第一章图像处理技术基础

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医学图像处理讲义
图像信息——(2)景物信息
是一种能够使人产生主观感觉，但不取决于人本 身的客观场景中包含的信息。景物信息内容丰富， 较难以表达，只有在明确目标的前提下，才能得 到正确处理

如卫星云图中蕴含着气旋信息，气旋的位置与强度是 一种客观存在。
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1.1.1 图像分类
按照图像的光谱特性分

“可见光图像”； “红外光图像”； “雷达图像”； “声呐图像”。
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1.1.1 图像分类
按照图像的时间特性分
“动态图像”

随时间变化的图像，如电视和电影画面。 不随时间变化的图像，如各类图片。
像素集合的邻接和连通

对2个图像子集 S 和 T 来说，如果S中的一个
或一些像素与 T 中的一个或一些像素邻接，则可以
说2个图像子集S 和 T 是邻接的
完全在一个图像子集中的像素组成的通路上的 如果 S 中只有1个连通组元，即 S 中所有像
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像素集合构成该图像子集中的一个连通组元
(3) m-连接（混合连接）：
2类像素 p 和 r 在V 中取值 且满足下列条件之一
① r 在N4(p)中 ② r 在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(r)是空集 （这个集合是由 p 和 r 的在V中取值的 4-连接像素组成的）
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混合连接
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D8距离
2 1 1 1 2 2 1 0 1 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2
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像素距离
像素距离计算示意 DE = 5 D4 = 7 D8 = 4
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1.4 图像显示 图像显示

图像处理的结果多是供观察的
图像数据 亮度模式显示 电视显示器，液晶显示器 阴极射线管（CRT)
2 2 5 种灰度
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半调输出
调制模板
3 3 10 种灰度
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半调输出
半调技术
牺牲图像的空间点数而增加图像的灰度级数
要保持细节，灰度级数就有限
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抖动技术
抖动（dithering）输出技术 引入随机运算，误差传递到邻近像素（抖动）提 高灰度等级
数字（医学）图像处理
Digital (Medical ) Image Processing
第一章 图像技术基础
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第一章 数字图像处理的基本概念
图像和像素 图像技术及分类 图像表示 图像显示 图像存储与格式 视觉基础 颜色视觉和色度学
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f 2i
f2
f Mi
T
fN
i 1, 2, , N
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1.3 图像表示
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章毓晋 (TH-EE-IE)
像素空间排列——邻域
像素的邻域
4-邻域——N4(p)： 对角邻域——ND(p)：
s
r r p r
s p s s
r
s r
r p r
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半调输出
用 15 种 色 调 的 设 备 ， 从 伦 敦 到 纽 约 ， 用 电 缆 进 行 传 送 的 Perihing 和Fozh两将军未经修饰的图片
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半调输出
调制模板
每个输出单元内包含若干个基本二值点
每个模板对应一个输出单元
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美国航天器传送的第一张月球照片，“旅行者7号”1964年7月31日9 点09分在光线影响月球前17分钟前摄取的图像
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1.2图像技术及分类 图像处理指所有涉及与图像信息加工相关的技术 主要功能包括： 对图像的各种加工 基于加工结果的判断决策和行为规划 为此进行的硬件设计及制作
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图像工程的三个层次
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图像工程的三个层次
3个层次 图像处理 图像技术分类及名称 图像采集、获取及存储 图像重建 图像变换、滤波、增强、恢复、拼接 图像压缩编码等 边缘检测、图像分割 目标表达、描述、测量 目标颜色、形状、纹理、空间、运动分 析 目标检测、跟踪、提取、识别、分类等 图像解释、推理 序列图像配准、融合 图像建模等
图像分析
图像理解
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图像工程相关学科
主要相关学科：

图形学：原指用图形、图表、绘图等形式表达 数据信息的科学，而计算机图形学研究的就是如 何利用计算机技术来产生这些形式 图像模式识别：试图把图像分解成可用符号较 抽象地描述的类别
计算机视觉：主要强调用计算机实现人的视觉 功能，目前的研究内容主要与图像理解相结合
图像信息——(3)情绪信息
依赖于观察者，如艺术图片的效果就与观看者本 身的生理、心理、修养有很大的关系，此类信息 无法刻画。
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1.1.3图像处理的基本方法 图像处理（image processing）

对图像加工的各种技术方法的统称，它已被广泛地应 用于许多领域。 模拟图像处理 数字图像处理
s r s
8-邻域——N8(p)：
s
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像素邻域
邻域表达了两重意义：

像素间的空间排列关系 像素间的关系
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像素间的邻接，连接和连通
连接和连通
两个像素是否连接：
(1) 是否邻接
(2) 灰度值是否满足某个特定的相似准 则，如灰度值具有相似性。
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基本方法

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1.2 图像技术及分类 图像处理技术目的在于解决图像采集、存储、传 输、使用图像信息问题 图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总 称
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1.2图像技术及分类 伴随计算机技术发展而来，成型于登月竞赛时代
1946年第一台电子计算机 60年代，第三代计算机 JPL 图像增强和图像复原 70年代 遥感和医学图片 Rosenfeld ，1976 80年代 3D图像获取设备以及分析系统 90年代 人类生活和社会发展的各个方面
“静止图像”

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1.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.2图像信息的分类
三类


符号信息 景物信息 情绪信息
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图像信息——(1)符号信息
一般是用文字、符号、图形等表示的具体的或抽 象的事物。


电路图、机械图、打印的文件等，一般用二值图像表 示。 地图中也包含大量符号，但需要关注颜色信息，因为 它们都有确定的物理含义，如蓝色一般表示湿地。
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1.1.1 图像分类 （2）抽象图像

即“数学图像”，包括连续函数和离散函数。 离散函数图像就是计算机可以处理的形式。 物理图像必须要变成离散函数才能被计算机处理。
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1.1.1 图像分类
按照图像的色彩特性分
彩色图像，又称为“多光谱图像”
按照图像的存在形式分 （1）“物理图像” (physical images) 物质或能量的实际分布 “可见的图像”(visible image) “图片” 包括“照片” (photograph)、“图” (drawings指用线条画成的)和“画” (paintings)， “图片”等价于“图像”，也就 是说“picture”经常和“image”一词混用； “光图像” (optical images)，即用透镜、光 栅和全息术产生的图像，如荧幕、屏幕上出现的 影像。光(学)图像是光强度的空间分布。 “不可见的图像”，如温度、压力、高度以及人口 密度等的分布图。
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连接分类
三种连接
(1) 4-连接： 2个像素p 和 r 在V 中取值且 r 在N4(p)中
(2) 8-连接： 2个像素 p 和 r 在V 中取值且 r 在N8(p)中
0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1
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连接分类
距离与起终点的选择无关
(3) D( p, r) ≤ D( p, q) D(q, r)
最短距离是沿直线的
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像素距离度量函数表达
距离量度函数
(1) 欧氏（Euclidean）距离—模2距离
DE ( p, q) [( x s)2 ( y t )2 ] 1 / 2
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1.3 图像表示
图像表示
M*N矩阵
f11 f 21 F f M1 f12 f 22 f 1N f 2N f MN
fM 2
列矢量
行矢量
f i f1i
F f1
素都互相连通，则称 S 是一个连通集
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像素间距离
距离量度函数
3个像素p，q，r，坐标(x, y)，(s, t)，(u, v)
(1) ( D( p, q) 0 ( D( p, q) 0 当且仅当
两个像素之间的距离总是正的
p q)
(2) D( p, q) D(q, p)
(2) 城区（city-block）距离—模1距离
D4 ( p, q) x s y t
(3) 棋盘（chessboard）距离—模无穷距离
D8 ( p, q) max ( x s , y t )
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像素间距离
等距离轮廓图案
D4距离
2 2 2 1 2 1 0 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2


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图像工程与相关学科和领域的联系和区别
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图像处理应用
应用领域示例
视频通信：可视电话，电视会议，按需电视，远程教育； 文字档案：文字识别，过期档案复原，邮件分捡，支票，签名 辫伪，办公自动化； 生物医学：红白学球计数，染色体分析、X光、CT、MRI、 PET图像分析，医学手术模拟规划，远程医疗； 遥感测绘：巡航导弹制导，无人驾驶飞机飞行，精确制导，矿 藏勘探，资源探测，气象预报，自然灾害监测； 工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监控，移动机器人， 无损探测，金相分析，印刷板质量检验，精细印刷品缺陷检测； 军事公安：雷达图像分析、巡航导弹路径规划 / 制导，罪犯脸 形合成、识别，指纹、印章的鉴定识别； 交通管理：太空探测、航天飞行、公路交通管理。
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1.2图像技术及分类 分为三个层次

图像处理（图像 ——> 图像）
对图像的增强、传输、储存等，改善人眼获得的视觉 信息

图像分析（图像 ——> 数据）
从视觉信息中发掘表达信息特征的抽象数据 图像理解（图像 ——> 解释） 对图像特征的理解，主观感受信息

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图像上的每个点有多于一个的局部特征。 彩色电视中重现的三基色图像，每个像素点就 需要有红、绿、蓝三个基色的三个亮度值表示。 遥感图像可以提供多达7个不同通道的信息。
黑白图像，又称“灰度图像”、“亮度图 像”、“单色图像”等，

每个像素点只有一个亮度值。 黑白照片 黑白电视画面。

显示设备

打印设备
转换到幻灯片、照片或透明胶片上
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半调输出
一般打印设备仅能直接显示输出二值图
半调技术：利用人眼的集成特性，通过控制二值
点模式的形式（包括数量，尺寸，形状等）来获
得视觉上不同的灰度感觉 一种将灰度图像转化为二值图像的技术输出二值 图像，看到灰度图像
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1.1图像和像素 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。 简而言之，图像可简单表述为人眼对于客观世界 的视觉响应。 人类从外界获得的信息约有75％来自视觉系统
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1.1.1 图像分类