课程内容及考试介绍 讲解内容： 考试（开卷考试） 课堂讲授：第一章～第七章（不包括第六章）； 通信实验室：三次实验课，编制MATLAB程序，写实验报告。 考试（开卷考试） 三次实验课情况以及实验报告（占总成绩的20％）； 平时成绩（占总成绩的10％），主要是课堂抽查和课堂作业； 期末考试，时间11月2日13：50－15：25（第九周的星期五，上课时间）（占总成绩的70％）； 点名3次未到者总成绩按0分记。

数字图像处理 第一讲 绪论

引言 数字图像处理，一个通俗的定义是，用计算机对图像进行处理就是数字图像处理。 图像是另一个事物的一种表示。它包含了有关其所表示事物的描述信息，但通常它所包含的信息比原物体的要少。 数字一词是指对图像采用数字方法或离散单元进行计算。数字图像即为一个物体的数字描述。 处理是对图像进行的，为达成某个期望的目标进行的一系列的操作或者过程（process）。 数字图像处理的定义：对一个物体的数字表示施加一系列的操作，以达到所期望的结果。 我们首先解释数字图像处理的含义。 图像是我们在生活中体验最重要、最丰富的部分，我们每个人对图像都有自己的理解和定义。 图像会以各种不同的方式出现，比如可视的和不可视的，抽象的和实际的等等。可视的图像比如一幅照片（phtograph）、一幅画（painting），它们属于光学图像，是能被肉眼看到的；不可视的图像如温度、压力、高度以及人口密度等的分布图。我们把它们称作是不可视的物理图像，是物质和能量的实际分布。 为了更好的理解数字图像处理的定义，我们再将其他类似的定义作介绍。 数字图像处理是将一幅图像变为另一幅图像。数字图像分析是将一幅图像转化为非图像的表示，如一个测量数据或者一个决策。计算机图形学是用计算机将由概念和数学描述所表示的物体图像进行处理和显示。侧重点是生成一幅图像，包括“计算机艺术”。计算机视觉的目的是开发能够理解自然景物的系统，如为机器人提供眼睛。所有这些我们可以用计算机成像（computer imaging)来涵盖。

模拟图像无法用计算机进行处理、传输和存储。一幅图像在用计算机处理之前先要转化成数字形式。 1.1 数字图像处理及发展简史 1.1.1 数字图像与像素 模拟图像无法用计算机进行处理、传输和存储。一幅图像在用计算机处理之前先要转化成数字形式。 在数字图像领域，一幅图像用数字阵列来表示。图像被划分为称作图像元素（picture element）的小区域，图像元素简称像素（pixel）。 在每个像素位置，图像的亮度被采样和量化，从而得到图像对应点上表示其明暗程度的一个整数值。这时，图像转化为一个整数矩阵。 每个像素有两个性质：位置和灰度。位置由采样点的坐标决定，又成为行和列。表示该位置上的明暗程度的整数称为灰度。 现实情况是，人们越来越希望用计算机这样的设备，对图像进行分析处理。因此模拟图像的数字化是必然趋势。 模拟图像无法用计算机进行处理、传输和存储。计算机只能处理数字而不是图片。

I=imread('C:\MATLAB701\toolbox\images\imdemos\cell.tif'); figure, imshow(I);

模拟图像的数字化包括取样和量化两个主要步骤： 取样：空间坐标的离散化（均匀采样、非均匀采样）； 量化：幅度值的离散化（均匀量化、非均匀量化)。

1.1.2 图像处理的发展简史 离散数学的创立和完善，为数字图像处理奠定了理论基础。 数字计算机的出现，使图像的获取、处理、传输和存储的方式发生了巨大的变化。 计算机图像处理是当代图像处理的主流。现在的“图像处理”，一般均指“数字图像处理”。 早期的图像处理的目的是提高图像的质量以改善人的视觉效果为目的。常用的方法有图像增强、复原、编码与压缩等。

实例1： 数字图像处理首次成功地应用在1964年美国宇航局喷气推进实验室（NASA JPL）对“徘徊者7号”探测器发来的几千张月球照片进行几何校正、灰度变换、去除噪声等处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，用计算机绘制了月球表面的照片。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理，以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，为人类登月创举奠定了坚实的基础。 数字图像有哪些应用？ 1，遥感成像中更多地使用了数字图像处理技术,遥感图像应用于军事，民用如考古，天气预报，地下资源勘测，火灾预警，海洋检测，城市规划等等。 2， X射线断层摄影CT（Computer Tomograph）装置，根据截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。这项技术获得了诺贝尔生物医学奖。 3，月球表面图像的绘制。

实例2： 2005年1月14日，“惠更斯”探测器拍摄了土星卫星“土卫六”的图像。通过图像，我们可以清楚看到35亿公里以外土卫六的地貌。 这是一幅对相关数据进行处理加上反射光谱数据以后得到的彩色图。

图像处理技术从航天技术推广到遥感遥测、生物医学、军事和公安、工业机器人、人民生活等许多方面。

X射线断层摄影CT（Computer Tomograph）装置，根据截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。这项技术获得了诺贝尔生物医学奖。 数码相机、数码摄像机、数字电视，数字图像处理理论、技术与设备已经成为当代信息技术的重要组成部分。 图像理解：用计算机系统解译图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界。 计算机视觉：以计算机视觉（机器视觉）仿真人类视觉。

随着我国科学技术的发展，我国在航天、医学、工业、家用信息设备等领域发展了图像处理技术。同时，我国已经有一支较强的从事图像工程研究和应用的队伍。1990年，我国成立了全国性学术团体：中国图像图形学学会。它由中国从事图像图形学基础理论与应用研究，软、硬件技术开发及应用推广的专家学者和相关科技工作者组成。国内著名的高等学校、科研院所以及IT企业都是本学会重要成员单位。

数字图像处理是一门交叉的学科，涉及光学、摄影技术、计算机技术、电子学、数学等等学科。 总结： 数字图像处理是一门交叉的学科，涉及光学、摄影技术、计算机技术、电子学、数学等等学科。 数字图像处理是一个将保持持续发展的学科： 计算机设备价格的不断下降，包括处理器和大容量存储器的价格越来越便宜； 图像数字化和图像显示设备越来越普及； 不断涌现的新的应用领域，它吸引了越来越多的人们的关注。 低成本的硬件和重要领域的应用，数字图像处理将发挥更为重要的作用。

1.2 图像处理的目的、任务与特点 1.2.1 图像处理的目的 一般地，图像处理中需要完成以下一个或几个任务： （1）提高图像的视觉质量以提供人眼主观满意或较满意的效果。 （2）提取图像中目标的某些特征，以便于计算机分析或机器人识别。这些处理也可以划归于“图像分析”的范畴。 （3）为了存储和传输庞大的图像和视频信息，常常对这类数据进行有效的压缩。常用的方法有统计编码、预测编码和正交变换等方法。

（5）信息安全的需要。主要反映在数字图像水印和图像信息隐藏。这是新世纪图像工程出现的新热点之一。 （4）信息的可视化。许多信息（如温度场、流速场、生物组织内部等）并非可视，但转化为视觉形式后可以充分利用人们对可视模式快速识别的自然能力，更便于人们观察、分析、研究、理解大规模数据和许多复杂现象。 （5）信息安全的需要。主要反映在数字图像水印和图像信息隐藏。这是新世纪图像工程出现的新热点之一。

1.2.2 图像处理的任务 图像处理的任务是将客观世界的信息进行获取并转化为数字图像，进行增强、恢复、编码和压缩等处理，它将一幅图像转化为另一幅具有新的意义的图像。 有时称静止的图像为图片（picture）、活动的图像为视频（video）。

我们可将图像处理的主要任务分成以下几类： 图像获取与数字化 图像增强（如边缘、轮廓、对比度等进行强调） 图像恢复（图像质量退化：如畸变、细节损失、散焦模糊、运动模糊、噪声干扰、设备失真，几何失真等引起） 图像重建 （如三维图像重建） 图像变换 （如从空间域变换到频率域） 图像编码与压缩 （如VCD/DVD） 图像分割（进一步进行图像分析和理解的基础）

数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果； 1.2.3 数字图像处理的特点 具有数字信号处理技术共有的特点； 处理精度高（与采样精度有关）； 重现性能好（图像质量与取样样本和量化精度有关）； 灵活性好（程序可以实现各种信息处理方法）。 数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果；

数字图像处理技术适用面宽（可见图像、波谱图像、超声波图像、红外图像）； 数字图像处理技术综合性强（涉及的知识领域十分广泛）； 数字图像处理与模拟方式处理图像相比的缺点： 数据量大（VGA：视频图像阵列，PCM：脉码调制）； 信号占用的频带宽； 处理费时。

1.3 基本的图像处理系统

1.3.1 图像处理硬件 图像输入设备，主要有电视摄像机、扫描仪、数码照相机、遥感图像获取设备等，完成图像的获取以及将模拟图像转化成数字图像的过程。 图像存储器，主要有大容量的硬盘、磁带等磁存储设备、CD-ROM、CD-RW等光学存储设备以及网络存储系统等。 主机，即用于图像处理的计算机。目前的个人机已经满足一般图像处理的要求。专业应用可以选用图形工作站完成图像处理工作。 显示器及图像输出设备，是沟通界面，通过显示器随时观察图像处理的中间结果和最终结果。

功能卡： 图像采集卡，实现模拟信号到数字信号的转换。包括摄像头A/D接口、帧存储器、监视器D/A接口、PC总线接口单元。 显示卡，提供临时保存图像供显示器显示的板卡。VGA，640×480，16色；SVGA，800×600，1024×768，256色或24位真彩色。 高速图像处理卡，由高速DSP代替计算机的CPU进行图像处理。保证对采集图像进行实时处理以及对其处理结果实时监控。

图像处理软件 图像设备驱动程序，指各种输入、输出设备，以及功能卡等硬件的驱动程序。 操作系统，常见的操作系统有： IBM PC及其兼容机一般使用Microsoft Windows 操作系统； Apple Macintosh（麦金塔）机一般采用Mac OS X 操作系统； 图形工作站典型使用UNIX或X Windows操作系统。

图像处理开发工具： Visual C++由Microsoft公司开发，运行速度快，可移植能力强。 MATLAB的图像处理工具箱由Mathworks公司开发，有强大的矩阵运算能力，丰富的图像处理函数。但执行速度慢，对图形界面的处理不及C++。 API支持MATLAB与外部数据和程序的交互。编译器可产生独立于MATLAB环境的程序，从而使其他语言的应用程序使用MATLAB。

图像应用软件： Photoshop，美国Adobe公司推出的图像设计和制作工具。目前Photoshop已成为出版界中图像处理的标准。 CorelDraw，加拿大Corel公司的推出图形、图像的设计软件包。可用于制作名片、贺卡、图书封面、广告、宣传画等。 ACDSee，快速、高性能的看图程序，是目前最享盛名的图片浏览器。可进行获取、管理、浏览和优化。

1.4 数字图像处理的应用与发展趋势 1.4.1 数字图像处理的应用 1．航天和航空技术方面的应用 2．生物医学工程方面的应用 3．通信工程方面的应用 4．工业自动化和机器人视觉方面的应用 5．军事和公安方面的应用 6．生活和娱乐方面的应用

1.4.2 数字图像处理的发展趋势 （1）上世纪末到本世纪初在图像处理技术领域出现了一些新热点：在图像的安全技术方面侧重研究图像数字水印和图像信息隐藏。 （2）“传统的”图像分割和图像压缩编码等领域仍有研究的价值。 （3）加强对人的视觉特性、心理学特性等的进一步研究，作为边缘学科，图像处理技术更应该注意借鉴其他学科的理论、技术和方法，完善图像处理的理论和技术体系。

（4）在硬件技术方面，要在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。 （5）图像处理技术在图像通信的研究和应用具有广阔的市场前景。 （6）智能图像信息处理新理论与新技术的研究。 （7）图像处理领域的标准化的研究。

1.5 实验：计算图像的基本统计指标

实验目的 熟悉MATLAB图像处理工具箱的使用方法； 了解计算图像的统计指标的方法及其在图像处理中的意义。

实验主要的仪器设备 微机 MATLAB软件，并且安装了图像处理工具箱（Image Processing Toolbox） 典型的灰度、彩色图像文件

实验原理 可以将一幅图像看成是一个二维矩阵，因此用MATLAB处理图像十分方便。 利用MATLAB图像处理工具箱中的读、写和显示图像文件。 imread，读 Imwrite，写 Imshow，显示

计算图像的有关统计参数 图像的大小 图像的灰度平均值 协方差矩阵 图像的灰度标准差 图像的相关系数

实验内容1 利用MATLAB图像工具箱读、写和显示图像文件。 计算图像的有关统计参数。

实验步骤 利用“读图像文件I/O”函数读入图像。 利用“读图像文件I/O”的iminfo函数了解图像的基本信息。利用“像素和统计处理”函数计算读入图像的二维相关系数，确定像素颜色值、像素的平均值、显示像素的信息、计算像素的标准偏移等。 利用几何操作剪切图像、改变图像大小。旋转图像。 将经上述不同操作后的图像用“读图像文件I/O”函数分别写入到各自的图像文件中。

>> p1 p1 = 63 35 64 >> m1 m1 = 91.7928

实验内容2（要求不相同）

1，获得该图片的大小，并给出该图像的矩阵形式； 2，将该图片重新设置大小为200×200的图片； 3，将改变大小后的图片写入新文件； 4，将该图片分别旋转90，180，270，360度，后，计算它们与原图的相关系数。

实验报告要求（10分） 根据实验步骤，写出实验程序，并记录实验结果，实验结果包括图像的显示和统计数据的记录。 实验小结，回答思考题： 图像的统计特征对图像处理的意义。（选作） 比较不同图像的统计特征差别，分析原因。（选作） 为什么要把图片的大小设为200×200之后才能计算图像间的相关性？（计算图像间相关性的条件）（必做） 写出图像信息（imfinfo函数）包含的内容及其含义。（必做）

思考与习题 （1～3）选作一题。 连续图像和数字图像如何相互转换？ 常见的数字图像处理开发工具有哪些？各有什么特点？ 常见的数字图像应用软件有哪些？各有什么特点？ 讨论数字图像处理的主要应用。进一步查找资料，写一篇关于你感兴趣的应用方面的短文。（必做）