第一章 数字图像处理基础 [兼容模式]
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(2) W.K.Pratt，数字图像处理（原书第4版），机械工业出版社，2010
2
提要
第一章 数字图像处理基础
1.1 1 1 1.2 1.3 14 1.4
人眼的视觉 图像数字化 数字图像表达 数字图像质量
4
导论
什么是数字图像处理? 数字图像处理( (Digital g Image g Processing) g) 是一个迅速发展的专业领域。它的主要目的 是将图像信号转换成数字信号并利用计算机 对其进行处理和加工，以便提取图像中的信 息。
10
为什么要数字图像处理？
具有的独特优势
应用举例
医学和生物学成像: CT, B超,磁共振… 工业: 机器视觉, 自动控制, … 空间: 航空, 导航, 遥感 (森林, 环境,资 源), … 监控:视频监控, 牌照识别, 人脸识别,… 军事:侦察,导航,声纳成像, … 艺术 等
图像数字化，以便于图像的传输、打印和存储 ， 图像的增强和复原，改善图像质量 图像的分割和描述，获得图像的信息 大量图像的高速处理 三维及更高维图像数据的测量和显示（如遥感 图像和各种内脏器官及血管形状的测量与显示）
27
28
人眼视觉系统（视觉生理）
左图是人的右眼水平切面结构 图。眼内与产生视觉直接有关 的结构是眼睛的折光系统和感 光系统。 折光系统由角膜、房水、晶状 体和玻璃体组成。 体和玻璃体组成 视网膜含有对光刺激高度敏感 的视杆细胞和视锥细胞 能将 的视杆细胞和视锥细胞，能将 外界光刺激所包含的视觉信息 转变成电信号 并在视网膜内 转变成电信号，并在视网膜内 进行编码、加工，再由视神经 传向视觉中枢作进一步分析， 最后形成视觉。
v
F (u, v )
u
u
1 v y
说明：采样图像的频谱是原始连续图像频谱在空间域上 的无限重复，周期为： 1/⊿x（u方向）， 1/⊿y （v方 向）
30
亮度适应性
闪烁 门限
马赫效应
视觉系统能够感觉的亮度范 觉系统能够感觉的亮度范 围是非常宽广的（1010） 主观亮度是光亮度的对数函 数 人眼能够同时区分的亮度范 围是相当小的(Bb~Ba)
暗视觉 阈值
在亮度突变处，视觉的主观感受 出现虚幻的亮或暗的条纹。因此 Mach效应而对人眼所见景物有增 强其轮廓的作用。
相同亮度的目标物（方块）放在不同亮度的背 景上，给人眼的亮度感觉是不同的。这种效应 ， 。 是由背景的不同引起的。 在照明光源中的应用？白平衡？
38
37
同时对比
HVS模型
H1 ( wx , wy )
H 2 ( wx , wy )
H 3 ( wt )
色度同时对比效应
波长敏感接收器的输出馈入到一种代表人眼光学部分的低通线性系统 H1，后面跟随着一个表示视杆或视锥细胞的非线性强度响应的一个单 调非线性系统，接着横向抑制过程通过一个具有带通响应的线性系统 H2来描述，而人眼神经暂存响应限制引起的延迟和滞后则由一个线性 时间传递函数H3来模型化。
39 40
1.2 图像数字化 像数字
一个量化采样值的 2D方形阵列 什么是数字化 ? 如何数字化 ? 性能与指标 数字化以及其组成
1 2 1 什么是数字化 ? 1.2.1
把图像从其原来的形式转换成数字形式 什么是图像的数字形式 ?
41
42
图像的数字形式: 0-D
5
43 44
图像的数字形式 : 1-D
52
s( x, y )
m n1
关于采样的进一步讨论
根据卷积定理，及 ⊿u = 1/⊿x； ⊿v = 1/⊿y
关于采样的进一步讨论
Fs ( u , v )
有：
Fs (u, v )
m n 1 F (u ,v ) xy m n x y
同时对比同时对比色度同时对比效应色度同时对比效应39hvshvs模型模型hvshvs模型模型波长敏感接收器的输出馈入到一种代表人眼光学部分的低通线性系统h1后面跟随着一个表示视杆或视锥细胞的非线性强度响应的一个单调非线性系统接着横向抑制过程通过一个具有带通响应的线性系统h2来描述而人眼神经暂存响应限制引起的延迟和滞后则由一个线性40时间传递函数h3来模型化
图像是人们获取和交换信息的主要来源， 因此数字图像处理的应用领域必然涉及人 类生活和工作的方方面面。
计算机:不断增长的性能和不断降低的价格 图像数字化与显示设备的不断出现
技术进步
以相等间隔采样的方形格栅模式 (光 栅), 并 以等幅度间隔量化
9
– 数字相机, 扫描仪, 视频捕获设备, … – CRT, LCD, 打印机, …
15
16
多频谱成像
光学成像
•Intraocular implant: 眼内植入
17
18
光学成像
红外成像
19
20
磁共振成像，MRI
超声波成像
•Thyroid:甲状腺, 甲状软骨
21 22
计算机图形学 •Fractal: 分维
图像处理系统的基本步骤
23
24
一个典型的通用图像处理系统 个典型的通用图像处理系统 – 输入Input – 存储Storage – 处理器Processor – 输出Output
如何学习？
阅读 教科书 参考文献 讨论 课堂、小组 项目 实验 MATLAB
自己动手！
25
26
1.1
人眼的视觉
视觉生理和视觉心理 通过人眼所形成的图像包括物理范畴的像和心理范畴的像： 即来自外界物体的光线，通过人眼的折光系统在视网膜上 所形成的物象 它与外界物体通过照相机中的透镜组在底 所形成的物象，它与外界物体通过照相机中的透镜组在底 片上成像并无原则上的区别；而来自视网膜的神经信息， 则通过人脑的神经信息处理在视觉中枢内形成主观意识上 的映像。 以 分别从视觉生理和心理 个方面来讨论人眼的视觉特 以下分别从视觉生理和心理两个方面来讨论人眼的视觉特 性。
教学安排
数字图像处理
上海大学通信与信息工程学院 2013年11月
课堂授课、实验、课外项目安排 课堂授课 第一章 数字图像处理基础（ 6学时） 第二章 图像变换（ 4学时） 第三章 图像增强（ 6学时） 第四章 图像复原（ 4学时） 第五章 图像分割（ 6学时） 第六章 彩色图像处理（ 4学时） 项目 名称：面部自动定位。内容：综合利用图像增强、彩色图像处理、分割等知
o
x
y
x
令： f(x,y) F(u,v)；s(x,y) S(u,v)； fs(x,y) Fs(u,v) 有： Fs(u,v) = F(u,v) * S(u,v)
Fs (u, v)
1 F ( , ) (u mu, v nv)dd xy m n
31 32
同心圆错觉
从信号处理的角度, 这是一 个什么滤波器?
33
34
Jastrow 错觉
MulerMuler -Lyer 错觉
35
36
同时对比 对比效应，一方使另一方向自己相反性质或 对比效应 一方使另一方向自己相反性质或 程度方向变化的效果。 诱导效应，有多个对象时，一方对另一方、 量多者对量少者（或者相反）施加影响而产 生的知觉。 在图像显示中如何利用？也可以考虑作为补 充或强调等特殊手段来使用。
如何数字化？
假设模拟图像f(x,y) f(x y)的f表示灰度，其数值称作 表示灰度 其数值称作 灰度值。 采样：是从连续空间(x,y)中获取灰度值f的 样 样本的操作。 操作。 量化：将样本的灰度由实数向整数进行变换 表达的操作（模数转换） 扫描：实际进行采样、量化的顺序和方法。 （图像内像素位置的寻址）
图像的数字形式 : 2-D
[5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 56666544321 56666544321 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1] ] f(1,5) = 6 Raster scanning
光栅扫描
[5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1]
45 46
如何数字化 ?
47 48
采样
采样定理
模拟信号f(x)不含有 比ξmax更高的频率成 分时，与x相关的间隔 为（1/(2ξmax)）的 f(x)样本值序列可以 完全决定f(x)。
采样格子间隔越小，图像就越清晰； 采样格子间隔越小 图像就越清晰； 缩小采样间隔 图像尺寸在变大的 缩小采样间隔，图像尺寸在变大的 同时数据量也将迅速增加。
数学上 连续的、离散的 是 种 维 数 f(x,y), ) 其中 x,y是空 是一种二维函数 间(平面) 坐标,幅度f 称为亮度或灰度
物理上:某种物质或能量的分布 可见的、不可见的
8
7
什么是数字图像处理
处理
为什么要数字图像处理 ？
给出一些连续和 离散图像处理的 例子?
应用需求
连续的、离散的
数字图像 一个2D数字化采样值的方形阵列，只有 数字图像才能用计算机处理
识，根据肤色检测及脸部形状，设计实现人物照片中的面部定位。
实施模式：3-5人一组合作完成项目。 考核方式：成果检查 50%，项目报告50%。
考核方式 平时(出勤、课堂讨论、课后作业): 10%，项目: 30%, 考试: 60% 教材、参考书目 首选教材：数字图像处理，自编讲义，2012 二选教材： 教 K R Castleman, K.R. C tl 数字 像 数字图像处理 , 电子工业出版社， 电 版 2011 参考书目：(1) R.C.Gonzalez，数字图像处理（第3版），电子工业出版社，2011；
为什么要讨论人类视觉系统 人类视觉系统
(Human Vision System, HVS)
？
图像的信息来源于观察 数字图像处理的目的在于提供与观察者的 图像的信息来源于观察。数字图像处理的目的在于提供与观察者的 视觉能力相匹配的图像输出，以便于观察者理解和解释图像的内容， 。 提取图像信息。 人们从外界所获取的信息中有80%是通过视觉获得的。通过HVS， 人们能感知外界物体的大小、形状、颜色、明暗、动静和远近等。 数字图像处理是从模拟人类的视觉开始的。尽管数字图像处理系统 已可以完成相当多的工作，但其性能比起HVS来说还差得很远。 理解人类视觉特性，有助于开发模拟人眼视觉过程的模型，并对图 像处理系统的设计具有重要的指导作用。
Gamma射线成像 •PET(positron emission tomography): 正 电子射线层析 术 •Cygnus: Cygnus:天鹅座
13
14
X射线成像
显微成像
•Aortic A i angiogram: i 大动脉血管造影 •Anatomical:解剖的 剖 , 解剖学的
•Taxol 红豆杉醇 •cholesterol胆固醇 •Nickel i k l oxide id 镍氧化物 •organic superconducting 有机超导
5 6
这是什么图 像?
什么是图像？
众所周知的事情正因为 众所周知而不为人所知
什么是图像？
图像的类型 图像以各种不同的形式出现:
图像？这玩意儿，你不问我还清楚这是 图像？这玩意儿 你不问我还清楚这是 什么；你要真问起来，我反倒不知道该 如何解释它了。 卡斯尔曼：一幅图像就是指某些事物的 表示 并包含关于目标的描述性信息。 表示，并包含关于目标的描述性信息。 你会如何定义？
11
12
成像的能量源
根据能量源的图像分类: 电磁能量谱: Gamma-射线, X-射线, 紫外,可见光, 红外, 微波, 无线 电波: CT (computerized tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging) Imaging), EIT (Electrical Impedance Tomography) 声波与超声波 声纳 声波 超声波: B超, 声 电子: 电子显微镜 计算机图形学
29
视觉心理 视觉心理是指外界视觉刺激带来的感觉、知 视觉心理是指外界视觉刺激带来的感觉 知 觉、认知等人内心的各种情感形式。 外界的各种事情经由视觉系统接受后，其反 应在很多情形下与外界的物理特性不一定相 同。 对于图像 风景的主观视觉反应 由于经过 对于图像、风景的主观视觉反应，由于经过 高层次负责反应的合成，因而变得非常复杂。 以 介 以下介绍几种效应或效果。 种效应 效
x Nyquist
1 2 max
49
50
关于采样的进一步讨论
采样函数 x=m⊿x, y=n⊿y (m, n =0, ±1, ±2, ……) 采样函数定义 采样函数定义：
y
关于采样的进一步讨论
设 f(x,y)－原图像； 原图像； fs(x,y)－采样后图像 采样后图像 则： fs(x,y)＝ f(x,y) s(x,y) 分别作傅立叶变换，
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提要
第一章 数字图像处理基础
1.1 1 1 1.2 1.3 14 1.4
人眼的视觉 图像数字化 数字图像表达 数字图像质量
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导论
什么是数字图像处理? 数字图像处理( (Digital g Image g Processing) g) 是一个迅速发展的专业领域。它的主要目的 是将图像信号转换成数字信号并利用计算机 对其进行处理和加工，以便提取图像中的信 息。
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为什么要数字图像处理？
具有的独特优势
应用举例
医学和生物学成像: CT, B超,磁共振… 工业: 机器视觉, 自动控制, … 空间: 航空, 导航, 遥感 (森林, 环境,资 源), … 监控:视频监控, 牌照识别, 人脸识别,… 军事:侦察,导航,声纳成像, … 艺术 等
图像数字化，以便于图像的传输、打印和存储 ， 图像的增强和复原，改善图像质量 图像的分割和描述，获得图像的信息 大量图像的高速处理 三维及更高维图像数据的测量和显示（如遥感 图像和各种内脏器官及血管形状的测量与显示）
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人眼视觉系统（视觉生理）
左图是人的右眼水平切面结构 图。眼内与产生视觉直接有关 的结构是眼睛的折光系统和感 光系统。 折光系统由角膜、房水、晶状 体和玻璃体组成。 体和玻璃体组成 视网膜含有对光刺激高度敏感 的视杆细胞和视锥细胞 能将 的视杆细胞和视锥细胞，能将 外界光刺激所包含的视觉信息 转变成电信号 并在视网膜内 转变成电信号，并在视网膜内 进行编码、加工，再由视神经 传向视觉中枢作进一步分析， 最后形成视觉。
v
F (u, v )
u
u
1 v y
说明：采样图像的频谱是原始连续图像频谱在空间域上 的无限重复，周期为： 1/⊿x（u方向）， 1/⊿y （v方 向）
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亮度适应性
闪烁 门限
马赫效应
视觉系统能够感觉的亮度范 觉系统能够感觉的亮度范 围是非常宽广的（1010） 主观亮度是光亮度的对数函 数 人眼能够同时区分的亮度范 围是相当小的(Bb~Ba)
暗视觉 阈值
在亮度突变处，视觉的主观感受 出现虚幻的亮或暗的条纹。因此 Mach效应而对人眼所见景物有增 强其轮廓的作用。
相同亮度的目标物（方块）放在不同亮度的背 景上，给人眼的亮度感觉是不同的。这种效应 ， 。 是由背景的不同引起的。 在照明光源中的应用？白平衡？
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同时对比
HVS模型
H1 ( wx , wy )
H 2 ( wx , wy )
H 3 ( wt )
色度同时对比效应
波长敏感接收器的输出馈入到一种代表人眼光学部分的低通线性系统 H1，后面跟随着一个表示视杆或视锥细胞的非线性强度响应的一个单 调非线性系统，接着横向抑制过程通过一个具有带通响应的线性系统 H2来描述，而人眼神经暂存响应限制引起的延迟和滞后则由一个线性 时间传递函数H3来模型化。
39 40
1.2 图像数字化 像数字
一个量化采样值的 2D方形阵列 什么是数字化 ? 如何数字化 ? 性能与指标 数字化以及其组成
1 2 1 什么是数字化 ? 1.2.1
把图像从其原来的形式转换成数字形式 什么是图像的数字形式 ?
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图像的数字形式: 0-D
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图像的数字形式 : 1-D
52
s( x, y )
m n1
关于采样的进一步讨论
根据卷积定理，及 ⊿u = 1/⊿x； ⊿v = 1/⊿y
关于采样的进一步讨论
Fs ( u , v )
有：
Fs (u, v )
m n 1 F (u ,v ) xy m n x y
同时对比同时对比色度同时对比效应色度同时对比效应39hvshvs模型模型hvshvs模型模型波长敏感接收器的输出馈入到一种代表人眼光学部分的低通线性系统h1后面跟随着一个表示视杆或视锥细胞的非线性强度响应的一个单调非线性系统接着横向抑制过程通过一个具有带通响应的线性系统h2来描述而人眼神经暂存响应限制引起的延迟和滞后则由一个线性40时间传递函数h3来模型化
图像是人们获取和交换信息的主要来源， 因此数字图像处理的应用领域必然涉及人 类生活和工作的方方面面。
计算机:不断增长的性能和不断降低的价格 图像数字化与显示设备的不断出现
技术进步
以相等间隔采样的方形格栅模式 (光 栅), 并 以等幅度间隔量化
9
– 数字相机, 扫描仪, 视频捕获设备, … – CRT, LCD, 打印机, …
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多频谱成像
光学成像
•Intraocular implant: 眼内植入
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光学成像
红外成像
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磁共振成像，MRI
超声波成像
•Thyroid:甲状腺, 甲状软骨
21 22
计算机图形学 •Fractal: 分维
图像处理系统的基本步骤
23
24
一个典型的通用图像处理系统 个典型的通用图像处理系统 – 输入Input – 存储Storage – 处理器Processor – 输出Output
如何学习？
阅读 教科书 参考文献 讨论 课堂、小组 项目 实验 MATLAB
自己动手！
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1.1
人眼的视觉
视觉生理和视觉心理 通过人眼所形成的图像包括物理范畴的像和心理范畴的像： 即来自外界物体的光线，通过人眼的折光系统在视网膜上 所形成的物象 它与外界物体通过照相机中的透镜组在底 所形成的物象，它与外界物体通过照相机中的透镜组在底 片上成像并无原则上的区别；而来自视网膜的神经信息， 则通过人脑的神经信息处理在视觉中枢内形成主观意识上 的映像。 以 分别从视觉生理和心理 个方面来讨论人眼的视觉特 以下分别从视觉生理和心理两个方面来讨论人眼的视觉特 性。
教学安排
数字图像处理
上海大学通信与信息工程学院 2013年11月
课堂授课、实验、课外项目安排 课堂授课 第一章 数字图像处理基础（ 6学时） 第二章 图像变换（ 4学时） 第三章 图像增强（ 6学时） 第四章 图像复原（ 4学时） 第五章 图像分割（ 6学时） 第六章 彩色图像处理（ 4学时） 项目 名称：面部自动定位。内容：综合利用图像增强、彩色图像处理、分割等知
o
x
y
x
令： f(x,y) F(u,v)；s(x,y) S(u,v)； fs(x,y) Fs(u,v) 有： Fs(u,v) = F(u,v) * S(u,v)
Fs (u, v)
1 F ( , ) (u mu, v nv)dd xy m n
31 32
同心圆错觉
从信号处理的角度, 这是一 个什么滤波器?
33
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Jastrow 错觉
MulerMuler -Lyer 错觉
35
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同时对比 对比效应，一方使另一方向自己相反性质或 对比效应 一方使另一方向自己相反性质或 程度方向变化的效果。 诱导效应，有多个对象时，一方对另一方、 量多者对量少者（或者相反）施加影响而产 生的知觉。 在图像显示中如何利用？也可以考虑作为补 充或强调等特殊手段来使用。
如何数字化？
假设模拟图像f(x,y) f(x y)的f表示灰度，其数值称作 表示灰度 其数值称作 灰度值。 采样：是从连续空间(x,y)中获取灰度值f的 样 样本的操作。 操作。 量化：将样本的灰度由实数向整数进行变换 表达的操作（模数转换） 扫描：实际进行采样、量化的顺序和方法。 （图像内像素位置的寻址）
图像的数字形式 : 2-D
[5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 56666544321 56666544321 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1] ] f(1,5) = 6 Raster scanning
光栅扫描
[5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1]
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如何数字化 ?
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采样
采样定理
模拟信号f(x)不含有 比ξmax更高的频率成 分时，与x相关的间隔 为（1/(2ξmax)）的 f(x)样本值序列可以 完全决定f(x)。
采样格子间隔越小，图像就越清晰； 采样格子间隔越小 图像就越清晰； 缩小采样间隔 图像尺寸在变大的 缩小采样间隔，图像尺寸在变大的 同时数据量也将迅速增加。
数学上 连续的、离散的 是 种 维 数 f(x,y), ) 其中 x,y是空 是一种二维函数 间(平面) 坐标,幅度f 称为亮度或灰度
物理上:某种物质或能量的分布 可见的、不可见的
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什么是数字图像处理
处理
为什么要数字图像处理 ？
给出一些连续和 离散图像处理的 例子?
应用需求
连续的、离散的
数字图像 一个2D数字化采样值的方形阵列，只有 数字图像才能用计算机处理
识，根据肤色检测及脸部形状，设计实现人物照片中的面部定位。
实施模式：3-5人一组合作完成项目。 考核方式：成果检查 50%，项目报告50%。
考核方式 平时(出勤、课堂讨论、课后作业): 10%，项目: 30%, 考试: 60% 教材、参考书目 首选教材：数字图像处理，自编讲义，2012 二选教材： 教 K R Castleman, K.R. C tl 数字 像 数字图像处理 , 电子工业出版社， 电 版 2011 参考书目：(1) R.C.Gonzalez，数字图像处理（第3版），电子工业出版社，2011；
为什么要讨论人类视觉系统 人类视觉系统
(Human Vision System, HVS)
？
图像的信息来源于观察 数字图像处理的目的在于提供与观察者的 图像的信息来源于观察。数字图像处理的目的在于提供与观察者的 视觉能力相匹配的图像输出，以便于观察者理解和解释图像的内容， 。 提取图像信息。 人们从外界所获取的信息中有80%是通过视觉获得的。通过HVS， 人们能感知外界物体的大小、形状、颜色、明暗、动静和远近等。 数字图像处理是从模拟人类的视觉开始的。尽管数字图像处理系统 已可以完成相当多的工作，但其性能比起HVS来说还差得很远。 理解人类视觉特性，有助于开发模拟人眼视觉过程的模型，并对图 像处理系统的设计具有重要的指导作用。
Gamma射线成像 •PET(positron emission tomography): 正 电子射线层析 术 •Cygnus: Cygnus:天鹅座
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X射线成像
显微成像
•Aortic A i angiogram: i 大动脉血管造影 •Anatomical:解剖的 剖 , 解剖学的
•Taxol 红豆杉醇 •cholesterol胆固醇 •Nickel i k l oxide id 镍氧化物 •organic superconducting 有机超导
5 6
这是什么图 像?
什么是图像？
众所周知的事情正因为 众所周知而不为人所知
什么是图像？
图像的类型 图像以各种不同的形式出现:
图像？这玩意儿，你不问我还清楚这是 图像？这玩意儿 你不问我还清楚这是 什么；你要真问起来，我反倒不知道该 如何解释它了。 卡斯尔曼：一幅图像就是指某些事物的 表示 并包含关于目标的描述性信息。 表示，并包含关于目标的描述性信息。 你会如何定义？
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成像的能量源
根据能量源的图像分类: 电磁能量谱: Gamma-射线, X-射线, 紫外,可见光, 红外, 微波, 无线 电波: CT (computerized tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging) Imaging), EIT (Electrical Impedance Tomography) 声波与超声波 声纳 声波 超声波: B超, 声 电子: 电子显微镜 计算机图形学
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视觉心理 视觉心理是指外界视觉刺激带来的感觉、知 视觉心理是指外界视觉刺激带来的感觉 知 觉、认知等人内心的各种情感形式。 外界的各种事情经由视觉系统接受后，其反 应在很多情形下与外界的物理特性不一定相 同。 对于图像 风景的主观视觉反应 由于经过 对于图像、风景的主观视觉反应，由于经过 高层次负责反应的合成，因而变得非常复杂。 以 介 以下介绍几种效应或效果。 种效应 效
x Nyquist
1 2 max
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关于采样的进一步讨论
采样函数 x=m⊿x, y=n⊿y (m, n =0, ±1, ±2, ……) 采样函数定义 采样函数定义：
y
关于采样的进一步讨论
设 f(x,y)－原图像； 原图像； fs(x,y)－采样后图像 采样后图像 则： fs(x,y)＝ f(x,y) s(x,y) 分别作傅立叶变换，