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冈萨雷斯数字图像处理中文版课件


数字图像处理

伦琴因发现X射线获得 首届诺贝尔物理学奖。

Hounsfield和Cormack因发明CT获得 1979年诺贝尔医学和生理学奖。

Bloch和Purcell因发现NMR现象获得 1952年诺贝尔物理学奖。

发明MRI中Fourier重建方法的Ernst

r />获得1991年诺贝尔化学奖。

Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法 获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。

第一章
一、研究背景:





地球数字化带来的任务,一方面要求处 理对象的数字化,一方面要求处理时的直 观性。因此给我们带来了许多的研究课题 和研究方向。

二、数字图像处理的概念
1. 什么是图像
“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。

?1 模拟图像

?

2 数字图像

?

数字图像是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。将 物理图象行列划分后,每个小块区域称为像素(pixel)。

–每个像素包括两个属性:位置和灰度。

?

对于单色即灰度图像而言,每个象素的亮度用一个数值来表示 通常数值范围在0到255之间,即可用一个字节来表示, 0表示黑、255表示白,而其它表示灰度级别。
物理图象及对应 的数字图象

灰度

196

43 像素 灰阶 0

物理图像

数字图像

采样列

像素



采样行 图片

行间隔



128

采样列间隔



255

?灰度级

灰度图像(128x128)及其对应的数值矩阵
(仅列出一部分(26x31))

125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,16 175,175,166,133, 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,

?

彩色图象可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。 –通常,三元组的每个数值也是在0到255之间,0表 示相应的基色在该象素中没有,而255则代表相应的 基色在该象素中取得最大值,这种情况下每个象素可 用三个字节来表示。
(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)

彩色图象(128x128)及其对应的数值矩阵(仅列出一部分(25x31))

?

2.什么是数字图像处理

数字图像处理 就是利用计算 机系统对数字 图像进行各种 目的的处理

三、数字图像的表示方法
空间上,图像抽样

对连续图像f(x,y)进行数字化

y

幅度上,灰度级量化 x方向,抽样M行 y方向,每行抽样N点

整个图像共抽样M×N个像素


一般取M=N=2n=64,128,256,

x

512,1024,2048

三、数字图像的表示方法
?

数字图像常用矩阵来表示:
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

f ( 0 ,0 ) f ( 0 ,1) ? f ( 0 , N ? 1) f (1,0 ) f (1,1) ? f (1, N ? 1) f ( x, y ) ? ? ? ? ? f ( N ? 1,0 ) f ( N ? 1,1) ? f ( N ? 1, N ? 1)

N?N

x=0,1,??? ,N-1 y=0,1, ??? ,N-1

f(i,j)=0~255,
(灰度级为256,设灰度量化为8bit)

数字图像处理的三个层次

?

从计算机处理的角度可以由高到低 将数字图像分为三个层次。这三个层 次覆盖了图像处理的所有应用领域

图像工程的示意图



高层

图 像理 解

符号



抽 象 程 度 语 义 中层 图 像分 析 目标

操 作 对 象

数 据 量



低层

图 像处 理

像素



数字图像处理的三个层次
?

1. 图像处理: 对图像进行各种加工,以改善图像的视 觉效果;强调图 像之间进行的变换; 图像处理是一个从图像到图像的过程。

?

2. 图像分析:对图像中感兴趣的目标 进行提取和分割,获得目标的客观信 息(特点或性质),建立对图像的描 述; ? 以观察者为中心研究客观世界; ? 图像分析是一个从图像到数据的过 程。

?

3. 图像理解:研究图像中各目标的性 质和它们之间的相互联系;得出对图

像内容含义的理解及原来客观场 景的解释;
?

以客观世界为中心,借助知识、经 验来推理、认识客观世界,属于高 层操作(符号运算)。

?

可见,图像处理、图像分析和图像理解是处在三 个抽象程度和数据量各有特点的不同层次上。图 像处理是比较低层的操作, 它主要在图像像素级 上进行处理, 处理的数据量非常大。图像分析则 进入了中层,分割和特征提取把原来以像素描述 的图像转变成比较简洁的非图像形式的描述。图 像理解主要是高层操作, 基本上是对从描述抽象 出来的符号进行运算,其处理过程和方法与人类 的思维推理有许多类似之处。? 根据本课程的任务和目标,本书重点放在图 像处理上,并学习图像分析的基本理论和方法。

图像工程与相关学科的联系和区别
?

图像工程是一门交叉学科
?

研究方法上,与数学、物理学(光学)、 生理学、心理学、电子学、计算机科学 相互借鉴; 研究范围上,与计算机图形学、模式识 别、计算机视觉相互交叉。

?

图像工程与相关学科的联系和区别
图像 图 像处 理 客 观 世 界 计 算 机 视 觉 人 图 像理 解 图 像理 解 计 算机 图 形 学 数据 ( 转 换) 图 像分 析 模 式 识 别 新 新 新 理 工 概 论 具 念 图像

符号

四、数字图像处理的起源
?

历史

上世纪20年代,纽约-伦敦海底电缆传输数字化的

新闻图片。传递时间从一个多星期减少到3个小时
1921年电报打印机采用 特殊字符在编码纸带打印。 输出设备从通用在到专用

1929年从伦敦到纽约15级色调
灰度。现在的网络、移动通信再次历经 这个过程。

通过电缆传递照片。从早期5个灰度到15

1922年两次穿越大西洋, 穿孔纸得到图像检测误差。 图像通信系统信源编码和 信道编码

四、数字图像处理的起源
数字图像处理的历史与数字计算机的发展密切 相关,它必须依靠数字计算机及数据存储、显示 和传输等相关技术的发展。
五十年代中期在太空计划的推动 下开始这项技术的研究。重要标 志是1964年美国喷气推进实验室 (JPL)正式使用数字计算机对“ 徘徊者7号”太空船送回的四千多 张月球照片进行了处理。

四、数字图像处理的起源
?

?

?

?

进行太空应用的同时,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、地球 遥感监测和天文学等领域。 1895年伦琴发现X射线,获1901年诺贝尔物理 学奖。 1975年Godfrey N. Hounsfield和Allan M. Cormack发明了计算机断层技术(CT),获 1979年诺贝尔医学奖。 在今天引领这图像处理某些最活跃的应用领域。

五、数字图像处理的应用实例
?

现状

数字图像处理的应用领域多种多样。最主要的 图像源是电磁能谱,其他主要的能源包括声波、 超声波和电子(用于电子显微镜)。

?

1.5.1 伽马射线成像

伽马射线成像的主要用途 包括医学和天文观测。

1.5.2 X射线成像
X射线在医学诊 断上的应用
(a)X光片
(b)血管照相术

(c)头部CAT切片图像

X射线是最早用于成像的电 磁辐射源之一

1.5.2 X射线成像
X射线在工业和 天文学上的应用
(a)电路板 (b)天鹅座星环

1.5.3 紫外波段成像
?

紫外光的应用多种多样。
?平板印刷技术

?工业检测
?显微镜方法 ?激光 ?生物图像 ?天文观测
天鹅星座环

普通谷物

被“真菌”感染的谷物

1.5.4 可见光及红外波段成像
这一波段的应用最为广泛

电视和多媒体 光显微镜
(a)紫杉酚 (b)胆固醇 (d)镍氢化物薄片 (e)音频CD的表面(f)有机超导 (c)微处理器

涉及的范围从药物 到材料特性的检测

1.5.4 可见光及红外波段成像
遥感 美国华盛顿区域 的卫星遥感图像

1.5.4 可见光及红外波段成像
天文
天气观测与预报是卫星多 光谱图像的主要应用领域

1.5.4 可见光及红外波段成像
工业检测

?

可见光谱中主要成像领 域是生产产品的自动视觉检测

1.5.4 可见光及红外波段成像
拇指指纹 指纹识别、人脸识别 图像识别 车牌号码的识别

红外图象

红外图象

1.5.5 微波波段成像
雷达
在雷达图像中, 看到的只是反射到 雷达天线的微波能量

航天器拍摄的 西藏东南山 区雷达图像

1.5.6 无线电波成像
无线电波段成像主要应用在医学和天文学
在医学中,无线电波用于磁共振成像(MRI)

1.5.7 其他图像模式应用的实例
超声波成像系统(应用医学 如妇产科) 超声波图像产生的步骤:
1.超声波系统向身体传输高频(1~5MHz)声脉冲。 2.声波传入体内并碰撞组织间的边缘,声波的一部

分返回到探头,一部分继续传播直到另一边界并被反射回来。

3.反射波被探头收集起来并传给计算机。
4. 计算机根据声波在组织中的传播速度和每个回波返回 的时间计算从探头到组织或者器官边界的距离。 5. 系统在屏幕上显示回波的距离和亮度形成的二维图像。

超声图象

电子显微镜成像

过热损坏的钨丝 (250倍)

损坏的IC电路 (2500倍)

现状
七十年代以来迅猛发展。
?1:主观需求:人类从外界获取得信息60~70%通过眼睛

的图象信息。 ?2:计算机技术的发展和通信手段的发展提供客观可能;以 FFT为代表的数字信号处理算法和现代信号处理方法的精 确性,灵活性与通用性。 ?3:数学化的特点是该学科成熟的一个标志。“一种科学只 有在成功地运用数学时,才算真正达到了完美的地步”( 分析,代数,几何) ?总之:是一门在理论研究和应用开发两方面获得极大统一 的学科。

发展趋势
1:结合网络和Internet技术需求而发展起
来的新技术,比如网上图像、视频的传

输、点播和新的浏览、查询手段。
2:高级图像处理技术,结合最新的数学进

展,诸如小波、分形、形态学等技术。
3:智能化,图象自动分析、识别与理解。

六、数字图像处理系统概要

数字图象处理系统简介
?数字图象处理系统由图象数字化设备、 图象处理计算机和图象输出设备组成。

扫描仪、数码相机、 摄象机与图象 采集卡等

PC、工作站等

打印机、 绘图仪等

输入及数字化设备 显示及记录设备
?摄象机
?鼓式扫描器

?图象显示器
?鼓式扫描器

?平台式光密度计
?视频卡

?图象拷贝机
?绘图仪

?扫描仪
?数码相机 ?DV

?激光打印机
?喷墨打印机

图象记录介质
纸 胶片 照片 缩微胶片 幻灯片 录象带 磁盘 光盘 电影

七、数字图像处理的主要研究内容
1.图像变换
傅立叶变换 沃尔什变换 离散余弦变换 小波变换
……

采用各种图像变换方法对图像 进行间接处理。有利于减少计 算量并进一步获得更有效的处理。

七、数字图像处理的主要研究内容
?

2.图像压缩编码
?

图像压缩编码技术可以减少描述图像的数据量, 以便节约图像存储的空间,减少图像的传输和 处理时间。 图像压缩有无损压缩和有损压缩两种方式,编 码是压缩技术中最重要的方法,在图像处理技 术中是发展最早和应用最成熟的技术。

?

主要方法:熵编码,预测编码,变换编 码,二值图像编码、分形编码……

七、数字图像处理的主要研究内容
?

3. 图像的增强和复原
图像增强和复原的目的是为了改善图像 的视觉效果,如去除图像噪声,提高图像 的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的 原因,突出图像中感兴趣的部分。图像复 原要求对图像降质的原因有所了解,根据 图像降质过程建立“退化模型”,然后采 用滤波的方法重建或恢复原来的图像。 主要方法:灰度修正、平滑、几何校正、 图像锐化、滤波增强、维纳滤波……

七、数字图像处理的主要研究内容
4. 图像分割
图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像 分割将图像中有意义的特征提取出来(物体的边缘、 区域),它是进行进一步图像识别、分析和图像理 解的基础。 ? 虽然目前已研究出了不少边缘提取、区域分割的方 法,但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。 对图像分割的研究还在不断的深入中,是目前图像 处理研究的热点方向之一。 主要方法:图像边缘检测、灰度阈值分割、基于 纹理分割、区域增长……
?

七、数字图像处理的主要研究内容
5. 图像描述
?

图像描述是图像分析和理解的必要前提。图像 描述是用一组数量或符号(描述子)来表征图 像中被描述物体的某些特征。

主要方法:二值图像的几何特征、简单描述子、 形状数、傅立叶描述子,纹理描述……

七、数字图像处理的主要研究内容

6. 图像识别 图像识别是人工智能的一个重要领域, 是图像处理的最高境界。一副完整的图像 经预处理、分割和描述提取有效特征之后, 进而由计算机系统对图像加以判决分类。

七、数字图像处理的主要研究内容

8. 图像隐藏
?

是指媒体信息的相互隐藏。

数字水印 ?图像的信息伪装
?

八、数字图像处理在医学中的应用及研究课题

1. 超声
A型?M型?(B型,D型)?彩超?超声CT (1)新一代B超,配以数字图像处理(DIP),性能更佳。 (图像增强,数字滤波,各种图像测量功能) (2)多普勒血流频谱分析及血流声谱图显示。

八、数字图像处理在医学中的应用及研究课题

(3)彩超=B超(黑白图像)+多普勒血流彩色 实时成像 (4)多普勒血管成像

八、数字图像处理在医学中的应用及研究课题

(5)超声CT
(经食道,立体扇形扫描)

八、数字图像处理在医学中的应用及研究课题

(5)超声CT (立体扇形扫描)

八、数字图像处理在医学中的应用及研究课题

2. X光及X光负片
(1)传统X光及X光负片,医生肉眼观察

(2) 影像增强器,暗室操作?明室操作,数字 存储

八、数字图像处理在医学中的应用及研究课题

3. 核医学成像系统
放射性同位素扫描仪 γ相机:伪彩色成像,诊断脏器的机能 正电子CT(PET) 单光子CT(SPECT) 生理切片脑RI三维成像 二维成像 三维成像

应用举例
非生物医学领域

天气预报

网 页 设 计

军事应用

数字图像处理应用前景
?

通信新业务
?

图像处理与通信结合,特别是下一代移动通信技 术的发展,衍生众多的通信新业务:可视电话、 电视会议、远程教育、远程医疗、家庭购物等。 数字成像设备、图像监控、智能小区管理。

?

?

医学图像
?

数字图像处理除了通信领域的新应用外,另一个 重要领域就是生物医学成像与诊断。

医学图像

?国内外技术现状及发展趋势

?技术开发的总体目标和重点任务
?技术开发内容及指标

国内外技术现状及发展趋势
?

目前,国际上最先进的医学影像设备,都建立 在先进的数字化信息处理技术基础上而发展。

computed tomography

(Nuclear) Magnetic Resonance Imaging

Positron Emission Tomography

?

数字化技术的应用,使医学影像设备在临床应用的 效率、诊断质量产生质的飞跃,大大提高产品的市 场竞争力和技术附加值,并推动临床医学的发展。 我国在医疗设备数字化技术方面也开展了大量的工 作。在DSA和超声数字扫描变换技术(DSC)方面, 都有一定的成果。MRI在技术引进基础上也进行了 开发。但与国际先进水平有较大的差距,正面临国 外高新技术产品的强大威胁。

?

技术开发的总体目标和重点任务
重点开发一批具有国际先进水平的医学影 像装备数字化技术;瞄准国际医学影像数 字化技术的发展趋势,开发医学影像装备 数字化技术.实现产业化:其中既有对传 统品种的更新换代开发,也包括开发在国 内外都具有创新性的高新技术品种。

?

主要技术开发内容及指标
?

(1)常规x线诊断设备的影像数字化技术 ?重点是大于3.51/mm分辨率的大尺寸 x线面阵采集器件技术,12位精度采级 数据速度小于10s,恢复时间小于20s

?

(2)B型超声诊断仪器的数字化技术 ?重点是可变增益放大器(VGA)技术、高 速A/D转换技术、数字式动态聚焦技术、 数字式波束合成技术等。

主要技术开发内容及指标
?

(3)医学影像数字化网络技术 ?包括图像存储和传输系统(PACS)、医院信息系统(HIS)、 放射科信息系统(RIS)等,要求有较高的数据传输速度,足 够的图像存储量,有较高的图像回放质量和先进、实用的 后处理功能,系统应采用与国际标准接轨的数字图像通讯 标准。 (4)高分辨率的数字减影血管造影系统(DSA)技术 ?要求有较高的采像速度,12-25帧/s,分辨率大于 1.51p/mm,满足心血管造影和介入治疗需要的图像后处 理功能。 (5)磁共振成像的数字化

?

?

?

总的说来,经多年的发展,图像处理经历了从静
止图像到活动图像;从单色图像到彩色图像;从 客观图像到主观图像;从二维图像到三维图像的

发展历程;
?

特别是与计算机图形学的结合已能产生高度逼

真、非常纯净、更有创造性的图像。由此派生出
来的虚拟现实技术的发展或许将从根本上改变我 们的学习、生产和生活方式。


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