数字图像处理 主讲人：吴艳

课程介绍 1. 课程定位和性质 2. 教学目标 3. 内容设计 4. 重点难点把握 5.教材分析 6. 考核方式

1、课程定位、性质与教学目标 教学 定位 目标 课程 性质 计算机科学与技术专业课 培养学生分析和解决有关问题的能力及运用基础理论分析和解决工程实际问题的能力，理解和掌握图形应用编程方面的相关知识。 《数字图像处理》是研究数字图像处理的基本理论、方法及其在智能化检测中应用的学科，本课程侧重于机器视觉中的预处理技术——数字图像基本处理，并对图像分析的基本理论和实际应用进行系统介绍。目的是使学生系统掌握数字图像处理的基本概念、基本原理和实现方法和实用技术，了解数字图像处理基本应用和当前国内外的发展方向。要求学生通过该课程学习，具备解决智能化检测与控制中应用问题的初步能力，为在计算机视觉、模式识别等领域从事研究与开发打下扎实的理论基础。 培养学生对数字图像处理的分析能力，能熟练用C++编程，实现对图像的处理。

1、课程定位、性质与教学目标

1、课程定位、性质与教学目标 授课对象 计算机科学与技术专业大三本科生 授课时间为一学期 前修课程 《C++程序设计》 《复变函数》 《图形学基础》 后续课程 《多媒体技术》

教 学目标 知识目标 能力目标 素质目标 2、教学目标 知识目标 掌握数字图像处理中最基 本、最广泛应用的概念、 原理、理论和算法以及基 本技术和方法。 教 学目标 知识目标 能力目标 素质目标

2、教学目标 能力目标 培养严谨的编程思想。 较强的动手能力。 了解行业内最新的科学方法 教 学目标 知识目标 能力目标 素质目标

素质目标 教 学目标 知识目标 能力目标 素质目标 2、教学目标 拥有逻辑思维能力。 具备自主学习能力。 教 学目标 知识目标 能力目标 素质目标 素质目标 拥有逻辑思维能力。 具备自主学习能力。 运用基础理论分析和解决工程实际问题的能力。

3、内容设计 课程学时设计：两模块 理论教学（课程代码146010074 ）：44学时 实验教学（课程代码146010074 ）：20学时

3、内容设计 章节 学时 第一章 绪论 4学时 第二章 图像、图像处理系统与视觉系统 8学时 第三章 图像处理中的正交变换 6学时 第四章 图像增强 第五章 图像编码 第六章 图像复原 第七章 图像重建 第八章图像分析 第九章 数学形态学原理 1学时 第十章 模式识别的理论和方法

3、内容设计 序 号 实验项目名称 学时 开出要求 实验项目类型 必做 选作 验证 综合 设计 创新 1 数字图像获取和格式转换 4 √ 2   2 图像亮（灰）度变换与空间滤波 3 频域处理 图像复原 5 彩色图像处理 6 图像压缩 7 图像分割

重 点 4、重点与难点 数字图像处理相关概念 亮度和颜色感觉的视觉特征 傅里叶变换 平滑化处理 PCM编码 中值滤波 傅立叶变换重建 重 点 数字图像处理相关概念 亮度和颜色感觉的视觉特征 傅里叶变换 平滑化处理 PCM编码 中值滤波 傅立叶变换重建 图像分割算法

难点 4、重点与难点 傅里叶变换 平滑处理 傅里叶方法重建 图形分割 1.RGB颜色模型及CIE色度图的概念，以及CRT显示器的工作原理。 2.中点画线法，Bresenham画线法、多边形的扫描转换和区域填充算法。 3.Cohen-Sutherland算法、Sutherland-Hodgman算法和Weiler-Atherton裁减算法。 4.图形变换的相关概念。 5.三次B样条曲线、Bezier曲线。

5、教材分析 教材: 《数字图像处理基础》 阮秋琦 清华大学出版社.2010 参考书目： 1.《数字图像处理》冈萨雷斯 电子工业出版社

5、教材分析 参考书目： 2. 《数字图像处理》姚敏等 机械工业出版社

6、教学方法与手段 讲授法：常用的数字图像处理算法 演示法：难度略高的项目 案例教学法：mooc上的部分热身项目 注重理论与实践的结合，注重学生综合应用能力的培养，是学生对图形生成的基本概念、原理和方法有完整、清楚的理解，并能准确、熟练地运用，发挥多媒体教学资源的优势，强调各媒体之间的优化组合。课堂传授采用讲授法、演示法、案例教学法等方法，引导学生由浅入深、循序渐进的学习和掌握课程内容，增强学生的自觉性和主动性，调动学生的学习热情。以学生自主学习为中心，注重教师在教学过程中发挥引导作用。注重构建适合师生、学生之间交互、讨论的教学环境。

6、考核方式 本课程采用过程性考核方式进行，考核成绩的构成如下所示： 考核成绩=小测验（20%）+作业（30%）+项目（50%） 其中： 1.小测验在mooc上完成，成绩由系统自动评定； 2.作业以手写文档形式提交，由教师按得分点评定。 3.项目则以个人答辩形式，由教师按《实验评分标准》评定。

第1章 绪论 1．1 序言 1．2 图像处理技术的分类 1．3 数字图像处理的特点 1．4 数字图像处理的主要方法及主要内容 1．5 数字图像处理的硬件设备 1．6 数字图像处理的应用

1.1 序言-基本概念（补） 图像（image）：“以某一技术手段 被再现于二维平面上的视觉信息”。 ——阮秋琦 图像，韦氏字典“an imitation or representation of a person or thing,draw,painted,photographed”即图像是人或事物的一个模仿或表示。 朱志刚——图像，在一般的意义下，一副图像是另一东西的一个表示。

1.1 序言-基本概念（补） 图片（picture）：图像的一种类型、 强调现实世界中的可见物体。 图形（graphics）：强调应用一定的 数学模型来生成图形。 按颜色和灰度的多少进行分类： 二值图像：图像构成的每一像素点，仅有0，1两种取值。0为黑色，1为白色。 灰度图像：每个像素只有一个采样颜色的图像。（颜色是相同的，只是灰度级别不同而已，类似于绿、浅绿、深绿、墨绿） 索引图像：索引图像是一种把像素值直接作为RGB调色板下标的图像。索引图像可把像素值“直接映射”为调色板数值。（图像显示时，每一像素的颜色由存放在矩阵中的该像素的灰度值作为索引，通过检索颜色索引矩阵COLORMAP得到。）--用于表示色彩构成比较简单的windows壁纸 。 RGB彩色图像：每个像素的的颜色值都由RGB三原色来表示，直接存放在矩阵中。

分类： 二值图像：图像构成的每一像素点，仅有0，1两种取值。

分类： 灰度图像：每个像素只有一个采样颜色的图像。

分类： 索引图像：一种把像素值直接作RGB调色板下标的图像。 RGB彩色图像：每个像素的的颜色值都由RGB三原色来表示。

一、数字图像处理的起源 早在1793年法国人Nicéphore Niépce及其哥哥Claude已经开始着手研究如何“拍摄”。直至1824年间，他们以不同的感光物质进行了一连串身的实验。上图是他在1826/1827年拍下，最为有名的鸽子屋。为了拍下这张他称为“日光图”（Heliograph）的照片，他用了超过8小时的曝光时间。虽然这技术还没有成熟到被使用在任何实际用途上，但总算出现了第一张“照片”。 第一张照片（1826年）

一、数字图像处理的起源 史上第一幅航拍照片（1860年）

一、数字图像处理的起源 最早应用于报纸业 1921年经编码后用电报打印机打印的图像 1921年采用这种方法传送并利用电报打印机通过字符模拟中间色调还原出来的图像。 1921年经编码后用电报打印机打印的图像

1922年两次通过大西洋后打印的数字图像 一、数字图像处理的起源 用于得到图1.1.3的打印方法到1921年底即被淘汰，转而支持一种基于光学还原的技术，该技术在电报接收端用穿孔纸带打出图片。 图1.1.4是1922年在信号两次穿越大西洋后，从穿孔纸带得到的数字图像，它在色调质量和分辨率方面的改进都很明显。 1922年两次通过大西洋后打印的数字图像

1929年通过海底电缆传输照片 一、数字图像处理的起源 最早应用与报纸业。巴特兰电缆图片传输系统，第一次从伦敦传到纽约。先编码，电缆传输后，再在另一端用特殊的打印机重现。为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照1929年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压缩后传输时间减少到3个小时。 早期的巴特兰（Bartlane）系统可以用5个灰度等级对图像编码，到1929年已增加到15个等级。 图1.1.5就是1929年从伦敦到纽约用15级色调设备通过海底电缆传送的Generals Pershing和Foch的未经修饰的照片。 美国的潘兴将军和法国的费迪南将军的合影 1929年通过海底电缆传输照片

一、数字图像处理的起源 应用于空间技术 第一幅月球图像（1964年） 空间应用 徘徊者7号在1964年7月31日上午（东部白天时间）9点09分在光线影响月球表面前约17分钟时摄取的第一张月球图像。   第一幅月球图像（1964年）

一、数字图像处理的起源 世界上第一幅月球全图（2008/11/12）

一、数字图像处理的起源 应用于医学领域 1895年第一张x片 威尔霍姆·康瑞德·伦琴 （1845～1923年） 在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至1895年X射线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（1845～1923年），在他从事阴极射线的研究时，发现了X射线。他偶然发现X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，他为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意义的图像。后来在医学领域发挥了巨大作用，同时也促进了图像技术的发展。 X射线在1895年由威尔霍姆·康瑞德·伦琴发现的，由于他的发现，他获得了1901年诺贝尔物理学奖。这两项发明相差近100年。今天，他们引领着图像处理某些最活跃的应用领域。 威尔霍姆·康瑞德·伦琴 （1845～1923年） 1895年第一张x片

一、数字图像处理的起源 数字图像处理技术在20世纪60年代末和70年代初开始用于医学图像断层技术是Godfrey N. Hounsfiela和Allan M.Cormack教授分别发明的，他们共同获得1979年诺贝尔医学奖。 计算机断层，一个检测器环绕着一个物体，一个x射线源，带有检测器的同心圆围绕着物体旋转，x射线通过物体，并由位于环上对面相应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体的“切片”图像。这些切片组成了物体内部的特定图像。 断层技术

二、图像处理科学对人类具有重要意义 图像是人们从客观世界获取信息的重要来源 图像信息处理是人类视觉延续的重要手段 图像处理技术对国计民生有重要意义

三、图像处理技术的分类 模拟图像处理 (Analog image processing) 模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理。 优点：速度快，可同时并行处理。 缺点：精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。 模拟图像处理(Analog image processing)； 模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，25帧/秒。优点： 模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。 缺点： 模拟图像处理的缺点是精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。

三、图像处理技术的分类 数字图像处理(Digital Image processing)： 用计算机处理，也称之谓计算机图像处理（Computer Image processing）。 优点：处理精度高，内容丰富，有灵活的变通能力。 缺点：受限于处理速度；受限于分辨率及精度。 处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像需要具有100Mips的处理能力； Million Instructions Per Second的缩写，每秒处理的百万级的机器语言指令数。这是衡量CPU速度的一个指标。像是一个Intel 80386 电脑可以每秒处理3百万到5百万机器语言指令，既我们可以说80386是3到5MIPS的CPU。MIPS只是衡量CPU性能的指标。

四、 数字图像处理的特点 （1）图像信息量大、数据量也大 （2） 图像处理技术综合性强 （3）图像信息理论与通信理论密切相 关

（1）图像信息量大、数据量也大 256×256像素的图像：256×256×8=64Kbytes 1024×1024像素的图像：1024×1024×8=1Mbytes 2048×2048像素的图像：2048×2048×8=4Mbytes 8（bit）—像素灰度级的表示位数 高精度12-16

（2） 图像处理技术综合性强 ①涉及的基础知识和专业技术相当广泛。 ②与通信技术休戚相关。 ③信息获取和显示技术主要源于电视技术。 ④计算机已是图像处理的常规工具。 ⑤其发展涉及越来越多的基础理论知识。

（3）图像信息理论与通信理论密切相关 图像信息论属于信息论科学中的一个分支。 1948年，Shannon发表的“A mathematical Theory of Communication”（通信中的数学理论）一文，奠定了信息论的基础。 图像理论是把通信中的一维时间问题推广到二维空间上来研究的。

知识点总结 图像、数字图像的概念 图像的分类 图像处理的特点