数字图像处理(清华大学)

千字节（ K byte）
兆（10 6）字节（M byte）
吉（10 9）字节（G byte）
太（10 12）字节（T byte）
1.3.4 图象存储
图象存储器
(1) 处理过程中使用的快速存储器
计算机内存，帧缓存
(2) 较快重新调用的在线或联机存储器
磁盘，磁光盘
(3) 不经常使用的数据库（档案库）存储器
1.1.2 图象的表达
1.1.2 图象的表达
二值图像链码表示法
2（90°）
3（135°） 1（45°） 4（180°） 0（0°）
5（225°）
6（270°）
7（315°）
1.1.2 图象的表达
二值图像链码表示法——自然码
方向 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 十进制 数表示 0 1 2 3 4 5 6 7 十进制 数表示 000 001 010 011 100 101 110 111
1.3.3 图象显示打印
幅度调制（AM）
通过调整输出黑点的尺寸来显示不同的灰度
例如，早期报纸上的图片
在每个空间位置打印一个其尺寸反比于该处
灰度的黑圆点
二值点是规则的排成网格的点
点的形状并不是决定性的因素
1.3.3 图象显示打印
频率调制（FM）
输出黑点的尺寸是固定的
其在空间的分布（点间的间隔或一定区域内
图象类型 {广义}
图片，动画，绘图，文字/档，...
{狭义}
单幅 序列图象，... 静止 运动图象（视频），... 2-D 3-D，彩色，立体对， 多光谱,多视场图象，... 灰度 深度，纹理图象，...
1.1.2 图象的表达
黑白图象表示
一幅黑白图像可用二维函数f(x,y)表示， 其中x,y是平面的二维坐标，f(x,y)表示点(x,y)的 亮度值(灰度值)。
共260个，对其中137个提供了参考答案
第3章
象素空间关系
3.1 象素间联系 3.2 基本坐标变换 3.3 形态变换
3.4 几何失真校正
3.1 象素间联系
空间排列规律
3.1.1
象素的邻域
3.1.2 3.1.3
象素间的邻接， 连接和连通 象素间的距离
3.1.1 象素的邻域
象素的邻域
r
4-邻域——N4(p)：
根据对场景的多个投影来重建场景的图象
对图象进行编码以减少表达图象的数据量， 从而有利于存储和传输 给图象加入数字水印以保护图象的所有权
课程介绍
授课进度和安排 小测验 小测验
课程介绍
总结和复习
1. 各节小结和文献介绍
每节主要内容的概况
进一步深入学习的参考（近200篇文献）
2. 思考题和练习题
图象采集装置
为采集数字图象，需要两种装置（器件）：
(1) 对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫 外线、可见光、红外线等）敏感的物 理器件，它能产生与所接受到的电磁 能量成正比的（模拟）电信号；
(2)
数字化器，它能将上述（模拟）电信 号转化为数字（离散）的形式。
1.3.3 图象显示打印
图象显示
图象处理的结果多是供观察的 图象数据 亮度模式显示
1.3.3 图象显示打印
抖动（dithering）输出技术
半调技术
利用随机变化
牺牲图象的空
间点数而增加图象
的灰度级数
要保持细节， 灰度级数就有限
f (x, y) +
-2(6-b) -2(5-b) 0 2(5-b) 2(6-b)
1.3.4 图象存储
图象存储
数据量度单位
比特（bit），字节（byte = 8 bit）
图象工程：
不同层次图象技术的有机结合及应用
图象工程三层次：
图象处理（图象 ——> 图象） 图象分析（图象 ——> 数据）
图象理解（图象 ——> 解释）
1.2.2 图象工程的三个层次
1.2.2 图象工程的三个层次
图像处理（图像——>图像）
1.2.2 图象工程的三个层次
图像分析（图像——>数据）
•椭圆：红色，大，远 •上部：蓝色 •下部：绿色 •中不：几何体
缺点： 是精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性 处理能力。
1.1.1 图象和数字图象
数字图像处理的优缺点
优点：
处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性 处理，灵活的变通能力，一般只要改变软件就可改变处理 内容。 缺点： 处理速度慢，特别是进行复杂的处理更是如此。
1.1.1 图象和数字图象
数字图像表示
为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数 进行空间和幅值数字化。空间坐标(x,y)的数字化称为图像 采样，而幅值数字化被称为灰度级量化。经过数字化后的 图像称为数字图像(或离散图像)。 M
N
1.1.2 图象的表达
图像的采样与数字图象的质量
265x180
133x90
66x45
33x22
(4)
(5)
(6) (7)
1.2.5 图象工程文献统计分类
中国图象工程综述
（中国图象图形学报, 5月期）
文献统计分类
共统计15种刊物
已进行10年（1996-2005） 涉及到18819篇论文 选取了4032篇论文
1.2.5 图象工程文献统计分类
图象工程期刊
（1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9） （10） （11） （12） （13） （14） （15） [CT]： 《CT理论与应用研究》 [CX]： 《测绘学报》 [DC]： 《电子测量与仪器学报》 [DK]： 《电子科学学刊》 [DX]： 《电子学报》 [JX]： 《计算机学报》 [MR]： 《模式识别与人工智能》 [SC]： 《数据采集与处理》 [TX]： 《通信学报》 [XC]： 《信号处理》 [YX]： 《遥感学报》 [ZS]： 《中国生物医学工程学报》 [Zti]：《中国体视学和图象分析》 [Ztu]：《中国图象图形学报》 [ZX]： 《自动化学报》
1.1.2 图象的表达
图像的量化与数字图象的质量
256灰度级
16灰度级
8灰度级
4灰度级
1.1.2 图象的表达
灰度图像的阵列表示
矩阵
f11 f 21 F f M1 f12 f 22 f 1N f 2N f MN
点出现的频率）取决于所需表示的灰度
缺点：点增益（打印单元尺寸相对于原始单
元尺寸的增加量）增加导致打印图灰度范围的减
少或压缩
1.3.3 图象显示打印
调制模板
每个输出单元内包含若干个基本二值点
每个模板对应一个输出单元 2 2 5 种灰度
1.3.3 图象显示打印
调制模板
3 3 10 种灰度
1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4
1.2.5
图象工程文献统计分类
1.2.1 图象技术和图象工程
图象技术
图象技术在广义上是各种与图象有关的技术 的总称 主要功能/作用包括：
• • •
对图象的各种加工（见下）
基于加工结果的判断决策和行为规划
为此进行的硬件设计及制作
1.2.2 图象工程的三个层次
fM 2
矢量
f i f1i
F f1
f 2i
f2
f Mi
T
fN
i 1, 2, , N
1.1.2 图象的表达
彩色图像的阵列表示 彩色图像可用红(R)、绿(G)、蓝(B)三个矩阵 表示，也可以组成混合短阵。目前三个色彩 各用8 bit，共用24bit。显然各单色图像比特 数较少，因为人眼彩色亮度分辨率低，并不 妨碍图像的观察质量。另外，也可用三维矢 量矩阵表示彩色图像。
人类从外界（客观世界）获得的信息约有 75%来自视觉系统
1.1.1 图象和数字图象
图象处理分类：
图像处理技术基本上可分为两大类：
•模拟图像处理 包括光学处理和电子处理 •数字图像处理 用计算机处理或实时的硬件处理
1.1.1 图象和数字图象
模拟图像处理的优缺点
优点：
其特点是速度快，一般为实时处理，理论上 可达到光的速度，并可同时并行处理。
教材和主要参考书
图象工程（第2版）
上册：图象处理
中册：图象分析
下册：图象理解
教材和主要参考书
学习图象技术所需的基础知识
•数学：线性代数，随机过程
•计算机科学：软件编程 •电子学：信号处理，电路原理

图象技术
•数学、计算机的应用领域
•1-D信号的推广，特殊的模式识别技术
第1章
绪论
1.1 图象基本概念 1.2 图象工程简介
三比特自然码表示为： 001 010 001 010 010 010 001 001 010 000 000 111 000 111 110 110 101 101 100 101 111 111 000
1.2 图象工程简介
图象技术和图象工程 图象工程的三个层次 图象工程相关学科和领域 图象工程的技术应用
1.2.5 图象工程文献统计分类
1.2.5 图象工程文献统计分类
1.2.5 图象工程文献统计分类
1.2.5 图象工程文献统计分类
1.3 图象处理系统
系统构成框图 图象采集
1.3.1 1.3.2
1.3.3
1.3.4
图象显示打印
图象存储
1.3.5
图象处理
1.3.1 系统构成框图
1.3.2 图象采集
1.2.2 图象工程的三个层次
图像分析（图像——>解释） •椭圆：红色， 大，远 •上部：蓝色 •下部：绿色 •中不：几何体 •红色的椭圆是太阳 •蓝色的天空 •绿色的草原 •小路通向房屋
清晨的郊外
1.2.3 图象工程相关学科和领域
1.2.3 图象工程相关学科和领域
主要相关学科：
♦ 图形学：原指用图形、图表、绘图等形式表 达数据信息的科学，而计算机图形学 研究的就是如何利用计算机技术来产 生这些形式
磁带，光盘，光盘塔
1.3.4 图象存储
格式（表示格式和文件格式）
(1) 矢量格式
用线段或线段的组合体来表示图象
(2) 光栅格式
用许多图象点的集合来表示图象
BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG 格式
1.3.5 图象处理
图象处理
对图象的增强以改善图象视觉质量
对退化图象的恢复以消除各种干扰的影响
r
p r
r
s s p s s
对角邻域——ND(p)：
s r p r s r s
1.3 图象处理系统
1.4 主要内容和安排
1.1 图象基本概念
图象和数字图象 图象的表达来自1.1.1 1.1.2
1.1.1 图象和数字图象
图象：
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于人眼并进 而产生视知觉的实体
图象（广义/抽象） 图像（狭义/具体）
图象和信息：
1.1.2 图象的表达
二值图像链码表示法——不等长码
方向 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 不等 长码 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
0 01 011 0111
0 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1
1.1.2 图象的表达
二值图像链码表示法
♦
♦
图象模式识别：试图把图象分解成可用符号 较抽象地描述的类别
计算机视觉：主要强调用计算机实现人的视 觉功能，目前的研究内容主要与图象 理解相结合
1.2.4 图象工程的技术应用
应用领域示例
(1) (2) (3) 视频通信：可视电话，电视会议，按需电视，远程教育； 文字档案：文字识别，过期档案复原，邮件分捡，支票，签名 辫伪，办公自动化； 生物医学：红白学球计数，染色体分析、X光、CT、MRI、 PET图象分析，医学手术模拟规划，远程医疗； 遥感测绘：巡航导弹制导，无人驾驶飞机飞行，精确制导，矿 藏勘探，资源探测，气象预报，自然灾害监测； 工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监控，移动 机器人，无损探测，金相分析，印刷板质量检验， 精细印刷品缺陷检测； 军事公安：雷达图象分析、巡航导弹路径规划 / 制导，罪犯脸 形合成、识别，指纹、印章的鉴定识别； 交通管理：太空探测、航天飞行、公路交通管理。
1.1.2 图象的表达
彩色图象表示
如果是一幅彩色图像，各点值还应反 应出色彩变化，即可用f(x,y,λ)表示，其中λ为 波长。
1.1.2 图象的表达
活动图象表示 假如是活动彩色图像，还应是时间t的因 数，即可表示为f(x,y,λ,t)。
对模拟图像来讲，f(x,y,λ,t)显然是连续函数。 。
1.1.2 图象的表达
显示设备
电视显示器，液晶显示器 阴极射线管（CRT)
打印设备
转换到幻灯片、照片或透明胶片上
1.3.3 图象显示打印
半调（halptone）输出
多数打印设备仅能直接显示输出二值图
半调技术：利用人眼的集成特性，通过控制
二值点模式的形式（包括数量，尺寸，形状等）
来获得视觉上不同的灰度感觉 一种将灰度图象转化为二值图象的技术 输出二值图象，看到灰度图象