《數(shù)字圖像處理》PPT課件.ppt

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1、數(shù)字圖像處理,鄧廷權(quán) 哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院,圖像處理的基本方法,圖像處理（image processing） 對(duì)圖像加工的各種技術(shù)方法的統(tǒng)稱(chēng)，它已被廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 基本方法 模擬圖像處理 數(shù)字圖像處理,一、模擬圖像處理,包括光學(xué)圖像處理和電子圖像處理（電子光學(xué)處理） 光學(xué)方法是圖像處理發(fā)展的起源，1946年法國(guó)的Duffienx提出傅立葉光學(xué)，1964年美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的A.Vanderlugt制成空間濾頻器 光學(xué)處理具有處理速度快（可實(shí)時(shí)和并行處理，如電視模擬圖像處理可達(dá)25幀/秒或30幀/秒）、信息量大、分辨率高、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn) 模擬圖像處理的缺點(diǎn)是精度差、靈活性差，器件具有專(zhuān)用性，并且

2、缺乏判斷分析能力，不具備非線(xiàn)性處理能力 趨勢(shì)：將光學(xué)處理和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法，如利用光學(xué)方法對(duì)圖像進(jìn)行傅立葉變換，再用計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜分析,二、數(shù)字圖像處理,將圖像轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣存放在圖像存儲(chǔ)器中，然后再利用數(shù)字計(jì)算機(jī)，或其它的大規(guī)模集成數(shù)字器件（如DSP），對(duì)圖像信息進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算或處理，以提高圖像的質(zhì)量或達(dá)到人們所預(yù)期的其它效果 優(yōu)點(diǎn)：精度高、處理內(nèi)容豐富、可以進(jìn)行復(fù)雜的非線(xiàn)性處理，處理方式靈活，同樣的圖像硬件系統(tǒng)，在改變軟件之后可以用于其它完全不同的任務(wù) 缺點(diǎn)：由于目前計(jì)算機(jī)性能的限制，數(shù)字圖像處理的速度有限，對(duì)于一些有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，必須利用DSP加速或構(gòu)建專(zhuān)用系統(tǒng),,廣義的數(shù)字圖像處

3、理是指從圖像獲取到圖像信息輸出的全過(guò)程，即圖像處理系統(tǒng) 與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相關(guān)的設(shè)備 圖像處理相關(guān)的方法 有效軟件的實(shí)現(xiàn) 圖像處理軟件的應(yīng)用 圖像信息在計(jì)算機(jī)中的表示 圖像數(shù)據(jù)庫(kù)及檢索 圖像信息應(yīng)用等 狹義的數(shù)字圖像處理僅指其中對(duì)圖像信息進(jìn)行處理,廣義圖像處理,圖像信息獲取，即獲取研究對(duì)象的圖像，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字設(shè)備處理 研究重點(diǎn)：圖像成像設(shè)備和數(shù)字化設(shè)備 圖像信息的存儲(chǔ) 圖像存儲(chǔ)設(shè)備，以及圖像存儲(chǔ)的格式、圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)以及圖像數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等 圖像信息的傳送，包括內(nèi)部傳送與遠(yuǎn)距離傳送 內(nèi)部傳送多采用DMA（Direct Memory Access）；遠(yuǎn)距離傳送圖像壓縮技術(shù)，減少占

4、用帶寬 圖像信息處理，即狹義的圖像處理 利用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的算法 圖像的輸出與顯示，即為人或計(jì)算機(jī)提供便于理解以及識(shí)別的圖像 軟拷貝與硬拷貝兩種形式,狹義的計(jì)算機(jī)圖像處理（一）,幾何處理 坐標(biāo)變換：圖像的放大與縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng) 圖像畸變校正 幾何特征計(jì)算等 算術(shù)與邏輯運(yùn)算 圖像的加減乘除，與或非等運(yùn)算 此類(lèi)運(yùn)算既簡(jiǎn)單有效，又是其它處理的基礎(chǔ) 圖像增強(qiáng) 根據(jù)任務(wù)目標(biāo)突出圖像中感興趣的信息，消除干擾，改善圖像的視覺(jué)效果或增強(qiáng)便于機(jī)器識(shí)別的信息 此三項(xiàng)是圖像預(yù)處理中常涉及的內(nèi)容,狹義的計(jì)算機(jī)圖像處理（二）,圖像復(fù)原 根據(jù)圖像退化模型，消除退化因素，恢復(fù)原始的圖像。如散焦是造成圖像模糊的一個(gè)重要的因素

5、，而散焦模型可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析獲得，利用逆濾波就可以消除散焦 圖像編碼 研究壓縮圖像數(shù)據(jù)的方法，需要研究并利用圖像的冗余特征，如統(tǒng)計(jì)冗余、生理視覺(jué)冗余、知識(shí)冗余等 圖像分割 根據(jù)圖像的某些特征將圖像劃分為不同的區(qū)域，以便于對(duì)圖像中的物體或目標(biāo)進(jìn)行分析與識(shí)別。如“機(jī)動(dòng)車(chē)視覺(jué)系統(tǒng)”中根據(jù)圖像中的灰度信息分割白色導(dǎo)引線(xiàn)和路面,狹義的計(jì)算機(jī)圖像處理（三）,圖像重建 前面六個(gè)研究方面輸入的是圖像，而圖像重建輸入的是非圖像信息，如數(shù)據(jù)、公式等，輸出為圖像。主要有卷積反投影法等。常用于醫(yī)學(xué)設(shè)備，CT等 圖像模式識(shí)別 在圖像分割的基礎(chǔ)上提取特征，對(duì)圖像中的內(nèi)容進(jìn)行判決分類(lèi) 圖像分析與理解 在圖像模式識(shí)

6、別的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，根據(jù)圖像局部?jī)?nèi)容之間的關(guān)系，利用有關(guān)知識(shí)進(jìn)行推理與聯(lián)想，對(duì)圖像中所表現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行理解,課程介紹,教材 圖像處理和分析基礎(chǔ)，高等教育出版社，2004,課程介紹,參考資料 李叔梁譯岡薩雷斯數(shù)字圖像處理1981 Kenneth R.CastlemanDigital Image Processing1998 陳彩廷譯羅森菲爾德數(shù)字圖像分析1987 吳健康數(shù)字圖像分析1989 R.CGonzalez，R.EWoodsDigital Image Processing，Addison-Wesley，Reading MA，1992,課程介紹,主要參考資料 Computer Vision

7、Graphics and Image Processing IEEE TransPattern Analysis & Machine Intelligence Pattern Recognition Pattern Recognition Letter Image and Vision Computing 模式識(shí)別與人工智能、中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào) 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)、自動(dòng)化學(xué)報(bào),第一章圖像技術(shù)基礎(chǔ),1.1圖像和像素 1.2圖像技術(shù)及分類(lèi) 1.3圖像表示 1.4圖像顯示 1.5圖像存儲(chǔ)與格式 1.6* 視覺(jué)基礎(chǔ) 1.7* 顏色視覺(jué)和色度學(xué),1.1圖像,圖像(image) 在一般的意義下，可以認(rèn)為一幅圖像就

8、是一個(gè)東西的一個(gè)表示，它包含了所表示物體的相關(guān)描述信息，出現(xiàn)形式多種多樣 可視的和不可視的； 抽象的和實(shí)際的； 適于和不適于計(jì)算機(jī)處理的,一、按照?qǐng)D像的存在形式分,（1）物理圖像 (physical images)物質(zhì)或能量的實(shí)際分布 可見(jiàn)的圖像(visible image)：人眼可以看到并接受的圖像 圖片 (picture)，包括照片 (photograph)、圖 (drawings指用線(xiàn)條畫(huà)成的)和畫(huà) (paintings)，圖片等價(jià)于圖像，也就是說(shuō)picture經(jīng)常和image一詞混用 光圖像 (optical images)，即用透鏡、光柵和全息術(shù)產(chǎn)生的圖像，如熒幕、屏幕上出現(xiàn)的影像。

9、光(學(xué))圖像是光強(qiáng)度的空間分布 不可見(jiàn)的圖像：如溫度、壓力、高度以及人口密度等的分布圖,,（2）抽象圖像 即數(shù)學(xué)圖像，包括連續(xù)函數(shù)和離散函數(shù) 離散函數(shù)圖像就是計(jì)算機(jī)可以處理的形式 物理圖像必須要變成離散函數(shù)才能被計(jì)算機(jī)處理,二、按照?qǐng)D像的色彩特性分,彩色圖像，又稱(chēng)為多光譜圖像 圖像上的每個(gè)點(diǎn)有多于一個(gè)的局部特征 彩色電視中重現(xiàn)的三基色圖像，每個(gè)像素點(diǎn)就需要有紅、綠、藍(lán)三個(gè)基色的三個(gè)亮度值表示。遙感圖像可以提供多達(dá)7個(gè)不同通道的信息 黑白圖像，又稱(chēng)灰度圖像、亮度圖像、單色圖像等 每個(gè)像素點(diǎn)只有一個(gè)亮度值 黑白照片 黑白電視畫(huà)面,三、按照?qǐng)D像的光譜特性分,可見(jiàn)光圖像 紅外光圖像 雷達(dá)圖像 聲吶圖像

10、,四、按照?qǐng)D像的時(shí)間特性分,靜止圖像 不隨時(shí)間變化的圖像，如各類(lèi)圖片 動(dòng)態(tài)圖像 隨時(shí)間變化的圖像，如電視和電影畫(huà)面,圖像的類(lèi)型,圖像信息的分類(lèi),三類(lèi) 符號(hào)信息 景物信息 情緒信息,圖像信息(1)符號(hào)信息,一般是用文字、符號(hào)、圖形等表示的具體的或抽象的事物 電路圖、機(jī)械圖、打印的文件等，它們中包含有規(guī)則、含義明確的符號(hào)，這些圖像一般用二值圖像表示就足夠了，因?yàn)榉?hào)的顏色不提供新的有效信息，對(duì)圖像的理解沒(méi)有幫助 地圖中也包含大量符號(hào)，但需要關(guān)注顏色信息，因?yàn)樗鼈兌加写_定的物理含義，如藍(lán)色一般表示濕地，綠色的深淺也表明了海拔高度,圖像信息(2)景物信息,是一種能夠使人產(chǎn)生主觀感覺(jué)，但不取決于人本身的

11、客觀場(chǎng)景中包含的信息。景物信息內(nèi)容豐富，較難以表達(dá)，只有在明確目標(biāo)的前提下，才能得到正確處理 如衛(wèi)星云圖中蘊(yùn)含著氣旋信息，氣旋的位置與強(qiáng)度是一種客觀存在,圖像信息(3)情緒信息,依賴(lài)于觀察者，如藝術(shù)圖片的效果就與觀看者本身的生理、心理、修養(yǎng)有很大的關(guān)系，此類(lèi)信息無(wú)法刻畫(huà),1.2圖像技術(shù)及分類(lèi),,幾個(gè)學(xué)科之間的關(guān)系,圖像處理（低級(jí)，像素）：圖像圖像 圖像分析（中級(jí)，目標(biāo)）：圖像數(shù)據(jù) 圖像理解（高級(jí)，符號(hào)）：數(shù)據(jù)、符號(hào)場(chǎng)景 模式識(shí)別 ：圖像符號(hào) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）：數(shù)據(jù)圖像，用計(jì)算機(jī)將由概念或數(shù)學(xué)模型表示的物體（不是實(shí)物）進(jìn)行處理，并顯示成圖像 計(jì)算機(jī)視覺(jué)(Comp

12、uter Vision)：圖像場(chǎng)景，研究模擬人眼功能的理解自然景物的系統(tǒng) 數(shù)字成像(Digital Imaging)：更廣義的一個(gè)概念，涵蓋任何用計(jì)算機(jī)來(lái)操作（manipulate）與圖像有關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理與分析,不斷拓展的應(yīng)用領(lǐng)域,遙感(Remote Sensing) 生物醫(yī)學(xué)(Physic) 文件處理(File Manipulation) 科學(xué)研究(Science Research) 工業(yè)檢測(cè)(Industry Check) 機(jī)器人視覺(jué)(Robot Vision) 軍事(Military Affairs) 公安(Public Security) 其他

13、,公安(Public Security),身份辨識(shí) 監(jiān)控 不開(kāi)箱檢查 鑒定,身份的生物識(shí)別技術(shù),眼睛虹膜、視網(wǎng)膜 手掌 指紋 語(yǔ)音 面孔、臉部血管 簽名 基因 氣味,眼睛：最可靠的身份證,虹膜：纖維組織，有250 以上的特征點(diǎn) 每個(gè)虹膜的可識(shí)別特征可以得到512字節(jié)的資料，稱(chēng)為虹膜代碼 不同人眼的虹膜的60%左右的紋路是相同的，40%是不同的 兩人同一只眼虹膜特征相同的概率是十萬(wàn)分之一，兩眼相同的概率是一千億萬(wàn)分之一 視網(wǎng)膜：血管構(gòu)造也具有唯一性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，可能還更為有效（可獲得400個(gè)特征點(diǎn),人眼虹膜識(shí)別系統(tǒng),手掌識(shí)別,一種最為快捷方便的方法 識(shí)別手掌的幾何特征 手掌放在錄入頭表面后，由

14、紅外相機(jī)獲取圖像。然后對(duì)手掌的整體形狀、手指和關(guān)節(jié)的形狀和長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，從而得到手掌的特征點(diǎn) 準(zhǔn)確度不是很高，不能對(duì)手掌的其它特征，比如掌紋、傷疤進(jìn)行分析 可利用的特征點(diǎn)約2050個(gè),指紋：最成熟的識(shí)別技術(shù),從可靠性說(shuō)，人與人之間，擁有相同指紋的概率為十億分之一 每個(gè)指紋的特征點(diǎn)很多， “節(jié)點(diǎn)” ，也就是指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置。通常，手指上有70個(gè)節(jié)點(diǎn)，他們同時(shí)具有7種以上的唯一的特征。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦調(diào)查局的研究，在可以用軟件識(shí)別的節(jié)點(diǎn)中，最多有7個(gè)或8個(gè)相同點(diǎn) 進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)，首先用指紋讀取設(shè)備獲得指紋的圖像，然后對(duì)原始圖像進(jìn)行初步處理，使得更清晰。指紋識(shí)別軟件在指紋上找到節(jié)點(diǎn)

15、，并轉(zhuǎn)換成特定的數(shù)據(jù)。最后，通過(guò)模糊比較的方法，把這些數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到匹配結(jié)果 最新進(jìn)展，與指紋的深度信息融合，進(jìn)一步提高了識(shí)別的可靠性和數(shù)據(jù)的獨(dú)特性,人臉識(shí)別 ：最友好、直接的系統(tǒng),人臉檢測(cè)（Face Detection） 人臉表征（Face Representation） 人臉鑒別（Face Identification）：即人臉識(shí)別 表情分析(Facial Expression Analysis) 物理分類(lèi)（Physical Classification）,筆跡識(shí)別 ：友善的生物識(shí)別技術(shù),專(zhuān)用簽名輸入板，用戶(hù)在板上留下自己的簽名，識(shí)別過(guò)程幾乎瞬間完成 簽名力學(xué)辨識(shí)，

16、建立在其簽名時(shí)的力度上的。關(guān)鍵在于區(qū)分出不同的簽名部分，那些是習(xí)慣性的，那些是每次簽名是都不同的。這個(gè)系統(tǒng)主要對(duì)每個(gè)人簽名時(shí)筆的移動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，如速度的變化、運(yùn)筆的壓力、方向和筆劃的長(zhǎng)度等，而不是簽名的圖像本身 簽名識(shí)別的可靠性不是很高,1.3圖像表示,一、圖像的連續(xù)模型,1、基本的連續(xù)模型,圖像可以用灰度級(jí)G在x，y二維空間的連續(xù)變換來(lái)描述，即g(x,y)。時(shí)間序列圖像的描述為： g1(x,y),g2(x,y),,gt(x,y)或 g(x,y,t) 圖像處理 f(x,y)=Sg(x,y)(1) 式（1）中S可以是有意施加的某種處理方法，也可以是圖像系統(tǒng)中導(dǎo)致圖像退化的原因。 G(

17、x,y)=S-1f(x,y) (2) 式（2）是圖像復(fù)原的基本模型,2、照明反射模型,f(x,y)= i(x,y)r(x,y) 其中 0 i(x,y) Bm, 0 r(x,y) 1 i(x,y)照射分量，r(x,y)反射分量， Bm最大光照強(qiáng)度 gmin g gmax, gmin=imin rmin, gmax=imax rmax gmin，gmax是圖像灰度范圍 該模型常用于同態(tài)濾波，計(jì)算機(jī)圖形：真實(shí)感模型,噪聲的模型,噪聲的特征 噪聲的來(lái)源 噪聲模型,（1）噪聲的特征,圖像信號(hào)f(x,y) 噪聲n(x,y)，隨機(jī)性的，可以用隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述。一般常用統(tǒng)計(jì)特征來(lái)描述，如均值、方差、相關(guān)函數(shù)等

18、均值En(x,y)反映噪聲的直流分量 均方值En2(x,y)反映噪聲的總功率 均方差E(n(x,y)-En(x,y))2描述噪聲的交流功率 均值的平方En(x,y)2，表示噪聲的直流功率,（2）噪聲的來(lái)源,外部噪聲 從處理系統(tǒng)外來(lái)的影響，如電磁波干擾 內(nèi)部噪聲 (1)由光和電的基本性質(zhì)引起的噪聲 (2)機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲 (3)元器件材料本身的缺陷帶來(lái)的噪聲 (4)系統(tǒng)內(nèi)部電路噪聲,噪聲分類(lèi),從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看 平穩(wěn)噪聲 凡是統(tǒng)計(jì)特征不隨時(shí)間變化的； 非平穩(wěn)噪聲 統(tǒng)計(jì)特征隨時(shí)間變化的。 從噪聲幅度分布的統(tǒng)計(jì)來(lái)看 其密度函數(shù)有高斯型、瑞利型等，分別稱(chēng)為高斯噪聲和瑞利噪聲。 按噪聲頻譜形狀命名的，如頻譜

19、均勻分布的噪聲稱(chēng)為白噪聲，頻譜與頻率成反比的稱(chēng)為1/f噪聲，頻譜與頻率平方成正比的稱(chēng)為三角噪聲,（3）噪聲的模型,加法性噪聲 g(x,y)=f(x,y)+n(x,y) 乘法噪聲 g(x,y)=f(x,y)1+n(x,y)=f(x,y)+f(x,y)n(x,y),二、離散模型,數(shù)字圖像處理的幾個(gè)基本術(shù)語(yǔ),數(shù)字化(digitizing) 將一幅圖像從其原來(lái)的形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的處理過(guò)程，包括“掃描”、“采樣”與“量化”三個(gè)步驟 通常將“掃描”合并到“采樣”階段，合并為兩個(gè)過(guò)程,掃描（scanning）,將一個(gè)數(shù)學(xué)虛擬網(wǎng)格覆蓋在一幅圖像上，圖像的平面空間被離散化成一個(gè)個(gè)的有序的格子（格子的形式可以有

20、多種形式，通常易于物理實(shí)現(xiàn)的是矩形，且每個(gè)格子完全相同），然后按照格子的排列順序依次讀取圖像的信息，此讀取過(guò)程稱(chēng)為“掃描”。在掃描過(guò)程中被讀取的小塊圖像稱(chēng)為圖像元素(picture element)，簡(jiǎn)稱(chēng)像素(pixel)，它的描述包括空間坐標(biāo)以及圖像信息兩個(gè)部分。不太嚴(yán)格的情況下，掃描也可以用作數(shù)字化的等價(jià)詞。矩形掃描網(wǎng)格常稱(chēng)為光柵(raster),采樣(sampling),在一幅圖像的每個(gè)像素位置上測(cè)量灰度值。 采樣通常是由一個(gè)圖像傳感元件完成，它將每個(gè)像素處的亮度轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓值。采樣完成圖像空間的數(shù)字化，在CCD攝像機(jī)中，是由一個(gè)個(gè)感光單元實(shí)現(xiàn)的。 圖像數(shù)字化時(shí)必須遵守“采樣定

21、理”，才能保證圖像可恢復(fù) 奈奎斯準(zhǔn)則：采樣頻率必須需大于等于被采樣信號(hào)的最大頻率的2倍,量化(quantization),將采樣時(shí)測(cè)量的灰度值轉(zhuǎn)化成整數(shù)表示 由于數(shù)字計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字，因此必須將連續(xù)的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為離散的整數(shù)。因此在圖像傳感器后面，經(jīng)常跟隨一個(gè)電子線(xiàn)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將電壓值轉(zhuǎn)化成一個(gè)整數(shù) 經(jīng)過(guò)數(shù)字化得到一幅圖像的數(shù)字表示，即數(shù)字圖像f(x,y), f(x,y)以及x、y都是整數(shù),幾個(gè)重要概念,1、處理：讓某個(gè)事物受到一個(gè)過(guò)程的作用 2、過(guò)程（ process ）：指能導(dǎo)致某個(gè)所期望目標(biāo)的一系列的動(dòng)作或操作 3、數(shù)字圖像處理：對(duì)一個(gè)物體的數(shù)字表示施加一系列的操作，以得到

22、所期望的結(jié)果 4、數(shù)字圖像的限制性定義：一個(gè)被采樣和量化后的二維函數(shù)（該二維函數(shù)由光學(xué)方法產(chǎn)生），采用等距離矩形網(wǎng)格采樣，對(duì)幅度進(jìn)行等間隔量化 一幅數(shù)字圖像是一個(gè)被量化的采樣數(shù)值的二維矩陣,,6、顯示（display）：由一幅數(shù)字圖像生成一可見(jiàn)的、直觀的圖像 “回放”、“圖像重建”、“硬拷貝”、“圖像記錄” 顯示設(shè)備有暫時(shí)的、永久的兩類(lèi) 10、對(duì)比度（contrast）：一幅圖像中灰度反差的大小 11、噪聲（noise）：加性的或乘法性的污染 12、采樣密度（sampling density）：圖像上單位長(zhǎng)度包含的采樣點(diǎn)數(shù) 像素間距（pixel spacing）=1/采樣密度,,13、放大率

23、（magnification）：圖像中物體與其所對(duì)應(yīng)的景物中物體的比例關(guān)系 14、運(yùn)算（operation）：注意運(yùn)算前后圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 （1）全局運(yùn)算：對(duì)整幅圖像同時(shí)處理 （2）點(diǎn)運(yùn)算：由對(duì)應(yīng)點(diǎn)決定 （3）局部運(yùn)算：由中心像素周?chē)挠嘘P(guān)像素決定,數(shù)字圖像，數(shù)字化,（1）連續(xù)畫(huà)面空間坐標(biāo)離散化采樣 方形、三角形、正六角形點(diǎn)陣等 （2）采樣點(diǎn)（像素）幅值（實(shí)數(shù)）取整量化 均勻、非均勻/矢量、標(biāo)量,1、圖像的均勻采樣,y,,,|x|,,,,二維采樣定理Nyquist采樣定理,對(duì)于二維有限帶寬信號(hào)fc(x,y)，如果其二維傅立葉變換只在 |u|Uc， |v|Vc 的范圍內(nèi)不為零，那么

24、采樣間隔必須滿(mǎn)足 x 1/2Uc， y 1/2Vc 這樣才能保證信號(hào)可以重構(gòu),2、圖像的量化,量化的準(zhǔn)則是：若 fi f < fi+1 則g=gi,量化誤差,量化誤差 量化失真 由量化誤差產(chǎn)生的圖像失真 最優(yōu)量化器量化均方誤差最小 非線(xiàn)性,非均勻采樣和量化,非均勻采樣 灰度級(jí)變化大區(qū)域精確采樣，平滑區(qū)域粗采樣 非均勻量化 灰度級(jí)變化劇烈處，人眼分辨力差，邊界附近較少灰度級(jí)； 平緩區(qū)域較多灰度級(jí)，避免假輪廓,3、數(shù)字圖像的表示,數(shù)字圖像，矩陣元素：像元 圖像元素：像素 電視圖像：512512 128 一般圖像：256256 64,數(shù)字圖像舉例,矩陣,上圖中g(shù)(x,y)既可以表示整幅

25、圖像，也可以表示x行y列交點(diǎn)處的圖像的像素值，g(x,y)的值都是整數(shù) 圖像的數(shù)據(jù)量（bit）b=MNk 圖像清晰度（可分辨的細(xì)節(jié)的程度）取決于N和 k。N小，檢測(cè)板效應(yīng)； k小，假輪廓,只改變灰度級(jí)：8、16、32、64、128、256,只改變空間分辨率512、256、128、64、32、16,鄰域,四鄰域 對(duì)角鄰域 八鄰域,四鄰域與八鄰域,從數(shù)字圖像中抽取對(duì)稱(chēng)鄰域,連通性,4-連通 8-連通 m-連通 近鄰與通路 連通域 4-連通域 8-連通域,,像素間距離 歐氏距離(DE)：(x-s)2+(y-t)21/2 城區(qū)距離(D4)：|x-s|+|y-t| 棋盤(pán)距離(D8)：max(|x-s|，

26、|y-t|),1.4圖像顯示,圖像顯示 圖像顯示設(shè)備：顯示器，打印設(shè)備等 半調(diào)輸出 半調(diào)輸出示例 抖動(dòng)技術(shù),1.5圖像存儲(chǔ)與格式,圖像存儲(chǔ) 存儲(chǔ)量單位：比特（bit) 字節(jié)B（8bit） 千字節(jié)KB（103B） 兆MB(106B) 吉GB(109B) 太TB(1012B),,存儲(chǔ)器示例 快速存儲(chǔ)器 聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器 圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 矢量形式 光柵形式,,圖像文件格式 BMP格式 GIF格式 TIFF格式 JPEG格式,常見(jiàn)圖像存儲(chǔ)格式,1.6*視覺(jué)基礎(chǔ),視覺(jué)生理/視覺(jué)特性/視覺(jué)模型 視覺(jué)基礎(chǔ)/視覺(jué)應(yīng)用 它們與圖像研究的關(guān)系見(jiàn)下圖,視覺(jué)研究與圖像的關(guān)系,1、圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)與視覺(jué)心

27、理,對(duì)圖像質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)是由人的感覺(jué)器官和心理狀態(tài)來(lái)決定的。與圖像內(nèi)容以及觀察者的心理因素有關(guān) 從圖像信息傳輸角度出發(fā)，圖像系統(tǒng)評(píng)價(jià)的真正尺度應(yīng)該是發(fā)出信息者的意圖為接收信息者所理解的程度，而不是對(duì)發(fā)出信息者發(fā)出的圖像象素信息集合的簡(jiǎn)單接收,2、畫(huà)面組成和視覺(jué)心理,視野指眼球不動(dòng)時(shí)所能見(jiàn)到的范圍 如果把注視點(diǎn)作為中心，可見(jiàn)的范圍上方約65，下方約75，左右視角約為104 (現(xiàn)在的電視畫(huà)面約占78)，但視力好的部位僅限于中央23左右 為了適應(yīng)大的畫(huà)面和立體景象的機(jī)理，眼球必須轉(zhuǎn)動(dòng)使視線(xiàn)移動(dòng) 中心視力分辨率強(qiáng)，可以進(jìn)行圖像細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí) 周邊視力分辨率差，可以將視目標(biāo)特征部分檢出，利用檢出的目標(biāo)圖像特

28、征去控制眼球運(yùn)動(dòng) 另外周邊視可以認(rèn)識(shí)圖像的全貌，而中心視只能認(rèn)識(shí)圖像的一小部分 要產(chǎn)生充分的臨場(chǎng)感，畫(huà)面尺寸應(yīng)該產(chǎn)生30以上視野，如寬銀幕電影,3、視覺(jué)的時(shí)空頻率分析,影響圖像銳度的主要因素。視覺(jué)神經(jīng)具有的Mach效應(yīng)和RocaSulzer微分效應(yīng)，中樞神經(jīng)的Craik-Obrien積分效應(yīng)等是視覺(jué)信息處理的基礎(chǔ)，因此可以將視覺(jué)特性和圖像處理結(jié)合起來(lái)研究 空間分辨力 人眼對(duì)空間景物細(xì)節(jié)的分辨能力有限，對(duì)黑白圖像約為一度 時(shí)間分辨力 對(duì)亮度的響應(yīng)有時(shí)延和殘留，因而對(duì)景物亮度的變化也有分辨力，過(guò)快的變化無(wú)法分辨 視覺(jué)惰性。當(dāng)離散畫(huà)面的重復(fù)頻率不低于24Hz時(shí)，可形成連續(xù)畫(huà)面的感覺(jué)，即人眼不能分辨相

29、鄰兩幅畫(huà)面間的差別，而低于24Hz時(shí)，有閃爍感,4、視覺(jué)的時(shí)空頻率分析,人眼對(duì)畫(huà)面靜止部分的分辨率高于活動(dòng)部分 對(duì)靜止部分減少時(shí)間分辨率，而對(duì)活動(dòng)部分減少空間分辨率，可以達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的效果。 幅度分辨力 人眼對(duì)景物亮度層次的分辨力也有限，過(guò)小的亮度差別無(wú)法分辨。 對(duì)彩色圖像的色調(diào)和飽和度的分辨力 人的視覺(jué)對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨力要比亮度細(xì)節(jié)差，在國(guó)際無(wú)線(xiàn)電咨詢(xún)委員會(huì)（ITU-R，原CCIR）601標(biāo)準(zhǔn)中，就利用了這種特性，將色差信號(hào)的空間分辨率減半，仍可以得到非常好的圖像質(zhì)量。 對(duì)立體圖像的景深分辨力等,5、視覺(jué)生理和模型的研究,視覺(jué)生理 指視覺(jué)信息的產(chǎn)生部分視細(xì)胞(圖像信息感受器)和其它神經(jīng)細(xì)胞以

30、及大腦高級(jí)中樞的神經(jīng)系統(tǒng)的信息產(chǎn)生、傳輸和處理的機(jī)理 插入單個(gè)細(xì)胞的微小電極 側(cè)抑制現(xiàn)象、馬赫效應(yīng)等 對(duì)大腦高級(jí)神經(jīng)中樞的“思考過(guò)程”才剛起步,人類(lèi)視覺(jué)機(jī)制今后的研究方向,從基礎(chǔ)研究逐步轉(zhuǎn)到和圖像相關(guān)的視覺(jué)綜合化、體系化的研究 搞清決定圖像質(zhì)量的主觀因素，做出其總的結(jié)構(gòu)模型 找出人腦真正接收信息的容量，大腦有效接收?qǐng)D像的顯示方式 弄清圖像信源和信宿的結(jié)構(gòu)，建立起包括人的因素在內(nèi)的信息論 研究視覺(jué)和其它感覺(jué)的相乘作用，即視覺(jué)和其它感覺(jué)的互相影響 開(kāi)發(fā)自組織作用的綜合研究，進(jìn)一步建立發(fā)展“思考過(guò)程” 研究視覺(jué)和行為的關(guān)系,人類(lèi)視覺(jué)感知過(guò)程,人眼結(jié)構(gòu) 眼睛中圖像的形成 視覺(jué)特性,人眼的結(jié)構(gòu),,視覺(jué)生

31、理特點(diǎn)對(duì)圖像 處理方法的影響很大,,錐狀（cone）視覺(jué)：白晝視覺(jué)，色彩 桿狀（rod）視覺(jué)：夜視覺(jué)，低照度敏感 視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布,眼睛中圖像的形成,成像的幾何原理 視覺(jué)信息的產(chǎn)生 視覺(jué)信息的傳遞 視覺(jué)信息的加工處理,（1）成像的幾何原理,當(dāng)晶狀體的折射能力由最小變到最大時(shí)，晶狀體的聚焦中心與視網(wǎng)膜之間的距離由17mm縮小到14mm。當(dāng)眼睛聚焦到遠(yuǎn)于3m的物體時(shí)，晶狀體的折射能力最弱，當(dāng)聚焦到非常近的物體時(shí)，其折射能力最強(qiáng),用眼睛觀察樹(shù)的光學(xué)表示法，C點(diǎn)為晶狀體的光學(xué)中心,成像尺寸計(jì)算,觀測(cè)者看一個(gè)距離100m，高15m的樹(shù)：設(shè)x表示視網(wǎng)膜上形成的圖像

32、的大小，單位mm，則有 15/100=x/17, x=2.55mm,（2）視覺(jué)信息的產(chǎn)生,光化電過(guò)程 色覺(jué)理論主要有兩種 三色學(xué) 三種視色素，對(duì)光的影響峰值分別在紅、綠、藍(lán)區(qū)，綜合后形成色覺(jué)信息 四色學(xué)說(shuō) 三對(duì)視色素(白-黑，紅-綠，黃-藍(lán))，它們的組合響應(yīng)產(chǎn)生色覺(jué)信息,人類(lèi)感光細(xì)胞的敏感曲線(xiàn),三種不同頻率響應(yīng)的錐，各對(duì)紅、綠、藍(lán)具有最強(qiáng)的響應(yīng)，彩色的識(shí)別功能,（3）視覺(jué)信息的傳遞,眼球內(nèi) 眼球外,（4）視覺(jué)信息的加工處理,簡(jiǎn)單型細(xì)胞 檢測(cè)圖像的明暗邊界和線(xiàn)條的位置和方向， 復(fù)雜型細(xì)胞 對(duì)直線(xiàn)和邊界的運(yùn)動(dòng)方向敏感， 低級(jí)超復(fù)雜型細(xì)胞檢測(cè)直線(xiàn)和邊界的長(zhǎng)度、寬度， 而高級(jí)超復(fù)雜型細(xì)胞可以檢測(cè)曲線(xiàn)和

33、邊緣曲度等,視覺(jué)特性,亮度適應(yīng)與鑒別 分辨力 對(duì)比靈敏度 同時(shí)對(duì)比效應(yīng) 閾值效應(yīng)和掩蓋效應(yīng) 視覺(jué)運(yùn)動(dòng)特性 視覺(jué)空間頻率特性 視覺(jué)時(shí)間頻率特性,主觀亮度感受特性,,分辨力,在不同的亮度適應(yīng)級(jí)，人眼的分辨力不同，如圖所示，I是背景光強(qiáng)，I是光強(qiáng)的變化，稱(chēng)log(I/I) 為韋伯比，表示光強(qiáng)分辨力,光強(qiáng)分辨力的典型韋伯比,對(duì)比靈敏度,,同時(shí)對(duì)比效應(yīng),心理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，人眼感受到的亮度不是光強(qiáng)的簡(jiǎn)單函數(shù)，如馬赫帶效應(yīng)和同時(shí)對(duì)比效應(yīng),馬赫帶效應(yīng),同時(shí)對(duì)比效應(yīng),視覺(jué)閾值效應(yīng)和掩蓋效應(yīng),視覺(jué)閾值 正好可以被看到的刺激（干擾或失真）值，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，在圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)中有廣泛的應(yīng)用 掩蓋效應(yīng) 視覺(jué)閾值隨圖像

34、內(nèi)容的變化而變化，在平坦區(qū)閾值低，對(duì)失真也敏感；在邊緣和紋理區(qū)，視覺(jué)存在掩蓋效應(yīng)，對(duì)失真不敏感,視覺(jué)運(yùn)動(dòng)特性,周邊視力對(duì)圖像中運(yùn)動(dòng)變化部分很靈敏，有特征抽取作用，從而控制眼肌轉(zhuǎn)動(dòng)視軸，使視力集中對(duì)準(zhǔn)這些部位，以便看清其細(xì)節(jié) 電視眼球標(biāo)記攝像機(jī)(television eye-marker camera)試驗(yàn),視覺(jué)空間頻率特性,亮暗在空間上作正弦變化的條紋圖案，物理對(duì)比度和感覺(jué)對(duì)比度之比隨空間頻率變化而變化的曲線(xiàn)，稱(chēng)為調(diào)制傳遞函數(shù)MTF( Modulation Transfer Function),閃爍對(duì)MTF的影響,閃爍頻率為1HZ 閃爍頻率為6HZ 閃爍頻率為16HZ 閃爍頻率為20HZ,對(duì)

35、比 靈 敏 度,300 100 30 10 3,0.3 1 3 10 30,,,,,,,,空間頻率/cdeg-1,,,,,,,,,,,,,,,視覺(jué)時(shí)間頻率特性,,視覺(jué)的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型,亮度視覺(jué)模型 彩色視覺(jué)模型,1、亮度視覺(jué)模型,,線(xiàn)性光學(xué)系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF,黑白視覺(jué)對(duì)數(shù)模型,,簡(jiǎn)單的黑白視覺(jué)對(duì)數(shù)模型,視覺(jué)信息的融合,,|H3(Wx,Wy)|,黑白視覺(jué)擴(kuò)展模型,ThomasYoung三色假說(shuō),2、彩色視覺(jué)模型,彩色響應(yīng),在上圖模型中，e1、e2、e3代表視網(wǎng)膜三個(gè)具有S1()、S2()、S3()譜靈敏度的感受器，其輸出分別為 C()為入射光譜的能量分布函數(shù),彩色信息融合,

36、e1、e2、e3經(jīng)對(duì)數(shù)傳遞后合并為d1、d2、d3并輸出：,色譜靈敏度曲線(xiàn),彩色視覺(jué)擴(kuò)展型模型,1.7*顏色視覺(jué)和色度學(xué),3個(gè)基本顏色紅（R, red）、綠(G, green)和藍(lán)( B, blue) 國(guó)際照明委員會(huì)（CIE），1931年規(guī)定3種基本色的波長(zhǎng)為R:700nm, G:546.1nm, B:435.8nm,三色系統(tǒng),利用3基色疊加可產(chǎn)生光的3補(bǔ)色：品紅（M, magenta，即紅加藍(lán)）、藍(lán)綠（C, cyan，即綠加藍(lán)）、黃（Y, yellow，即紅加綠）。按一定的比例混合3基色或?qū)?個(gè)補(bǔ)色與相對(duì)的基色混合就可以產(chǎn)生白色。光的混合滿(mǎn)足加色定理,顏色特征,區(qū)分顏色通常用3種基本特性：

37、輝度（又常用亮度、明度） 色調(diào) 飽和度 色調(diào)和飽和度合起來(lái)稱(chēng)為色度。顏色可以用輝度和色度共同表示,坐標(biāo)系,顏色還可以用色品值r、g、b（相對(duì)色系數(shù)）表示，定義如下，為組成某種顏色所需的紅、綠、藍(lán)的量稱(chēng)為3個(gè)刺激量，分別用R、G、B表示： C=rR+gG+bB 其中,彩色匹配規(guī)則,任何彩色可以用不多于三個(gè)基色配成 混合色的光亮度等于各分量亮度之和 人眼不能分解混合彩色的各個(gè)分量 在某一亮度等級(jí)上的彩色匹配可適用于較寬的亮度范圍 彩色相加定律：若一彩色C1與彩色C2相匹配（同樣彩色感覺(jué)），而彩色C1與彩色C2相混合的彩色匹配，可以如下表示 C1=C2，即C1彩色與C2彩色相匹配 1C1+2 C2，

38、即一混合色包含1份的C1和2份的C2 彩色相加定律表示為 若 C1=C2， C1=C2 則1C1+2 C2= 1C1+2 C2,彩色匹配,彩色相減：當(dāng)C1、C2混合色與C1、C2混合色相匹配時(shí)，若C2與C2相匹配，則C1和C1也匹配，即已知 C1+ C2= C1+C2，若 C2=C2，則 C1=C1 轉(zhuǎn)移定律：若C1與C2 匹配， C2 又與C3匹配，則C1與C3匹配，即已知C2= C1， C2= C3，則 C1= C3 匹配定律（Grassman定理）：在亮度既不太高，也不太低的條件下，有三種配色方案 C=1C1+2 C2+3C3 C+1C1=2 C2+3C3 C+1C1+2 C

39、2=3C3,色度圖,色品坐標(biāo)系,xyz相對(duì)三色系數(shù) （色品坐標(biāo)） x+y+z=1,(x,y) CIE色度圖 對(duì)應(yīng)于 x=y=0.33的 E點(diǎn)，稱(chēng)等能量點(diǎn)，為CIE標(biāo)準(zhǔn)白光,通用的彩色模型,RGB模型 HSI模型,RGB模型,（1）RGB模型,視覺(jué)生理模型 色調(diào)（H，Hue）、色飽和度（S，Saturation）以及明度（I，Intensity）（Museum，孟塞爾顏色系統(tǒng)） 在特定應(yīng)用環(huán)境中，用于圖像分析有特殊的優(yōu)勢(shì) 在只有光照亮度發(fā)生變化的應(yīng)用中，不考慮明度，只使用色度進(jìn)行區(qū)域分割,（2）HSI模型,,,,RGB到HSI,HSI到RGB,顏色特征豐富了圖像處理的方法,色彩的識(shí)別，色彩分解，

40、提取特征。 濾色鏡，遙感、著色后細(xì)胞,4、其他顏色空間（模型）,（1）YUV模型：適用于PAL和SECAM彩色電視制式，Y：亮度，U，V表示色差,,（）YCbCr：以演播室質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)的CCIR601編碼方案采用的顏色模型，Y：亮度，Cb和Cr表示色度,,（3）YIQ：適用于NTSC彩色電視制式，Y：亮度，I和Q表示色度,,（4）L*u*v*：CIE1976發(fā)布，L*：米制明度，u*和v*表示米制色度（色度和飽和度),,X,Y,Z是所考察顏色對(duì)應(yīng)的三基色的三個(gè)刺激量，X0,Y0,Z0是該顏色在完全漫反色時(shí)的三個(gè)刺激值 兩種顏色的色差為,,（5）L*a*b*：也是CIE1976發(fā)布，L*：米制明度，a*和b*表示米制色度（色度和飽和度) ，分別表示該顏色中紅色和黃色所占的比重,,兩種顏色的色差為 a*和b*表示該顏色中紅色和黃色的補(bǔ)色所占的比重,本章要點(diǎn),1.1有關(guān)圖像和像素的基本概念 1.2圖像技術(shù)的三個(gè)層次：圖像處理、圖像分析和圖像理解 1.3圖像表示方法和鄰域的概念 1.4圖像顯示設(shè)備和技術(shù) 1.5圖像存儲(chǔ)器和圖像文件格式 1.6視覺(jué)基礎(chǔ)和亮度知覺(jué) 1.7顏色視覺(jué)和色度學(xué),