图像处理基础教程章毓晋-01
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章毓晋 编著 电子工业出版社，2012
第1 章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
第1章
绪论
图像基础 图像工程 图像采集设备 图像半调和抖动输出 图像存储 关于本书
图像处理基础教程 第2页
1.1 图像基础
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
第1章 图像处理基础教程 第18页
1.4 图像半调和抖动输出
图像显示对人观察和利用图像处理的结果非常 重要 各种打印机也可看作图像显示设备
1.4.1 1.4.2
半调输出 抖动输出
第1章
图像处理基础教程
第19页
1.4.1
半调输出
将灰度（或彩色）图像转化为二值图像的技术 同时利用了人眼的集成特性 (1) 幅度调制 通过调整输出黑点的尺寸来显示不同灰度 (2) 频率调制 通过调整输出黑点在空间的分布（点间的间隔 或一定区域内点出现的频率）来显示不同灰度 结合AM半调技术和FM半调技术
第1章 图像处理基础教程 第4页
1.1.1
图像表示和显示
2-D图像既可以用一个2-D数组f(x, y)来表示， 也可用一个2-D矩阵F来表示：
f11 f 21 F = fM 1 f12 f 22 fM 2 f MN f1 N f2 N
第1章
图像处理基础教程
第6页
1.1.1
图像表示和显示
对2-D图像的显示：将2-D图像看作在2-D空间 中的一种幅度分布 对同一个二值图像矩阵的3种不同的可视表达 方式
第1章
图像处理基础教程
第7页
1.1.2
空间分辨率和幅度分辨率
一幅图像必须要在空间和灰度上都离散化后才 能被计算机处理 采样：空间坐标的离散化称为空间采样，它确定了 图像的空间分辨率 量化：灰度值的离散化称为灰度量化，它确定了图 像的幅度分辨率 存储一幅图像所需的数据量
第1章 图像处理基础教程 第13页
1.2.5
图像工程文献统计分类
从1996年起，《中国图像图形学报》上连续刊 登了对图像工程文献统计分类的综述文章 表1.2.1给出了对从1995年到2009年共15年期间 发表在国内15种图像工程重要期刊上的图像工程文 献统计分类的概况 (1)选取总数逐年增长表明对图像工程的研究和应 用在我国越来越广泛 (2)文献选取率基本上是单增的 (3)有关图像处理的文献总数量多于其他几类，表 明图像处理在图像工程中占有重要地位
第1章 图像处理基础教程 第20页
1.4.1
半调输出
建立一套模板，每个模板对应一个输出单元 让每个模板输出不同的灰度
这个单元需要4个比特，可以输出5种灰度 半调输出在使用相同的存储单元时，其输出级 数减少，输出尺寸增加
第1章 图像处理基础教程 第21页
1.4.2
抖动输出
半调输出技术通过牺牲图像的空间点数而增加 图像的灰度级数 当一幅图像的灰度级比较少（量化比较粗） 时，图像的质量会比较差（例如出现虚假轮廓现 象） 抖动技术通过调节或变动图像的幅度值来改善 量化过粗图像的显示质量 抖动可通过对原始图像f(x, y)加一个随机的小噪 声d(x, y)来实现
第1章 图像处理基础教程 第10页
1.2.2
图像工程的3个层次
在操作对象和语义层次上都各有特点，而各层 次在数据量和抽象性方面均有不同
第1章
图像处理基础教程
第11页
1.2.3
图像工程相关学科和领域
图像工程的研究范围多个专业互相交叉 各学科互相联系，覆盖面有所重合
第1章
图像处理基础教程
第12页
1.2.4
M = 2m
N = 2n G = 2k
例1.1.5
第1章
分辨率与存储和处理
图像处理基础教程 第8页
G = 2k
1.2 图像工程
1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5
第1章
图像技术和图像工程 图像工程的3个层次 图像工程相关学科和领域 图像工程的技术应用 图像工程文献统计分类
图像处理基础教程 第9页
第1章 图像处理基础教程 第26页
1.6 关于本书
1.6.1 1.6.2 1.6.3 整体框架和各章概述 编写特点 先修基础
第1章
图像处理基础教程
第27页
1.6.1
整体框架和各章概述
第1章是对图像处理的概括介绍 第2章介绍一些有关图像采集的基础知识 第3章介绍图像空域增强的技术 第4章介绍基本的图像变换 第5章介绍图像频域增强的技术 第6章介绍图像恢复技术 第7章介绍图像编码技术内容
图像工程的技术应用
(1)视频通信：可视电话，电视会议，交互式电视点播 (2)文字档案：文字识别，办公自动化，支票，签名辨伪 (3)生物医学：红白血球计数，染色体分析，X射线、CT、 MRI、PET图像分析，医学手术模拟规划，远程医疗 (4)遥感测绘：矿藏勘探，资源探测，气象预报 (5)工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监 控，邮政自动化，移动机器人，无损探测，金相分析 (6)军事公安：军事侦察，无人驾驶飞机飞行，罪犯脸形合 成、识别、查询，指纹、印章的鉴定识别 (7)智能交通：太空探测、航天飞行、公路交通管理，自动 行驶车辆安全操纵
第1章 图像处理基础教程 第25页
1.5.2
图像文件格式
图像数据文件主要使用光栅（也称位图或像素 图）形式，该形式与人对图像的理解一致（一幅图 像是许多图像点的集合） (1)BMP格式 (2)GIF格式 (3)TIFF格式 (4)JPEG格式 不同的系统平台和软件常使用不同的图像文件 格式
采集设备性能百度文库标
(1)线性响应：输入信号的强度与输出信号的强度 (2)灵敏度：光子个数表示 (3)信噪比： (4)不均匀度：指输入物理信号为常数而输出的数 字形式不为常数的现象 (5)像素形状：一般是正方形 (6)频谱灵敏度：对不同频率的幅射的相对敏感度 (7)快门速度：对应采集拍摄时间 (8)读取速率：
第1章 图像处理基础教程 第14页
1.2.5
图像工程文献统计分类
第1章
图像处理基础教程
第15页
1.3 图像采集设备
图像采集借助一定的设备来实现，这些设备将 客观场景转化为可用计算机加工的图像，也称为成 像设备
1.3.1 1.3.2
采集设备性能指标 固态采集器件
第1章
图像处理基础教程
第16页
1.3.1
第1章 图像处理基础教程 第17页
1.3.2
固态采集器件
固态阵是目前得到广泛使用的采集器件，由称 为感光基元的离散硅成像元素构成。这样的感光基 元能产生与所接收的输入光强成正比的输出电压 (1)CCD器件 电荷耦合器件（CCD）摄像机是应用最广泛的 图像采集设备之一 (2)CMOS器件 互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器 (3)CID器件 电荷注射器件（CID）传感器
第1章 图像处理基础教程 第22页
1.4.2
例1.4.2
抖动输出
抖动实例
第1章
图像处理基础教程
第23页
1.5 图像存储
图像存储需要使用图像存储器，并以一定的格 式存储
1.5.1 1.5.2
图像存储器 图像文件格式
第1章
图像处理基础教程
第24页
1.5.1
图像存储器
存储图像需要大量的空间。在计算机中，图像 数据最小的量度单位是比特 （ b ），其上有字节 （B，1B = 8b）、千字节（KB）、兆（10 6）字节 （M B）、吉（10 9）字节（GB）、太（10 12）字 节（TB）等 (1)处理过程中使用的快速存储器 (2)用于比较快地重新调用的在线或联机存储 器 (3)不经常使用的数据库（档案库）存储器
作 者 联 系 信 息
通信地址：北京清华大学电子工程系 邮政编码：100084 办公地址：清华大学，罗姆楼，6层305室 办公电话：(010) 62798540 传真号码：(010) 62770317 电子邮件：zhang-yj@tsinghua.edu.cn 个人主页：oa.ee.tsinghua.edu.cn/~zhangyujin/
也可以化成矢量表达
F = [ f1
fi
第1章
f2 f N ]
1, 2, , N
第5页
T f1i f 2 i f Mi ] i [=
图像处理基础教程
1.1.1
图像表示和显示
对2-D图像的显示：将2-D图像看作在2-D空间 中的一种幅度分布 两幅典型的灰度图像（Lena和Cameraman）
1.2.1
图像技术和图像工程
图像工程是一门系统地研究各种图像理论、技 术和应用的新的交叉学科 图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的 总称：图像的采集、获取、编码、存储和传输，图 像的合成和产生，图像水印的嵌入和提取，图像的 显示和输出，图像的变换、增强、恢复、修复和投 影重建，图像的分割，目标的检测、跟踪、表达和 描述，目标特征的提取和测量，以及基于它们的判 断决策和行为规划等
第1章 图像处理基础教程 第30页
1.6.3
先修基础
内容基本属于信息学科专业基础范围 (1)数学：线性代数和矩阵理论，统计 学、概率论和随机建模 (2)计算机科学：计算机软件技术，计 算机结构体系，计算机编程方法 (3)电子学：采集图像的照相机和采集 视频的摄像机都是电子器件
第1章 图像处理基础教程 第31页
第1章 图像处理基础教程 第32页
第1章 图像处理基础教程 第29页
1.6.2
编写特点
各章基本自成体系，可以根据需要独立学习 大多数章均有一节或多节为选学内容 各章末均给出了一些练习题（包括思考类型的 和计算类型的） 书末给出了对其中少部分题（每章两个，主要 是涉及计算的题）的解答 书后提供了一些精选参考文献的目录 最后还提供了主题/术语索引
1.1.1 1.1.2
图像表示和显示 空间分辨率和幅度分辨率
第1章
图像处理基础教程
第3页
1.1.1
图像表示和显示
一幅图像可以用一个2-D数组f(x, y)来表示 性质F的含义常取决于图像的类别 灰度图像中f表示灰度值 文本图像常为二值图像 彩色图像在每一个图像点同时具有红、绿、蓝 3个值，可记为[fr(x, y), fg(x, y), fb(x, y)] 例1.1.1一般的图像表达函数 图像中每个基本单元叫做图像元素，简称像素
第1章 图像处理基础教程 第28页
1.6.1
整体框架和各章概述
第8章介绍图像分割技术 第 9 章介绍对图像经过分割后所提取出的感兴 趣目标的表达方法和与此密切相关的目标描述方法 第10章介绍各种图像特征提取和测量技术 本书另有一个附录A，介绍图像国际标准 + 部分练习题解答、参考文献和主题名词索引 （包括英文）
第1 章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
第1章
绪论
图像基础 图像工程 图像采集设备 图像半调和抖动输出 图像存储 关于本书
图像处理基础教程 第2页
1.1 图像基础
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
第1章 图像处理基础教程 第18页
1.4 图像半调和抖动输出
图像显示对人观察和利用图像处理的结果非常 重要 各种打印机也可看作图像显示设备
1.4.1 1.4.2
半调输出 抖动输出
第1章
图像处理基础教程
第19页
1.4.1
半调输出
将灰度（或彩色）图像转化为二值图像的技术 同时利用了人眼的集成特性 (1) 幅度调制 通过调整输出黑点的尺寸来显示不同灰度 (2) 频率调制 通过调整输出黑点在空间的分布（点间的间隔 或一定区域内点出现的频率）来显示不同灰度 结合AM半调技术和FM半调技术
第1章 图像处理基础教程 第4页
1.1.1
图像表示和显示
2-D图像既可以用一个2-D数组f(x, y)来表示， 也可用一个2-D矩阵F来表示：
f11 f 21 F = fM 1 f12 f 22 fM 2 f MN f1 N f2 N
第1章
图像处理基础教程
第6页
1.1.1
图像表示和显示
对2-D图像的显示：将2-D图像看作在2-D空间 中的一种幅度分布 对同一个二值图像矩阵的3种不同的可视表达 方式
第1章
图像处理基础教程
第7页
1.1.2
空间分辨率和幅度分辨率
一幅图像必须要在空间和灰度上都离散化后才 能被计算机处理 采样：空间坐标的离散化称为空间采样，它确定了 图像的空间分辨率 量化：灰度值的离散化称为灰度量化，它确定了图 像的幅度分辨率 存储一幅图像所需的数据量
第1章 图像处理基础教程 第13页
1.2.5
图像工程文献统计分类
从1996年起，《中国图像图形学报》上连续刊 登了对图像工程文献统计分类的综述文章 表1.2.1给出了对从1995年到2009年共15年期间 发表在国内15种图像工程重要期刊上的图像工程文 献统计分类的概况 (1)选取总数逐年增长表明对图像工程的研究和应 用在我国越来越广泛 (2)文献选取率基本上是单增的 (3)有关图像处理的文献总数量多于其他几类，表 明图像处理在图像工程中占有重要地位
第1章 图像处理基础教程 第20页
1.4.1
半调输出
建立一套模板，每个模板对应一个输出单元 让每个模板输出不同的灰度
这个单元需要4个比特，可以输出5种灰度 半调输出在使用相同的存储单元时，其输出级 数减少，输出尺寸增加
第1章 图像处理基础教程 第21页
1.4.2
抖动输出
半调输出技术通过牺牲图像的空间点数而增加 图像的灰度级数 当一幅图像的灰度级比较少（量化比较粗） 时，图像的质量会比较差（例如出现虚假轮廓现 象） 抖动技术通过调节或变动图像的幅度值来改善 量化过粗图像的显示质量 抖动可通过对原始图像f(x, y)加一个随机的小噪 声d(x, y)来实现
第1章 图像处理基础教程 第10页
1.2.2
图像工程的3个层次
在操作对象和语义层次上都各有特点，而各层 次在数据量和抽象性方面均有不同
第1章
图像处理基础教程
第11页
1.2.3
图像工程相关学科和领域
图像工程的研究范围多个专业互相交叉 各学科互相联系，覆盖面有所重合
第1章
图像处理基础教程
第12页
1.2.4
M = 2m
N = 2n G = 2k
例1.1.5
第1章
分辨率与存储和处理
图像处理基础教程 第8页
G = 2k
1.2 图像工程
1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5
第1章
图像技术和图像工程 图像工程的3个层次 图像工程相关学科和领域 图像工程的技术应用 图像工程文献统计分类
图像处理基础教程 第9页
第1章 图像处理基础教程 第26页
1.6 关于本书
1.6.1 1.6.2 1.6.3 整体框架和各章概述 编写特点 先修基础
第1章
图像处理基础教程
第27页
1.6.1
整体框架和各章概述
第1章是对图像处理的概括介绍 第2章介绍一些有关图像采集的基础知识 第3章介绍图像空域增强的技术 第4章介绍基本的图像变换 第5章介绍图像频域增强的技术 第6章介绍图像恢复技术 第7章介绍图像编码技术内容
图像工程的技术应用
(1)视频通信：可视电话，电视会议，交互式电视点播 (2)文字档案：文字识别，办公自动化，支票，签名辨伪 (3)生物医学：红白血球计数，染色体分析，X射线、CT、 MRI、PET图像分析，医学手术模拟规划，远程医疗 (4)遥感测绘：矿藏勘探，资源探测，气象预报 (5)工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监 控，邮政自动化，移动机器人，无损探测，金相分析 (6)军事公安：军事侦察，无人驾驶飞机飞行，罪犯脸形合 成、识别、查询，指纹、印章的鉴定识别 (7)智能交通：太空探测、航天飞行、公路交通管理，自动 行驶车辆安全操纵
第1章 图像处理基础教程 第25页
1.5.2
图像文件格式
图像数据文件主要使用光栅（也称位图或像素 图）形式，该形式与人对图像的理解一致（一幅图 像是许多图像点的集合） (1)BMP格式 (2)GIF格式 (3)TIFF格式 (4)JPEG格式 不同的系统平台和软件常使用不同的图像文件 格式
采集设备性能百度文库标
(1)线性响应：输入信号的强度与输出信号的强度 (2)灵敏度：光子个数表示 (3)信噪比： (4)不均匀度：指输入物理信号为常数而输出的数 字形式不为常数的现象 (5)像素形状：一般是正方形 (6)频谱灵敏度：对不同频率的幅射的相对敏感度 (7)快门速度：对应采集拍摄时间 (8)读取速率：
第1章 图像处理基础教程 第14页
1.2.5
图像工程文献统计分类
第1章
图像处理基础教程
第15页
1.3 图像采集设备
图像采集借助一定的设备来实现，这些设备将 客观场景转化为可用计算机加工的图像，也称为成 像设备
1.3.1 1.3.2
采集设备性能指标 固态采集器件
第1章
图像处理基础教程
第16页
1.3.1
第1章 图像处理基础教程 第17页
1.3.2
固态采集器件
固态阵是目前得到广泛使用的采集器件，由称 为感光基元的离散硅成像元素构成。这样的感光基 元能产生与所接收的输入光强成正比的输出电压 (1)CCD器件 电荷耦合器件（CCD）摄像机是应用最广泛的 图像采集设备之一 (2)CMOS器件 互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器 (3)CID器件 电荷注射器件（CID）传感器
第1章 图像处理基础教程 第22页
1.4.2
例1.4.2
抖动输出
抖动实例
第1章
图像处理基础教程
第23页
1.5 图像存储
图像存储需要使用图像存储器，并以一定的格 式存储
1.5.1 1.5.2
图像存储器 图像文件格式
第1章
图像处理基础教程
第24页
1.5.1
图像存储器
存储图像需要大量的空间。在计算机中，图像 数据最小的量度单位是比特 （ b ），其上有字节 （B，1B = 8b）、千字节（KB）、兆（10 6）字节 （M B）、吉（10 9）字节（GB）、太（10 12）字 节（TB）等 (1)处理过程中使用的快速存储器 (2)用于比较快地重新调用的在线或联机存储 器 (3)不经常使用的数据库（档案库）存储器
作 者 联 系 信 息
通信地址：北京清华大学电子工程系 邮政编码：100084 办公地址：清华大学，罗姆楼，6层305室 办公电话：(010) 62798540 传真号码：(010) 62770317 电子邮件：zhang-yj@tsinghua.edu.cn 个人主页：oa.ee.tsinghua.edu.cn/~zhangyujin/
也可以化成矢量表达
F = [ f1
fi
第1章
f2 f N ]
1, 2, , N
第5页
T f1i f 2 i f Mi ] i [=
图像处理基础教程
1.1.1
图像表示和显示
对2-D图像的显示：将2-D图像看作在2-D空间 中的一种幅度分布 两幅典型的灰度图像（Lena和Cameraman）
1.2.1
图像技术和图像工程
图像工程是一门系统地研究各种图像理论、技 术和应用的新的交叉学科 图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的 总称：图像的采集、获取、编码、存储和传输，图 像的合成和产生，图像水印的嵌入和提取，图像的 显示和输出，图像的变换、增强、恢复、修复和投 影重建，图像的分割，目标的检测、跟踪、表达和 描述，目标特征的提取和测量，以及基于它们的判 断决策和行为规划等
第1章 图像处理基础教程 第30页
1.6.3
先修基础
内容基本属于信息学科专业基础范围 (1)数学：线性代数和矩阵理论，统计 学、概率论和随机建模 (2)计算机科学：计算机软件技术，计 算机结构体系，计算机编程方法 (3)电子学：采集图像的照相机和采集 视频的摄像机都是电子器件
第1章 图像处理基础教程 第31页
第1章 图像处理基础教程 第32页
第1章 图像处理基础教程 第29页
1.6.2
编写特点
各章基本自成体系，可以根据需要独立学习 大多数章均有一节或多节为选学内容 各章末均给出了一些练习题（包括思考类型的 和计算类型的） 书末给出了对其中少部分题（每章两个，主要 是涉及计算的题）的解答 书后提供了一些精选参考文献的目录 最后还提供了主题/术语索引
1.1.1 1.1.2
图像表示和显示 空间分辨率和幅度分辨率
第1章
图像处理基础教程
第3页
1.1.1
图像表示和显示
一幅图像可以用一个2-D数组f(x, y)来表示 性质F的含义常取决于图像的类别 灰度图像中f表示灰度值 文本图像常为二值图像 彩色图像在每一个图像点同时具有红、绿、蓝 3个值，可记为[fr(x, y), fg(x, y), fb(x, y)] 例1.1.1一般的图像表达函数 图像中每个基本单元叫做图像元素，简称像素
第1章 图像处理基础教程 第28页
1.6.1
整体框架和各章概述
第8章介绍图像分割技术 第 9 章介绍对图像经过分割后所提取出的感兴 趣目标的表达方法和与此密切相关的目标描述方法 第10章介绍各种图像特征提取和测量技术 本书另有一个附录A，介绍图像国际标准 + 部分练习题解答、参考文献和主题名词索引 （包括英文）