数字图像处理 刘伯强 山东大学生物医学工程
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课程介绍 教材 图像工程（上册）：图像处理（第3版） 参考书 《数字图像处理》，冈萨雷斯 《Digital Image Processing》，Rafael C. Gonzalez
课程介绍 课程内容 图像处理概述 —— 第1章 图像增强 —— 第2、3、4章 图像恢复 —— 第5、6、7章 图像处理概述 —— 第1章 图像增强 —— 第2、3、4章 图像恢复 —— 第5、6、7章 图像编码 —— 第8、9、10章 彩色图像处理 —— 第12章
课程介绍 授课进度 学时：27（9周） 教学章节：11章 每章3-4学时
课程介绍 课程目的与要求 掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法 初步运用所学知识解决实际应用问题 为图像处理及相关领域的学习和研究打下基础
课程介绍 先修 线性代数 矩阵 概率、统计 计算机编程
数字图像处理 利用计算机系统对数字图像利用各种手段进行各种目的的处理
百闻不如一见 One picture is worth more than ten thousand words. ——Anonymous
第1章 绪论 图像处理的基本概念 图像处理的目的和内容 图像处理的发展历史 图像处理的应用 图像处理的发展趋势 图像处理系统
图像处理的基本概念 1、图像 2、数字图像 3、图像的表示 4、图像的分类 5、图像的显示 6、图像采样和量化 7、图像处理
图像处理的基本概念——图像 1、图像 “图”是物体投射或反射光的分布 “像” 是人的视觉系统对图的接受在大脑中 形成的印象或反映。 是客观和主观的结合。
图像处理的基本概念——图像 模拟图像 VS. 数字图像 图像空间坐标 连续 离散 图像幅度 连续 离散 （明暗程度）
图像处理的基本概念——图像 模拟图像
图像处理的基本概念——图像 数字图像
图像处理的基本概念——数字图像 2、数字图像 空间离散，幅度离散，对实际图像的近似 由有限个小区域组成的二维排列，这些小区域称为像素(pixel)，是数字图像中的基本单元
图像处理的基本概念——图像的表示 3、图像的表示 图像可以用数组或矩阵表示 2-D数组 f (x, y) x ， y：2-D空间XY中坐标点的位置 f：代表图像在(x, y)的性质的数值 灰度图像中表示灰度值，对应客观景物亮度 f，x，y 都在整数集合中取值 对于256个灰度级的图像，f 取值0—255的整数
图像处理的基本概念——图像的表示 3、图像的表示 矩阵
图像处理的基本概念——图像的表示 3、图像的表示 矩阵
图像处理的基本概念——图像的表示 数组 VS. 矩阵表示 数组内元素可以是符号 矩阵内元素只能是数字 对于图像，无本质区别，只是计算时，乘法、乘方等运算规则不同
图像处理的基本概念——图像的分类 4、图像的分类 （1）黑白图像（二值图像） 每个像素只能是黑或白 像素值为0、1
图像处理的基本概念——图像的分类
图像处理的基本概念——图像的分类 4、图像的分类 （2）灰度图像 像素信息由量化的灰度级描述 灰度取值范围：0—255 0表示纯黑 灰度取值范围：0—255 0表示纯黑 255表示纯白 中间为黑白之间的过渡色
图像处理的基本概念——图像的分类
图像处理的基本概念——图像的分类
图像处理的基本概念——图像的分类 4、图像的分类 （3）彩色图像 每个像素信息由RGB三原色构成 RGB由不同的灰度级来描述
图像处理的基本概念——图像的分类
图像处理的基本概念——图像的分类
Color images have 3 values per pixel; monochrome images have 1 value per pixel. 红，绿，蓝三分量 强度分量 彩色图像和单色图像
图像处理的基本概念——图像的显示 5、图像的显示 灰度图像的显示 图像计算中采用 屏幕显示中采用
图像处理的基本概念——图像的显示 5、图像的显示 二值图像的表示 (a)平面上的离散点集（二值图） (b)像素区域（也可灰度图） (c)类似矩阵的结果（也可灰度图）
图像处理的基本概念——图像采样和量化 6、图像采样和量化 大多数传感器的输出是连续电压波形 为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形式 这包括两种处理：采样和量化
Sampling 图像的采样 采样示意图
图像处理的基本概念——图像采样和量化 图像采样 图像空间坐标的离散化 确定水平和垂直方向上的像素个数M和N
Sampling 在采样时，若横向的像素数（列数）为M ，纵向的像素数（行数）为N，则图像总像素数为M*N个像素。 一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应； 采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。
图像处理的基本概念——图像采样和量化 图像量化 图像幅值（灰度值）的离散化 量化确定了图像的幅度分辨率，即灰度级
图像处理的基本概念——图像采样和量化 数字图像 图像（水平）尺寸 M：一般 ，可取任意整数 图像（垂直）尺寸 N：一般 ，可取任意整数 像素灰度级数 G (k-bit)： 图像所需的位数(比特,bit)：
图像处理的基本概念——图像采样和量化 数字图像 存储1幅3232，16个灰度级的图，需4,096 bit 像素数量 每个像素所占存储空间 存储1幅3232，16个灰度级的图，需4,096 bit M = N = 32，k = 4 16个灰度级：0000,0001,0010,0011,……，1111 （4bit） 0, 1, 2, 3,……，15 存储1幅128128，64个灰度级的图，需98,304 bit 存储1幅512512，256个灰度级的图，需 2,097,152 bit
图像处理的基本概念——图像采样和量化 图像空间分辨率变化所产生的效果 空间分辨率从256*256逐次减半到16*16，马赛克效果
图像的量化 量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大； 量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小.
幅度分辨率从256级灰度逐次减小到64、16、8、4、2，虚假轮廓 图像处理的基本概念——图像采样和量化 图像幅度分辨率变化所产生的效果 幅度分辨率从256级灰度逐次减小到64、16、8、4、2，虚假轮廓
图像处理的基本概念——图像处理 7、图像处理 利用计算机系统对数字图像利用各种手段进行各种目的的处理（内容见后）
第1章 绪论 图像处理的基本概念 图像处理的目的和内容 图像处理的发展历史 图像处理的应用 图像处理的发展趋势 图像处理系统
图像处理的目的和内容 图像处理目的 （1）提高图像的视觉质量，已达到赏心悦目的目的 （2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于分析 （3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输
数字图像处理的主要研究内容 （Research contents in Digital Image Processing） 图像增强（Enhancement） 图像压缩(Compression) 图像复原 (Restoration) 图像分割 (Segmentation ) 图像分类 (classification ) 图像重建 (Reconstruction )
第1章 绪论 图像处理的基本概念 图像处理的目的和内容 图像处理的发展历史 图像处理的应用 图像处理的发展趋势 图像处理系统
图像处理的发展历史 1895年伦琴发现X射线 获得1901年首届诺贝尔物理学奖
图像处理的发展历史 上世纪70年代，数字图像处理开始应用于医学领域 一些创造性的发明和发现引领了图像处理在医学领域的应用 1975年Godfrey N. Hounsfield和Allan M. Cormack发明了计算机断层技术（CT）
图像处理的发展历史 上世纪80年代至今，图像处理迅猛发展 广泛应用于太空探索、生物医学工程、遥感、工 业、军事等领域
第1章 绪论 图像处理的基本概念 图像处理的目的和内容 图像处理的发展历史 图像处理的应用 图像处理的发展趋势 图像处理系统
数字图像处理的应用 (Applications and Development of Digital Image Processing 航天和航空技术方面的应用 图像的修复 （1990年发射的“哈勃”号太空望远镜拍摄超远距离的物体，借助于图像处理技术进行修复。）
遥感图像监测 (森林火灾监护)
夜间灯光数据图像(提供人类居住区的情况)
图像处理的应用 生物医学工程 图像分割
图像处理的应用 生物医学工程 图像配准融合：ＭＲ和ＣＴ
生物医学工程方面的应用 图 1.6 SARS 冠状病毒图像
图 1.7 医学超声成像
CT图像处理
红外体温检测图像
图像处理的应用 天文 图像增强
图像处理的应用 遥感 GPS、灾害检测、环境污染检测
图像处理的应用 气象
图像处理的应用 工业检测
图像处理的应用 刑侦
图像处理的应用 人机接口 面部识别：相机 手势识别：手语
视频通话
基于卫星网的视频会议
工业和工程方面的应用 机器代替人进行操作
（a）网裂 (b) 龟裂 路面破损图像识别
军事公安方面的应用 交通监控
人眼虹膜识别系统
生物特征识别
军事目标跟踪
第1章 绪论 图像处理的基本概念 图像处理的目的和内容 图像处理的发展历史 图像处理的应用 图像处理的发展趋势 图像处理系统
图像处理技术未来发展 图像处理技术未来发展大致可归纳如下四点 ： 图像处理的发展将向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。 图像、图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展。 结合多媒体技术，硬件芯片越来越多，把图像处理的众多功能固化在芯片上将会有更加广阔的应用领域。 在图像处理领域近年来引入了一些新的理论并提出了一些新的算法。
第1章 绪论 图像处理的基本概念 图像处理的目的和内容 图像处理的发展历史 图像处理的应用 图像处理的发展趋势 图像处理系统
图像处理系统 扫描仪、数码相机、 摄象机与图像 采集卡等 PC、工作站等 打印机、绘图仪等
图像处理系统
图 像 数 字 化 预 处 理 分 割 特 征 提 取 自 动 识 别 显示 打印 结果 人 机 交 互 处 理 图像处理系统的工作图
图像处理系统——图像采集 图像采集装置 为采集数字图像，需要两种装置（器件）： (1) 对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫 外线、可见光、红外线等）敏感的物 理器件，它能产生与所接受到的电磁 能量成正比的（模拟）电信号； (2) 数字化器，它能将上述（模拟）电信 号转化为数字（离散）的形式。
图像处理系统——图像显示打印 图像显示 显示设备 图像处理的结果多是供观察的 图像数据 亮度模式显示 电视显示器，液晶显示器 阴极射线管（CRT) 打印设备 转换到幻灯片、照片或透明胶片上
图像处理系统——图像显示打印 半调（halptone）输出 多数打印设备仅能直接显示输出二值图 半调技术：利用人眼的集成特性，通过控制二值点模式的形式（包括数量，尺寸，形状等）来获得视觉上不同的灰度感觉 一种将灰度图像转化为二值图像的技术 输出二值图像，看到灰度图像
图像处理系统——图像显示打印 幅度调制（AM） 通过调整输出黑点的尺寸来显示不同的灰度 例如，早期报纸上的图片 在每个空间位置打印一个其尺寸反比于该处灰度的黑圆点 二值点是规则的排成网格的点 点的形状并不是决定性的因素
图像处理系统——图像显示打印 频率调制（FM） 输出黑点的尺寸是固定的 其在空间的分布（点间的间隔或一定区域内点出现的频率）取决于所需表示的灰度 缺点：点增益（打印单元尺寸相对于原始单元尺寸的增加量）增加导致打印图灰度范围的减少或压缩
图像处理系统——图像显示打印 调制模板 每个输出单元内包含若干个基本二值点 每个模板对应一个输出单元 2 2 5 种灰度
图像处理系统——图像显示打印 调制模板 3 3 10 种灰度
图像处理系统——图像显示打印 抖动（dithering）输出技术 利用随机变化 半调技术 牺牲图像的空间点数而增加图像的灰度级数 半调技术 要保持细节，灰度级数就有限 半调技术 牺牲图像的空间点数而增加图像的灰度级数 要保持细节，灰度级数就有限
图像处理系统——图像存储 图像存储 数据量度单位 比特（bit），字节（byte = 8 bit）
图像处理系统——图像存储 图像存储器 (1) 处理过程中使用的快速存储器 计算机内存，帧缓存 (2) 较快重新调用的在线或联机存储器 磁盘，磁光盘 (3) 不经常使用的数据库（档案库）存储器 磁带，光盘，光盘塔
图像处理系统——图像存储 格式（表示格式和文件格式） (1) 矢量格式 用线段或线段的组合体来表示图像 (2) 光栅格式 用许多图像点的集合来表示图像 BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG 格式
图象存储格式 BMP格式（BitMaP）：位图 ① 位图文件头（也称表头 ② 位图信息（常称调色板） 1:单色，4:16色，8:256色，24:真彩色 ③ 位图阵列（即图象数据） R:8bit， G:8bit， B:8bit
图象存储格式 GIF格式（Graphics Interchange Format） 8位文件格式 最多只能存储256色图象 图象数据均为压缩过的（LZW算法） 一个GIF文件中可以存放多幅图象 以实现网页上的动画
图象存储格式 TIF格式（Tagged Image Format File） 独立于操作系统和文件系统 文件可分4类： 二值图象 灰度图象 调色板彩色图象 全彩色图象
图象存储格式 JPEG格式（Joint Photographic Expert Group） 适用于静止的灰度或彩色图象
图像处理的基本操作 Matlab读图 srcImage=imread（ ‘picture.bmp’）； figure(1) imshow(srcImage);
图像处理系统——图像处理 图像处理 对图像的增强以改善图像视觉质量 对退化图像的恢复以消除各种干扰的影响 根据对场景的多个投影来重建场景的图像 对图像进行编码以减少表达图像的数据量，从而有利于存储和传输 给图像加入数字水印以保护图像的所有权
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