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1、数字图像处理数字图像处理前言前言数字图像处理数字图像处理数字图像处理数字图像处理（Digital Image ProcessingDigital Image Processing）是一门关于如何用计是一门关于如何用计算机对图象进行处理的学科。本课程既讲解基本原理和方法，也算机对图象进行处理的学科。本课程既讲解基本原理和方法，也强调编程实践（强调编程实践（MATLAB实现）。实现）。教材：数字图像处理及教材：数字图像处理及MATLAB实现，余成波编著，实现，余成波编著，重庆大学出版社，重庆大学出版社，2003参考书：参考书：1.Digital Image Processing,R.C.Gonza
2、lez,Prentice Hall,2002.2.(中文版，阮秋琦译，电子工业出版社中文版，阮秋琦译，电子工业出版社)2.数字图像处理，许录平，科学出版社，数字图像处理，许录平，科学出版社，20073.Matlab 图像处理与应用，董长虹等，国防工业出版社，图像处理与应用，董长虹等，国防工业出版社，20044.数字图像处理学数字图像处理学 Visual C+实现，郎锐编，北京希望电子出实现，郎锐编，北京希望电子出版社，版社，2002 1.1.1 图像图像 图像是自然界景物的客观反映，是人类认识世界和人类图像是自然界景物的客观反映，是人类认识世界和人类本身的重要源泉。本身的重要源泉。“图图”是物
3、体反射或透射光的分布，是物体反射或透射光的分布，它是客观存在的，而它是客观存在的，而“像像”是人的视觉系统所接收的图在是人的视觉系统所接收的图在人脑中所形成的印象或认识。总之，凡是人类视觉上能感人脑中所形成的印象或认识。总之，凡是人类视觉上能感受到的信息，都可以称为图像。照片、绘画、影视画面是受到的信息，都可以称为图像。照片、绘画、影视画面是图像；照相机、显微镜的光学成像也是图像。汉字也可以图像；照相机、显微镜的光学成像也是图像。汉字也可以说是图像的一种；图形也属于图像的范畴。通过某些传感说是图像的一种；图形也属于图像的范畴。通过某些传感器变换得到的电信号图，如脑电图、心电图等也可看做是器变换
4、得到的电信号图，如脑电图、心电图等也可看做是一种图像。一种图像。1.1 图像 视频视频(VideoVideo)：视频图像又称为动态图像、活动图像视频图像又称为动态图像、活动图像或者说运动图像。它是一组图像在时间轴上的有序或者说运动图像。它是一组图像在时间轴上的有序排列，是二维图像在一维时间域上构成的排列，是二维图像在一维时间域上构成的序列图像序列图像序列图像序列图像。如如NTSCNTSC制式电视制式电视3030帧秒，帧秒，PALPAL制式是制式是2525帧秒，电帧秒，电影则是影则是2424帧秒。帧秒。图形图形(GraphicsGraphics)：图形是图像的一种抽象，它反映：图形是图像的一种抽
5、象，它反映图像的几何特征，例如点、线、面等。图形是描述产图像的几何特征，例如点、线、面等。图形是描述产生图像中的点的过程和方法。生图像中的点的过程和方法。除常见的静态图像以外，图像还包含以下几个重要除常见的静态图像以外，图像还包含以下几个重要内容：内容：动画动画动画动画(AnimationAnimationAnimationAnimation)：动画属于动态图像的一种。它与视：动画属于动态图像的一种。它与视：动画属于动态图像的一种。它与视：动画属于动态图像的一种。它与视频的区别在于视频的采集来源于自然的真实图像，而动频的区别在于视频的采集来源于自然的真实图像，而动频的区别在于视频的采集来源于自
6、然的真实图像，而动频的区别在于视频的采集来源于自然的真实图像，而动画则是利用计算机产生出来的图像或图形，是合成动态画则是利用计算机产生出来的图像或图形，是合成动态画则是利用计算机产生出来的图像或图形，是合成动态画则是利用计算机产生出来的图像或图形，是合成动态图像。动画包括二维动画、三维动画等多种形式。图像。动画包括二维动画、三维动画等多种形式。图像。动画包括二维动画、三维动画等多种形式。图像。动画包括二维动画、三维动画等多种形式。符号符号符号符号(Symbol)(Symbol)(Symbol)(Symbol)与文字与文字与文字与文字(Character)(Character)(Characte
7、r)(Character)：符号可以表示许多：符号可以表示许多：符号可以表示许多：符号可以表示许多信息。符号包括各种描述量、数据、语言等。其中最重信息。符号包括各种描述量、数据、语言等。其中最重信息。符号包括各种描述量、数据、语言等。其中最重信息。符号包括各种描述量、数据、语言等。其中最重要的是数值、文字等有结构的符号组。符号是用特定值要的是数值、文字等有结构的符号组。符号是用特定值要的是数值、文字等有结构的符号组。符号是用特定值要的是数值、文字等有结构的符号组。符号是用特定值表示的，如表示的，如表示的，如表示的，如ASCIIASCIIASCIIASCII码、中文国标码等。码、中文国标码等。码
8、、中文国标码等。码、中文国标码等。什么是数字图象？数字图象是指由被称作象素的小块区域组成的二维数字图象是指由被称作象素的小块区域组成的二维矩阵。对于单色即灰度图象而言，每个象素的亮度用一矩阵。对于单色即灰度图象而言，每个象素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在个数值来表示，通常数值范围在0到到255之间，即可用之间，即可用一个字节来表示，一个字节来表示，0表示黑、表示黑、255表示白，而其它表示表示白，而其它表示灰度。如下图所示：灰度。如下图所示：125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,16
9、4,165,167,175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,111,114,114,123,126,121,116,110,107,116,116,129,135,134,131,120,126,121,85,32,29,43,33,37,52,32,105,114,117,118,123,122,116,113,118,112,104,108,111,105,113,126,123,107,51,27
10、,25,34,40,35,39,36,灰度图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(26x31)）图像是一种图像是一种空间空间信息，它具体地表明了事物的形态、信息，它具体地表明了事物的形态、位置和色彩等，以便人们进行观察、测量和识别。图像包位置和色彩等，以便人们进行观察、测量和识别。图像包含了丰富的信息，它直观地提供了景物的颜色、亮度、纹含了丰富的信息，它直观地提供了景物的颜色、亮度、纹理、位置和形状等。上述信息成为人们理解该图像所表现理、位置和形状等。上述信息成为人们理解该图像所表现的事物的基础。的事物的基础。图像在人类接收和传递信息中都起着重要的作用。因图像在人类接收和传递信
11、息中都起着重要的作用。因为图像比起声音、文字信息有其突出的长处，那就是图像为图像比起声音、文字信息有其突出的长处，那就是图像的的直观性、客观性直观性、客观性，它能原封不动地将客观事物的原形展，它能原封不动地将客观事物的原形展现在眼前。而声音、文字信息则是通过描述来表达事物，现在眼前。而声音、文字信息则是通过描述来表达事物，即属于描述性的信息。会受到描述者的许多因素的影响，即属于描述性的信息。会受到描述者的许多因素的影响，诸如主观、片面、专业、情绪、状态等都会使描述偏离客诸如主观、片面、专业、情绪、状态等都会使描述偏离客观事物。观事物。1.1.2 1.1.2 图像信息的重要性图像信息的重要性 图
12、像信息的重要性还在于人们的视觉系统有着瞬图像信息的重要性还在于人们的视觉系统有着瞬间获取图像、分析图像、识别图像和理解图像的能力。间获取图像、分析图像、识别图像和理解图像的能力。从视觉接受信息的角度看，可认为图像是空间客观景从视觉接受信息的角度看，可认为图像是空间客观景物在眼球视网膜上形成的像。物在眼球视网膜上形成的像。视觉系统和大脑具有高超的能力，能区分图像中视觉系统和大脑具有高超的能力，能区分图像中的物体与背景；能感知颜色、亮度、形状、方向、位的物体与背景；能感知颜色、亮度、形状、方向、位置、运动等信息的细微差别；能将有意义的信息综合置、运动等信息的细微差别；能将有意义的信息综合成一体；有
13、很强的信息存储能力；具有高效地进行平成一体；有很强的信息存储能力；具有高效地进行平行处理的能力等等。其实，人们在生活和非自动化生行处理的能力等等。其实，人们在生活和非自动化生产中，都离不开用视觉获取图像和处理图像。产中，都离不开用视觉获取图像和处理图像。人类通过眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。约有75%的信息是通过视觉系统获取的。数字图象处理是用数字计算机处理所获取视觉信息的技术。1.2 图像技术及图像的分类 图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总称。图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总称。数字图像，主要应用的是计算机图像技术。这包括利数字图像，主要应用的是计算机图像技术。这包
14、括利用计算机和其他电子设备进行和完成的一系列工作。用计算机和其他电子设备进行和完成的一系列工作。例如例如:图像的采集、获取、编码图像的采集、获取、编码(压缩压缩)、存储和传输。、存储和传输。图像的合成、绘制和生成、图像的显示和输出。图像的合成、绘制和生成、图像的显示和输出。图像的变换、增强、恢复图像的变换、增强、恢复(复原复原)和重建、分割、目和重建、分割、目标的检测、表达和描述、特征的提取和测量。标的检测、表达和描述、特征的提取和测量。1.2.1 图像技术图像技术 图像处理是比较低层的操作，它主要在图像像素级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
15、析则进入了中层，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对目标的描述。图像理解主要是高层操作，操作对象基的对目标的描述。图像理解主要是高层操作，操作对象基本上是从描述中抽象出来的符号，其处理过程和方法与人本上是从描述中抽象出来的符号，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。类的思维推理有许多类似之处。(1)(1)灰度分类灰度分类 按灰度分类有二值图像按灰度分类有二值图像(如图文传真、文字、图表、如图文传真、文字、图表、工程图纸等工程图纸等)和多灰度图像。多层次灰度图像按应用
16、的和多灰度图像。多层次灰度图像按应用的不同，有各种不同的灰度层次。如计算机打印机中有不同，有各种不同的灰度层次。如计算机打印机中有灰度层次的图像，一般为灰度层次的图像，一般为1616、2525灰度级，工业电视、灰度级，工业电视、可视电话为可视电话为6464灰度级灰度级(6(6bitbit)，气象数字图像为气象数字图像为7 7灰度级，灰度级，广播电视图像为广播电视图像为256256灰度级灰度级(8(8bitbit)，医学图像一般为医学图像一般为10241024灰度级灰度级(10(10bitbit)。1.2.2 图像的分类图像的分类黑白图像黑白图像黑白图像黑白图像 是指图像的每个像素只能是黑或白，
17、没有中间的是指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的是指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的是指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为0 0 0 0或或或或1 1 1 1。例如例如例如例如灰度图像灰度图像是指每个像素由一个量化的灰度灰度图像是指每个像素由一个量化的灰度值来描述的图像。它不包含彩色信息。值来描述的图像。它不包含彩色信息。(2)(2)色彩分类色彩分类 按照色彩分类，可分为单色图像和彩色图像。单色按照色彩分类，可分为
18、单色图像和彩色图像。单色图像指只具有某一谱段的图像，一般为黑白灰度图；彩图像指只具有某一谱段的图像，一般为黑白灰度图；彩色图像，包括真彩色、合成彩色、伪彩色等。色图像，包括真彩色、合成彩色、伪彩色等。彩色图像是指每个像素由彩色图像是指每个像素由R R、G G、B B三原色像素构成的图像，三原色像素构成的图像，其中其中R R、G G、B B是由不同的灰度级来描述的。是由不同的灰度级来描述的。+(3)(3)运动分类运动分类 图像可分为静态图像和动态图像。静态图像包括静止图像可分为静态图像和动态图像。静态图像包括静止图像和凝固图像。每幅图像本身都是一幅静止图像。凝固图像和凝固图像。每幅图像本身都是一
19、幅静止图像。凝固图像是动态图像中的某一帧。动态图像的快慢以帧率量度，图像是动态图像中的某一帧。动态图像的快慢以帧率量度，帧率反映了画面运动的连续性。可以看出，动态图像实际帧率反映了画面运动的连续性。可以看出，动态图像实际上是由一幅幅静态图像按时间排列组成的。上是由一幅幅静态图像按时间排列组成的。(4)(4)按时空分布分类按时空分布分类 图像可分为二维图像和三维图像。二维图像即平面图像可分为二维图像和三维图像。二维图像即平面图像，其数学表示为图像，其数学表示为 f(x,yf(x,y)，f f为光强，为光强，x,yx,y为二维空为二维空间坐标。三维图像即立体图像，其数学表示为间坐标。三维图像即立体
20、图像，其数学表示为 f(x,y,zf(x,y,z)，f f为光强，为光强，x x，y y，z z为三维空间坐标。为三维空间坐标。1.3 图像系统的构成图像系统的构成1.3.1 图像系统的线性模型图像系统的线性模型 由于由于h(x,yh(x,y)是当系统的输入为是当系统的输入为函数或理想点光源函数或理想点光源时系统的输出，是对点光源的响应，因此也称为点扩展时系统的输出，是对点光源的响应，因此也称为点扩展函数。当输入的单位脉冲函数延迟了函数。当输入的单位脉冲函数延迟了，单位后，若单位后，若有有L L(x-x-，y y-)=)=h(h(x x-，y y-)成立，则称此系成立，则称此系统为二维线性位移
21、不变系统。统为二维线性位移不变系统。实际中通常把传输或处理图像信号的系统近似为二维实际中通常把传输或处理图像信号的系统近似为二维线性位移不变系统。线性位移不变系统。当输入为单位脉冲函数当输入为单位脉冲函数当输入为单位脉冲函数当输入为单位脉冲函数(x,yx,y)时，输出便为脉冲响应时，输出便为脉冲响应 1.3.2 1.3.2 图像处理系统的构成图像处理系统的构成图像处理系统的构成图像处理系统的构成 实际的图像处理系统是一个非常复杂、既包括硬件实际的图像处理系统是一个非常复杂、既包括硬件实际的图像处理系统是一个非常复杂、既包括硬件实际的图像处理系统是一个非常复杂、既包括硬件又包括软件的系统。其工作
22、过程如下：对象物反射的光又包括软件的系统。其工作过程如下：对象物反射的光又包括软件的系统。其工作过程如下：对象物反射的光又包括软件的系统。其工作过程如下：对象物反射的光在摄像单元被转换成电信号在摄像单元被转换成电信号在摄像单元被转换成电信号在摄像单元被转换成电信号(模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号)，再由，再由，再由，再由A A A AD D D D转换转换转换转换器把其转换成数字信号，被存储在图像存储器中，通过器把其转换成数字信号，被存储在图像存储器中，通过器把其转换成数字信号，被存储在图像存储器中，通过器把其转换成数字信号，被存储在图像存储器中，通过计算机接口送入计算机，做进一步的处理。根
23、据需要再计算机接口送入计算机，做进一步的处理。根据需要再计算机接口送入计算机，做进一步的处理。根据需要再计算机接口送入计算机，做进一步的处理。根据需要再输出、控制。输出、控制。输出、控制。输出、控制。(1)(1)照明方法照明方法照明方法照明方法 摄影的时候，给对象物照明用的光源、对象物以及摄摄影的时候，给对象物照明用的光源、对象物以及摄摄影的时候，给对象物照明用的光源、对象物以及摄摄影的时候，给对象物照明用的光源、对象物以及摄像装置三者之间的位置如图像装置三者之间的位置如图像装置三者之间的位置如图像装置三者之间的位置如图1.41.41.41.4所示，其中所示，其中所示，其中所示，其中(a)(a
24、)(a)(a)是是是是背面照明背面照明背面照明背面照明方式、方式、方式、方式、(b)(b)(b)(b)为正面照明方式、为正面照明方式、为正面照明方式、为正面照明方式、(c)(c)(c)(c)为斜射照明方式。为斜射照明方式。为斜射照明方式。为斜射照明方式。1)CCDCCD图像传感器图像传感器 CCDCCD（Charge Coupled DevicesCharge Coupled Devices：电荷耦合器件）：电荷耦合器件）图像传感器由光电转换单元构成，光电传感单元的排列图像传感器由光电转换单元构成，光电传感单元的排列分为线阵排列和面阵排列两种。图像传感器的工作原理分为线阵排列和面阵排列两种。图
25、像传感器的工作原理是把光能量转换为电荷，并且具有将转换得到的电荷进是把光能量转换为电荷，并且具有将转换得到的电荷进行存储的能力，以及使电荷向输出电极移动的扫描能力。行存储的能力，以及使电荷向输出电极移动的扫描能力。一维图像传感器（线阵式传感器）结构模型图中，光电一维图像传感器（线阵式传感器）结构模型图中，光电转换部分是由转换部分是由PDPD1 1到到PDPDm m的的m m个单元构成，输出经过门驱动个单元构成，输出经过门驱动开关开关MOSFETMOSFET与与CCDCCD连接在一起连接在一起。(2)(2)摄像单元摄像单元摄像单元摄像单元(b)(b)所示为二维所示为二维CCDCCD传感器，它是由
26、图传感器，它是由图(a)(a)中的线阵传感器中的线阵传感器单元从单元从CCDCCD1 1到到CCDCCDn n n n个单元并列配置而成，并经过一个合个单元并列配置而成，并经过一个合成其输出的水平成其输出的水平CCDCCD移位寄存器移位寄存器，再经过一个增幅放大器，再经过一个增幅放大器，得到图像信号。得到图像信号。2)CCDCCD彩色摄像光学系统的构成彩色摄像光学系统的构成 对象物反射的光通过透镜和光学低通滤波器之后由三对象物反射的光通过透镜和光学低通滤波器之后由三棱镜把光分为棱镜把光分为RGBRGB三原色，再由三原色，再由3 3个个CCDCCD图像传感器把图像传感器把红红R R、绿绿G G、
27、蓝、蓝B B的光信号变换为的光信号变换为3 3个电信号。个电信号。(3)图像的数字化图像的数字化 般的图像都是般的图像都是模拟图像模拟图像，即图像上的信息是连续变，即图像上的信息是连续变化的模拟量。对于模拟图像只能采用模拟处理方式进行处化的模拟量。对于模拟图像只能采用模拟处理方式进行处理，例如按光学原理用透镜将照片放大。只有将连续的模理，例如按光学原理用透镜将照片放大。只有将连续的模拟信号变为离散的数字信号，或者说将模拟图像变换为拟信号变为离散的数字信号，或者说将模拟图像变换为数数字图像字图像计算机方能接受。为此，常将计算机图像处理称为计算机方能接受。为此，常将计算机图像处理称为数字图像处理。
28、数字图像处理。所谓采样指的是空间坐标的离散化，即将图像平面分所谓采样指的是空间坐标的离散化，即将图像平面分割成离散点的集合，就是把一幅连续图像在空间上分割成割成离散点的集合，就是把一幅连续图像在空间上分割成M MN N 个网格。个网格。图像的数字化方法，包括两个方面：采样和量化。图像的数字化方法，包括两个方面：采样和量化。采样使连续图像在空间上离散化，但采样点上图像采样使连续图像在空间上离散化，但采样点上图像的亮度值还是某个幅度区间内的连续分布。把采样点上的亮度值还是某个幅度区间内的连续分布。把采样点上对应的亮度连续变化区间转换为单个特定数码的过程，对应的亮度连续变化区间转换为单个特定数码的过
29、程，称为称为量化量化，即样点亮度的离散化，或者叫做像素的灰度，即样点亮度的离散化，或者叫做像素的灰度离散化。离散化。为了方便计算机进行数据处理，有限个离散值的个为了方便计算机进行数据处理，有限个离散值的个为了方便计算机进行数据处理，有限个离散值的个为了方便计算机进行数据处理，有限个离散值的个数常用数常用数常用数常用2 2 2 2n n n n 表示，这个过程是把每一个离散样本的连续灰表示，这个过程是把每一个离散样本的连续灰表示，这个过程是把每一个离散样本的连续灰表示，这个过程是把每一个离散样本的连续灰度只分成有限多的层次，称度只分成有限多的层次，称度只分成有限多的层次，称度只分成有限多的层次，
30、称分层量化分层量化分层量化分层量化。把原图像灰度层。把原图像灰度层。把原图像灰度层。把原图像灰度层次从最暗至最亮均匀分为有限个层次成为次从最暗至最亮均匀分为有限个层次成为次从最暗至最亮均匀分为有限个层次成为次从最暗至最亮均匀分为有限个层次成为均匀量化均匀量化均匀量化均匀量化，如，如，如，如果采用不均匀分层就称为果采用不均匀分层就称为果采用不均匀分层就称为果采用不均匀分层就称为非均匀分层量化非均匀分层量化非均匀分层量化非均匀分层量化。但是，用有限个离散灰度值来表示无穷多个连续灰但是，用有限个离散灰度值来表示无穷多个连续灰度的量时，必然产生误差，这种误差称为度的量时，必然产生误差，这种误差称为量化
31、误差量化误差（也（也称为称为量化噪声量化噪声）1.4 图像质量的评价图像质量的评价 1.4.1 1.4.1 人类的视觉人类的视觉人类的视觉人类的视觉 视觉所感受到的图像可看做是三维光辐射场对人视觉所感受到的图像可看做是三维光辐射场对人眼的影响。目前，在语音、数据、图像三种主要的通眼的影响。目前，在语音、数据、图像三种主要的通信方式中，图像通信起到主要作用。听觉获取的是时信方式中，图像通信起到主要作用。听觉获取的是时间信息，视觉获取的是时空信息；在相同条件下，常间信息，视觉获取的是时空信息；在相同条件下，常规的视频图像的数据量比语音的数据量大规的视频图像的数据量比语音的数据量大600-25006
32、00-2500倍。倍。视觉信息是人类从外界获取信息的主要方式。视觉信息是人类从外界获取信息的主要方式。1.4.2 1.4.2 人类视觉局限性和机器视觉产生的必然性人类视觉局限性和机器视觉产生的必然性人类视觉局限性和机器视觉产生的必然性人类视觉局限性和机器视觉产生的必然性 人的视觉系统可看成是一种神奇的、高度自动化的人的视觉系统可看成是一种神奇的、高度自动化的生物图像处理系统，但是，还存在许多不足之处。生物图像处理系统，但是，还存在许多不足之处。3)3)缺乏持久性：长时间、连续进行相同的视觉处理，缺乏持久性：长时间、连续进行相同的视觉处理，人们就会感到单调、疲劳、厌倦、甚至遗忘，以致效人们就会感
33、到单调、疲劳、厌倦、甚至遗忘，以致效率降低或者判别错误。率降低或者判别错误。2)2)局限性：人的视觉系统也有它的局限性。因为只能局限性：人的视觉系统也有它的局限性。因为只能看到物体表面，不能看到物体内部的结构。看到物体表面，不能看到物体内部的结构。1)1)主观性：人类属于主观动物，在大脑处理图像过程主观性：人类属于主观动物，在大脑处理图像过程中难免带有主观片面性。中难免带有主观片面性。4)4)模糊性：视觉系统的图像处理是一种模糊处理，对模糊性：视觉系统的图像处理是一种模糊处理，对处理结果很少能进行定量描述。处理结果很少能进行定量描述。计算机图像处理是一种能够部分模拟人的视觉系统，计算机图像处理
34、是一种能够部分模拟人的视觉系统，而又能部分超越它的性能的新兴技术。而又能部分超越它的性能的新兴技术。1.4.31.4.3 图像质量的评价方法图像质量的评价方法图像质量的评价方法图像质量的评价方法 对于图像处理系统，衡量它的重要指标就是图像的对于图像处理系统，衡量它的重要指标就是图像的质量。图像质量的含义包括两方面内容：一是图像的逼质量。图像质量的含义包括两方面内容：一是图像的逼真度真度(被评价图像与原标准图像的偏离程度被评价图像与原标准图像的偏离程度)；一是图像；一是图像的可懂度的可懂度(指图像能向人或机器提供信息的能力指图像能向人或机器提供信息的能力)。主要。主要的评价方法有：的评价方法有：
35、(1)(1)图像的主观评价图像的主观评价 这种方法就是通过人来观察图像，对图像的优劣做这种方法就是通过人来观察图像，对图像的优劣做出主观评定，然后对评分进行统计平均得出评价结果。出主观评定，然后对评分进行统计平均得出评价结果。这种评价出的图像质量与观察者的特性及观察条件等因这种评价出的图像质量与观察者的特性及观察条件等因素有关。素有关。(2)图像的客观评价图像的客观评价 尽管质量的主观评价是最权威的方式，但是在一些尽管质量的主观评价是最权威的方式，但是在一些尽管质量的主观评价是最权威的方式，但是在一些尽管质量的主观评价是最权威的方式，但是在一些研究场合，或者由于实验条件的限制，也希望对图像有研
36、究场合，或者由于实验条件的限制，也希望对图像有研究场合，或者由于实验条件的限制，也希望对图像有研究场合，或者由于实验条件的限制，也希望对图像有一个定量的客观描述。图像质量的客观评价由于着眼点一个定量的客观描述。图像质量的客观评价由于着眼点一个定量的客观描述。图像质量的客观评价由于着眼点一个定量的客观描述。图像质量的客观评价由于着眼点不同而有多种方法，这里介绍的是一种经常使用的所谓不同而有多种方法，这里介绍的是一种经常使用的所谓不同而有多种方法，这里介绍的是一种经常使用的所谓不同而有多种方法，这里介绍的是一种经常使用的所谓的逼真度测量。对于彩色图像逼真度的定量表示是一个的逼真度测量。对于彩色图像
37、逼真度的定量表示是一个的逼真度测量。对于彩色图像逼真度的定量表示是一个的逼真度测量。对于彩色图像逼真度的定量表示是一个十分复杂的问题。当前，对灰度图像逼真度的定量表示十分复杂的问题。当前，对灰度图像逼真度的定量表示十分复杂的问题。当前，对灰度图像逼真度的定量表示十分复杂的问题。当前，对灰度图像逼真度的定量表示应用较多。应用较多。应用较多。应用较多。对于连续图像，设对于连续图像，设对于连续图像，设对于连续图像，设f(x,yf(x,yf(x,yf(x,y)为定义在矩形区域为定义在矩形区域为定义在矩形区域为定义在矩形区域 的连续图像，的连续图像，的连续图像，的连续图像，其降质图像为其降质图像为其降质
38、图像为其降质图像为 ，它们之间的逼真度可用归，它们之间的逼真度可用归，它们之间的逼真度可用归，它们之间的逼真度可用归一化的互相关函数一化的互相关函数一化的互相关函数一化的互相关函数 K K K K 来表示：来表示：来表示：来表示：归一化的互相关函数：其中，运算符其中，运算符其中，运算符其中，运算符QQ表示在计算逼真度前，为使测量表示在计算逼真度前，为使测量表示在计算逼真度前，为使测量表示在计算逼真度前，为使测量值与主观评价的结果一致而进行的某种预处理（如值与主观评价的结果一致而进行的某种预处理（如值与主观评价的结果一致而进行的某种预处理（如值与主观评价的结果一致而进行的某种预处理（如对数处理、
39、幂处理等）。对数处理、幂处理等）。对数处理、幂处理等）。对数处理、幂处理等）。对于数字图像，设对于数字图像，设对于数字图像，设对于数字图像，设f(j,kf(j,k)为原参考图像，为原参考图像，为原参考图像，为原参考图像，为其降质图像，逼真度可定义为归一化的均方误差为其降质图像，逼真度可定义为归一化的均方误差为其降质图像，逼真度可定义为归一化的均方误差为其降质图像，逼真度可定义为归一化的均方误差值值值值NMSENMSE：对于数字图像，另外还有一种常用的方法即峰值对于数字图像，另外还有一种常用的方法即峰值对于数字图像，另外还有一种常用的方法即峰值对于数字图像，另外还有一种常用的方法即峰值均方误差均
40、方误差均方误差均方误差PMSEPMSEPMSEPMSE：其中，其中，其中，其中，A A A A为为为为Qf(j,kQf(j,kQf(j,kQf(j,k)的最大值，实际应用中，还常的最大值，实际应用中，还常的最大值，实际应用中，还常的最大值，实际应用中，还常采用简单的形式采用简单的形式采用简单的形式采用简单的形式QfQfQfQf=f=f=f=f。此时，对于。此时，对于。此时，对于。此时，对于8bit8bit8bit8bit精度的图精度的图精度的图精度的图像，像，像，像，A A A A255255255255；M M M M、N N N N为图像尺寸。为图像尺寸。为图像尺寸。为图像尺寸。峰值信噪比
41、峰值信噪比峰值信噪比峰值信噪比PSNR:PSNR:1.5 数字图像处理的基本概念数字图像处理的基本概念 151 基本处理过程基本处理过程 数字图像信息可看成是一个二维数组数字图像信息可看成是一个二维数组f(if(i，j)j)，对，对它处理的基本过程按照由左到右，由上到下的顺序进行它处理的基本过程按照由左到右，由上到下的顺序进行并在扫描过程中逐点对各像素进行帧处理。这样的扫描并在扫描过程中逐点对各像素进行帧处理。这样的扫描过程称为顺向扫描。与此相对的就是由下到上，由右到过程称为顺向扫描。与此相对的就是由下到上，由右到左的逆向扫描。左的逆向扫描。1 15 52 2 基本运算形式基本运算形式基本运算
42、形式基本运算形式 (1)(1)点运算点运算 在对图像各像素进行处理时，只输入该像素本身灰在对图像各像素进行处理时，只输入该像素本身灰度的运算方式称为点运算。输入图像度的运算方式称为点运算。输入图像F F上某像素的灰度为上某像素的灰度为f(i,jf(i,j)，现采用点运算方式作某种，现采用点运算方式作某种p p处理，得到输出图像处理，得到输出图像G G上该像素的灰度为上该像素的灰度为g(i,jg(i,j)，即，即 g(i,jg(i,j)=)=p(f(i,jp(f(i,j)对图像作点运算处理时各象素间不对图像作点运算处理时各象素间不发生关系，各象发生关系，各象素的处理是独立进行的。素的处理是独立进
43、行的。(2)(2)领域运算领域运算领域运算领域运算 在对图像各像素进行处理时，不仅输入该像素本在对图像各像素进行处理时，不仅输入该像素本在对图像各像素进行处理时，不仅输入该像素本在对图像各像素进行处理时，不仅输入该像素本身的灰度，还要输入以该像素为中心的某局部区域身的灰度，还要输入以该像素为中心的某局部区域身的灰度，还要输入以该像素为中心的某局部区域身的灰度，还要输入以该像素为中心的某局部区域(即领域即领域即领域即领域)中的一些像素的灰度进行运算的方式，称为中的一些像素的灰度进行运算的方式，称为中的一些像素的灰度进行运算的方式，称为中的一些像素的灰度进行运算的方式，称为领域运算。领域运算。领域
44、运算。领域运算。将处理的像素将处理的像素将处理的像素将处理的像素f(i,jf(i,jf(i,jf(i,j)写作写作写作写作 ，该像素的处理结果，该像素的处理结果，该像素的处理结果，该像素的处理结果写作写作写作写作 。设像素。设像素。设像素。设像素 组成像素组成像素组成像素组成像素 的领域；的领域；的领域；的领域；此时对输入图像各像素所进行的处理就是领域运算此时对输入图像各像素所进行的处理就是领域运算此时对输入图像各像素所进行的处理就是领域运算此时对输入图像各像素所进行的处理就是领域运算。领域运算有：平滑、滤波、边缘检测、细化等领域运算有：平滑、滤波、边缘检测、细化等Lena：edge：如：边缘
45、检测如：边缘检测 并行运算指的是对图像上各象素同时进行相同并行运算指的是对图像上各象素同时进行相同并行运算指的是对图像上各象素同时进行相同并行运算指的是对图像上各象素同时进行相同处理的运算方式。这种运算方式处理速度快，但只处理的运算方式。这种运算方式处理速度快，但只处理的运算方式。这种运算方式处理速度快，但只处理的运算方式。这种运算方式处理速度快，但只能用于处理结果与处理顺序无关的场合。能用于处理结果与处理顺序无关的场合。能用于处理结果与处理顺序无关的场合。能用于处理结果与处理顺序无关的场合。点运算处理中，由于各象素的处理与其他象素点运算处理中，由于各象素的处理与其他象素点运算处理中，由于各象
46、素的处理与其他象素点运算处理中，由于各象素的处理与其他象素无关，因而可采用并行运算方式。无关，因而可采用并行运算方式。无关，因而可采用并行运算方式。无关，因而可采用并行运算方式。对于领域运算的处理能否采用并行方式则不能对于领域运算的处理能否采用并行方式则不能对于领域运算的处理能否采用并行方式则不能对于领域运算的处理能否采用并行方式则不能一概而论。一概而论。一概而论。一概而论。领域运算的处理可分为两种情况，一种情况是领域运算的处理可分为两种情况，一种情况是领域运算的处理可分为两种情况，一种情况是领域运算的处理可分为两种情况，一种情况是尽管各像素的处理与领域像素发生了关系，但是这尽管各像素的处理与
47、领域像素发生了关系，但是这尽管各像素的处理与领域像素发生了关系，但是这尽管各像素的处理与领域像素发生了关系，但是这种关系和处理顺序无关，不论采用何种处理顺序，种关系和处理顺序无关，不论采用何种处理顺序，种关系和处理顺序无关，不论采用何种处理顺序，种关系和处理顺序无关，不论采用何种处理顺序，其结果是不变的，因此可以采用并行运算。其结果是不变的，因此可以采用并行运算。其结果是不变的，因此可以采用并行运算。其结果是不变的，因此可以采用并行运算。(3)(3)并行运算并行运算并行运算并行运算 另一种情况如图另一种情况如图1 11111所示，图中所示，图中f f，g g分别代表输分别代表输入、输出图像的灰
48、度，对输入图像像素入、输出图像的灰度，对输入图像像素f0 进行领域运进行领域运算的算的d d处理，得到输出结果处理，得到输出结果g0。d d处理的特点是运算中处理的特点是运算中采用了领域中像素的灰度输出值，如图采用了领域中像素的灰度输出值，如图1 11111(a(a)中的中的g1,g2,g3,g4(顺向扫描顺向扫描)或图或图1 111(11(b b)中的中的 g5,g6,g7,g8(逆向扫描逆向扫描)，而不是原灰度，而不是原灰度 。这里对各像素进行处理是在领域中的部分像素已经。这里对各像素进行处理是在领域中的部分像素已经被处理的基础上进行的，不同的处理顺序将会得到不被处理的基础上进行的，不同的
49、处理顺序将会得到不同的处理结果。显然，这类领域处理不能采用并行运同的处理结果。显然，这类领域处理不能采用并行运算形式。算形式。(4)(4)串行运算串行运算 串行运算是相对于并行运算而言的，指的是在图像串行运算是相对于并行运算而言的，指的是在图像上按照规定的顺序逐个对像素进行处理的运算形式。图上按照规定的顺序逐个对像素进行处理的运算形式。图1.111.11所示的领域运算形式就是串行运算的典型实例，若所示的领域运算形式就是串行运算的典型实例，若d d处理内容为将该像素领域中已处理的处理内容为将该像素领域中已处理的4 4个像素的灰度输个像素的灰度输出值分别加出值分别加1 1后，取最小值作为该像素的输
50、出值，那么，后，取最小值作为该像素的输出值，那么，当采用顺向扫描时当采用顺向扫描时(图图1.11(a)1.11(a)，d d处理运算式为：处理运算式为：当采用逆向扫描时当采用逆向扫描时(图图l.11(b)l.11(b)，d d处理运算式为：处理运算式为：可以说，凡是对像素的处理在领域像素处理的基础可以说，凡是对像素的处理在领域像素处理的基础上进行的处理方法，都必须采用串行运算形式，并同时上进行的处理方法，都必须采用串行运算形式，并同时规定处理规定处理顺序顺序。(5)(5)迭代运算迭代运算 反复多次进行相同处理的运算，称为迭代运算。迭反复多次进行相同处理的运算，称为迭代运算。迭代运算常用于一次运