数字图像处理 Digital Image Processing

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1 数字图像处理 Digital Image Processing
-- Introduction 黄艳 副教授 山东大学计算机学院 Courtesy of DIP Teaching Group

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联系方式 邮件 Courtesy of DIP Teaching Group

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参考书 数字图像处理 【作者】(美)Rafael C. Gonzalez;Richard E. Woods 【出 版 社】 电子工业出版社      【ISBN】 【出版日期】 2010 年1月 Courtesy of DIP Teaching Group

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参考资料 Journals: IEEE Transactions on Medical Imaging Medical Physics Physics in Medicine and Biology IEEE Transactions on Communications IEEE Transactions on Computers IEEE Transactions on Information Theory IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (PAMI) IEEE Transactions on Image Processing (IP) IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology (CSVT) IEEE Transactions on System, Man and Cybernetics IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing Pattern Recognition （PR） International Journal of Computer Vision(IJCV) Image and Vision Computing (IVC) Computer Vision, Graphics, and Image Processing Courtesy of DIP Teaching Group

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参考资料 Conferences IEEE International Conference on Image Processing (ICIP) IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV) IEEE International Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR) ACM Multimedia Conference (MM) IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME) International Conference on Pattern Recognition (ICPR) International Conference on Image and Video Retrieval (CIVR) …ECCV，ACCV Graphics Conferences (Siggraph，Eurographics, Pacific,…) Courtesy of DIP Teaching Group

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工具 Photoshop Matlab Matrix Laboratory OpenCV C/C++ Courtesy of DIP Teaching Group

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图像处理如何考试？ 笔试：70% 期末考试 实验：30% 时间： 7-14周，周四晚5:30-7:30 地点: 实验楼三楼软件技术实验室 演示实验结果，提交实验报告 作弊零分 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 历史的回顾 问题：如何再现或表达可见的事物? 绘画艺术 雕塑 …… 特点：二维平面上 A picture is worth more than ten thousand words Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 历史的回顾 照相机的发明：纪实性 Courtesy of DIP Teaching Group

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什么是图像？ 【画】莫奈 《睡莲》 Courtesy of DIP Teaching Group

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什么是图像？ 图像 二维函数, f(x, y) x与 y 为空间坐标 振幅f 称为强度intensity 或 灰度gray level 强度f(x, y)为有限值 f(x, y) f(x, y) y y x x lena Courtesy of DIP Teaching Group

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什么是数字图像？ 数字图像 x, y, f(x, y)是有限离散的值 由有限个元素组成 这些元素一般称为像素 picture elements image elements pels pixels - most widely used pixel Courtesy of DIP Teaching Group

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什么是数字图像处理？ 数字图像处理 在计算机上处理数字图像 Processing of digital images on a digital computer 不限于光谱的可见波段 Not just limited to the visual band of the electromagnetic (EM) spectrum 电磁光谱 Entire EM spectrum 超声波 Ultrasound 电子显微镜 Electron microscope 图形 Computer generated images Source: Courtesy of DIP Teaching Group

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图像的本质 图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体 广义：照片、绘图、动画、视频、甚至文档等 狭义：对自然场景成像得到的图像 图像是一种语言 客观世界能量或状态以可视化形式在二维平面上的投影 图像信息是人类信息获取和交流的主要方式 图像具有表达方法直观、表现力强的特点 Courtesy of DIP Teaching Group

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物体透射或反射光的能量分布 图 图 像 二维平面上或三维空间中 具有明暗或色彩变化的 光的分布 人的视觉系统对图的接收 在大脑中形成的印象或认识 像 Courtesy of DIP Teaching Group

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人类视觉 整体视觉过程 视网膜 接受 视网膜 神经处理 大脑皮层处理 1、存储参考图象 2、信息处理 3、特征提取 4、决策 5、描述 光刺激 左眼 响应 视觉通道 右眼 视网膜 接受 视网膜 神经处理 视 觉 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 --历史的回顾 数字图像的出现 蒸汽机：1765年英国人瓦特 火车：~1829年斯蒂芬逊 相机：~1839年 电报：~1844年 数字图像：1921年 跨太平洋的图像传输时间: 一周 --〉3小时 第一张数字图像 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 --历史的回顾 数字图像 五阶图像:1921 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 --历史的回顾 数字图像 五阶图像:1921 15阶图像:1929 研究色调（tone）的处理技术 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 --历史的回顾 计算机的出现：1960s 晶体管： 年 高级语言：1950s~1960~ 集成电路：1958年 操作系统：1960s 微处理器：1970s 微机: 年 超大规模集成：1980s 宇宙探索技术：月球探索 空间探索技术：遥感技术 医学图像处理：X-ray, CT, MRI 其它领域扩展…… Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 --历史的回顾 美国探月计划 1960s Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 --历史的回顾 二十世纪二十年代：图象远距离传输。 二十世纪五十年代：数字计算机发展到一定水平，数字图象处理引起巨大关注。 1964年：美国喷气推进实验室用计算机对“徘徊者七号”太空船发回的大批月球照片进行处理。数字图象处理应用从空间研究计划扩展到生物医学，工业生产，军事侦察等领域。 二十世纪六十年代末：数字图象处理较完整的理论体系已形成，成为一门新兴的学科。 二十世纪六十年代至八十年代：随着离散数学理论的创立和完善，数字图象处理理论和方法进一步完善，应用范围更加广泛。 二十世纪八十年代以来：数字图象处理向更高级的方向发展：实时性，智能化，普及化，网络化，低成本。 Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁波谱 Visible Spectrum 780 nm 380 nm Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Gamma Ray Courtesy of DIP Teaching Group

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正电子计算机断层扫描 PET Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Gamma Ray Cargo inspection using Gamma Rays Mobile Vehicle and Cargo Inspection System (VACIS®) Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Medical X-Rays Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Chandra X-Ray Telescope Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 From X-Ray images to 3D Models: CT Scans Courtesy of DIP Teaching Group

30 CT机- Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。
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电磁频谱 Flower in Ultraviolet紫外线 UV-A, 365nm wavelength Courtesy of DIP Teaching Group

32 电磁频谱 Ultraviolet 紫外线 An Ultraviolet Image of Messier 101
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电磁频谱 Visible Courtesy of DIP Teaching Group

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卫星图像 地面图像 Courtesy of DIP Teaching Group

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卫星图像 用于天气预报 Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 IR: Near, Medium, Far (~heat) 近红外线，波长为0.75～1.50μm之间; 中红外线，波长为1.50～6.0μm之间; 远红外线，波长为6.0～l000μm 之间 Visible (courtesy of Howard McCallon), near-infrared , and mid-infrared view of the Horsehead Nebula Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 IR: Near, Medium, Far (~heat) Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Microwave Imaging: Synthetic Aperture Radar (SAR)合成孔径雷达 Red: L-band (24cm) Green: C-band (6 cm) Blue:C/L Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Radar in Depth: Interferometric Synthetic Aperture Radar – IFSAR 干涉合成孔径雷达 Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Low Altitude IFSAR 干涉合成孔径雷达 IFSAR elevation, automatic, in minutes Elevation from aerial stereo, manually, several days Courtesy of DIP Teaching Group

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电磁频谱 Radio Waves (images of cosmos from radio telescopes) Courtesy of DIP Teaching Group

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核磁共振MRI Courtesy of DIP Teaching Group

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超声波 Ultrasound 广泛用于医学诊断 Courtesy of DIP Teaching Group

44 电子显微镜图像 Electron Microscope
资料来自网上 Courtesy of DIP Teaching Group

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工业检测用各种图像 Courtesy of DIP Teaching Group

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用于身份识别的图像技术 face hand Vascularity of hand iris fingerprint retina signature voice Courtesy of DIP Teaching Group

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合成图像 CG CG-photo Courtesy of DIP Teaching Group CG-photo CG

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应用领域： 通 信：图象传输，电视电话，HDTV等。 宇宙探测：星体图片处理。 遥 感：地形、地质、矿藏探查，森林、水利、海洋、农业等资源调查，自然灾害预测，环境污染的监测，气象云图。 生物医学：CT，NMR，PET，SPECT，DSA，X射线成象，B超，红外图象，显微图象。 工业生产： 产品质量检测，生产过程控制，CAD，CAM。 军 事： 军事目标侦察，制导系统，警戒系统，自动火器控制，反伪装等。 公共安全： 现场照片，指纹，手迹，印章，人像等处理和鉴别。 档 案： 过期的文字、图片档案的修复和处理。 机器人视觉 娱 乐： 电影特技，动画，广告，MTV等。 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理的两大应用领域 人类理解 human interpretation 图像增强 图像恢复 …… 机器视觉 machine perception 字符识别 指纹识别 卫星图像分析 Courtesy of DIP Teaching Group

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图像处理的目的 提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的 提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析 图像的存储和传输对图像数据进行变换、编码和压缩 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理的特点 精度高 再现性好 处理的多样性、通用性、灵活性强 图像信号在空间、频谱和时间上有相关性，表明图像数据中存在信息冗余 许多数字图像处理操作具有空间并行性 图像数据量庞大 处理费时 图像处理技术综合性强 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理的特点 数字图像处理而是指“图像的数字处理”，而不是指“处理数字图像” 由于数字图像是以离散为基础的，因此一味坚持连续的观点而忽略离散这个基本特性是危险的 由于离散所对应的物体用连续函数能更好地表示，将思路只局限于离散数学和逻辑运算是不明智的 Courtesy of DIP Teaching Group

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什么是数字图像处理？ Image processing to computer vision 高级High-Level Processing attributes making sense Object recognition Artifact Intelligence 中级Mid-Level Processing image attributes Segmentation Classification 低级Low-Level Processing image image Noise reduction, contrast enhance- ment, image sharping Courtesy of DIP Teaching Group

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Outputs of these processes generally are images Color Image processing Wavelets and multiresolution processing compressing Morphological processing segmentation Image restoration Knowledge base Representation& description Image enhancement Object recognition Image acquisition Outputs of these processes generally are image attributes Courtesy of DIP Teaching Group Problem domain

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图像处理的基本组成 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 -- 现状 图像处理技术向更高级的阶段发展 图像增强 图像压缩 图像复原 图像传输 图像检索 图像分析 图像理解 …… 图像处理技术成为其它学科的重要基础 模式识别 计算机视觉 计算机图形学 对图像处理有重要影响的新技术 网 络：广泛共享 摄像机：图像序列 Courtesy of DIP Teaching Group

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数字图像处理简介 -- 发展 智能化 图像分析 图像理解 网络化 实时性 普及化 低成本 Courtesy of DIP Teaching Group

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为什么要学图像处理？ 我们学习图像处理这门课有用吗？ 图像是多媒体技术中的重要组成 数码相机与摄像机的普及 图像技术正在平民化 计算机能力的迅速提高 网络发展带来新的需求 图像处理技术是其它学科的基础 计算机视觉 计算机图形学 模式识别 机器人学 人工智能 Courtesy of DIP Teaching Group

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为什么要学图像处理？ 图像处理技术学习的四个阶段 操作员：Photoshop 程序员：Matlab, C++ 高级工程师 研究人员 图像处理技术学习的侧面 学习图像处理的操作原理 学习普适的原则与通用的方法 技术发展的来龙去脉 高等科学技术的思维与方法训练 Courtesy of DIP Teaching Group

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如何学习图像处理？ 明白问题 弄懂基本原理 弄懂解决方法 了解编程技巧 Matlab 实践 练习题 读书报告 编程练习 高级 阅读经典原文 思考更多…… Courtesy of DIP Teaching Group

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如何学习图像处理？ 图像处理学习的主要内容 图像处理基础 空间域图像增强 频率域图像增强 图像恢复 彩色图像 图像形态学 基础知识 高等数学 线性代数 编程学习 Matlab C/C++ Courtesy of DIP Teaching Group