数字图像处理第一章

数字图像处理苗启广 西安电子科技大学 计算机学院 QGMiao@ 2011.9.2本课程主要内容包括：第1章. 第2章. 第3章. 第4章. 第5章. 第6章. 第7章. 第8章. 第9章. 概述 彩色数字图像基础 图像变换 图像增强 图像复原 图像重建 图像数据压缩 图像分割与特征提取 图像的形态学运算第一章 概述 本章主要内容：1.什么是数字图像 2.数字图像处理的主要研究内容 3.数字图像处理系统的基本组成结构 4.数字图像处理的应用 5.数字图像处理中的数据结构 6.图像获取、显示与存储1.什么是数字图像？一幅数字图像可以看成由许许多多的点组 成的1.什么是数字图像？数字图像是指由被称作象素的小块区域 组成的二维矩阵。

对于单色即灰度图像而 言，每个象素的亮度用一个数值来表示，通 常数值范围在0-255，即可用一个字节来表 示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰 度。

125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,147, 133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150, 155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142, 167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,104,101,117,132, 54, 46, 38, 44, 38, 36, 44, 36, 25, 48,115,113,114,124, 58, 30, 44, 35, 28, 69,144,147, 57, 60, 93,106,119,124,1.什么是数字图像？彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维 矩阵来表示。

通常，三元组的每个数值也是在 0到255之间，0表示相应的基色在该象素中没 有，而255则代表相应的基色在该象素中取得 最大值，这种情况下每个象素可用三个字节来 表示。

(207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172)(217,124,121) (213,142,135) (216,179,170) (222,192,179) (136, 38, 65) (136, 38, 65) (138, 46, 71) ( ) (215,169,161) (216,179,170) (220,188,176) (150, 54, 71) (112, 20, 56) ( 91, 11, 56) (103, 19, 59) ( ) (216,179,170) (221,184,170) (190, 77, 84) (177, 65, 73) (112, 20, 56) (113, 25, 60) (158, 65, 83) ( ) (216,179,170) (190, 89, 89) (206, 95, 97) (145, 39, 65) (109, 30, 65) (103, 19, 59) (124, 40, 70) ( )2.数字图像处理的主要研究内容数字图像处理：用数字计算机及其他有 关数字技术，对图像施加某种运算和处 理，从而达到某种预想的目的。

2.数字图像处理的主要研究内容1.图像数字化 客观世界图像是连续的（坐标连 续、灰度连续）即f(x,y)中f,x,y均为 连续的，如何数字化？数字化结果不失 真又便于计算机分析处理。

2.数字图像处理的主要研究内容2. 图像增强 增强图像中的有用信息，削弱干扰 和噪声，以便对图像进行观察识别和进 一步地分析与处理。

增强后的图像可能 比原图质量更好，也可能与原图不一 致。

2.数字图像处理的主要研究内容3.图像恢复 又叫图像复原，目的是把退化、 模糊了的图像恢复成与原图像尽可能 一致的图像。

2.数字图像处理的主要研究内容4.图像编码又叫图像压缩。

主要目的是在满足一定的保真度要求下，简化图像的表示，从而大大压缩表示图像的数据，以便于存储和传输。

2.数字图像处理的主要研究内容5.图像重建由图像投影数据重建该图像。

如CT 断层扫描。

2.数字图像处理的主要研究内容6.图像分析对图像中的不同对象进行分割、分类、识别和描述、解释。

3.数字图像处理系统的基本组成结构数字图像处理系统由图像数字化设备、图像处理计算机和图像输出设备组成，如下图所示：图数字图像处理系统4.数字图像处理的应用◆遥感: 地理、地貌、自然资源调查，自然灾害监测、预报等◆视觉监视: 保安、电子警察、手迹、人像、印章的自动识别等◆工业检测与测量: 无损探伤、零件的自动识别、工业机器人等◆宇宙探险、军事侦察、高精度制导、定位、指挥等◆医疗诊断：B超，CT，X射线、DNA显示分析、癌细胞识别等◆通讯：图像传真、可视电话、数字电视、卫星通讯◆影视业、娱乐、公众服务等5.图像获取、显示与存储图像获取是图像的数字化过程，显示则是将数字图像转化为适合人们使用的形式，而处理是通过软件对图像进行变换操作的过程。

5.1 图像获取（输入）图像获取即将图像采集到计算机中的过程，主要涉及成像及模数转换（A/D Converter）技术。

目前图像获取设备主要有：以CCD （电荷耦合器件，Charge Coupled Devices）技术为核心的扫描仪、数字摄像机等，性能与价格主要取决于CCD的尺寸、分辨率等。

除了这些常见的类型外，目前有许多厂商提供各种其它的专用设备，如显微摄像设备、红外摄像机、高速摄像机、胶片扫描器等等。

此外，遥感卫星、激光雷达等设备提供其它类型的数字图像。

分辨率：单位长度上采样的像素个数DPI(dots/inch)5.2 图像显示（输出）显示是将数字图像转化为适合人们使用的形式，便于人们观察和理解。

图像显示的主要显示设备是图形终端显示设备（CRT监视器），打印设备是采用打印机（绘图机）。

5.2 图像显示（输出）半调打印机显色原理5.3 图像的存储5.3.1概述图像包含有大量的信息，因而存储图像需要大量的空间。

在图像处理系统中，大容量、高速图像存储器是必不可少的。

而将图像数据保存成文件时，为便于计算机、网络共享，有各种各样的标准文件格式。

5.3.2 图像文件格式互联网用：GIF、JPG、PNG、BMP 印刷用：TIF、JPG、TAG 、PCX 国际标准：TIF、JPG5.3.3 图像表示方式数字图像处理中常用的图像存储方式有：矩阵、比特面、金字塔（pyramids）和四叉树（quadtrees）。

5.3.3 图像表示方式5.3.3 图像表示方式5.3.3 图像表示方式9比特面一幅灰度级用8位表示的图像有8个位面，一般用位面0代表最低位面，位面7代表最高位面。

5.3.3 图像表示方式这种方式能够充分利用内存空间，便于比特面之间的逻辑运算，但对灰度图像处理耗时多。

5.3.3 图像表示方式9金字塔是把2k ×2k 的图像看成是不同的K+1幅图像的层次集合。

从输入图像I 0开始，顺序产生纵横比都变为原来1/2的新图像I 1、I 2、……、I k+1。

新图像象素的值是它前一个图像对应2×2象素的平均值。

5.3.3 图像表示方式5.3.3 图像表示方式9四叉树对一幅二值图像的行、列不断进行二等分，如果图像被分割部分中全体像素都变成具有相同特征时，这一部分则不再分割。

采用以原图像为树根的叉树表示，主要用于特征提取和信息压缩方面5.3.3 图像表示方式图1.5 二值图像四叉树结构5.3.3 图像表示方式图1.5 二值图像四叉树结构5.3.3 图像表示方式9组合方式组合方式是一个字长存放多个像素灰度值的方式，如把两个4位的像元数据存储到同一个字节中。

它能起到节省内存的作用，但导致计算量增加，使处理程序复杂。

5.3.3 图像表示方式图1.6 组合方式5.3.4 BMP文件格式一、简介BMP(Bitmap-File)文件是Windows采用的图像文件格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持BMP图像文件格式。

Windows 3.0以后的BMP图像文件与显示设备无关，因此把这种BMP图像文件格式称为设备无关位图DIB (device-independent bitmap)格式，目的是为了让Windows能够在任何类型的显示设备上显示所存储的图像。

BMP位图文件默认的文件扩展名是BMP或者bmp。

5.3.4 BMP文件格式二、文件结构位图文件由4个部分组成：位图文件头(bitmap-file header)、位图信息头(bitmap-information header)、彩色表(color table)和定义位图的字节阵列(图像数据)，具体形式如下：二、文件结构A. 位图文件头这个结构的长度是固定的，为14个字节（WORD为无符号16位整数，DWORD为无符号32位整数），各个域的说明如下：A. 位图文件头typedef struct BITMAPFILEHEADER { WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;} BITMAPFILEHEADER;A. 位图文件头bfType(偏移量：0000H)（WORD）指定文件类型，WINDOWS3.1, WIN95, WINNT.....必须是0x424D，即字符串”BM”，也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是”BM”。

A. 位图文件头bfSize(偏移量：0002H) （DWORD）指定文件大小，包括这14个字节00010058h 即65624bfReserved1，bfReserved2(偏移量：0006H)为保留字，不用考虑（WORD）bfOffBits(偏移量：000AH) （DWORD）从文件头到实际的位图数据的偏移字节数，文件前三个部分的长度之和。

00000056h即86=14（文件头）+40（信息头）+4*8（调色板）B.位图信息头typedef struct BITMAPINFOHEADER{ DWORD biSize;DWORD biWidth;DWORD biHeight;WORD biPlanes;WORD biBitCountDWORD biCompression;DWORD biSizeImage;DWORD biXPelsPerMeter;DWORD biYPelsPerMeter;DWORD biClrUsed;DWORD biClrImportant;} BITMAPINFOHEADER;B.位图信息头这个结构的长度是固定的，为40个字节（WORD为无符号16位整数，DWORD无符号32位整数），各个域的说明如下：B.位图信息头biSize(偏移量：000EH) （DWORD）指定这个结构的长度，WINDOWS为28H，OS/2 1.X 为0CH，OS/2 2.X为F0H 00000028hbiWidth(偏移量：0012H) （DWORD）指定图像的宽度，单位是象素00000100h 即256 biHeight(偏移量：0016H) （DWORD）指定图像的高度，单位是象素00000100h 即256B.位图信息头biplanes (偏移量：001AH) （WORD）位图的位面数，为1。