岡薩雷斯數(shù)字圖像處理中文版課件第一章

數(shù)字圖像處理,,,倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線獲得 首屆諾貝爾物理學獎。,Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得 1979年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。,Bloch和Purcell因發(fā)現(xiàn)NMR現(xiàn)象獲得1952年諾貝爾物理學獎。,發(fā)明MRI中Fourier重建方法的Ernst獲得1991年諾貝爾化學獎。,Lauterbur和Mansfield因發(fā)明MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。,第一章 緒 論,一、研究背景： 地球數(shù)字化帶來的任務(wù)，一方面要求處理對象的數(shù)字化，一方面要求處理時的直觀性。因此給我們帶來了許多的研究課題和研究方向。,二、數(shù)字圖像處理的概念,1. 什么是圖像 “圖”是物體投射或反射光的分布，“像” 是人的視覺系統(tǒng)對圖的接受在大腦中形成的印象或反映。 是客觀和主觀的結(jié)合。 1 模擬圖像,2 數(shù)字圖像,數(shù)字圖像是指由被稱作象素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將 物理圖象行列劃分后，每個小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。 每個像素包括兩個屬性：位置和灰度。 對于單色即灰度圖像而言，每個象素的亮度用一個數(shù)值來表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個字節(jié)來表示， 0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級別。 物理圖象及對應(yīng) 的數(shù)字圖象,灰度級,灰度圖像(128x128)及其對應(yīng)的數(shù)值矩陣,125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60, 133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49, 155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142,146,152,159,161,159,154,138, 81, 78, 84,114, 95, 167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114, 99, 57, 45, 51, 57,,（僅列出一部分(26x31)）,彩色圖象可以用紅、綠、藍三元組的二維矩陣來表示。,通常，三元組的每個數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該象素中沒有，而255則代表相應(yīng)的基色在該象素中取得最大值，這種情況下每個象素可用三個字節(jié)來表示。,彩色圖象(128x128)及其對應(yīng)的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(25x31)）,(207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217,124,121) (226,144,133) (226,144,133) (224,137,124) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (227,151,136) (230,170,154) (231,178,163) (231,178,163) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (240,205,187) (239,195,176) (231,138,123) (217,124,121) (215,169,161) (216,179,170) (216,179,170) (207,137,120) (159, 51, 71) (189, 89,101) (216,111,110) (217,124,121) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (226,159,142) (237,159,135) (237,159,135) (231,178,163) (236,187,171) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (236,187,171) (227,133,118) (213,142,135) (216,179,170) (221,184,170) (190, 89, 89) (204,109,113) (204,115,118) (189, 85, 97) (159, 60, 78) (136, 38, 65) (160, 56, 75) (204109113)(227151136)(226159142)(237159135)(227151136),2.什么是數(shù)字圖像處理,數(shù)字圖像處理就是利用計算機系統(tǒng)對數(shù)字圖像進行各種目的的處理,三、數(shù)字圖像的表示方法,,,y,x,對連續(xù)圖像f（x，y）進行數(shù)字化,,空間上，圖像抽樣,幅度上，灰度級量化,x方向，抽樣M行 y方向，每行抽樣N點 整個圖像共抽樣MN個像素點 一般取M=N=2n=64，128，256，512，1024，2048,三、數(shù)字圖像的表示方法,數(shù)字圖像常用矩陣來表示：,x=0,1, ,N-1 y=0,1, ,N-1,f(i,j)=0255， （灰度級為256，設(shè)灰度量化為8bit）,數(shù)字圖像處理的三個層次,從計算機處理的角度可以由高到低將數(shù)字圖像分為三個層次。這三個層次覆蓋了圖像處理的所有應(yīng)用領(lǐng)域,圖像工程的示意圖,數(shù)字圖像處理的三個層次,1. 圖像處理： 對圖像進行各種加工，以改善圖像的視覺效果；強調(diào)圖 像之間進行的變換； 圖像處理是一個從圖像到圖像的過程。,2. 圖像分析：對圖像中感興趣的目標進行提取和分割，獲得目標的客觀信息（特點或性質(zhì)），建立對圖像的描述； 以觀察者為中心研究客觀世界； 圖像分析是一個從圖像到數(shù)據(jù)的過程。,3. 圖像理解：研究圖像中各目標的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系；得出對圖像內(nèi)容含義的理解及原來客觀場 景的解釋； 以客觀世界為中心，借助知識、經(jīng)驗來推理、認識客觀世界，屬于高層操作（符號運算）。,可見，圖像處理、圖像分析和圖像理解是處在三個抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點的不同層次上。圖像處理是比較低層的操作， 它主要在圖像像素級上進行處理， 處理的數(shù)據(jù)量非常大。圖像分析則進入了中層，分割和特征提取把原來以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡潔的非圖像形式的描述。圖像理解主要是高層操作， 基本上是對從描述抽象出來的符號進行運算，其處理過程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。 根據(jù)本課程的任務(wù)和目標，本書重點放在圖像處理上，并學習圖像分析的基本理論和方法。,圖像工程與相關(guān)學科的聯(lián)系和區(qū)別,圖像工程是一門交叉學科 研究方法上，與數(shù)學、物理學（光學）、生理學、心理學、電子學、計算機科學相互借鑒； 研究范圍上，與計算機圖形學、模式識別、計算機視覺相互交叉。,四、數(shù)字圖像處理的起源,上世紀20年代，紐約倫敦海底電纜傳輸數(shù)字化的新聞圖片。傳遞時間從一個多星期減少到3個小時,歷史,1921年電報打印機采用 特殊字符在編碼紙帶打印。 輸出設(shè)備從通用在到專用,1922年兩次穿越大西洋， 穿孔紙得到圖像檢測誤差。 圖像通信系統(tǒng)信源編碼和 信道編碼,1929年從倫敦到紐約15級色調(diào) 通過電纜傳遞照片。從早期5個灰度到15 灰度?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)、移動通信再次歷經(jīng) 這個過程。,四、數(shù)字圖像處理的起源,數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計算機的發(fā)展密切相關(guān)，它必須依靠數(shù)字計算機及數(shù)據(jù)存儲、顯示和傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展。,五十年代中期在太空計劃的推動 下開始這項技術(shù)的研究。重要標 志是1964年美國噴氣推進實驗室 （JPL）正式使用數(shù)字計算機對“ 徘徊者7號”太空船送回的四千多 張月球照片進行了處理。,四、數(shù)字圖像處理的起源,進行太空應(yīng)用的同時，數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀60年代末和70年代初開始用于醫(yī)學圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學等領(lǐng)域。 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，獲1901年諾貝爾物理學獎。 1975年Godfrey N. Hounsfield和Allan M. Cormack發(fā)明了計算機斷層技術(shù)（CT），獲1979年諾貝爾醫(yī)學獎。 在今天引領(lǐng)這圖像處理某些最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。,五、數(shù)字圖像處理的應(yīng)用實例,數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域多種多樣。最主要的圖像源是電磁能譜，其他主要的能源包括聲波、超聲波和電子（用于電子顯微鏡）。,現(xiàn)狀,1.5.1 伽馬射線成像 伽馬射線成像的主要用途 包括醫(yī)學和天文觀測。,1.5.2 X射線成像,X射線在醫(yī)學診 斷上的應(yīng)用,（a）X光片 （b）血管照相術(shù) （c）頭部CAT切片圖像,X射線是最早用于成像的電磁輻射源之一,1.5.2 X射線成像,X射線在工業(yè)和 天文學上的應(yīng)用,（a）電路板,（b）天鵝座星環(huán),1.5.3 紫外波段成像,紫外光的應(yīng)用多種多樣。,平板印刷技術(shù) 工業(yè)檢測 顯微鏡方法 激光 生物圖像 天文觀測,普通谷物,被“真菌”感染的谷物,天鵝星座環(huán),1.5.4 可見光及紅外波段成像,這一波段的應(yīng)用最為廣泛 電視和多媒體 光顯微鏡,涉及的范圍從藥物 到材料特性的檢測,（a）紫杉酚 （b）膽固醇 （c）微處理器,（d）鎳氫化物薄片 （e）音頻CD的表面（f）有機超導,1.5.4 可見光及紅外波段成像,遙感 美國華盛頓區(qū)域 的衛(wèi)星遙感圖像,1.5.4 可見光及紅外波段成像,天文 天氣觀測與預報是衛(wèi)星多 光譜圖像的主要應(yīng)用領(lǐng)域,1.5.4 可見光及紅外波段成像,工業(yè)檢測,可見光譜中主要成像領(lǐng) 域是生產(chǎn)產(chǎn)品的自動視覺檢測,1.5.4 可見光及紅外波段成像,拇指指紋,圖像識別,指紋識別、人臉識別 車牌號碼的識別,紅外圖象,紅外圖象,1.5.5 微波波段成像,雷達 在雷達圖像中， 看到的只是反射到 雷達天線的微波能量,航天器拍攝的 西藏東南山 區(qū)雷達圖像,1.5.6 無線電波成像,無線電波段成像主要應(yīng)用在醫(yī)學和天文學,在醫(yī)學中，無線電波用于磁共振成像（MRI),1.5.7 其他圖像模式應(yīng)用的實例,超聲波成像系統(tǒng)（應(yīng)用醫(yī)學 如婦產(chǎn)科）,超聲波圖像產(chǎn)生的步驟： 1.超聲波系統(tǒng)向身體傳輸高頻（15MHz）聲脈沖。 2.聲波傳入體內(nèi)并碰撞組織間的邊緣，聲波的一部 分返回到探頭，一部分繼續(xù)傳播直到另一邊界并被反射回來。 3.反射波被探頭收集起來并傳給計算機。 4. 計算機根據(jù)聲波在組織中的傳播速度和每個回波返回 的時間計算從探頭到組織或者器官邊界的距離。 5. 系統(tǒng)在屏幕上顯示回波的距離和亮度形成的二維圖像。,超聲圖象,電子顯微鏡成像,過熱損壞的鎢絲 （250倍）,損壞的IC電路 （2500倍）,現(xiàn)狀,七十年代以來迅猛發(fā)展。 1：主觀需求：人類從外界獲取得信息6070通過眼睛 的圖象信息。 2：計算機技術(shù)的發(fā)展和通信手段的發(fā)展提供客觀可能；以FFT為代表的數(shù)字信號處理算法和現(xiàn)代信號處理方法的精確性，靈活性與通用性。 3：數(shù)學化的特點是該學科成熟的一個標志?！耙环N科學只有在成功地運用數(shù)學時，才算真正達到了完美的地步”(分析，代數(shù)，幾何） 總之：是一門在理論研究和應(yīng)用開發(fā)兩方面獲得極大統(tǒng)一的學科。,發(fā)展趨勢,1：結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)需求而發(fā)展起來的新技術(shù)，比如網(wǎng)上圖像、視頻的傳 輸、點播和新的瀏覽、查詢手段。 2：高級圖像處理技術(shù)，結(jié)合最新的數(shù)學進展，諸如小波、分形、形態(tài)學等技術(shù)。 3：智能化，圖象自動分析、識別與理解。,六、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要,數(shù)字圖象處理系統(tǒng)簡介,數(shù)字圖象處理系統(tǒng)由圖象數(shù)字化設(shè)備、 圖象處理計算機和圖象輸出設(shè)備組成。,掃描儀、數(shù)碼相機、 攝象機與圖象 采集卡等,PC、工作站等,打印機、繪圖儀等,輸入及數(shù)字化設(shè)備 攝象機 鼓式掃描器 平臺式光密度計 視頻卡 掃描儀 數(shù)碼相機 DV,顯示及記錄設(shè)備 圖象顯示器 鼓式掃描器 圖象拷貝機 繪圖儀 激光打印機 噴墨打印機,圖象記錄介質(zhì),紙 膠片 照片 縮微膠片 幻燈片 錄象帶 磁盤 光盤 電影,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,1.圖像變換 傅立葉變換 沃爾什變換 離散余弦變換 小波變換,,采用各種圖像變換方法對圖像 進行間接處理。有利于減少計 算量并進一步獲得更有效的處理。,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,2.圖像壓縮編碼 圖像壓縮編碼技術(shù)可以減少描述圖像的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)約圖像存儲的空間，減少圖像的傳輸和處理時間。 圖像壓縮有無損壓縮和有損壓縮兩種方式，編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早和應(yīng)用最成熟的技術(shù)。 主要方法：熵編碼，預測編碼，變換編碼，二值圖像編碼、分形編碼,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,3. 圖像的增強和復原 圖像增強和復原的目的是為了改善圖像的視覺效果，如去除圖像噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中感興趣的部分。圖像復原要求對圖像降質(zhì)的原因有所了解，根據(jù)圖像降質(zhì)過程建立“退化模型”，然后采用濾波的方法重建或恢復原來的圖像。 主要方法：灰度修正、平滑、幾何校正、圖像銳化、濾波增強、維納濾波,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,4. 圖像分割 圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割將圖像中有意義的特征提取出來（物體的邊緣、區(qū)域），它是進行進一步圖像識別、分析和圖像理解的基礎(chǔ)。 雖然目前已研究出了不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。對圖像分割的研究還在不斷的深入中，是目前圖像處理研究的熱點方向之一。 主要方法：圖像邊緣檢測、灰度閾值分割、基于紋理分割、區(qū)域增長,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,5. 圖像描述 圖像描述是圖像分析和理解的必要前提。圖像描述是用一組數(shù)量或符號（描述子）來表征圖像中被描述物體的某些特征。 主要方法：二值圖像的幾何特征、簡單描述子、形狀數(shù)、傅立葉描述子，紋理描述,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,6. 圖像識別 圖像識別是人工智能的一個重要領(lǐng)域，是圖像處理的最高境界。一副完整的圖像經(jīng)預處理、分割和描述提取有效特征之后，進而由計算機系統(tǒng)對圖像加以判決分類。,七、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容,8. 圖像隱藏 是指媒體信息的相互隱藏。 數(shù)字水印 圖像的信息偽裝,八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學中的應(yīng)用及研究課題,1. 超聲 A型M型(B型,D型)彩超超聲CT (1)新一代B超,配以數(shù)字圖像處理(DIP)，性能更佳。 （圖像增強，數(shù)字濾波，各種圖像測量功能） （2）多普勒血流頻譜分析及血流聲譜圖顯示。,八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學中的應(yīng)用及研究課題,（3）彩超=B超（黑白圖像）+多普勒血流彩色 實時成像,,,(4)多普勒血管成像,八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學中的應(yīng)用及研究課題,（5）超聲CT,,（經(jīng)食道，立體扇形掃描）,八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學中的應(yīng)用及研究課題,（5）超聲CT （立體扇形掃描）,八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學中的應(yīng)用及研究課題,2. X光及X光負片,(1)傳統(tǒng)X光及X光負片，醫(yī)生肉眼觀察,(2) 影像增強器，暗室操作明室操作，數(shù)字 存儲,八、數(shù)字圖像處理在醫(yī)學中的應(yīng)用及研究課題,3. 核醫(yī)學成像系統(tǒng),放射性同位素掃描儀,相機：偽彩色成像，診斷臟器的機能,,二維成像,正電子CT（PET） 單光子CT（SPECT）,,三維成像,生理切片腦RI三維成像,數(shù)字圖像處理應(yīng)用前景,通信新業(yè)務(wù) 圖像處理與通信結(jié)合，特別是下一代移動通信技術(shù)的發(fā)展，衍生眾多的通信新業(yè)務(wù)：可視電話、電視會議、遠程教育、遠程醫(yī)療、家庭購物等。 數(shù)字成像設(shè)備、圖像監(jiān)控、智能小區(qū)管理。 醫(yī)學圖像 數(shù)字圖像處理除了通信領(lǐng)域的新應(yīng)用外，另一個重要領(lǐng)域就是生物醫(yī)學成像與診斷。,醫(yī)學圖像,國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 技術(shù)開發(fā)的總體目標和重點任務(wù) 技術(shù)開發(fā)內(nèi)容及指標,國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,目前，國際上最先進的醫(yī)學影像設(shè)備，都建立在先進的數(shù)字化信息處理技術(shù)基礎(chǔ)上而發(fā)展。,computed tomography,(Nuclear) Magnetic Resonance Imaging,Positron Emission Tomography,,數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，使醫(yī)學影像設(shè)備在臨床應(yīng)用的效率、診斷質(zhì)量產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，大大提高產(chǎn)品的市場競爭力和技術(shù)附加值，并推動臨床醫(yī)學的發(fā)展。 我國在醫(yī)療設(shè)備數(shù)字化技術(shù)方面也開展了大量的工作。在DSA和超聲數(shù)字掃描變換技術(shù)(DSC)方面，都有一定的成果。MRI在技術(shù)引進基礎(chǔ)上也進行了開發(fā)。但與國際先進水平有較大的差距，正面臨國外高新技術(shù)產(chǎn)品的強大威脅。,技術(shù)開發(fā)的總體目標和重點任務(wù),重點開發(fā)一批具有國際先進水平的醫(yī)學影像裝備數(shù)字化技術(shù)；瞄準國際醫(yī)學影像數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展趨勢，開發(fā)醫(yī)學影像裝備數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化：其中既有對傳統(tǒng)品種的更新?lián)Q代開發(fā)，也包括開發(fā)在國內(nèi)外都具有創(chuàng)新性的高新技術(shù)品種。,主要技術(shù)開發(fā)內(nèi)容及指標,(1)常規(guī)x線診斷設(shè)備的影像數(shù)字化技術(shù) 重點是大于3.51/mm分辨率的大尺寸x線面陣采集器件技術(shù)，12位精度采級數(shù)據(jù)速度小于10s,恢復時間小于20s (2)B型超聲診斷儀器的數(shù)字化技術(shù) 重點是可變增益放大器(VGA)技術(shù)、高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字式動態(tài)聚焦技術(shù)、數(shù)字式波束合成技術(shù)等。,主要技術(shù)開發(fā)內(nèi)容及指標,(3)醫(yī)學影像數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 包括圖像存儲和傳輸系統(tǒng)(PACS)、醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)、放射科信息系統(tǒng)(RIS)等，要求有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，足夠的圖像存儲量，有較高的圖像回放質(zhì)量和先進、實用的后處理功能，系統(tǒng)應(yīng)采用與國際標準接軌的數(shù)字圖像通訊標準。 (4)高分辨率的數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)(DSA)技術(shù) 要求有較高的采像速度，12-25幀/s,分辨率大于1.51p/mm，滿足心血管造影和介入治療需要的圖像后處理功能。 (5)磁共振成像的數(shù)字化,,總的說來，經(jīng)多年的發(fā)展，圖像處理經(jīng)歷了從靜止圖像到活動圖像；從單色圖像到彩色圖像；從客觀圖像到主觀圖像；從二維圖像到三維圖像的發(fā)展歷程; 特別是與計算機圖形學的結(jié)合已能產(chǎn)生高度逼真、非常純凈、更有創(chuàng)造性的圖像。由此派生出來的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展或許將從根本上改變我們的學習、生產(chǎn)和生活方式。,