朱志刚的数字图像讲义1

0. 数字图象处理Digital Image Processing1. 图象：Image, picture 图象处理图形：graphics 图形学IPCG 分析逆不确定信号处理 合成 正 确定 制图不同之处：互逆过程、信号处理、计算机制图相同之处：● 成像机理、几何关系● 显示、输出2. 什么是数字图象？在计算机中的二维阵列（网格）I i j (,)：二维组i j I : : : : 行列值最小单位象素⎧⎨⎪⎩⎪⎫⎬⎪⎭⎪一个数（Intensity ）一个向量（R, G, B ）两个基本属性：① 几何属性：坐标(,)i j D D 23→② 物理属性：灰度、亮度I →颜色、透射度、深度。

① 输入（成象、数字化）Camera Scanner② 表示（存贮处理）计算机，Frame Grabber ，Disk③ 输出（转换、传输）Monitor ，Printer ，…特点：数据量大，一幅电视图象，512×512×8=25KBytes① 图象数据量B/W Image 512×512×8 bits=256Kbytes200页文字书：1.3MB /一页1300K/200=6.5KB ，中文2000字一页书图象：0.13MB /1024×1024bits 130KB② 集体行为：并行处理3. 应用(1) 通讯● 电视会议电视鉴测（压缩）(2) 宇宙探测、遥感●火星探测●地形地质、环境监测、气象、军事、安全(3) 生物医学●X ray, CT, MRT, 3D reconstruction（虚拟人体）(4) 自动化●inspection（电路板，各种生产线、铝板）●monitoring（IVHS，ITS，火车号码识别）(5) 军事、公安●侦察、制导、擎戒（海湾战争）●安全系统和鉴别系统：入口控制，指纹、人脸、眼纹(6) 文档人脸合成●OCR(7) 多媒体、视频特技●阿甘正传（阿甘的腿，迪）(8) 景物理解与机器人视觉●军事侦察、危险环境、服务、娱乐、邮政(9) 科学计算可视化（Visualization）●把计算结果和过程用图象/图形显示，并可处理(10) 虚拟实现（Virtual Reality）●环境模型、环境重视4. 对图象处理可分为四个层次(1) 图象输入输出（扫描仪、多媒体视频卡、图象板、监视系统）(2) 图象表示、转换（多媒体各种文件格式、几何、亮度、对比度、剪贴）给人看(3) 图象处理、分析（特征提出、图象压缩、几何校正2D→3D）给机器看(4) 图象理解、解释（符号表示，3D建模）2D→3D5. 课程内容(1) 简介(2)(2) 表示输入输出(4)(3) 图象基本处理（予处理）①点运算：直方图LUT (look up table)（2）②正交变换：Fourier频域，Walsh，小波（4）③领域运算：卷积平滑：滤波（2）边缘提取：梯度、边缘（3+1小结）④几何运算：成象机理2D几何（2）⑤形态运算：形态滤波（4）(4) 图象分析（4）●特征提取●图象分割●图象表示(5) 图象压缩（4）●基本原理●几种常用方法（象素、预测、变换）(6) 测验（2）(7) 讲义实验●数字图象处理基础●附录：小波、分形●实验：附录给出几道题，根据具体情况选择、新加●作业：每章后皆有●课程安排方式●讲课：最基本概念●自学：看讲义或参考文献Testing●实验：特别重视●测验●一个神经网络如何工作？●人脑人是一个最好的神经网络Ⅰ、表示、输入输出1. 表示(1) 成象几何模型(2) 光学模型(3) 数字图象表示● 基本概念灰度图象：坐标、象素、分辩率、对比度、亮度彩色图象R 、G 、B二值图象广义图象：float ，complex2. 图象获取(1) 摄像机，A/D 、同步、Video 信号、帧、场、隔行扫描、CCD 、方向比。

(2) 扫描仪：分辨率dpi ，慢速(3) 数字成象：遥感、医学、距离3. 图象表现(1) 显示● 方向比● 分辩率（设备），象素 ，调色板，8位彩色如何实现(2) 打印（自学P24-P32）● 分辩率，空间● 灰度→区域上点数● 图案法● 抖动法● 基本方法：混色一、图象表示输入输出1. 图象表示(1) 摄像机成象模型（几何）凸透镜 111u v f+= 成象物距 像距 焦距简化（只有光心有光通过图象聚在 平面上），针孔模型：（光学成象）()x y f X Z f Y Z ,,=--⎛⎝ ⎫⎭⎪ 正立（电子扫描）()x y f X Z f Y Z ,,=⎛⎝ ⎫⎭⎪ 运动摄像机或物体P P 皆时间的函数x t f X t Z t y t f Y t Z t ()()()()()()==⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪ 任一点在Spatial-Temporal space 中划出一道轨迹，反映于相对运动和点的三位坐标。

沿X 轴匀速平移x t f X Vt Z y t f Y Z ()()=+=⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪ 微分关于tdx t dt f V Zde t dt ()()==0 深度（depth ），距离（range ）Z f V dx dt =/ 立体视觉（stereo vision ），已知t t 12时刻p 点图象()()x y x y 1122,,, ()Z f V t t x x f B x=--=2121∆ 此几何和图象处理什么关系？立体视觉：correspondence problem, matching左右图象对中对应点灰度（颜色）相同运动视觉：long line: matchingshort time: optical flow equation()()()V u v I x y t I x u y v t ==+++,,,,,1xt imageV dx dt=为locus slope a 或b 在任一时刻其图象皆相同()()I x t I x vt ,,=-0或()()I x vt t I x +=,,0关于不同时刻点的关系，和图象灰度联系起来 ()()I x t I x vt ,=-0在Fourier 变换时还要讲运动轨迹在领域中的特性● 边缘提取● 局部方向● 领域分析(2) 平面图象表示（光学特性）(){}()I I x y t I x y t ,,,,,,λλ=∆ 图象I 上象素光的强度（Intensity ）是位置()x y ,，时间t 和光波的函数。

黑白图象（灰度图象gray level image ，grayscale image ， ()()()I I x y t I x y t V d s ==∞⎰,,,,,,λλλλ0 在时刻t ，图象位置()x y ,上，象素值等于不同光波光强在其上的加权和，其中权值为相对视敏函数()V s λ，表示传感元对光波入的敏感性，即由光子转为电子的能力。

彩色图象。

（彩色：白光（全光谱）照射在不同反射特性物体上的反射光，三基色原理，只要测量R ，G ，B 三种波长的反射光即可。

()()(){}I R x y t G x y t B x y t =,,,,,,,,where ()()()R x y t I x y t R d s ,,,,,=∞⎰λλλ0 ()()()G x y t I x y t G d s ,,,,,=∞⎰λλλ0 ()()()B x y t I x y t B d s ,,,,,=∞⎰λλλ0 为什么彩色图象可用三种基色表示？几乎任何一种颜色皆可由R ，G ，B 三基色比例相加混合而三基色波长（CIE ）b: 435.8nmg: 546.1nmr: 700nm运动图象和静止图象图象内容不随时间变化()I x y ,2D 图象图象内容随时间变化()I x y t ,,，3D ST aube ，其中每一幅图象可视为静止图象。

广义图象()I x y t ,, ● 不仅可见光，而且不可见光，λ::x ray ，红外，超声● 不仅是光，而且其它特性：● 激光距离成象，声纳（Sonar ）● MRI （Magnetic Resonance image ）● 原子核在强磁场下对电磁快的吸收性(3) 数字图象表示灰度图象(grayscale image)单色图象(Monochrome image)● image coordinate● Sampling and Quantization []I i j M N (,)⨯● pixel and resolution分辩率用来描述数字图象所表示的空间细节的程度（高或低），一般一幅图象。

设备无关：象素的个数M N ⨯设备有关，如dpi ，pixel/mm lineIntensity & Contract （亮度和对比度）& gray level灰度级：表示1Byte/pixel 。

256级（灰度级）如何改变亮度和对比度？（灰度级多不一定说亮度高，和人眼观察有关）I new =(I old + offset) * scale彩色图象● 真彩色：R ，G ，B8:8:8=24位真彩色● YUV 表示：还可以用Y:U:V=4:2:2或4:1:1（16位或16位彩色8位彩色）● 调色板彩色：或8位彩色索此表示（象素值是LUT or palette 的地址）Y R G B U B Y V R Y =++=-=-⎫⎬⎭⎧⎨⎪⎩⎪030059011... 明度信号色差信号 其它：参见P12～14摄像机工作原理1. 光谱积分（反射）()()()I I x y t I x y t V d s ==⎰,,,,,,λλλλλ2. 空间积分聚焦空间一个点成象在多个图象点上，反之一个图象点是空间多个点和()()()I I x y t I x m y n t V d s m n R ==++⎰⎰∈,,,,,,,λλλλλ3. 时间积分（曝光）()()()I I x y t I x m y n t V d s m n R T==+++⎰⎰⎰∈=,,,,,,λτλλλτ0 2. 图象I/O主要讲Camera 和CRT(Cathode Ray Tube)Video Image Capture & Display在讲图象采集、显示时，先讲摄像机工作原理(1) 摄象机工作原理●CCD ●Interlacing ●explosion ● Video 信号格式● 格式● 制式(2) Frame GrabberA/D D/A(3) Monitor(CRT)摄像机工作原理+数字图象采集卡工作原理1. 成象与信号采集CCD ：电荷耦合器件，可看成间隔很小的MOS 电容器、单片阵列构成移位寄存器，通过充电积学电荷。

(1) 150S 曝光 (2) 垂直回扫期间转移到暗区(3) 加垂直同步、水平同步，一行一行输出（放大）。