多媒体技术3_数字图像处理
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数字图像处理主要应用于下面的几个领域。 1） 通讯
通讯包括图像传输、电视电话、 电视会议等， 主要 是进行图像压缩甚至理解基础上的压缩。 由于太空技术的发展，需要用数字图像处理技术处理 大量的星体照片。
2）宇宙探测
当今数字图像的热点研究方向
2）宇宙探测
勇气号登陆火星
当今数字图像的热点研究方向
数字图像处理(续)
主要内容
1. 2. 3.
4.
5. 6.
7.
图像变换 图像锐化处理 图像噪声抑制 图像压缩与编码 图像分析 基于内容的图像处理 图像重建
图像变换
我们知道，图像是对三维实际景物的平面投影。 为了观测需要，常常需要进行各种不同的几何变 换，包括：平移、缩放、旋转等操作。 注意一点，实际上几何变换不改变像素值，而是 改变像素所在的位置。
图像的编码技术
行程编码
第 一 代 压 缩 编 码
像素编码
算术编码
熵编码
增量调制
预测编码 变换编码 其他编码
DPCM调制 DCT变换
位平面编码
图像的编码技术
子带编码
第 二 代 压 缩 编 码
分层编码
分型编码 模型编码
五、其他研究内容
图像分析
基于内容的图像处理 图像重建
当今数字图像的热点研究方向
由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问题是： 传输带宽、速度、存储器容量的限制。 给我们带来的一个难题，也给了我们一个机会：
如何用软件的手段来解决硬件上的物理极限。
图像的编码技术
第一代压缩编码
八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法。
第二代压缩编码
八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、模型基、神 经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉系统生理心理 特性和图像信源的各种特性。
图像的编码技术
图像传输与存储需要的信息量空间：
2）传真数据 如果只传送2值图像，以200dpi的分辨率传输，一张A4 稿纸的内容的数据量为： 1654*2337*1=3888768bit 按目前14.4K的电话线传输速率，需要传送的时间是：270 秒（4.5分）
按每分钟4元计算：18元
图像的编码技术
当今数字图像的热点研究方向
数字图像处理的发展动向 （1）图像处理的发展将围绕HDTV（高清晰度电视） 的研制， 开展实时图像处理的理论及技术研究， 向着高速、高分辨率、 立体化、多媒体化、 智能 化和标准化方向发展。 （2）图像、图形相结合，朝着三维成像或多维成像 的方向发展。 （3） 硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在 芯片上， 使之更便于应用。
图像锐化处理
一阶微分算法：
1.
单方向的一阶梯度算法(浮雕效果）
水平方向的锐化 垂直方向的锐化
2.
3.
4.
交叉微分算法（Roberts梯度算法） Sobel锐化算法 Priwitt锐化算法
二阶微分算法：
1. 2. 3.
Laplacian锐化算子 Laplacian变形算子 Wallis算子
图像的不按比例任意缩小
图像变换
五、图像的放大
图像的缩小操作中，是在现有的信息里如何挑选 所需要的有用信息。 图像的放大操作中，需对尺寸放大后所多出来的 空格填入适当的值，这是信息的估计问题，所以 较图像的缩小要难一些。
图像变换
1.按比例放大图像 如果需要将原图像放大k倍，则将一个像素值添 在新图像的k*k的子块中。
图像变换
图像的旋转注意点： 2）图像旋转之后，会出现许多的空洞点，对这些空 洞点必须进行填充处理，否则画面效果不好。称 这种操作为插值处理。
经过插值处理之后，图像效果就变得自然。
图像旋转中的插值处理效果
图像变换
四、图像的缩小
图像的缩小一般分为按比例缩小和不 按比例缩小两种。图像缩小之后，因为 承载的信息量小了，所以画布可相应缩 小。
放大5倍
图像的成倍放大效果
图像变换
思考一个问题： 如果放大倍数太大，按照前面的方法处 理会出现马赛克效应。如果这个问题交给 你，有没有办法解决？
图像大比例放大时的马赛克效应
放大ຫໍສະໝຸດ Baidu0倍
图像变换
2.图像的任意不成比例放大：
这种操作由于x方向和y方向的放大倍数不同，一定带 来图像的几何畸变。 放大的方法是：将原图像的一个像素添到新图像的一 个 k1*k2 的子块中去。
K=1/3
图像的按比例缩小效果
图像的按比例缩小效果
2. 图像不按比例缩小： 这种操作因为在x方向和y方向的缩小比例不同，一 定会带来图像的几何畸变。 方法： M*N大小的图像缩小为：k1M*k2N大小，（k1<1， k2<1）。 设旧图像是F(x,y)，新图像是I(x,y) 则：I(x,y)=F(int(c1*x),int(c2*y)) c1=1/k1 c2=1/k2
当今数字图像的热点研究方向
6）军事、 公安等方面的应用 军事目标的侦察、 制导和警戒系统、 自动灭火器的控 制及反伪装； 公安部门的现场照片、指纹、手迹、印章、 人像等的处理和辨识； 历史文字和图片档案的修复和管 7）机器人视觉 机器视觉作为智能机器人的重要感觉器官， 主要进行 三维景物理解和识别，是目前处于研究之中的开放课题。 机器视觉主要用于军事侦察、危险环境的自主机器人，邮 政、医院和家庭服务的智能机器人，装配线工件识别、定 位，太空机器人的自动操作等。
当今数字图像的热点研究方向
图象输入
（CT/MRI）
二维图象预处理
（滤波、插值）
图象分割与提取
（自动分割、手工勾画）
三维重建
（MC、MT表面重建）
病变体投影轮廓
（ 由 此 计 算 光 栅廓 线 ）
照射射束设置
（ 放 射治 疗 规 划 ）
效果显示
（ 颜 色 、半 透 明）
几何操作
（ 剖 切 、手术 开 窗）
图像传输与存储需要的信息量空间：
1）彩色视频信息 对于电视画面的分辨率640*480的彩色图像，每秒30帧， 则一秒钟的数据量为： 640*480*24*30=221.12M 所以播放时，需要221Mbps的通信回路。 参考数据：宽带网为512K,电话线为56K。 存储时，1张CD可存640M，则仅可以存放2.89秒的数据。
x'min 0.866 0.5 * 3 0.634
x'max 0.866* 3 0.5 2.098
y'min 0.866 0.5 1.366 y'max 0.866* 3 0.5 * 3 4.098
图像变换
图像旋转的注意点： 1）图像旋转之前，为了避免 信息的丢失，一定有平移 坐标，具体的做法有如图 所示的两种方法。
三、噪声抑制
所谓的图像噪声，是图像在摄取时或是传输时所受到 的随机干扰信号。这些干扰信号的抑制称为图像的噪 声抑制。
噪声抑制
噪声抑制算法
•均值滤波器 •中值滤波器 •KNN均值滤波器 •KNN中值滤波器
均值滤波器的效果
中值滤波器的效果
KNN均值滤波器的效果
KNN中值滤波器的效果
四、图像的编码技术
图像变换
一、图像的平移
x' x x y' y y
x 1, y 2
注意：平移后的景物与原图像相同，但“画布” 一定是扩大了。否则就会丢失信息。
图像变换
二、图像的镜像
x' x (水平镜像) y' y x' x (垂直镜像) y' y
图像的错切效果
图像变换
七、几何畸变的矫正
受到错切变换效果的启发，将其进行简单的延伸， 当景物在图像上是非垂直投影时，可以通过几何变换 将其进行矫正。 矫正方法为：
x' a1 x b1 y c1 y ' a2 x b2 y c2
变换参数可通过对应点的坐标来确定。
2）宇宙探测
火星过去曾有丰富的水资源的证据
当今数字图像的热点研究方向
3） 遥感： 航空遥感和卫星遥感图像需要用数字技术加工处 理，并提取有用的信息。 主要用于地形地质，矿藏探查， 森林、 水利、 海洋、 农业等资源调查， 自然灾害预测预报， 环境污染监测， 气象卫星云图处理以及地面军事 目标的识别。
当今数字图像的热点研究方向
3） 遥感：
当今数字图像的热点研究方向
3） 遥感：
我国HY-1卫星水色扫描仪境外探测墨西哥湾
当今数字图像的热点研究方向
4） 图像处理在医学界的应用非常广泛，无论是临床诊断还是 病理研究都大量采用图像处理技术。它的直观、无创伤、 安全方便等优点备受青睐。 图像处理首先应用于细胞分类、染色体分类和放射图像等。 70年代数字图像处理在医学上的应用有了重大突破， 1972年X射线断层扫描CT得到实用； 1980实现了CT的立体重建。X射线Ct的主要研制者 Hounsfeld(英)和Commack(美)获得了1979年的诺贝 尔生理医学奖。
当今数字图像的热点研究方向
（4） 新理论与新算法研究。在图像处理领域，近 几年来， 引入了一些新的理论并提出了一些新的 算法，如:
小波分析（Wavelet） 分形几何（Fractal） 形态学（Morphology） 遗传算法（GA， Genetic Algorithms） 人工神经网络等（Artificial neural networks）
本次课作业
1.用VC++实现一个简单的图像处理系统 ：
1）可以浏览bmp图像； 2）图像可进行放大缩小(最好是无级缩放) ； 3）图像可进行任意角度的旋转 。
二、图像锐化处理
图象锐化的目的是加强图象中景物的边缘和轮廓。 锐化的作用是要使灰度反差增强。 因为边缘和轮廓都位于灰度突变的地方。所以锐 化算法的实现是基于微分的操作。
医学图象三维重建系统示意图
当今数字图像的热点研究方向
5） 工业生产中的应用 在生产线中对产品及部件进行无损检测是图像处理技术的 重要应用领域。主要有产品质量检测、生产过程的自动控 制、CAD／CAM等。 在产品质量检测方面，如食品、水果质量检查，无损探伤， 焊缝质量或表面缺陷。 在电子工业中，可以用来检验印刷电路板的质量、监测零 件部件的装配等。 在工业自动控制中，主要使用机器视觉系统对生产过程进 行监视和控制， 如交通管理、流水生产线的自动控制等。 在计算机辅助设计和辅助制造方面，已获得广泛的应用， 并和基于图形学的模具、机械零件、服装CAD结合。
图像的不按比例放大
图像变换
六、图像的错切变换 图像的错切变换实际上是景物在平面上的非垂直投 影效果。
x' x d x y ( x方向的错切) y' y x' x ( y方向的错切) y' y d y x
图像变换
dx 1
d y 1
可以看到，错切之后原图像的像素排列方向改变。与 前面旋转不同的是，x方向与y方向独立变化。
图像锐化处理
一阶水平方向锐化效果
图像锐化处理 单方向一阶锐化效果图例
图像锐化处理
Roberts梯度锐化效果图例
图像锐化处理
Laplacian锐化算子效果
图像锐化处理 Sobel锐化效果图
图像锐化处理
Prewitt锐化效果图例
图像锐化处理
Wallis算法效果图
图像锐化处理 Kirsch 算法效果图
水平镜像
垂直镜像
注意：做镜像时，实际上需要对坐标先进行平移， 否则将出错。因为矩阵的下标不能为负。
图像变换
三、图像的旋转
x' x cos y sin y' x sin y cos
30
x' 0.866x 0.5 y y ' 0.5 x 0.866y
当今数字图像的热点研究方向
8）视频和多媒体系统 目前， 电视制作系统广泛使用的图像处理、变换、合成， 多媒体系统中静止图像和动态图像的采集、压缩、处理、 存贮和传输等。 9）科学可视化 图像处理和图形学紧密结合， 形成了科学研究各个领域 新型的研究工具。
当今数字图像的热点研究方向
10）电子商务 在当前呼声甚高的电子商务中，图像处理技术也大有可为， 如身份认证、 产品防伪、水印技术等。 总之，图像处理技术应用领域相当广泛，已在国家安全、 经济发展、日常生活中充当越来越重要的角色，对国计民 生的作用不可低估。
图像变换
1. 图像按比例缩小：
最简单的是减小一半，这样只需取原图的偶（奇）数行和偶 （奇）数列构成新的图像。
图像的减半缩小效果
图像变换
如果图像按任意比例缩小，则需要计算选择的行列。 M*N大小的图像缩小为：kM*kN大小，（k<1）。 设旧图像是F(x,y)，新图像是I(x,y) 则：I(x,y)=F(int(c*x),int(c*y)) c=1/k
通讯包括图像传输、电视电话、 电视会议等， 主要 是进行图像压缩甚至理解基础上的压缩。 由于太空技术的发展，需要用数字图像处理技术处理 大量的星体照片。
2）宇宙探测
当今数字图像的热点研究方向
2）宇宙探测
勇气号登陆火星
当今数字图像的热点研究方向
数字图像处理(续)
主要内容
1. 2. 3.
4.
5. 6.
7.
图像变换 图像锐化处理 图像噪声抑制 图像压缩与编码 图像分析 基于内容的图像处理 图像重建
图像变换
我们知道，图像是对三维实际景物的平面投影。 为了观测需要，常常需要进行各种不同的几何变 换，包括：平移、缩放、旋转等操作。 注意一点，实际上几何变换不改变像素值，而是 改变像素所在的位置。
图像的编码技术
行程编码
第 一 代 压 缩 编 码
像素编码
算术编码
熵编码
增量调制
预测编码 变换编码 其他编码
DPCM调制 DCT变换
位平面编码
图像的编码技术
子带编码
第 二 代 压 缩 编 码
分层编码
分型编码 模型编码
五、其他研究内容
图像分析
基于内容的图像处理 图像重建
当今数字图像的热点研究方向
由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问题是： 传输带宽、速度、存储器容量的限制。 给我们带来的一个难题，也给了我们一个机会：
如何用软件的手段来解决硬件上的物理极限。
图像的编码技术
第一代压缩编码
八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法。
第二代压缩编码
八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、模型基、神 经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉系统生理心理 特性和图像信源的各种特性。
图像的编码技术
图像传输与存储需要的信息量空间：
2）传真数据 如果只传送2值图像，以200dpi的分辨率传输，一张A4 稿纸的内容的数据量为： 1654*2337*1=3888768bit 按目前14.4K的电话线传输速率，需要传送的时间是：270 秒（4.5分）
按每分钟4元计算：18元
图像的编码技术
当今数字图像的热点研究方向
数字图像处理的发展动向 （1）图像处理的发展将围绕HDTV（高清晰度电视） 的研制， 开展实时图像处理的理论及技术研究， 向着高速、高分辨率、 立体化、多媒体化、 智能 化和标准化方向发展。 （2）图像、图形相结合，朝着三维成像或多维成像 的方向发展。 （3） 硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在 芯片上， 使之更便于应用。
图像锐化处理
一阶微分算法：
1.
单方向的一阶梯度算法(浮雕效果）
水平方向的锐化 垂直方向的锐化
2.
3.
4.
交叉微分算法（Roberts梯度算法） Sobel锐化算法 Priwitt锐化算法
二阶微分算法：
1. 2. 3.
Laplacian锐化算子 Laplacian变形算子 Wallis算子
图像的不按比例任意缩小
图像变换
五、图像的放大
图像的缩小操作中，是在现有的信息里如何挑选 所需要的有用信息。 图像的放大操作中，需对尺寸放大后所多出来的 空格填入适当的值，这是信息的估计问题，所以 较图像的缩小要难一些。
图像变换
1.按比例放大图像 如果需要将原图像放大k倍，则将一个像素值添 在新图像的k*k的子块中。
图像变换
图像的旋转注意点： 2）图像旋转之后，会出现许多的空洞点，对这些空 洞点必须进行填充处理，否则画面效果不好。称 这种操作为插值处理。
经过插值处理之后，图像效果就变得自然。
图像旋转中的插值处理效果
图像变换
四、图像的缩小
图像的缩小一般分为按比例缩小和不 按比例缩小两种。图像缩小之后，因为 承载的信息量小了，所以画布可相应缩 小。
放大5倍
图像的成倍放大效果
图像变换
思考一个问题： 如果放大倍数太大，按照前面的方法处 理会出现马赛克效应。如果这个问题交给 你，有没有办法解决？
图像大比例放大时的马赛克效应
放大ຫໍສະໝຸດ Baidu0倍
图像变换
2.图像的任意不成比例放大：
这种操作由于x方向和y方向的放大倍数不同，一定带 来图像的几何畸变。 放大的方法是：将原图像的一个像素添到新图像的一 个 k1*k2 的子块中去。
K=1/3
图像的按比例缩小效果
图像的按比例缩小效果
2. 图像不按比例缩小： 这种操作因为在x方向和y方向的缩小比例不同，一 定会带来图像的几何畸变。 方法： M*N大小的图像缩小为：k1M*k2N大小，（k1<1， k2<1）。 设旧图像是F(x,y)，新图像是I(x,y) 则：I(x,y)=F(int(c1*x),int(c2*y)) c1=1/k1 c2=1/k2
当今数字图像的热点研究方向
6）军事、 公安等方面的应用 军事目标的侦察、 制导和警戒系统、 自动灭火器的控 制及反伪装； 公安部门的现场照片、指纹、手迹、印章、 人像等的处理和辨识； 历史文字和图片档案的修复和管 7）机器人视觉 机器视觉作为智能机器人的重要感觉器官， 主要进行 三维景物理解和识别，是目前处于研究之中的开放课题。 机器视觉主要用于军事侦察、危险环境的自主机器人，邮 政、医院和家庭服务的智能机器人，装配线工件识别、定 位，太空机器人的自动操作等。
当今数字图像的热点研究方向
图象输入
（CT/MRI）
二维图象预处理
（滤波、插值）
图象分割与提取
（自动分割、手工勾画）
三维重建
（MC、MT表面重建）
病变体投影轮廓
（ 由 此 计 算 光 栅廓 线 ）
照射射束设置
（ 放 射治 疗 规 划 ）
效果显示
（ 颜 色 、半 透 明）
几何操作
（ 剖 切 、手术 开 窗）
图像传输与存储需要的信息量空间：
1）彩色视频信息 对于电视画面的分辨率640*480的彩色图像，每秒30帧， 则一秒钟的数据量为： 640*480*24*30=221.12M 所以播放时，需要221Mbps的通信回路。 参考数据：宽带网为512K,电话线为56K。 存储时，1张CD可存640M，则仅可以存放2.89秒的数据。
x'min 0.866 0.5 * 3 0.634
x'max 0.866* 3 0.5 2.098
y'min 0.866 0.5 1.366 y'max 0.866* 3 0.5 * 3 4.098
图像变换
图像旋转的注意点： 1）图像旋转之前，为了避免 信息的丢失，一定有平移 坐标，具体的做法有如图 所示的两种方法。
三、噪声抑制
所谓的图像噪声，是图像在摄取时或是传输时所受到 的随机干扰信号。这些干扰信号的抑制称为图像的噪 声抑制。
噪声抑制
噪声抑制算法
•均值滤波器 •中值滤波器 •KNN均值滤波器 •KNN中值滤波器
均值滤波器的效果
中值滤波器的效果
KNN均值滤波器的效果
KNN中值滤波器的效果
四、图像的编码技术
图像变换
一、图像的平移
x' x x y' y y
x 1, y 2
注意：平移后的景物与原图像相同，但“画布” 一定是扩大了。否则就会丢失信息。
图像变换
二、图像的镜像
x' x (水平镜像) y' y x' x (垂直镜像) y' y
图像的错切效果
图像变换
七、几何畸变的矫正
受到错切变换效果的启发，将其进行简单的延伸， 当景物在图像上是非垂直投影时，可以通过几何变换 将其进行矫正。 矫正方法为：
x' a1 x b1 y c1 y ' a2 x b2 y c2
变换参数可通过对应点的坐标来确定。
2）宇宙探测
火星过去曾有丰富的水资源的证据
当今数字图像的热点研究方向
3） 遥感： 航空遥感和卫星遥感图像需要用数字技术加工处 理，并提取有用的信息。 主要用于地形地质，矿藏探查， 森林、 水利、 海洋、 农业等资源调查， 自然灾害预测预报， 环境污染监测， 气象卫星云图处理以及地面军事 目标的识别。
当今数字图像的热点研究方向
3） 遥感：
当今数字图像的热点研究方向
3） 遥感：
我国HY-1卫星水色扫描仪境外探测墨西哥湾
当今数字图像的热点研究方向
4） 图像处理在医学界的应用非常广泛，无论是临床诊断还是 病理研究都大量采用图像处理技术。它的直观、无创伤、 安全方便等优点备受青睐。 图像处理首先应用于细胞分类、染色体分类和放射图像等。 70年代数字图像处理在医学上的应用有了重大突破， 1972年X射线断层扫描CT得到实用； 1980实现了CT的立体重建。X射线Ct的主要研制者 Hounsfeld(英)和Commack(美)获得了1979年的诺贝 尔生理医学奖。
当今数字图像的热点研究方向
（4） 新理论与新算法研究。在图像处理领域，近 几年来， 引入了一些新的理论并提出了一些新的 算法，如:
小波分析（Wavelet） 分形几何（Fractal） 形态学（Morphology） 遗传算法（GA， Genetic Algorithms） 人工神经网络等（Artificial neural networks）
本次课作业
1.用VC++实现一个简单的图像处理系统 ：
1）可以浏览bmp图像； 2）图像可进行放大缩小(最好是无级缩放) ； 3）图像可进行任意角度的旋转 。
二、图像锐化处理
图象锐化的目的是加强图象中景物的边缘和轮廓。 锐化的作用是要使灰度反差增强。 因为边缘和轮廓都位于灰度突变的地方。所以锐 化算法的实现是基于微分的操作。
医学图象三维重建系统示意图
当今数字图像的热点研究方向
5） 工业生产中的应用 在生产线中对产品及部件进行无损检测是图像处理技术的 重要应用领域。主要有产品质量检测、生产过程的自动控 制、CAD／CAM等。 在产品质量检测方面，如食品、水果质量检查，无损探伤， 焊缝质量或表面缺陷。 在电子工业中，可以用来检验印刷电路板的质量、监测零 件部件的装配等。 在工业自动控制中，主要使用机器视觉系统对生产过程进 行监视和控制， 如交通管理、流水生产线的自动控制等。 在计算机辅助设计和辅助制造方面，已获得广泛的应用， 并和基于图形学的模具、机械零件、服装CAD结合。
图像的不按比例放大
图像变换
六、图像的错切变换 图像的错切变换实际上是景物在平面上的非垂直投 影效果。
x' x d x y ( x方向的错切) y' y x' x ( y方向的错切) y' y d y x
图像变换
dx 1
d y 1
可以看到，错切之后原图像的像素排列方向改变。与 前面旋转不同的是，x方向与y方向独立变化。
图像锐化处理
一阶水平方向锐化效果
图像锐化处理 单方向一阶锐化效果图例
图像锐化处理
Roberts梯度锐化效果图例
图像锐化处理
Laplacian锐化算子效果
图像锐化处理 Sobel锐化效果图
图像锐化处理
Prewitt锐化效果图例
图像锐化处理
Wallis算法效果图
图像锐化处理 Kirsch 算法效果图
水平镜像
垂直镜像
注意：做镜像时，实际上需要对坐标先进行平移， 否则将出错。因为矩阵的下标不能为负。
图像变换
三、图像的旋转
x' x cos y sin y' x sin y cos
30
x' 0.866x 0.5 y y ' 0.5 x 0.866y
当今数字图像的热点研究方向
8）视频和多媒体系统 目前， 电视制作系统广泛使用的图像处理、变换、合成， 多媒体系统中静止图像和动态图像的采集、压缩、处理、 存贮和传输等。 9）科学可视化 图像处理和图形学紧密结合， 形成了科学研究各个领域 新型的研究工具。
当今数字图像的热点研究方向
10）电子商务 在当前呼声甚高的电子商务中，图像处理技术也大有可为， 如身份认证、 产品防伪、水印技术等。 总之，图像处理技术应用领域相当广泛，已在国家安全、 经济发展、日常生活中充当越来越重要的角色，对国计民 生的作用不可低估。
图像变换
1. 图像按比例缩小：
最简单的是减小一半，这样只需取原图的偶（奇）数行和偶 （奇）数列构成新的图像。
图像的减半缩小效果
图像变换
如果图像按任意比例缩小，则需要计算选择的行列。 M*N大小的图像缩小为：kM*kN大小，（k<1）。 设旧图像是F(x,y)，新图像是I(x,y) 则：I(x,y)=F(int(c*x),int(c*y)) c=1/k