时成绩×30%＋期末成绩×70%
第1章
绪论
数字图像处理的概念
在数字图像处理中， 在数字图像处理中 ， 一幅图像可看成是由像素矩阵中 的像素（pixel）组成的，每个像素的灰度级至少要用6 的像素（pixel）组成的，每个像素的灰度级至少要用6bit 单色图像） 来表示， 一般采用8bit（ 彩色图像） （ 单色图像 ） 来表示 ， 一般采用 8bit （ 彩色图像 ） ， 高精 12bit 16bit 度 的 可 用 12bit 或 16bit 。 一 般 分 辨 率 的 图 像 像 素 数 为 256× 512× 256×256 、 512×512 ， 高 分 辨 率 图 像 像 素 数 可 达 1024×1024或2048×2048。 1024×1024或2048×2048。 例如：256×256× 64kb 例如：256×256×8=64kb 512×512× 256kb 512×512×8=256kb 1024×1024× 1024×1024×8=lMb 2048×2048× 2048×2048×8=4Mb 一幅X 射线照片一般用64 256kb 的数据量， 64～ kb的数据量 一幅 X 射线照片一般用 64 ～ 256kb 的数据量 ， 一幅遥感 图像3240 2340× 3240× 30Mb 大数据量给存储、 Mb， 图像 3240×2340×4≈30Mb ，大数据量给存储 、 传输和处理 都带来巨大的困难。 都带来巨大的困难像的数学表式 一幅图像可以被看成是空间各个坐标点上强度的集 它的数学表达式的一般形式为： 合。它的数学表达式的一般形式为：
其中， 、 、 是空间坐标 是空间坐标， 是波长， 是时间 是图 是时间， 其中，x、y、z是空间坐标，λ是波长，t是时间，I是图 像点的光强度。 像点的光强度。
第1章
绪论
数字图像处理的起源与发展
20世纪60年代末 70年代初 开始用于医学图像、地球遥感、 世纪60年代末、 3. 20世纪60年代末、70年代初 开始用于医学图像、地球遥感、天文学等 领域 计算机轴向断层术 (CAT,CT) 获诺贝尔医学奖
胸部X射线图像 胸部X
头部CT图像 头部CT图像 CT
第1章
绪论
数字图像处理的概念
实际上，对任一个空间点， 实际上，对任一个空间点，在该点可测到的物理特 征都远远大于3 但这些特征中绝大部分是人眼不可见的。 征都远远大于3，但这些特征中绝大部分是人眼不可见的。 因此，任一对象都存在着大量的图像。 因此，任一对象都存在着大量的图像。 图像的另一个子集是抽象的数学图像， 图像的另一个子集是抽象的数学图像，即用数学函 数学图像 数代表的图像，它包括了连续型与离散型（即数字图像） 数代表的图像，它包括了连续型与离散型（即数字图像） 两大类。 两大类。 在所有各类图像中， 在所有各类图像中，只有数字图像是可以用数字计 算机直接处理的图像。 算机直接处理的图像。计算机图像处理技术主要研究数 字图像的处理。 字图像的处理。
第1章
绪论
本章要点
数字图像处理的概念 数字图像处理的应用实例 数字图像处理的基本步骤 数字图像处理系统的组成
第1章
绪论
数字图像处理的概念
图像的定义 一幅图像是一种代表另一个客体（或对象）的一种 一幅图像是一种代表另一个客体（或对象） 写真或模拟，是一种生动的、图形化的描述。也就是说， 写真或模拟，是一种生动的、图形化的描述。也就是说， 图像是一种代表客观世界中另一物体的、 图像是一种代表客观世界中另一物体的、生动的图形表 它包含了描述其所代表的物体的信息。 达，它包含了描述其所代表的物体的信息。 图像分类 借助集合（ 借助集合（凡具有某种特定性质的对象的总合称之 为集合）的概念， 为集合）的概念，图像可根据其生成方法或存在形式分 成若干类。所有图像的总体可以看作客观世界的一部分， 成若干类。所有图像的总体可以看作客观世界的一部分， 或者叫做客观世界的一个子集， 或者叫做客观世界的一个子集，而图像本身又可进一步 划分为若干子集（若干类）。图像的各子集中，最重要 划分为若干子集（若干类）。图像的各子集中， ）。图像的各子集中 的一个子集是可见图像子集 可见图像子集。 的一个子集是可见图像子集。
第1章
绪论
数字图像处理的起源与发展
广泛用于工业、医学、生物科学、地理学、考古学、物理学、 4. 至今 广泛用于工业 、 医学 、 生物科学 、 地理学 、 考古学 、 物理学 、 天 文学等多个领域 5. 利用图像处理技术帮助解决机器感知问题
第1章
绪论
数字图像处理的起源与发展
数字图像处理领域的发展方向
在该领域中需进一步研究的问题，不外乎如下五个方面： 在该领域中需进一步研究的问题，不外乎如下五个方面： 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。 l ） 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题 。 如在航天遥 气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一; 感、气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一; 加强软件研究、开发新的处理方法， 2 ） 加强软件研究 、 开发新的处理方法 ， 特别要注意移植和借鉴其 他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法； 他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法； 加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。 3 ） 加强边缘学科的研究工作 ， 促进图像处理技术的发展 。 如 ： 人 的视觉特性、心理学特性等的研究如果有所突破， 的视觉特性、心理学特性等的研究如果有所突破，将对图像处理技术的 发展起到极大的促进作用； 发展起到极大的促进作用； 加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系； 4）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系； 时刻注意图像处理领域的标准化问题。图像的信息量大、 5 ） 时刻注意图像处理领域的标准化问题 。 图像的信息量大 、 数据 量大，因而图像信息的建库、检索和交流是一个极严重的问题。 量大，因而图像信息的建库、检索和交流是一个极严重的问题。就现有 的情况看，软件、硬件种类繁多，交流和使用极为不便， 的情况看，软件、硬件种类繁多，交流和使用极为不便，这成了资源共 享的严重障碍。应及早建立图像信息库，统一存放格式， 享的严重障碍。应及早建立图像信息库，统一存放格式，建立标准子程 统一检索方法。 序，统一检索方法。
第1章
绪论
数字图像处理的起源与发展
20世纪60年代早期 世纪60 2. 20世纪60年代早期 第一台执行有意义的图像处理任务的大型计算机 计算机的发展， 计算机的发展， 空间项目开发 利用计算机改善空间探测器发回的图像工作
美国航天器传送的 第一张月球照片， 第一张月球照片， 旅行者7 “旅行者7号”卫 1964年 31日 星1964年7月31日9 09分 点09分（东部白天 时间） 时间）在光线影响 月球表面17 17分钟前 月球表面17分钟前 摄取的图像
先修课程
高等数学，线性代数，概率论， 高等数学，线性代数，概率论，信号与系统
教材
冈萨雷斯著， 数字图像处理（第二版） 冈萨雷斯著，阮秋琦译 数字图像处理（第二版） 电子工业出版社 2003 年3月
参考书： 参考书：
[1] 《数字图像处理》Kenneth.R.Castleman 著，朱志刚等译，电子工业 出版社，1998年 [2] 《Matlab图像处理与应用》赖志国 等编，国防工业出版社，2007年 [3] 《学习OpenCV》布拉德斯基 著，于仕琪 译，清华大学出版社，2009
第1章
绪论
数字图像处理的概念
图像处理涉及的相关领域 低级处理：输入输出均为图像（如图像缩放、图像平滑） 低级处理：输入输出均为图像（如图像缩放、图像平滑） 中级处理：输入图像，输出提取的特征（如区域分割、 中级处理：输入图像，输出提取的特征（如区域分割、边 界检测） 界检测） 高级处理： 如无人驾驶，自动机器人) 高级处理：理解识别的图像 (如无人驾驶，自动机器人) 数字图像处理包括输入和输出均是图像的处理， 数字图像处理包括输入和输出均是图像的处理，同时也包 包括输入和输出均是图像的处理 括从图中提取特征及识别特定物体的处理。 括从图中提取特征及识别特定物体的处理。 文本识别的例子
第1章
绪论
数字图像处理的起源与发展
20世纪20年代 世纪20 1. 20世纪20年代 第一次通过海底电缆传输图像
1921年用电报打印 机采用特殊字符在 编码纸带中产生的 图像
1922年在信号两次 穿越大西洋后，从 穿孔纸带得到的数 字图像
第1章
绪论
数字图像处理的起源与发展
1929年 年 从伦敦到 纽约用15 纽约用 级灰度设 备传送的 照片
可见图像子集包含了全部人眼可见的图像， 可见图像子集包含了全部人眼可见的图像，其中不仅 包含了全部人眼可见的图像 包括了客观存在的光学图像， 包括了客观存在的光学图像，而且也包括了人类用各种不 同的方法人工生成的图像，即照片、图形与绘画。 同的方法人工生成的图像，即照片、图形与绘画。 各种可测到的（客观存在的）物理特征量的空间分布， 各种可测到的（客观存在的）物理特征量的空间分布， 构成一大类图象，称为物理图像 物理图像。 构成一大类图象，称为物理图像。这些物理特征量是多种 多样的， 多样的，它既可以包括各种波长的电磁波强度的空间分布 不同所构成的图像，也包括如温度分布、压力分布、 不同所构成的图像，也包括如温度分布、压力分布、高度 分布、人口密度分布等等所构成的图像。 分布、人口密度分布等等所构成的图像。可见光学图像只 是电磁波场图象中的一个子集。其余各种物理图像（ 是电磁波场图象中的一个子集。其余各种物理图像（均是 人眼不可见的）构成了不可见物理图像子集。 人眼不可见的）构成了不可见物理图像子集。 还应注意到，同一个空间点，可以具有多个物理特征。 还应注意到，同一个空间点，可以具有多个物理特征。 因此，同一对象可以有多幅图像。例如彩照（ 因此，同一对象可以有多幅图像。例如彩照（或彩色电视 图像），就是每一点均在红、 ），就是每一点均在红 图像），就是每一点均在红、绿、蓝三个波段上有不同强 度分布的三幅图像的合成。 度分布的三幅图像的合成。