数字图像处理 第十一章 图像特征提取与分类
数字图像处理中的特征提取与识别
数字图像处理中的特征提取与识别数字图像处理是目前计算机视觉和人工智能领域中的重要分支，其中特征提取和识别是关键技术之一。
特征提取是将数学模型和算法应用于图像处理过程中提取出的特征量，它是实现数字图像自动识别的基础。
识别是将提取出的特征量作为输入，使用机器学习算法进行计算，最终得出图像所属的类别。
特征提取的重要性特征提取是数字图像处理的基础，是数字图像处理中至关重要的一个环节。
一个好的特征提取算法能够提取有效的信息，通过学习和分类来细化这些信息，为识别提供更加可靠的依据。
特征提取算法的主要目标是使得提取出的特征量能够在数据量上保持一定的稳定性，从而提高识别准确度。
特征提取的方法目前，在数字图像处理中，常用的特征提取方法包括颜色特征、纹理特征和形状特征等。
其中，颜色特征是指通过对图像中每个像素点进行分析，提取出颜色信息的特征，并通过算法来确定图像的颜色分布。
纹理特征则是利用图像中像素点的灰度值在空间上呈现出的变化规律来进行特征提取，该方法通常是利用小区域的纹理信息作为特征量。
形状特征主要是从形状的角度进行提取，包括边缘分布、平坦度、拐角特征等在内，这些特征能够很好地区分不同类型的图像。
识别方法在数字图像处理中，常用的识别方法主要包括模板匹配、基于统计的方法和基于学习的方法等。
其中，模板匹配是一种比较简单的识别方法，它是将一张待识别的图像和已知信息的样本进行比对，得出相似度。
基于统计的方法则是从已知数据样本集中提取出一些统计特征来进行识别。
基于学习的方法是将已知信息的数据样本集通过机器学习算法进行训练，最终得到一个决策函数，通过该函数进行分类。
特征提取与识别的应用数字图像处理中的特征提取和识别方法广泛应用于各个领域，如医疗、安防、交通、农业等。
例如，目前在医疗领域中，数字图像处理技术已经应用于乳腺癌、肾脏疾病等领域，能够在识别疾病方面提供更多、更可靠的信息。
在安防领域，数字图像处理技术能够快速准确地识别出异常情况，提高安全性。
数字图像处理 第十一章 图像特征提取与分类
11.3.2 神经网络方法
（二）、BP神经网络算法 BP (Back Propagation)神经网络全称为基于误差反向传播算法
的人工神经网络。相比较于数字计算机，人工神经网络在构成原理和 功能特点等方面更加接近人脑，与计算机不同，它不是按给定的程序 一步一步地执行运算，而是能够自身适应环境、总结规律、完成某种 运算、识别或过程控制。
(1)以每个关键点为中心选择一个大小为41×41的像斑 (2)分别计算区域内像素点（不包括边缘点）的垂直，水平梯度，得到 一个2×39×39=3042 维的特征向量。
11.4.2 增强型PCA-SIFT特征提取
(3)将关键点特征向量组成一个k×3042的矩阵A (4)使用PCA算法，得到一个n×3042的投影矩阵。 计算PCA-SIFT 投影矩阵的步骤：首先选取有代表性的图像，检测到这 些图像的所有关键点之后， (1)以每个关键点为中心选择一个大小为41×41的像斑 (2)分别计算区域内像素点（不包括边缘点）的垂直，水平梯度，得到一 个2×39×39=3042 维的特征向量。 (3)将关键点特征向量组成一个k×3042的矩阵A (4)使用PCA算法，得到一个n×3042的投影矩阵。
地解决由于环境变化而引起的图像变化问题。 该算法分为三个部分：Gabor变换，投影分析确定人眼区域的横坐
标和纵坐标。
11.4.1 基于Gabor滤波人眼定位算法
（二）、人脸图像的Gabor变换 Gabor滤波器的核函数
11.4.1 基于Gabor滤波人眼定位算法
Gabor基的实部
11.4.1 基于Gabor滤波人眼定位算法
（一）、BP神经网络的基本结构 BP网络是一种单向传播的多层前向网络，它具有三层或三层以上的神
精品文档-数字图像处理(第二版)何东建-第11章
第11章 图像编码
11.2 哈夫曼编码 11.2.1 哈夫曼编码的理论基础
根据信息论中信源编码理论，当平均码长R大于等于图像 熵H时，总可设计出一种无失真编码。当平均码长远大于图像 熵时，表明该编码方法效率很低； 当平均码长等于或很接近 于(但不大于)图像熵时，称此编码方法为最佳编码，此时不会 引起图像失真； 而当平均码长大于图像熵时，压缩比较高， 但会引起图像失真。在变长编码中，如果码字长度严格按照对 应符号出现的概率大小逆序排列，则其平均码字长度为最小， 这就是变长最佳编码定理。变长最佳编码定理是哈夫曼编码的 理论基础。
第11章 图像编码
(2) 小波编码。1989年，S.G.Mallat首次将小波变换用 于图像编码。经过小波变换后的图像具有良好的空间方向选择 性，而且是多分辨率的，能够保持原图像在各种分辨率下的精 细结构，与人的视觉特性十分吻合。
(3) 模型编码。模型编码是近年发展起来的一种很有前 途的低比特率编码方法，其基本出发点是在编、解码两端分别 建立起相同的模型，编码时利用先验模型抽取图像中的主要信 息并用模型参数的形式表示，解码时则利用所接收的模型参数 重建图像。
(2) 保真度编码, 主要利用人眼的视觉特性，在允许的 失真(Lossy)条件下或一定的保真度准则下，最大限度地压缩 图像。保真度编码可以实现较大的压缩比，主要用于数字电视 技术、静止图像通信、娱乐等方面。对于这些图像，过高的空 间分辨率和过多的灰度层次，不仅增加了数据量，而且人眼也 接收不到。因此，在编码过程中可以丢掉一些人眼不敏感的信 息，在保证一定的视觉效果条件下提高压缩比。
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(完整版)数字图像处理：部分课后习题参考答案
第一章1.连续图像中，图像为一个二维平面，(x,y)图像中的任意一点，f（x,y）为图像于(x,y)于处的值。
连续图像中，(x,y)的取值是连续的，f(x,y)也是连续的数字图像中，图像为一个由有限行有限列组成的二维平面，（i,j)为平面中的任意一点，g（i,j)则为图像在（i,j)处的灰度值，数字图像中，（i,j) 的取值是不连续的，只能取整数，对应第i行j列,g（i,j) 也是不连续的，表示图像i行j列处图像灰度值。
联系：数字图像g(i,j)是对连续图像f(x,y)经过采样和量化这两个步骤得到的。
其中g(i,j)=f(x,y)|x=i,y=j2. 图像工程的内容可分为图像处理、图像分析和图像理解三个层次，这三个层次既有联系又有区别，如下图所示。
图像处理的重点是图像之间进行的变换。
尽管人们常用图像处理泛指各种图像技术，但比较狭义的图像处理主要是对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果并为自动识别奠定基础，或对图像进行压缩编码以减少所需存储空间图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。
如果说图像处理是一个从图像到图像的过程，则图像分析是一个从图像到数据的过程。
这里的数据可以是目标特征的测量结果，或是基于测量的符号表示，它们描述了目标的特点和性质。
图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导和规划行动。
如果说图像分析主要以观察者为中心来研究客观世界，那么图像理解在一定程度上是以客观世界为中心，借助知识、经验等来把握整个客观世界(包括没有直接观察到的事物)的。
联系：图像处理、图像分析和图像理解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形式的描述。
图像处理中的特征提取与分类方法
图像处理中的特征提取与分类方法图像处理技术是指利用计算机和数字图像处理技术来处理不同类型的图像，从而得到有效的信息。
图像处理被广泛应用于医学诊断、数字水印、娱乐、安防领域等方面。
其中一个重要的步骤就是图像的特征提取与分类，下面我将详细介绍这个过程中所用到的方法。
一、特征提取特征提取是图像处理中最关键的步骤之一。
图像中的特征是指具有区别度的、代表性的、不同的属性，不同的特征可以用于不同的分类任务。
在图像处理中，特征可以分为两种类型：结构特征和统计特征。
1. 结构特征结构特征是基于像素本身的一些属性来描述图像的特征，包括如下几种：（1）边缘特征：边缘是图像上两种不同灰度的区域之间的分界线。
边缘特征可以通过边缘检测算法来提取。
（2）角点特征：角点是图像上局部区域的转折点，可以用于跟踪和目标检测。
（3）纹理特征：纹理是图像上一种空间上或颜色上呈现规律的、重复的模式，可以用于纹理识别。
（4）形状特征：形状可以描述物体的几何形状，如圆、椭圆、矩形等。
2. 统计特征统计特征是通过对图像各个像素灰度值的统计分布来描述图像的特征，包括如下几种：（1）直方图：直方图描述了图像每个像素的灰度值出现的次数。
（2）均值和方差：均值表示图像区域内像素灰度值的平均值，方差表示图像区域内像素灰度值的变异程度。
（3）能量和熵：能量表示图像区域内像素良好分布的程度，熵表示图像区域内像素的信息量。
二、分类方法特征提取后，需要将其用于图像分类。
在图像分类上，根据不同任务，可以采用不同的分类方法。
1. 传统分类方法传统分类方法是指基于数学模型来描述图像特征和分类关系的分类方法，主要包括如下几种：（1）KNN算法：KNN算法是指K-近邻算法，是一种基于样本的分类方法。
对于一个测试样本，找出与它最相似的K个训练样本，用它们的分类标签中出现最多的作为预测结果。
（2）SVM算法：SVM算法是指支持向量机算法，是一种二分类模型，可以采用核函数进行非线性分类。
图像处理中的特征提取与分类算法
图像处理中的特征提取与分类算法图像处理是指通过计算机技术对图像进行分析、处理和识别，是一种辅助人类视觉系统的数字化技术。
在图像处理中，特征提取与分类算法是非常重要的一个环节，它能够从图像中提取出不同的特征，并对这些特征进行分类，从而实现图像的自动化处理和识别。
本文将对图像处理中的特征提取与分类算法进行详细介绍，主要包括特征提取的方法、特征分类的算法、以及在图像处理中的应用。
一、特征提取的方法1.1颜色特征提取颜色是图像中最直观的特征之一，它能够有效地描述图像的内容。
颜色特征提取是通过对图像中的像素点进行颜色分析，从而得到图像的颜色分布信息。
常用的颜色特征提取方法有直方图统计法、颜色矩法和颜色空间转换法等。
直方图统计法是通过统计图像中每种颜色的像素点数量，从而得到图像的颜色直方图。
颜色矩法则是通过对图像的颜色分布进行矩运算，从而得到图像的颜色特征。
颜色空间转换法是将图像从RGB颜色空间转换到其他颜色空间，比如HSV颜色空间，从而得到图像的颜色特征。
1.2纹理特征提取纹理是图像中的一种重要特征，它能够描述图像中不同区域的物体表面特性。
纹理特征提取是通过对图像中的像素点进行纹理分析，从而得到图像的纹理信息。
常用的纹理特征提取方法有灰度共生矩阵法、小波变换法和局部二值模式法等。
灰度共生矩阵法是通过统计图像中不同像素点的灰度级别分布，从而得到图像的灰度共生矩阵，进而得到图像的纹理特征。
小波变换法是通过对图像进行小波变换，从而得到图像的频域信息，进而得到图像的纹理特征。
局部二值模式法是采用局部像素间差异信息作为纹理特征，从而得到图像的纹理特征。
1.3形状特征提取形状是图像中的一种重要特征，它能够描述图像中物体的外形和结构。
形状特征提取是通过对图像中的像素点进行形状分析，从而得到图像的形状信息。
常用的形状特征提取方法有轮廓分析法、边缘检测法和骨架提取法等。
轮廓分析法是通过对图像中物体的外轮廓进行分析，从而得到图像的形状特征。
图像特征及图像特征提取
图像特征及图像特征提取图像特征是图像中的显著和重要的信息，用于描述和区分不同的图像。
图像特征提取是从图像中提取这些特征的过程。
图像特征可以分为两类：全局特征和局部特征。
全局特征是整个图像的统计性质，例如颜色直方图、颜色矩和纹理特征等。
局部特征则是在图像的局部区域中提取的特征，例如SIFT（尺度不变特征变换）、HOG（方向梯度直方图）和SURF（加速稳健特征）等。
图像特征提取的过程可以分为以下几步：1.预处理：对图像进行去噪、图像增强、颜色空间转换等处理，以提高图像的质量和可分辨性。
2.特征选择：根据具体应用需求和图像特征的表达能力，选择适合的特征。
例如，对于目标识别任务，可以选择具有良好局部不变性和可区分性的局部特征。
3.特征提取：根据选择的特征，从图像中提取特征。
对于全局特征，可以使用颜色直方图、颜色矩、纹理特征等方法；对于局部特征，可以使用SIFT、HOG、SURF等方法。
4.特征表示：将提取的特征表示为向量或矩阵形式，以便后续的分类、检索或识别任务。
5.特征匹配：对于图像检索、图像匹配等任务，需要将查询图像的特征与数据库中的图像特征进行比较和匹配，找到最相似的图像。
图像特征提取的方法和算法有很多，以下是一些常用的方法：1.颜色特征：颜色是图像的重要特征之一、颜色直方图描述了图像中每个颜色的分布情况，颜色矩描述了图像中颜色的平均值和方差等统计性质。
2.纹理特征：纹理是图像中的重要结构信息。
常用的纹理特征提取方法有灰度共生矩阵、方向梯度直方图、小波变换等。
3.形状特征：形状是物体的基本属性之一、形状特征提取方法有边缘检测、形状描述子等。
4.尺度不变特征变换（SIFT）：SIFT是一种局部特征提取方法，具有尺度不变性和旋转不变性，适用于图像匹配和目标识别任务。
5.方向梯度直方图（HOG）：HOG是一种局部特征提取方法，通过计算图像中每个像素的梯度方向和强度，获得图像的局部特征。
6.加速稳健特征（SURF）：SURF是一种局部特征提取方法，具有尺度不变性和旋转不变性，适用于图像匹配和目标识别任务。
数字图像处理中的特征提取技术
数字图像处理中的特征提取技术数字图像处理是一种涉及数字计算机与图像处理的技术。
它能够对图像进行一系列的处理，包括图像增强、特征提取、图像分割等。
其中，特征提取是数字图像处理中非常重要的一环，通过对图像中的关键特征进行提取和分析，可以实现图像分类、目标识别和图像检索等多种应用。
本文将介绍数字图像处理中的特征提取技术。
一、特征提取的概述特征提取是数字图像处理中的一项重要技术，其主要目的是从图像中提取出具有代表性的特征，这些特征可以被用于图像分类、目标检测和图像识别等应用中。
通常情况下，特征提取可以分为两种方式：1.直接提取图像的原始特征。
这种方式可以直接从图像中提取出像素点的信息，包括图像的颜色、灰度值等。
这些原始特征经过一些处理后可以发挥很大的作用。
2.间接提取图像的特征。
这种方法则需要将原始图像进行一些复杂的变换和处理，例如提取图像的边缘、纹理、形状等特征，再通过算法分析得出更加有价值的特征信息。
二、特征提取的算法1.边缘检测算法边缘检测是图像处理中的一项基本操作，其目的是提取出图像中的边缘信息。
实际上，边缘检测是一种间接的特征提取方法，通过提取出图像中的边缘信息，可以实现图像目标的检测和二值化操作。
常见的边缘检测算法包括Canny算法、Sobel算法、Laplacian算法等。
2.纹理特征提取算法纹理是图像中最基本、最重要的特征之一，其包含了图像中的细节信息，并能够有效地描述图像的表面纹理。
因此，通过提取纹理特征可以有效地用于图像分类和目标检测等应用中。
常见的纹理特征提取算法包括LBP算法、GLCM算法、Gabor算法等。
3.形状特征提取算法形状是图像中最基本、最重要的特征之一，其能够有效地描述图像中物体的大小和形态。
因此，通过提取形状特征可以用于目标检测和图像匹配等应用中。
常见的形状特征提取算法包括Hu不变矩算法、Zernike矩算法、Fourier描述子算法等。
三、特征提取的应用数字图像处理中的特征提取技术可以应用于多种应用领域中，例如：1.图像识别通过提取图像中的特征信息，可以建立有效的图像识别模型，实现对图像的分类和识别。
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11.3.2 神经网络方法
（二）、BP神经网络算法 BP (Back Propagation)神经网络全称为基于误差反向传播算法
11.2.1 低层次特征提取
（三）、最小外接矩形——长轴与短轴
11.2.1 低层次特征提取
MER计算方法：将物体每次以左右的增量在范围内旋转。每旋转一次， 记录其坐标系方向上的外接矩形边缘点的最大和最小值，从而求出外接矩 形的面积。
11.2.2 高层次特征提取
（一）、链码 利用一系列具有特定长度和方向的相连直线段来表示目标的边界。 算法描述： (1)给每一个线段一个方向编码； (2)有4链码和8链码两种编码方法； (3)从起点开始，沿边界编码，至起点被重新碰到，结束一个对象的编码。
标变化为x(l)+jy(l)是一个以形状边界周长为周期的函数。
11.2.2 高层次特征提取
反变换
11.2.2 高层次特征提取
原图 K=64
p=4
p=61
p=62
11.2.2 高层次特征提取
（三）、纹理谱
像素点的纹理单元TU
11.2.2 高层次特征提取
像素值的纹理模式
归一化的纹理谱
11.3 图像特征分类基础
链码旋转归 一化的意义
原始链码在边界旋转后发生变化，所以利用链码的一阶差分来重新构 造的序列就不会随边界的旋转而变化。
实现一阶差分链码：通过计算目标元素与其逆时针方向相邻元素的数 字来得到。
11.2.2 高层次特征提取
旋转归一化
11.2.2 高层次特征提取
（二）、傅立叶描绘子 假定物体的形状是一条封闭的曲线，沿边界曲线上的一个动点p(l)的坐
11.1特征提取及分类概述
图像特征提取与分析的目的是为了让计算机具有认识或者识别图像的 能力，即图像识别。
图像识别是根据一定的图像特征进行的，因而，这些特征的选择便尤 为重要，将会直接影响到图像识别分类器的设计、性能及识别结果的准确 性。
11.1 特称提取与分类概述
（一）、模式识别系统的基本构成
模式识别处理流程
11.1 特称提取与分类概述
（二）、目标描述的概念
为便于识别，目标描述符应该具备如下重要的属性： 1、当两个目标具有相同的形状时，它们一定具有相同的描述符。 2、当同一目标发生一定的旋转或平移时，描述符不变，表明描述的是 同一个物体。 3、描述符尽量具备的性质，即它所描述的尽量包含一些该物体所特有 的，区别于其他物体的独一无二的特征。
11.2.2 高层次特征提取
4方向链码
8方向链码
11.2.2 高层次特征提取
例：若设起始点的坐标为，则分别用4方向和8方向链码按逆时针顺 序表示图11-4中网格图像的区域边界。则4方向链码：1 1 1 2 3 2 3 2 3 0 0 0； 8方向链码：2 2 2 4 5 5 6 0 0 0；
网格图像
11.3.1 距离分类器设计与应用
距离是描述像素点之间关系的重要度量，也是特征分类最简单的方法 之一。常用的表示方法有欧式距离，市区街道距离，棋盘距离等。 （一）、欧式距离
（二）、市区街道距离
11.3.1 距离分类器设计与应用
（街道距离
棋盘距离
11.3.2 神经网络方法
11.2.2 高层次特征提取
链码表示的特点： （1）只有边界的起点需用绝对坐标表示，其余点都可只用接续方向来 代表偏移量； （2）链码表达可大大减少边界表示所需的数据量。 采用链码的方法存在的问题： （1）产生的码串通常情况下会很长； （2）链码发生与目标整体形状无关的较大变动。
11.2.2 高层次特征提取
11.1 特称提取与分类概述
（三）、图像特征的概念
特征是某一类对象区别于其他对象的相应特点或特性，或是这些特点 和特性的集合。特征是通过测量或处理能够抽取的数据。对于图像而言， 每一幅图像都具有能够区别于其他类图像的自身特征，有些是可以直观地 感受到的自然特征，比如亮度。边缘、纹理和色彩等等吧，有些则是需要 通过变换或处理才能得到的，如矩、直方图以及主成分等。
11.2 常用的图像特征提取方法
11.2.1 低层次特征提取
（一）、灰度特征 灰度特征可以在图像的某些特定的像素点上或者其邻域内测定，也可
以在某个区域内测定。
11.2.1 低层次特征提取
（二）、周长和面积 周长与面积是描述图像区域大小的最基本的特征，周长与面积只与区
域的边缘有关，而与其内部灰度值的变化没有关系。 计算区域周长的方法： (1) 边界点的面积之和。
（2）当链码值为奇数时，其长度记作 ，当链码值为偶数时，其长度 记作1。周长P如下：
11.2.1 低层次特征提取
常用的面积计算方法： (1)一种是利用像素点数计算面积。
(2)利用链码计算面积。
11.2.1 低层次特征提取
设
则相应边缘包围的面积
11.2.1 低层次特征提取
(3)利用边缘坐标计算面积。
（一）、BP神经网络的基本结构 BP网络是一种单向传播的多层前向网络，它具有三层或三层以上的神
经网络，包括输入层、中间层和输出层。
特点： 各层神经元仅与相邻层神经元之间相互全连接，同层内神经元之间无 连接，各层神经元之间无反馈连接，构成具有层次结构的前馈型神经网络 系统。
11.3.2 神经网络方法
11.1 特称提取与分类概述
（四）、特征选择及分类的概念
从一组特征中挑选出一些有效的特征以达到降低特征空间维数的目的， 这个过程叫特征选择。
评判的标准有以下4个方面： 1. 可区别性 2. 可靠性 3. 独立性 4. 数量少
11.1 特称提取与分类概述
特征提取和选择的总原则是：尽可能减少整个识别系统的处理时间和 错误识别率，当两者无法兼得时，需要做出相应的平衡；或者缩小错误识 别的概率，以提高识别精度，但会增加系统运行的时间；或者提高整个系 统速度以适应实时需要，但会增加错误识别的概率。
叠加在数字化边界线上的重取样网格
重取样的结果
11.2.2 高层次特征提取
0 01 1
0 3 3
01
3
1
3
1
1 21 2
3 32 3 2
0
7 2
1
6
2
6
1
6
2
6
3 3
5 5
重取样链码表示
11.2.2 高层次特征提取
边界的链码取决于起始点。可以通过简单的过程实现关于起始点的归 一化
起始点归一化
11.2.2 高层次特征提取