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1、1 1教学安排教学安排课堂授课、项目与实验安排课堂授课，36学时第一章 数字图像处理基础（5学时）第二章 图像变换（4学时）第三章 图像增强（9学时）第四章 图像复原（5学时）第五章 图像分割（5学时）第六章 彩色图像处理（4学时）习题分析与讨论（4学时）项目与实验，4（课内）+4（课外）学时项目，见数字图象处理课程项目实施方案项目名称：面部自动定位实施模式：4-5人一组合作完成项目考核方式：项目：成果检查 50%，项目报告50%实验，6个实验，见实验指导书(选做)考核方式平时(出勤、课堂讨论、课后作业):10%，项目与实验:30%,考试:60%教材、参考书目首选教材：数字图像处理，自编讲义，
2、2012二选教材：K.R.Castleman,数字图像处理,电子工业出版社，2011参考书目：，数字图像处理（第3版），电子工业出版社，2011；，数字图像处理（原书第4版），机械工业出版社，2010第1页/共116页绪 论第2页/共116页3绪论绪论什么是数字图像处理?数字图像处理(Digital Image Processing)是一个迅速发展的专业领域。它的主要目的是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理和加工，以便提取图像中的信息。第3页/共116页4这是什么图像?第4页/共116页5什么是图像？什么是图像？图像？这玩意儿，你不问我还清楚这是什么；你要真问起来，我反倒不知道该
3、如何解释它了。卡斯尔曼：一幅图像就是指某些事物的表示，并包含关于目标的描述性信息。你会如何定义？众所周知的事情正因为众所周知而不为人所知第5页/共116页6什么是图像？什么是图像？图像的类型图像以各种不同的形式出现:数学上连续的、离散的是一种二维函数 f(x,y),其中 x,y是空间(平面)坐标,幅度f 称为亮度或灰度物理上:某种物质或能量的分布可见的、不可见的第6页/共116页7什么是数字图像处理什么是数字图像处理处理连续的、离散的数字图像一个2D数字化采样值的方形阵列，只有数字图像才能用计算机处理以相等间隔采样的方形格栅模式(光栅),并以等幅度间隔量化给出一些连续和离散图像处理的例子?第7
4、页/共116页8为什么要数字图像处理为什么要数字图像处理？应用需求图像是人们获取和交换信息的主要来源，因此数字图像处理的应用领域必然涉及人类生活和工作的方方面面。技术进步计算机:不断增长的性能和不断降低的价格图像数字化与显示设备的不断出现 数字相机,扫描仪,视频捕获设备,CRT,LCD,打印机,第8页/共116页9为什么要数字图像处理？为什么要数字图像处理？具有的独特优势图像数字化，以便于图像的传输、打印和存储图像的增强和复原，改善图像质量图像的分割和描述，获得图像的信息大量图像的高速处理三维及更高维图像数据的测量和显示（如遥感图像和各种内脏器官及血管形状的测量与显示）第9页/共116页10应
5、用举例应用举例医学和生物学成像:CT,B超,磁共振工业:机器视觉,自动控制,空间:航空,导航,遥感(森林,环境,资源),监控:视频监控,牌照识别,人脸识别,军事:侦察,导航,声纳成像,艺术等第10页/共116页11成像的能量源电磁能量谱:Gamma-射线,X-射线,紫外,可见光,红外,微波,无线电波:CT(computerized tomography),MRI(Magnetic Resonance Imaging),EIT(Electrical Impedance Tomography)声波与超声波:B超,声纳电子:电子显微镜计算机图形学根据能量源的图像分类:第11页/共116页12Gamm
6、aGamma射线成像射线成像PET(positron emission tomography):正电子射线层析术Cygnus:天鹅座第12页/共116页13X X射线成像射线成像Aortic angiogram:大动脉血管造影Anatomical:解剖的,解剖学的第13页/共116页14显微成像显微成像Taxol 红豆杉醇cholesterol胆固醇Nickel oxide镍氧化物organic superconducting 有机超导第14页/共116页15多频谱成像多频谱成像第15页/共116页16光学成像光学成像Intraocular implant:眼内植入第16页/共116页17光学
7、成像光学成像第17页/共116页18红外成像红外成像第18页/共116页19磁共振成像，磁共振成像，MRIMRI第19页/共116页20超声波成像超声波成像Thyroid:甲状腺,甲状软骨第20页/共116页21计算机图形学计算机图形学Fractal:分维第21页/共116页22图像处理系统的基本步骤图像处理系统的基本步骤第22页/共116页23一个典型的通用图像处理系统 输入Input 存储Storage 处理器Processor 输出Output第23页/共116页24广义图像非光学图像高维图像(包括多频谱图像)非标准采样的图像非标准量化的图像图像处理 与 图像分析图像处理是指为了能更好地
8、观察图像或其他目的而产生一个修改了的图像图像分析把图像转换成某种非图像的形式，诸如目标的数量、类型、尺寸等计算机图形学:关于用计算机产生图像的学科计算机视觉:对景物进行解释某些相关术语某些相关术语第24页/共116页25如何学习？如何学习？阅读教科书参考文献讨论课堂、小组项目与实验MATLAB自己动手！第25页/共116页第一章 数字图像处理基础第26页/共116页提要提要1.1 人眼的视觉1.2 图像获取 1.3 图像数字化1.4 数字图像表达1.5 数字图像质量2727第27页/共116页281.1 1.1 人眼的视觉为什么要讨论人类视觉系统人类视觉系统 (Human Vision Sys
9、tem,HVS)(Human Vision System,HVS)？图像的信息来源于观察。数字图像处理的目的在于提供与观察者的视觉能力相匹配的图像输出，以便于观察者理解和解释图像的内容，提取图像信息。人们从外界所获取的信息中有80%是通过视觉获得的。通过HVS，人们能感知外界物体的大小、形状、颜色、明暗、动静和远近等。数字图像处理是从模拟人类的视觉开始的。尽管数字图像处理系统已可以完成相当多的工作，但其性能比起HVS来说还差得很远。理解人类视觉特性，有助于开发模拟人眼视觉过程的模型，并对图像处理系统的设计具有重要的指导作用。第28页/共116页29视觉生理和视觉心理视觉生理和视觉心理通过人眼所
10、形成的图像包括物理范畴的像和心理范畴的像：即来自外界物体的光线，通过人眼的折光系统在视网膜上所形成的物象，它与外界物体通过照相机中的透镜组在底片上成像并无原则上的区别；而来自视网膜的神经信息，则通过人脑的神经信息处理在视觉中枢内形成主观意识上的映像。以下分别从视觉生理和心理两个方面来讨论人眼的视觉特性。第29页/共116页30人眼视觉系统（视觉生理）左图是人的右眼水平切面结构图。眼内与产生视觉直接有关的结构是眼睛的折光系统和感光系统。折光系统由角膜、房水、晶状体和玻璃体组成。视网膜含有对光刺激高度敏感的视杆细胞和视锥细胞，能将外界光刺激所包含的视觉信息转变成电信号，并在视网膜内进行编码、加工，
11、再由视神经传向视觉中枢作进一步分析，最后形成视觉。第30页/共116页亮度与颜色视觉视杆细胞视杆细胞(Rod Cell)在光线较暗时活动，有较高的光敏度，但不能作精细的空间分辨，且不参与色觉。在较明亮的环境中以视锥视锥细胞细胞(Cone Cell)为主，它能提供色觉以及精细视觉。（亮视觉和暗视觉）颜色视觉是指对不同颜色的识别，即不同波长的光线作用于视网膜后在人脑引起不同的主观映像。正常视网膜可分辨波长380-760nm之间的上百种不同的颜色，每种颜色都与一定波长的光线相对应。视网膜中并不存在上百种对不同波长起反应的视锥细胞。早在19世纪初期，Young和Helmholtz就提出了三原色理论。该
12、理论认为在视网膜上分布着三种不同的视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光敏感的视色素。当某一波长的光线作用于视网膜时，可以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的兴奋，这样的信息传至中枢，就产生某一种颜色的感受。31第31页/共116页亮度与颜色视觉近年来，通过实验确定，在视网膜中存在三种基本类型的视锥细胞。这些视锥细胞具有不同的吸收特征，该特征是波长的函数，在光谱的红、绿和蓝区域具有峰值吸收。存在三种视锥细胞，这为彩色视觉的三原色理论提供了生理机能的基础。当光刺激激活一个视杆细胞或视锥细胞，就发生一个感光换能反应，产生一个神经脉冲。神经脉冲通过视觉系统传播的方式至今还不是十分清楚。知道的是视
13、神经束包含800000量级的神经纤维。32三种锥状细胞的相对视敏函数曲线相对视敏函数曲线第32页/共116页视觉心理视觉心理是指外界视觉刺激带来的感觉、知觉、认知等人内心的各种情感形式。外界的各种事情经由视觉系统接受后，其反应在很多情形下与外界的物理特性不一定相同。对于图像、风景的主观视觉反应，由于经过高层次复杂反应的合成，因而变得非常复杂。以下介绍几种效应或效果。33第33页/共116页主观亮度Scotopic:暗视的，rods视杆细胞；Photopic:明视觉的,cones视锥细胞第34页/共116页亮度辨别力韦伯比（Web ratio）B/B:大约为 2%，但在暗和亮的区域该值升高。第3
14、5页/共116页36马赫效应在亮度突变处，视觉的主观感受出现虚幻的亮或暗的条纹。因Mach效应而对人眼所见景物有增强其轮廓的作用。第36页/共116页37从信号处理的角度,这是一个什么滤波器?第37页/共116页3838侧抑制与侧激励神经丛第38页/共116页3939临界闪烁融合频率CFF(Critical Flicker Fusion Frequency)对于闪烁的光源，当闪烁频率增大到某一数值的时候，就能感觉到它是连续光源，这种现象叫闪烁融合，这时的频率叫闪烁融合频率（简称闪频值）。由于帧率大于CFF，运动图像看起来就是连续的讨论:TV(PAL,NTSC),HDTV、电影等的帧率?人眼视觉
15、暂留效应（秒）第39页/共116页40同心圆错觉第40页/共116页41Jastrow 错觉第41页/共116页42Muler-Lyer 错觉第42页/共116页43对比效应，一方使另一方向自己相反性质或程度方向变化的效果。诱导效应，有多个对象时，一方对另一方、量多者对量少者（或者相反）施加影响而产生的知觉。在图像显示中如何利用？也可以考虑作为补充或强调等特殊手段来使用。第43页/共116页44同时对比相同亮度的目标物（方块）放在不同亮度的背景上，给人眼的亮度感觉是不同的。这种效应是由背景的不同引起的。在照明光源中的应用？白平衡？第44页/共116页45HVSHVS模型模型波长敏感接收器的输出
16、馈入到一种代表人眼光学部分的低通线性系统H1，后面跟随着一个表示视杆或视锥细胞的非线性强度响应的一个单调非线性系统，接着横向抑制过程通过一个具有带通响应的线性系统H2来描述，而人眼神经暂存响应限制引起的延迟和滞后则由一个线性时间传递函数H3来模型化。第45页/共116页1.2 图像获取 根据成像原理和方法的不同，可分成数字图像（例如数码照片、CT图像）和模拟图像（例如TV图像和X光片）；本节主要讨论模拟图像输入到计算机中的图像获取技术。图像获取装置按其有无机械扫描、有无透镜和滤色镜等光学系统、摄像器件种类等要素进行组合，有多种方式。常用的图像获取方式有利用扫描仪和利用摄像机的两种。第46页/共
17、116页扫描仪 扫描仪就是能够把照片、图画以及写在纸上的原稿等二维图像分解成一维像素串，并将像素的光信号转换为电信号的装置。每个像素由光信号变换为电信号的过程称为光电变换。传真机和电子式复印机的输入，与图形扫描仪同样，都利用扫描和光电变换。扫描在历史上有过各种各样的方法，大体上可分为机械式和电子式两类。机械式的一个实用化例子是图1-7所示的平台扫描方式和圆筒扫描方式。第47页/共116页相机 相机是目前应用领域和应用范围最广的图像获取手段。相机的主要成像器件有CCD和CMOS两种图像传感器。基本成像过程都包括光电转换、电荷收集、信号转换与输出等步骤。现在的数码相机通常都可拍摄静止图片和运动视频
18、。集成有成像芯片和DSP板卡的数码相机和摄影机能够直接输出数字信号，只要选用合适（计算机支持）的数字接口（例如网络、USB、IEEE1394等），就可以输入到计算机中。在某些需要实时完成高速、大数据量的视频图像采集的应用中，往往需要借助视频/图像采集卡将摄像机输出的图像信号采集到计算机中。基于相机和采集卡的方式，不像扫描仪中有固定的照明，摄取对象大多是实际景物，光照条件易发生变化。第48页/共116页491.3 图像数字化一个量化采样值的 2D方形阵列什么是数字化?如何数字化?性能与指标数字化及其组成第49页/共116页501.3.1 1.3.1 什么是数字化什么是数字化?把图像从其原来的形式
19、转换成数字形式什么是图像的数字形式?第50页/共116页51第51页/共116页52图像的数字形式:0-D5第52页/共116页53图像的数字形式:1-D5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1第53页/共116页54图像的数字形式:2-D5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1f(1,5)=6Raster scanning光栅扫描第54页/共116页55如何数字化?第55页/共116页56如何数字化？假设模拟图像f(x,y)的f表示灰度，其数值称作灰度值。采
20、样：是从连续空间(x,y)中获取灰度值f的样本的操作。量化：将样本的灰度由实数向整数进行变换表达的操作（模数转换）扫描：实际进行采样、量化的顺序和方法。（图像内像素位置的寻址）第56页/共116页571.3.2 采样采样格子间隔越小，图像就越清晰；缩小采样间隔，图像尺寸在变大的同时数据量也将迅速增加。第57页/共116页58采样定理模拟信号f(x)不含有比max更高的频率成分时，与x相关的间隔为（1/(2max)）的f(x)样本值序列可以完全决定f(x)。第58页/共116页59关于采样的进一步讨论n采样函数 x=mx,y=ny (m,n=0,1,2,)采样函数定义：第59页/共116页60关
21、于采样的进一步讨论设 f(x,y)原图像；fs(x,y)采样后图像则：fs(x,y)f(x,y)s(x,y)分别作傅立叶变换，令：f(x,y)F(u,v)；s(x,y)S(u,v)；fs(x,y)Fs(u,v)有：Fs(u,v)=F(u,v)*S(u,v)第60页/共116页61关于采样的进一步讨论根据卷积定理，及 u=1/x；v=1/y有：说明：采样图像的频谱是原始连续图像频谱在空间域上的无限重复，周期为：1/x（u方向），1/y（v方向）第61页/共116页62关于采样的进一步讨论设原始图像是有限带宽的，即：适当选取x，y，可Fs(u,v)相邻周期频谱互不重叠.第62页/共116页63采样
22、图像失真图像失真当采样间隔大于奈奎斯特间隔（x（1/(2max)）时，由于比1/2采样频率高的频率成分折返混入低频域，所以称作折叠噪声(folding noise)。由于在与原本存在的频率不同的频率中混叠(alias)产生该信号，该现象称为图像 失 真 或 混 叠 现 象(aliasing)。对于具有周期性构造的图像，在用与该周期性构造具有一定几何关系的采样格子进行采样时，将会产生波纹图案(moire pattern)或莫尔条纹(moire fringes)。如图所示的图例中，可以看到原本图像中不存在的墙壁面的周期性条纹。波纹图案第63页/共116页641.3.3 量化第64页/共116页65
23、量化采样后得到的图像样本值，仍为连续值。在分级量化中，提取样本的连续值变换为离散值。分级量化的数值一般称作量化级，在图像数字化处理中也称为灰度级或像素值。由于计算机使用二进制，灰度级Q为2n时，称作n比特量化级。例如，在256量化级数情况下，叫做8比特量化级。这时，各像素按8比特表示灰度级，所以该像素也称为8比特像素。第65页/共116页66量化量化均匀量化把原图像灰度层次从最暗至最亮均匀分为有限个层次，即：把整个取值范围r0,rk均匀地分为k个子区间ri,ri-1，i=0,1,2,k-1。K常取2n。量 化 输 出 数 据采样输入样本均匀量化间隔第66页/共116页67量化量化非均匀量化量化
24、时采用不均匀分层量化输出数据非均匀量化间隔采样输入样本值第67页/共116页68量化误差量化误差量化误差：原灰度与量化灰度级之间的差。由于在灰度由实数向整数进行变换操作中会产生舍入误差，所以得出与原灰度值有出入的数值。量化对象的灰度范围（dynamic range,动态范围）确定的条件下，随着量化级数增加，量化级间隔变小，使得量化误差减小。如何决定量化级数？第68页/共116页69量化误差量化误差定量分析伴随量化误差而产生的信噪比（S/N）设信号功率的峰-峰值为Sp-p、噪声功率的均方根值（RMS）为Nrms。不失一般性，假设动态范围是在将图像进行均等分级量化时产生的。将灰度设为f，一个量化级
25、的幅度为q。如果假定q中的量化误差是一致的，则分级量化噪声功率Nq为第69页/共116页70如何决定量化级数？如何决定量化级数？因为分级量化噪声的平均值为0，所以Nq就是量化噪声的方差。同样，Nrms为量化噪声的标准差，所以可表示为：另一方面，量化比特数为n，灰度级数设为Q，则有因此，信噪比S/N为据此，为使得S/N在s以上，对图像进行量化时，至少要达到满足以下要求的量化级数第70页/共116页71量化误差对于普通照片，假如设定为256级灰度（8比特，S/N=sqrt(12)*256=887），肉眼基本上不会感到照片不自然。然而，对于像胸部X线照片等动态量程大的图像，就需要达到1024级灰度（
26、10比特，S/N=3574）。相反，设计图纸等却只需要表现出黑白两个值即可，所以这时进行2级量化就足够了。量化级数为2的图像，称为2值图像。具有更高灰度级数的图像称为多值图像或灰度图像。第71页/共116页72改变改变量化级数量化级数的的效果效果虚（伪）轮廓第72页/共116页73虚轮廓（灰梯度轮廓）在模拟图像上灰度变化平滑处，如果量化级数不充分，相邻灰度级区域所对应的量化误差将增大，这两个相邻区域的界线就可能呈现在图像上。该界线原本是不存在于原图像中，因此称它为虚轮廓或虚边缘。第73页/共116页74虚轮廓为了不产生虚轮廓，必须将相邻量化级所对应的亮度差异降低到肉眼分辨不出来的程度。这个程度
27、，可以通过韦伯实验估计。韦伯比值Cw约为的定值，在1-1000cd/m2范围有效。举一个胶片数字化例子。假设胶片的最大和最小透射率分别为t1和t2，那么与光学密度有光的动态量程D可以表示为：因此，必要的量化级数Q为 当t1，t2，Cw时，则，Q=233。这种量化是线性量化吗？第74页/共116页751.3.4 扫描采样、量化只是一个概念性流程，实际进行的采样、量化顺序和方法，根据图像输入仪器结构和方式的不同也有所不同。顺序移动读取图像上的点一般称作扫描。扫描是将二维或三维表达的拍摄对象的灰度变换为一维时间信号的过程。由于声音原本是一维时间信号，所以在数字化中不存在扫描的概念，即扫描是图像数字化
28、所特有的。扫描不仅用在图像数字化上，电视摄像机等的模拟图像摄像系统向一维时间信号的变换需要扫描。相反，由一维时间信号再生图像，显示在平面CRT显示器和液晶显示器上也要进行扫描。第75页/共116页76扫描光栅扫描逐行扫描隔行扫描第76页/共116页77扫描标准扫描标准(EIA)RS-170美国单色广播电视标准30 frames/s525 lines/frame2 fields/frame50 us/line225 cycles/line225/50=4.5 MHz Bandwidth24.5=9 MHz Sampling frequency(EIA)RS-170A(NTSC)与 RS-170略
29、有差异的彩色电视标准CCIR,PAL 欧洲与中国等的单色及彩色模拟电视标准25frames/s,625lines/frameframe:帧 field:场PAL=Phase Alternating Line(逐行倒相制式)NTSC=National Television System Committee(全国电视系统委员会美)EIA:Electronic Industries Association第77页/共116页78数字化前后图像数字化前后图像第78页/共116页1.3.5 1.3.5 图像数字表达图像数字表达79数字图像L(i,j)中像素为二维排列，其坐标系和像素标号使用了多种形式:处
30、理光栅型数字图像时，经常使用以左上角为原点的坐标系(a),(b)，处理向量型数字图像时，经常使用以左下角为原点的坐标系(c),(d)。第79页/共116页80常用的常用的直角坐标系直角坐标系第80页/共116页MATLABMATLAB编程常用的坐标系编程常用的坐标系81In matlab:Row12.MCol 1 2 .N在这个坐标系统中，图像被看作离散单元，在像素坐标与Matlab中表示矩阵的下标之间有一一对应关系.这种对应关系使得图像数据矩阵与图像显示方式之间的关系非常易于理解。第81页/共116页图像数字表达图像数字表达2001801008020018010040200100503018
31、0703010对于一个 3232图像,8bit灰度图像有多少灰度级?总数据量是多少?对于这类图像共可表示多少幅不同的图像?如果这是一个RGB彩色图像,8bit3，那么共有多少种色彩?图像数据量又是多少?82第82页/共116页83彩色图像、多通道图像和三维图像彩色图像、多通道图像和三维图像 由于彩色图像具有相当于三原色的三个通道，所以称为三通道图像。单色图像称为单通道图像。各通道以k表示时，多通道图像可以表示为Lk(i,j)。假设k=1,2,K时，各像素的灰度水平可以记为向量L=L1,L2,LKLK表示通道k的灰度水平。这时向量L是指向K维空间的某一点。在这个意义上，多通道图像也可称为多维图像
32、。第83页/共116页84彩色图像、多通道图像和三维图像彩色图像、多通道图像和三维图像多通道图像在计算机中的表达（存储）方式，按通道排列顺序不同，有CIP(Channel Interleaved by Pixel)，CIL(Channel Interleaved by Line)，CSQ(Channel Sequential)三种格式。如图1-14所示，当M（行）x N（列）x K（通道）的图像采用图1-13(a)坐标系时，其在这三种格式中的像素排列方式。如果能够将全部图像数据放在内存或缓存中进行处理时，上述三种排列方式没有区别。但是，由于内存有限，依次在内存中读取必要的部分图像数据进行处理时
33、，根据数据存储格式的不同其访问速度大不相同，即按像素单位对各通道的灰度水平进行操作时，采用CIP格式较好；但在按各通道单位访问时，采用CSQ格式较好；CIL格式则居于两者之间。第84页/共116页85彩色图像、多通道图像和三维图像彩色图像、多通道图像和三维图像第85页/共116页86邻域 4-邻域:四个水平和垂直像素 8-邻域:4-邻域+4 对角像素0 1 01 p 10 1 01 1 11 p 11 1 1第86页/共116页87邻接8-邻接的模糊性!m:mixed混合的第87页/共116页88距离测量D(p,q)=0 (D(p,q)=0 if p=q)D(p,q)=D(q,p),andD(
34、p,q)=D(p,z)+D(q,z)D4 距离:D8 距离:欧氏距离:22 1 22 1 0 1 22 1 222 2 2 2 22 1 1 1 22 1 0 1 22 1 1 1 22 2 2 2 2212 1 0 1 212对于像素p,q,z,以及其坐标(x,y),(s,t),和(u,v),D 就是一个距离函数或测度，如果第88页/共116页891.5 1.5 数字图像质量数字图像质量灰度分布特性对比度噪声分辨率锐化度（自学补充讲义）调制传递函数（自学补充讲义）第89页/共116页灰度分布特性灰度分布特性图像的明暗变化情况称作灰度等级或色调，灰度等级的具体表现一般称作灰度分布特性。灰度分布
35、特性的好坏，取决于中间色调的数量以及如何使用这些中间色调。如果中间色调数量少，图像质量将会明显降低。灰度直方图反映了图像灰度级的最小值、最大值、平均值以及标准差等各灰度分布参数，因此可以用作评价灰度分布特性的指标。90第90页/共116页灰度分布特性不同的图像灰度分布特性不同的图像91第91页/共116页对比度对比度图像的明暗差别称作对比度。如何定义图像的明暗程度依赖于图像媒介。在自身不发光的情况下（称为反射型图像），使用数字图像中的灰度最大值Lmax和最小值Lmin来定义对比度C92第92页/共116页对比度计算例对比度计算例%Contrast=(255-105)/(255+105)=41.
36、6%25510593第93页/共116页噪声噪声是原本并不存在于输入或输出之前的图像灰度中，也不存在于拍摄对象的亮度等原始信号中的信号。噪声一般分为随机噪声和系统噪声。作为与噪声相关的图像质量指标，经常使用信噪比（SNR）。信噪比指的是信号S和噪声N之间的比，以S/N的形式表示。94用分贝（dB）单位表示时，S和N使用振幅的平方所表示的量（能量）。(下标p表示功率，下标v表示幅度)第94页/共116页关于信噪比计算关于信噪比计算从数字图像灰度的角度出发，关注信噪比时，不用分贝单位而用无单位S/N计算得出信噪比将会更容易理解。但是，涉及感性的图像质量评价时，建议使用分贝单位的S/N。这时因为人感
37、觉到的亮度以及声音的大小或音质等感觉量与所给予的刺激量的对数大体上成正比。95第95页/共116页关于信噪比计算关于信噪比计算信号S和噪声N的定义，根据信号的认知方式和噪声的性质等，有不同的方法。关于信号S，如果将信号的波形振幅记为AS，那么可以使用AS的平方平均 ，平均的平方 ，RMS值 ，峰值PS以及峰-峰值PPS。作为噪声N，如将噪声波形振幅记为AN，随机噪声时要使用AN的平方平均 和RMS值 ；而脉冲噪声时使用峰值PN和峰-峰值PPN。最常用的是功率信噪比（平方平均，常写为SNR）和峰值信噪比（PSNR）。96第96页/共116页9797NMSE(归一化均方误差)PMSE(峰值均方误差
38、)M,N:图像尺寸，A:峰值系统引入的误差为：第97页/共116页分辨率分辨率分辨率是由空间分辨率(Spatial Resolution)和灰度（密度）分辨率（Density Resolution）共同决定的。空间分辨率，是通过线宽和线间隔相等的周期性黑白条纹图像上可辨别极限的线密度来定义。灰度分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化（灰度梯度的一个量度）。常常把大小为MN、灰度级数为Q（Q=2k）的数字图像称为空间分辨率为MN像素、灰度分辨率为Q级（或k比特）灰度的数字图像。98第98页/共116页99改变空间分辨率对图像质量的影响第99页/共116页100第100页/共116页101改变灰度
39、分辨率对图像质量的影响第101页/共116页102Huang的研究观察图中与Crowd 图像相对应的等偏好曲线，近于垂直，表明这类图像的感觉质量与所用灰度级数是近似独立的。当图像细节增加时等偏好曲线变得更垂直。这个结果表明对于有大量细节的图像可能只需要少数的灰度级。Face 和 Cameraman 图像的主观质量在空间分辨率增加的情况下，于某段间隔内保持相同，但是灰度级数实际上在减少。Face Cameraman Crowd第102页/共116页附：Matlab简介MATLAB 表示 matrix laboratory,是一种高性能的专业计算语言。以一种易用环境集成计算、可视化和编程，只要问题
40、和解可表示成相似的数学符号，典型应用包括:Math and computationAlgorithm developmentData acquisitionModeling,simulation,and prototypingData analysis,exploration,and visualizationScientific and engineering graphicsApplication development,including graphical user interface building第103页/共116页在大学里,MATLAB用作标准的计算工具，数学、工程与科学等学
41、科.工业上,MATLAB是研究、开发和分析的计算工具The Image Processing Toolbox(IPT)：是一组MATLAB函数集(称作 M函数或 M-文件，扩展了 MATLAB 环境中的解决数字图像处理问题的函数集.其他工具包：Signal Processing,Neural Network,Fuzzy Logic,and Wavelet Toolboxes.第104页/共116页读图像读图像f=imread(filename)Format NameDescriptionRecognized ExtensionsTIFFTagged Image File Format.tif,
42、.tiffJPEGJoint Photographic Experts Group.jpg,.jpegGIFGraphics Interchange Formats.gifBMPWindows Bitmap.bmpPNGPortable Network Graphics.pngothersHDF,PCX,ICO,CUR,RAS,PBM,PGM,PPMImage Format:第105页/共116页图像类型:The Matlab image toolbox 支持四种图像类型:Intensity imagesBinary imagesIndexed imagesRGB images第106页/共1
43、16页Read an image file to a matrix:f=imread(lena.bmp)Filename can include path:f=imread(d:myimageslena.jpg)Get image size size(f)ans=512 512m n=size(f);第107页/共116页图像显示图像显示基本句法:f=imshow(f,G)where f is an image array,and G is the number of intensity levels used to display it.If G is omitted,it defaults
44、 to 256 levels.f=imshow(f,low high)f=imshow(f,)display the intensity values of individual pixels interactively:pixval第108页/共116页写图像写图像基本句法:imwrite(f,filename)imwrite(f,patientl0_runi,tif)imwrite(f,patientl0_runi.tif)For JPEG fileimwrite(f，bubbles25.jpg,quality，25)第109页/共116页Matlab Matlab 编程编程MATLAB
45、provides a full programming language that enables you to write a series of MATLAB statements into a file and then execute them with a single command.You write your program in an ordinary text file,giving the file a name of filename.m.The term you use for filename becomes the new command that MATLAB
46、associates with the program.M-files can be scripts that simply execute a series of MATLAB functions statements,or they can be that also accept arguments and produce output.function x,y=myfun(a,b,c)%Function definition line%H1 Line-A one-line summary of the functions purpose.%Help Text-One or more li
47、nes of help text that explain how to use the%function,This text is displayed when the user types help.x=prod(a,b);%Start of Function Code第110页/共116页Matlab DemosMatlab DemosUse the Demos to access demonstrations of MATLAB and related products.The style of the demos varies,but for many of them,you can
48、Run the demo.Learn more about the topic.View the source code for the demo.Copy source code from the demo to your own M-files.Image Processing Toolbox DemosDeblurring Enhancement Image Registration Image Transformation Morphology,Analysis,and Segmentation Transform 第111页/共116页本章小结视觉心理如何获取图像如何数字化图像图像的
49、灰度分布、对比度、信噪比第112页/共116页作业1 1、某个图形工作环境使用、某个图形工作环境使用32323232像素的图像作为图标，像素的图像作为图标，每个像素可有每个像素可有1616种颜色，总共能有多少种不同的图标？种颜色，总共能有多少种不同的图标？假设每一百万种可能的图标中有一个有用，若假设每一百万种可能的图标中有一个有用，若100dpi100dpi（dot per inchdot per inch）的密度一个挨一个地打印这）的密度一个挨一个地打印这些图标，需要用多大的一张纸？如果这个方案行不通，些图标，需要用多大的一张纸？如果这个方案行不通，改成每张纸打印改成每张纸打印8 108 1
50、0个图符将要用多少张纸才能装个图符将要用多少张纸才能装下这些有用的图标？假设每张纸厚为英寸，这些纸摞起下这些有用的图标？假设每张纸厚为英寸，这些纸摞起来有多厚？来有多厚？2 2、一台光导摄像管摄像机的靶直径为、一台光导摄像管摄像机的靶直径为25mm25mm，感应点直径，感应点直径为为3535微米。若像素间距与点直径相同，它数字化一幅正微米。若像素间距与点直径相同，它数字化一幅正方形图像时的最大行数和列数是多少？若要数字化的图方形图像时的最大行数和列数是多少？若要数字化的图像为像为480 640480 640像素，靶上的最大像素间距是多少？像素，靶上的最大像素间距是多少？第113页/共116页作