光学图像处理第一章讲义

• 金国藩院士的大容量全息存储技术
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SLM Reference beam Multiplexing Object beam Laser Pages for storage
光学图像处理
第一课
教学计划
课程性质和任务 基本概念、原理和方法 先修课程
高等数学,线性代数
教材: 教材: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： 数字图像处理，朱志刚，清华大学出版社，2000 年6月
教学计划
考核方式 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。总成绩按以下公式计算：
紫外线成像
(1)普通谷物 (1)普通谷物 (2)被真菌感染的谷物 (2)被真菌感染的谷物 (3)天鹅星座环 (3)天鹅星座环
可见光与红外波段成像
可见光与红外波段成像
利用可见光显微镜获取的图像 (1)紫杉酚 250倍 (1)紫杉酚 250倍 (2)胆固醇 40倍 (2)胆固醇 40倍 (3)微处理器 60倍 (3)微处理器 60倍 (4)镍氢化物薄片 600倍 (4)镍氢化物薄片 600倍 (5)CD表面 1750倍 (5)CD表面 1750倍 (6)有机超导 450倍 (6)有机超导 450倍
fl（X，Y）， （X， 左右视点得到同物体的图 （ ， ）， ），fr（ ， 立体图像 Y） ） 像对 |ft（X，Y）| t=t1， （ ， ） ， 动态图像， 动态图像 动态图像，动画制做等 t2…tr.
图像的表现形式 • 可见图像的波段
γ射线
X射线
紫外线
可见光
红外线
微波
无线电波
蓝
400 500
•独特的 独特的Exact Time和Auto Balance技术 独特的 和 技术
•Hi …
•只需350毫秒
•语音图像唇形同步 语音图像唇形同步
•地图符号识别
1.3
1. 图像的类型
数字图像处理的概念
物 体
图像 可见的图像
光 图 像
可见的 图像
图
2. 图像的表现形式
图像 二值图像 黑白图像 彩色图像 光谱图像 数字化后描述形式 f（X，Y）=1或0 （ ， ） 或 0≤f（X，Y）≤2n-1 （ ， ） |fi（X，Y）| i=R， （ ， ） ， G，B ， |fi（X，Y）| i=1， （ ， ） ， 2…m 备注 文字、线条图、 文字、线条图、指纹等 黑白图像，一般n=6~8 黑白图像，一般 以三基色表示的彩色图像 遥感图像， 遥感图像，m=6~8或更大 或更大
•RS Application in Monitoring the Changes of Landuse(2)
•1998年长江（枝城-岳阳）洪涝灾害监测
半掩区
淹没区
•
5. 利用图像处理技术帮助解决机器感知问题
工业生产： 工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检 查），工业机器人研制等。
•遥感 遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、预报， 遥感 地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等等。
• • •
气象预报： 气象预报：获取气象云图进行测绘、判读等。
风云1号
风云2号
•RS Application in Monitoring the Changes of Landuse(1)
军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、 声纳图像处理，导弹制 军事： 导，军事仿真等。
导弹末制导： 导弹末制导： 图像识别技术应用 于导弹的精确未制 导，使其精确打击 目标。如：机场、 桥梁等。也被应用 于靶场导弹目标航 迹、脱靶量等参数 测试。
生物特征识别：
人脸、指纹、掌纹识别，DNA分析等。
图像的重要性 人类离不开图像，计算机图像技术渗透到各 个科技领域。画面比文字更直观、更生动，人类 75%以上信息来自视觉。 • 图像：对客观存在的物体的一种相似性的生动模 仿或描述。是一种不完全的、不精确的，但在某 种意义上是适当的表示。 亦是，对客观存在的物体的某种属性的描述。
模拟图像处理 采用光学的方法进行的图像处理 全息照相、光栅、二元光学元件等光学元件对物 体反射的光波进行模拟处理
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分钟时 月球表面17分钟时 摄取的图像
数字图像处理的起源与应用
3. 20世纪 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 世纪 年代末、 年代初 开始用于医学图像、地球遥感、 天文学等领域, 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
数字பைடு நூலகம்像处理的起源与应用
• • • • • • • 4. 至今 广泛用于工业、医学、生物科学、地理学、考古学、物理学、 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 太空技术：航天技术、空间防御、天文学 生物科学：生物学和医学 刑事/物证：指纹、人脸分析 国防：军事探测 工业应用：产品检测 日常生活应用：照片编辑、影视制作
公安：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、 公安： 印记鉴别分析等。
医学应用： 医学应用：
CT、MR1、PET、B超、DSA、血管造影、红外乳 腺、显微病理、电子显微镜、远程医疗图像、皮肤图象、X 线、γ刀与χ刀脑外科等等离不开图像。
工业图像： 工业图像
X线控探伤（轴）、X 线检察、三维测量（定位、 形状测量）、机器人视觉、 商检。 车牌识别,生产线的材 料优选和分类, 工业监控 等等，汽车上的图像导航 等
Laser Reference beam Addressing
SLM uploads the data pages. Multiplexing method records multiple pages at a spot.
CCD reads out the data pages. Addressing method reconstructs the pages correctly.
High-speed, high-acuity
卷筒纸生产线质量监测
• Electronic industry • Alignment • BGA inspection • • •
• 2D / 3D lead inspection • Pick and place • Mark inspection Identification • Wire bonding • Character recognition Package / molding inspection • Die bonding Measurement • AOI, Automated Optical Inspection Data Matrix code reading • Non-contact measurement • Dispensing machines • Barcode reading LCD / TFT inspection Surface inspection • Metrology • ... inspection • Web • ... • Textile, paper, plastic • Steel
绿
600
红
700 nm
多光谱图像和单光谱图像
• γ射线主要用于核医学和天文
• Gamma射线 Gamma射线
在人体中注入同位素元素， 然后利用探测器进行扫描 成像
(a) 骨骼扫描 (b) PET图像 PET图像 (c) 天鹅星座环 (d) 来自反应器 电子管的伽 马辐射
X射线
胸部X （a）胸部X射线图像 （b）主动脉造影图像 头部CT （c）头部CT （d）电路板 （e）天鹅星座环
•表1 图像处理方式比较
图像方式 光学 照片 录像 数字 处理速度 快 快 快 慢 灵活性能 中 差 中 好 精度 中 差 差 高 再现性 中 差 中 好
1.2、数字图像处理起源与应用
计算机的发展 1948年贝尔实验室发明了晶体三极管； 1950-1960 高级编程语言（cobol和fortran) 1958年得州仪器公司发明了集成电路(IC) 1960年早期的操作系统的发展 1970年Intel公司的微处理器 1970年大规模集成电路(LI)所引发的元件微小化 革命 1981年IBM公司的个人计算机的问世 大规模的存储设备和显示设备的发展
传统光学硬件的问题： 传统光学硬件的问题：
1、随着放大倍数和分辨率的增大，景深减小， 使得物体不可能在一幅图像中完全聚焦清晰。 使得物体不可能在一幅图像中完全聚焦清晰。 2、生物医学及材料科学的成像要求显微镜既要 有更高的分辨率又要有足够的景深，这是传统光 有更高的分辨率又要有足够的景深，这是传统光 学硬件的矛盾。
数字图像处理的起源与应用
1. 20世纪 年代 第一次通过海底电缆传输图像 世纪20年代 世纪
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
数字图像处理的起源与应用
数字图像处理的起源与应用
2. 20世纪 年代早期 第一台执行有意义的图像处理任务的 世纪60年代早期 世纪 大型计算机, 计算机的发展， 大型计算机 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