1、研究生研究生课课程程数字数字图图像像处处理理 Digital Image ProcessingDigital Image Processing彭宇新彭宇新 北京大学北京大学计计算机科学技算机科学技术术研研究所究所 E_mail:E_mail:数字数字图图像像处处理理课课程介程介绍绍教材及参考教材及参考书书上上课课主要内容主要内容课课程目的与要求程目的与要求考考试试内容内容助教老助教老师师国内外相关会国内外相关会议议和和杂杂志志目前需要做的事情目前需要做的事情教材及参考教材及参考书书教材教材RafaeRafael l C C.GonzalezGonzalez,RicharRichard d E
2、E.Woods Woods 著，著，阮秋琦、阮宇智等阮秋琦、阮宇智等译译，数字，数字图图像像处处理（第理（第 二二版），版），电电子工子工业业出版社，出版社，20032003年。年。RafaeRafael l C C.GonzalezGonzalez,RicharRichard d E E.Woods.Woods，DigitaDigital l ImagImage e Processing(Second Edition)Processing(Second Edition)，PrenticPrentice e Hall Hall，20032003。教材及参考教材及参考书书（续续）参考参考书书Ke
3、nneth R.CastlemanKenneth R.Castleman著，朱志著，朱志刚刚、林学、林学訚訚、石定、石定 机等机等译译，数字，数字图图像像处处理，理，电电子工子工业业出版社，出版社，20022002年。年。章毓晋，章毓晋，图图象工程上册象工程上册图图象象处处理和分析，清理和分析，清华华大大 学出版社，学出版社，20032003年。年。阮秋琦，数字阮秋琦，数字图图像像处处理学，理学，电电子工子工业业出版社，出版社，2004 2004 年。年。杨杨枝灵、王开等，枝灵、王开等，Visual C+Visual C+数字数字图图像像获获取、取、处处理理 及及实实践践应应用，人民用，人民邮
4、电邮电出版社，出版社，20032003年。年。章毓晋，基于内容的章毓晋，基于内容的视觉视觉信息信息检检索，科学出版社，索，科学出版社，20032003年。年。上上课课主要内容主要内容1.1.概述概述2.2.空空间间域域图图像增像增强强3.3.彩色彩色图图像像处处理理4.4.基于内容的基于内容的图图像像检检索（索（补补充）充）5.5.傅里叶傅里叶变换变换6.6.频频率域率域图图像增像增强强7.7.图图像复原像复原8.8.图图像像压缩压缩（1 1）上上课课主要内容（主要内容（续续）9.9.图图像像压缩压缩（2 2）10.10.形形态态学学图图像像处处理理11.11.图图像分割像分割12.12.表示
5、与描述表示与描述13.13.基于内容的基于内容的视频视频分析和分析和检检索技索技术术（补补充）充）14.14.考考试试复复习习课课程目的与要求程目的与要求掌握数字掌握数字图图像像处处理的基本概念、原理和理的基本概念、原理和 方法方法初步运用所学知初步运用所学知识识解决解决实际问题实际问题为图为图像像处处理及相关理及相关领领域的研究打下基域的研究打下基础础图图像像处处理理计计算机算机视觉视觉基于内容的基于内容的图图像、像、视频检视频检索索人人脸识别脸识别、指、指纹识别纹识别、掌、掌纹识别纹识别、虹膜、虹膜识别识别图图像分像分类类、图图像和像和视频视频的的语义语义概念概念检测检测、考考试试内容内容
6、平平时时作作业业50%50%，考，考试试成成绩绩50%50%平平时时作作业选择业选择下列两个之一：下列两个之一：分分组组完成一个大作完成一个大作业业其他与其他与图图像像处处理相关的理相关的课题课题(需要上需要上课课老老师师 认认可可)考考试闭试闭卷完成（基本概念、原理和算法）卷完成（基本概念、原理和算法）助教老助教老师师曹磊E_mail: 电话：82529384注意：有不懂的地方多问助教老师，充分发挥助教老师的 指导作用国内外相关会国内外相关会议议和和杂杂志志国内国内杂杂志：一志：一级级学学报报软软件学件学报报电电子学子学报报计计算机研究与算机研究与发发展展JournaJournal l of
7、 of TechnologyTechnologyComputeComputer r Science Science(JCST)(SCI)(JCST)(SCI)andand计计算机学算机学报报国内外相关会国内外相关会议议和和杂杂志（志（续续）国外会国外会议议：IEEE International Conference on Computer IEEE International Conference on Computer Vision(ICCV)Vision(ICCV)IEEE International Conference on Computer IEEE International Co
8、nference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR)Vision and Pattern Recognition(CVPR)ACM Multimedia Conference(MM)ACM Multimedia Conference(MM)国内外相关会国内外相关会议议和和杂杂志（志（续续）国外会国外会议议：IEEE International Conference on Image IEEE International Conference on Image Processing(ICIP)Processing(ICIP)IEEE
9、International Conference on Multimedia IEEE International Conference on Multimedia and Expo(ICME)and Expo(ICME)International Conference on Pattern International Conference on Pattern Recognition(ICPR)Recognition(ICPR)ACM International Conference on Image and ACM International Conference on Image and
10、 Video Retrieval(CIVR)Video Retrieval(CIVR)国内外相关会国内外相关会议议和和杂杂志（志（续续）国外期刊：国外期刊：IEEE Transactions on Pattern Analysis and IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence(PAMI)Machine Intelligence(PAMI)IEEE Transactions on Image Processing(IP)IEEE Transactions on Image Processing(IP)IEEE
11、 Transactions on Circuits and Systems for IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology(CSVT)Video Technology(CSVT)International Journal of Computer Vision International Journal of Computer Vision(IJCV)(IJCV)Pattern Recognition(PR)Pattern Recognition(PR)Image and Vision Computing(IV
12、C)Image and Vision Computing(IVC)目前需要做的事情目前需要做的事情选课选课学生学生发发送下列信息送下列信息给给老老师师:姓名姓名学号学号联联系方式：系方式：E_mail,E_mail,电话电话硕硕士生或博士生，年士生或博士生，年级级所在院系、所在院系、实验实验室、室、导师导师研究方向研究方向数字数字图图像像处处理基理基础础概述概述概念：概念：图图像、数字像、数字图图像、像素像、像素数字数字图图像像处处理的起源理的起源数字数字图图像像处处理的理的应应用用领领域域图图像像处处理系理系统统的部件的部件基基础础知知识识图图像的采像的采样样和量化和量化数字数字图图像的表示
13、像的表示数字数字图图像的像的质质量量像素像素间间的一些基本关系的一些基本关系什么是什么是图图像？像？定定义为义为二二维维函数函数f(x,y),f(x,y),其中，其中，x,yx,y是空是空间间坐坐标标，f(x,y)f(x,y)是点（是点（x,yx,y）的幅）的幅值值灰度灰度图图像是一个二像是一个二维维灰度（或亮度）函数灰度（或亮度）函数f(x,y)f(x,y)彩色彩色图图像由三个（如像由三个（如RGB,HSVRGB,HSV）二）二维维灰度（或亮度）函数灰度（或亮度）函数f(x,y)f(x,y)组组成成x xy yy yx x什么是数字什么是数字图图像？像？像素像素组组成的二成的二维维排列，可以
14、用矩排列，可以用矩阵阵表示表示对对于于单单色色（灰灰度度）图图像像而而言言，每每个个像像素素的的亮亮度度用用一一个个数数 值值来来表表示示，通通常常数数值值范范围围在在0 0到到255255之之间间，0 0表表示示黑黑、255255表表 示白，其它示白，其它值值表示表示处处于黑白之于黑白之间间的灰度的灰度彩色彩色图图像可以用像可以用红红、绿绿、蓝蓝三元三元组组的二的二维维矩矩阵阵来表示。来表示。通常，三元通常，三元组组的每个数的每个数值值也是在也是在0 0到到255255之之间间，0 0表示相表示相应应 的基色在的基色在该该像素中没有，而像素中没有，而255255则则代表相代表相应应的基色在的
15、基色在该该像像 素中取得最大素中取得最大值值yx数字数字图图像的像素表示像的像素表示xy什么是像素？什么是像素？数字数字图图像由二像由二维维的元素的元素组组成，每一个元素具有一个成，每一个元素具有一个 特定的位置（特定的位置（x,yx,y）和幅）和幅值值f(x,y),f(x,y),这这些元素就称些元素就称为为像素像素数字数字图图像像处处理的起源理的起源人人类类分析分析图图像在像在传输过传输过程后的更好复原程后的更好复原空空间应间应用：用：图图像增像增强强、图图像复原像复原医学医学图图像像作用：通作用：通过图过图像增像增强强、图图像复原等技像复原等技术术，增，增强强或复或复 原模糊或原模糊或损损
16、毁毁的的图图像像机器感知机器感知自自动动字符字符识别识别OCROCR人人脸识别脸识别指指纹识别纹识别，生物特征，生物特征识识别别数字数字图图像像处处理的理的应应用用领领域域传统领传统领域域医学、空医学、空间应间应用、地理学、生物学、用、地理学、生物学、军军事事最新最新领领域域数数码码相机相机(DC)(DC)、数、数码摄码摄像机像机(DV)(DV)指指纹识别纹识别、人、人脸识别脸识别互互联联网、网、视频视频、多媒体等、多媒体等基于内容的基于内容的图图像像检检索、索、视频检视频检索、多媒体索、多媒体检检索索水印、游水印、游戏戏、电电影特技、虚影特技、虚拟现实拟现实、电电子商子商务务等等数字数字图图
17、像像处处理的理的应应用无用无处处不在不在例例1 1：图图像增像增强强直方直方图图均衡化均衡化例例2 2：人：人脸检测脸检测与与识别识别例例3 3：镜头边镜头边界界检测检测例例4 4：基于内容的：基于内容的图图像像检检索索 例例5 5：基于内容的：基于内容的镜头检镜头检索索例例6 6：基于内容的：基于内容的视频视频片断片断检检索索例例7 7：视频视频字幕字幕识别识别例例7 7：视频视频字幕字幕识别识别例例8 8：101101个个视频视频概念的概念的检测检测视频语义标注的基本方法测试 视频训练 学习标注训练 视频库语 义 概 念 模型视频 标注特征提取特征提取概念 检测例例8 8：101101个个
18、视频视频概念的概念的检测检测输输入入图图像像输输出出图图像像数数 字字 化化 设设 备备图图 像像 输输 出出 设设 备备InternetInternet图图像存像存储储系系统统图图像像处处理系理系统统的基本的基本组组成成结结构构图图像像处处理理计计算机算机图图 像像图图像像处处理系理系统统的基本的基本组组成成结结构构主要由三大部分主要由三大部分组组成成图图像数字化像数字化设备设备，包括数，包括数码码相机、数相机、数 码摄码摄像机、像机、带带照相和照相和/或或摄摄像功能的手机像功能的手机 等等图图像像处处理理设备设备，包括，包括计计算机和存算机和存储储系系 统统图图像像输输出出设备设备，包括打
19、印机，也可以，包括打印机，也可以 输输出到出到InternetInternet上的其它上的其它设备设备图图像存像存储储系系统统图像文件格式体系互联网用：GIF、JPG印 刷 用：TIF、JPG、TAG、PCX 国际标准：TIF、JPG、BMP图像存储体系：分级存储 内存存储：处理时使用 硬盘存储：处理、备份时用（在线）备份存储：光盘、磁带（离线、近线）网络存储：SAN、NAS为什么要用SAN传统存储解决方案 信息岛存储区域网SAN(Storage Area Network)SANSANSAN是什么？SAN是什么？（续）不是client/server,而是client/storage devic
20、es独 立 于 L A N 之 外 的 高 速 存 储 网 络一 般 采 用 高 速 的 光 纤 通 道 作 为 传 输 媒 体（2 G b i t/s）将 存 储 设 备 通 过 光 通 道 互 连 设 备 构 成 一 个 存储 子 网支 持 服 务 器 和 存 储 设 备 之 间 任 意 到 任 意 的 连接S A N上的任何一台服务器均可存取网络中的任何一个存 储设备对 网 上 的 存 储 资 源 实 施 集 中 统 一 的 管 理NAS(Network Attached Storage)是什么？是优化的文件服务器，存储设备与服务器均直接连 接到LAN上，使用TCP/IP等LAN协议，通
21、过LAN实现数据交 换和存储管理。由于使用网络协议，因而会有速度和延 时的问题，且系统扩展能力受到网络带宽的限制。File I/OFile I/OSAN与NAS比较SANNAS块级共享文件级共享远程存储访问远程文件访问存储专用网共享LAN存储协议（如FCP)网络协议(如TCP/IP)集中式管理分散式管理无限的扩展能力有限的扩展能力更高的连接速度和处理能力较低的连接速度和处理能力数字数字图图像像处处理基理基础础图图像的采像的采样样和量化和量化数字数字图图像的表示像的表示数字数字图图像的像的质质量量像素像素间间的一些基本关系的一些基本关系 邻邻域域处处理方理方法是法是图图像增像增强强和复原和复原过
22、过程程的核心的核心图图像的采像的采样样和量化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：取样和量化取样：图像空间坐标的数字化量化：图像函数值（灰度值）的数字化N N图图像采像采样样空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N、MM M函数取值的数字化被称为图像的量化，如 量化到256个灰度级f图图像的量化像的量化图图像的采像的采样样与数字与数字图图像的像的质质量量图图像的采像的采样样与数字与数字图图像的像的质质量量1024102451251225625612812864643232265x18013
23、3x9066x4533x22图图像的采像的采样样与数字与数字图图像的像的质质量量256灰度灰度级级16灰度灰度级级8灰度灰度级级4灰度灰度级级图图像的量化与数字像的量化与数字图图像的像的质质量量非统一的图像的采样在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样图图像的采像的采样样和量化和量化图图像的采像的采样样和量化和量化非统一的图像的量化在边界附近使用较少的灰度级。剩余的 灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区 域避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度 级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现 象数字数字图图像像处处理基理基础础图图像的采像的采样样和量化和量化数字数字图图像的表示
24、像的表示数字数字图图像的像的质质量量像素像素间间的一些基本关系的一些基本关系二维离散亮度函数f(x,y)x，y说明图像像素的空间坐标函数值 f 代表了在点(x,y)处像素的灰度 值二维矩阵Am,nm,n说明图像的宽和高。矩阵元素a(i，j)的值，表示图像在第 i 行，第 j 列的像素的灰度值；i,j表示几何 位置数字数字图图像的表示像的表示图像描述信息如图像高度和宽度等 信息图像数据顺序存放的连续数据BMP格式1.位图文件头2.位图信息头3.调色板4.图像数据headData数字数字图图像的表示像的表示typedef struct tagBITMAPFILEHEADERWORDDWORD WO
25、RD WORD DWORDbfType;bfSize;bfReserved1;bfReserved2;bfOffBits;/文件类型，必须是字符串”BM”/指定文件大小/保留字，不考虑/保留字，不考虑/从文件头到位图数据的偏移字节数 BITMAPFILEHEADER;BMPBMP格式格式1 1、位、位图图文件文件头头typedef struct tagBITMAPINFOHEADERDWORD LONG LONG WORD WORD DWORD DWORD LONG LONG DWORD DWORDbiSize;biWidth;biHeight;biPlanes;biBitCount biCo
26、mpression;biSizeImage;biXPelsPerMeter;biYPelsPerMeter;biClrUsed;biClrImportant;/该结构的长度，40个字节/图像的宽度，单位是像素/图像的高度，单位是像素/必须是1/颜色位数，如1，4，8，24/压缩类型，如BI_RGB,BI_RLE4/实际位图数据占用的字节数/水平分辨率/垂直分辨率/实际使用的颜色数/重要的颜色数 BITMAPINFOHEADER;BMPBMP格式格式2 2、位、位图图信息信息头头BMPBMP格式格式3 3、调调色板色板typedef struct tagRGBQUADBYTE BYTE BYTE
27、 BYTErgbBlue;rgbGreen;rgbRed;rgbReserved;/该颜色的蓝色分量/该颜色的绿色分量/该颜色的红色分量/保留值，不考虑 RGBQUAD;注：有些位图不需要调色板，如真彩色图，它们的BITMAPINFOHEADER后面直接是位图数据BMPBMP格式格式4 4、实际实际的的图图像数据像数据对对于于2 2色位色位图图，1 1位表示一个像素位表示一个像素颜颜色，色，所以一个字所以一个字节节表示表示8 8个像素个像素对对于于1616色位色位图图，4 4位表示一个像素位表示一个像素颜颜色，色，所以一个字所以一个字节节表示表示2 2个像素个像素对对于于256256色位色位图
28、图，1 1个字个字节节表示表示1 1个像素个像素对对于真彩色于真彩色图图，3 3个字个字节节表示一个像素表示一个像素数字数字图图像像处处理基理基础础图图像的采像的采样样和量化和量化数字数字图图像的表示像的表示数字数字图图像的像的质质量量像素像素间间的一些基本关系的一些基本关系图图像的像的质质量：量：1 1、层层次次灰度级：表示像素明暗程度的整数量例如：像素的取值范围为0-255，就称该 图像为256个灰度级的图像层次：表示图像实际拥有的灰度级的 数量例如：具有32种不同取值的图像，可称 该图像具有32个层次图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好256个层次的图像16个层次的图像64个层次的图像
29、图图像的像的质质量：量：1 1、层层次次图图像的像的质质量：量：2 2、对对比度比度对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小 对比度=最大亮度/最小亮度 与清晰度相关的主要因素亮度对比度尺寸大小细微层次颜色饱和度图图像的像的质质量：量：3 3、清晰度、清晰度降低亮度影响清晰度因素影响清晰度因素1 1、亮度、亮度原图降低对比度原图影响清晰度因素影响清晰度因素2 2、对对比度比度缩小尺寸原图影响清晰度因素影响清晰度因素3 3、尺寸大小、尺寸大小减少细微层次原图影响清晰度因素影响清晰度因素4 4、细细微微层层次次降低颜色饱和度原图影响清晰度因素影响清晰度因素5 5、颜颜色色饱饱和度和度数字数字图图像像处
30、处理基理基础础图图像的采像的采样样和量化和量化数字数字图图像的表示像的表示数字数字图图像的像的质质量量像素像素间间的一些基本关系的一些基本关系像素像素间间的一些基本关系的一些基本关系相邻像素：4邻域D邻域8邻域连通性4连通8连通m连通距离(x-1,y)P(x+1,y)4邻域：像素p(x,y)的4邻域是：(x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1)用N4(p)表示像素p的4邻域(x,y+1)(x,y-1)相相邻邻像像素素4 4邻邻域域D邻域定义：像素p(x,y)的D邻域是：对角上的点(x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1)用ND(p)表示像
31、素p的D邻域相相邻邻像素像素D D邻邻域域(x-1,y+1)(x+1,y+1)(x-1,y-1)(x+1,y-1)P相相邻邻像素像素8 8邻邻域域8邻域定义：像素p(x,y)的8邻域是：4邻域的点 D邻域的点用N8(p)表示像素p的8邻域。N8(p)=N4(p)+ND(p)P 连通性是描述区域和边界的重要概 念 两个像素连通的两个必要条件是：两个像素的位置是否相邻两个像素的灰度值是否满足特定的相 似性准则（或者是否相等）4连通、8连通、m连通的定义像素像素间间的的连连通性通性 对于具有值V的像素p和q，如果q在 集合N4(p)中，则称这两个像素是4 连通的像素的像素的连连通性通性4 4连连通通
32、pq像素的像素的连连通性通性8 8连连通通 对于具有值V的像素p和q，如果q在集 合N8(p)中，则称这两个像素是8连通 的pq对 于 具 有 值 V 的 像 素 p 和 q，如 果:I.q在集合N4(p)中，或II.q在集合ND(p)中，并且N4(p)与N4(q)的交集为空（没有值V的像素）则称这两个像素是m连通的，即4连通和D连通的混合连通。像素的像素的连连通性通性m m连连通通是m连通不是m连通像素的像素的连连通性通性 m m连连通通p qpq通路的定义一条从具有坐标(x,y)的像素p,到具有坐标(s,t)的像素q的通路，是具有坐标(x0,y0),(x1,y1),.,(xn,yn)的不同
33、像素的序列。其中，(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是邻接的，1 i n，n 是路径的长度。如果(x0,y0)=(xn,yn),则该通 路是闭合通路像素的像素的连连通性通性通路通路像 素 之 间 距 离 的 定 义欧 氏 距 离 定 义D4距 离（城 市 距 离）定 义D8距 离（棋 盘 距 离）定 义像素的像素的连连通性通性距离距离像素之像素之间间距离的定距离的定义义对于像素p、q和z，分别具有坐标(x,y)，(s,t)和(u,v)，如果(1)D(p,q)0(D(p,q)=0，当且仅 当p=q),(2)D(p,q)=D(q,p)(3
34、)D(p,z)D(p,q)+D(q,z)则称D是距离函数或度量欧式距离定欧式距离定义义 像素p(x,y)和q(s,t)间的欧式距离定 义如下：D p,q x s2 y t2e 对于这个距离计算法，具有与(x,y)距离小于等于某个值r的像素是：包含 在以(x,y)为圆心，以r为半径的圆平 面D D4 4距离（城市距离）距离（城市距离）像素p(x,y)和q(s,t)之间的D4距 离定义为：D4(p,q)=|x s|+|y t|具有D4=1的像素是(x,y)的4邻域rD D4 4距离距离举举例例 具有与(x,y)距离小于 等于某个值r的那些像 素形成一个菱形例如，与点(x,y)（中 心点）D4距离小
35、于等 于2的像素，形成右边 固定距离的轮廓2212210122122D D8 8距离（棋距离（棋盘盘距离）距离）像素p(x,y)和q(s,t)之间的D8距离定义为：D8(p,q)=max(|x s|,|y t|)rD D8 8距离距离举举例例 具有与(x,y)距离小于 等于某个值r的那些像 素形成一个正方形例如，与点(x,y)（中心点）D 距离小于等8于2的像素，形成右边固定距离的轮廓具有D8=1的像素是(x,y)的8邻域2222221112210122111222222数字数字图图像像处处理（理（1 1）任何任何问题问题？研究生研究生课课程程数字数字图图像像处处理理 Digital Imag
36、e ProcessingDigital Image Processing彭宇新彭宇新 北京大学北京大学计计算机科学技算机科学技术术研研究所究所 E_mail:E_mail:研究生研究生课课程程图图 像像 增增 强强处处理策略理策略处处理方法理方法 空域方法空域方法点点处处理（理（变换变换）模板模板处处理（理（滤滤波）波）频频域方法域方法 全局全局处处理理局部局部处处理理处处理理对对象象灰度灰度图图像像彩色彩色图图像像空空间间域域图图像增像增强强基基础础知知识识基本概念基本概念点运算点运算代数运算代数运算直方直方图图运算运算应应用用实实例例镜头边镜头边界的界的检测检测（补补充知充知识识）空空间滤
37、间滤波器波器平滑空平滑空间滤间滤波器波器锐锐化空化空间滤间滤波器波器基本概念基本概念图图像增像增强强分分为为两两类类：空空间间域增域增强强：对图对图像的像素直接像的像素直接处处理理频频域增域增强强 ：修改修改图图像的傅里叶像的傅里叶变换变换（后面介（后面介绍绍）空空间间域增域增强强：gx,y Tf x,yf(x,y)f(x,y)是原是原图图像像g(x,y)g(x,y)是是处处理后的理后的图图像像T T是作用于是作用于f f的操作，定的操作，定义义在在(x,y)(x,y)的的邻邻域域空空间间域增域增强强的的简简化形式：化形式：s Trr r是是f(x,y)f(x,y)在任意点在任意点(x,y)(
38、x,y)的灰度的灰度级级s s是是g(x,y)g(x,y)在任意点在任意点(x,y)(x,y)的灰度的灰度级级点运算点运算点运算点运算1 1反反转变换转变换，2 2对对数数变换变换0,L-10,L-1为图为图像的灰度像的灰度级级。作用：黑的。作用：黑的变变白，白的白，白的变变黑黑有有时时原原图图的的动态动态范范围围太大，超出某些太大，超出某些显显示示设备设备的允的允许许 动态动态范范围围，如直接使用原，如直接使用原图图，则则一部分一部分细节细节可能可能丢丢失失解决解决办办法是法是对对原原图进图进行灰度行灰度压缩压缩，如，如对对数数变换变换反反转变换转变换：s L 1 r对对数数变换变换：s c
39、 log1 rc c是常数是常数r 0点运算点运算1 1反反转变换转变换，2 2对对数数变换变换图图a a显显示了示了值为值为0 0-1.5106 的的傅里叶傅里叶频谱频谱在一个在一个8 8位的系位的系统统中中显显示示图图b b显显示了示了对对数数变换变换在在8 8位系位系统统中的中的显显示示结结果果a ab b点运算点运算3 3幂幂次次变换变换幂幂次次变换变换：s cr c c和和 是正常数是正常数 1 提高灰度提高灰度级级，在正比函数上方，使，在正比函数上方，使图图像像变变亮亮 1 降低灰度降低灰度级级，在正比函数下方，使，在正比函数下方，使图图像像变变暗暗例：人体胸上部脊椎骨折的核磁共振
40、例：人体胸上部脊椎骨折的核磁共振图图像像 1 提高灰度提高灰度级级，使，使图图像像变变亮。亮。c=1c=1,0.6,0.4,0.3点运算点运算3 3幂幂次次变换变换 0.4增增强强效果最好效果最好点运算点运算3 3幂幂次次变换变换 5例：航空地面例：航空地面图图像像 1降低灰度降低灰度级级，使，使图图像像变变暗暗c=1,c=1,3,4,5 3 4点运算点运算4 4对对比度拉伸比度拉伸思想：提高思想：提高图图像像处处理理时时灰度灰度级级 的的动态动态范范围围点运算点运算5 5灰度灰度级级切片切片关心范关心范围围指定指定较较高高值值，其它保持不其它保持不变变r rr r关心范关心范围围指定指定较较
41、高高值值，其它指定其它指定较较低低值值s ss sa a变换变换b b变换变换一幅一幅图图像像a a变换结变换结果果0255255点运算点运算5 5灰度灰度级级切片切片点运算点运算6 6位平面切片位平面切片位平面切片位平面切片 假假设图设图像中每个像素的灰度像中每个像素的灰度级级是是256256，这这可可以用以用8 8位来表位来表示，假示，假设图设图像是由像是由8 8个个1 1位平面位平面组组成，范成，范围围从位平面从位平面0 0到位到位平面平面7 7。其中，位平面。其中，位平面0 0包含包含图图像中像素的最低位，位平面像中像素的最低位，位平面 7 7包含像素的最高位包含像素的最高位点运算点运
42、算6 6位平面切片位平面切片作用作用通通过对过对特定位提高亮度，改善特定位提高亮度，改善图图像像质质量量较较高位（如前高位（如前4 4位）包含大多数位）包含大多数视觉视觉重要数重要数 据据较较低位（如后低位（如后4 4位）位）对图对图像中的微小像中的微小细节细节有有 作用作用分解分解为为位平面，可以分析每一位在位平面，可以分析每一位在图图像中的像中的 相相对对重要性重要性点运算点运算6 6位平面切片位平面切片一幅一幅8 8比特分形比特分形图图像像点运算点运算6 6位平面切片位平面切片代数运算代数运算算算术术运算运算加加减减乘乘除除:一幅一幅图图像取反和另一幅像取反和另一幅图图像相乘像相乘逻辑逻
43、辑运算运算非非与与或或异或异或加法运算的定义C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)主要应用举例去除叠加性噪声生成图像叠加效果代数运算代数运算加法加法去除叠加性噪声对于原图像f(x,y),有一个噪声图像集 gi(x,y)i=1,2,.N其中：gi(x,y)=f(x,y)+h(x,y)i假设噪声h(x,y)均值为0，且互不相关 N个图像的均值定义为：g(x,y)=1/N(g0(x,y)+g1(x,y)+gN(x,y)期望值E(g(x,y)=f(x,y)上述图像均值将降低噪声的影响代数运算代数运算加法加法代数运算代数运算加法加法原原图图噪声噪声图图像像N=8N=8N=16N=16N=64N=64N
44、128N=128去除叠加性噪声星系图举例N=8N=8N=16N=16N=64N=64N=128N=128去除叠加性噪声星系图举例灰灰度度级级差差 别别 越越 小小，图图像像 越越暗暗原图与均值图像的差值图像和直方图像素个数像素个数均均值值 减减 小小，标标 准准 差差 减减 小小生成图像叠加效果 对于两个图像f(x,y)和h(x,y)的均值有：g(x,y)=1/2f(x,y)+1/2h(x,y)推广这个公式为：g(x,y)=f(x,y)+h(x,y)其中+=1可以得到各种图像合成的效果，也可以用于 两张图片的衔接代数运算代数运算加法加法代数运算代数运算加法加法减法的定义C(x,y)=A(x,
45、y)-B(x,y)主要应用举例显示两幅图像的差异，检测同一场景两 幅图像之间的变化如：视频中镜头边界的检测去除不需要的叠加性图案图像分割：如分割运动的车辆，减法去 掉静止部分，剩余的是运动元素和噪声代数运算代数运算减法减法 检测同一场景两幅图像之间的变化设：时间1的图像为T1(x,y)，时间2的图像为T2(x,y)g(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)例：视频中镜头边界的检测(后面介绍)代数运算代数运算减法减法去除不需要的叠加性图案设：背景图像 b(x,y)，前景背景混合 图 像 f(x,y)g(x,y)=f(x,y)b(x,y)g(x,y)为去除了背景的图像。代数运算代数运算减法减法代
46、数运算代数运算减法减法g(x,y)叠加叠加蓝蓝色背景色背景减去背景减去背景b(x,y)b(x,y)去除不需要的叠加性图案 例：电视制作的蓝屏技术问题问题？f(x,y)代数运算代数运算乘法乘法乘法的定义C(x,y)=A(x,y)*B(x,y)主要应用举例图像的局部显示 用二值蒙板图像与原图像做乘法代数运算代数运算乘法乘法非的定义g(x,y)=255-f(x,y)主要应用举例获得一个阴图像获得一个子图像的补图像代数运算代数运算1、非、非代数运算代数运算1、非、非获得一个阴图像=代数运算代数运算1、非、非获得一个子图像的补图像与运算的定义g(x,y)=f(x,y)h(x,y)主要应用举例求两个子图像
47、的相交子图=代数运算代数运算2、与、与代数运算代数运算2、与、与模板运算：提取感兴趣的子图像或运算的定义g(x,y)=f(x,y)v h(x,y)主要应用举例合并子图像=代数运算代数运算3、或、或代数运算代数运算3、或、或模板运算：提取感兴趣的子图像异或运算的定义g(x,y)=f(x,y)h(x,y)主要应用举例获得相交子图像代数运算代数运算4、异或、异或=直方直方图图运算运算直方直方图图定定义义直方直方图图均衡化均衡化一个灰度级在范围0，L-1的数字图像的直 方图是一个离散函数h(rk)=nknk是图像中灰度级为rk的像素个数rk 是第k个灰度级，k=0,1,2,L-1由于rk的增量是1，直
48、方图可表示为：p(k)=nk 即，图像中不同灰度级像素出现的次数直方直方图图定定义义图像直方图的定义（1）图像直方图的定义（2）一个灰度级在范围0，L-1的数字图像的直 方图是一个离散函数p(rk)=nk/nn 是图像的像素总数 nk是图像中灰度级为rk的像素个数rk 是第k个灰度级，k=0,1,2,L-1直方直方图图定定义义两种图像直方图定义的比较其中，定义（2）使函数值正则化到0,1区间，成为实数函 数函数值的范围与象素的总数无关给出灰度级rk在图像中出现的概率密度统计直方直方图图定定义义h(rk)=nk定义(1)p(rk)=nk/n定义(2)图像直方图的定义举例p(rk)rk直方直方图图
49、定定义义灰度灰度级级rk像素数像素数目目p(rk)直方直方图图均衡化达到的效果均衡化达到的效果直方图应用举例直方图均衡化希望一幅图像的像素占有全部可能的灰度级 且分布均匀，能够具有高对比度使用的方法是灰度级变换：s=T(r)基本思想是把原始图的直方图变换为均匀分 布的形式，这样就增加了像素灰度值的动态 范围，从而达到增强图像整体对比度的效果直方直方图图均衡化均衡化直方直方图图均衡化均衡化0r1s=T(r)T(r)满足下列两个条件：（1）T(r)在区间0r1中为单值且单调递增（2）当0r1时,0T(r)1条件（1）保证原图各灰度级在变换后仍保持从黑 到白（或从白到黑）的排列次序条件（2）保证变换
50、前后灰度值动态范围的一致性直方直方图图均衡化均衡化Pr(r)是r的概率密度函数，Ps(s)是s的概 率密度函数，Pr(r)和T(r)已知，且T-1(s)满足上述条件(1)，所以dssrPs Pr dr直方直方图图均衡化均衡化r已知一种重要的变换函数：s T r 0 pr w dwdsdTdrdrrrrpw dw pr drr d 0关于上限的定积分的导数就是该上限的积分值（莱布尼茨准则）1 1pr pr drrrps s pr r ds直方直方图图均衡化均衡化n对于离散值：prnkrkjrjkknnprs T r kj 0j 0k0,1,2,L-1sk称作直方图均衡化将输入图像中灰度级为rk（
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