绪论

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人类信息的主要传递手段

• 视觉（60%+），听觉，味觉，触觉

人机交互

• 字符、图形

图像处理量大撒应用需求

• 对图像信息改进
• 机器自动理解，使计算机具有视觉

数字图像处理简史

• 1920s: 报纸业: 图像的编码与重构技术
• 1964: 航天技术: 图像增强和复原技术
• 1970s：要干卫星和医学
  1. 图像增强和图像识别 (sasclouds.com)
  2. 图像重构
• 1980s末~1990s: 多媒体技术: 高速计算机和大规模集成电路的发展
  • 图像压缩和多媒体技术
  • 文本图像的分析和理解，文字的识别取得重大进展
  • 图像通讯和传播的广泛应用
• 2000s+: 图像分析，计算机视觉
  • 机器爱学习、嵌入式技术和计算机网络的发展
  • 图像分割，无人驾驶……

图像概述

图像

• 定义
• 表示 对物体或场景的一种表现形式
  • 抽象定义：二维函数 $f(x,y)$
    • $(x,y)$: 点的空间坐标（实数）
    • $f$: 点 $(x,y)$ 的幅度（亮度、强度或灰度）

数字图像

• 数字化: 对 $x,y$ 和 $f$ 进行离散化
• 数字图像: 离散化了的图像
• 数字化过程
  • 采样: 坐标离散化
  • 量化: 函数值的离散化
  • 模拟图像
• 分类（根据 f 的性质）
  • 二值图像（黑白图像）: 像素编码通常为
  • 灰度图像: 每个像素的信息由一个量化的灰度级描述
  • 索引图像: 每个像素值是图像颜色表的索引地址
  • 彩色图像: 每个像素的信息由颜色构成，颜色分类由不同灰度级描述
• 根据信息来源分类（电磁波谱-不同波段的图像）
  • $\gamma$ 射线成像
    • 医学领域: $\gamma$ 射线骨骼，$PET$(正电子放射断层) 成像
    • 天文观测: 宇宙 $\gamma$ 射线成像，核反应堆真空管
  • X 射线成像
    • 医学: 胸部 X 射线成像，主动脉照影成像，头部 CT 成像
    • 工业: 电路板成像
    • 天文: 天鹅星座环
  • 紫外线波段成像
    • 荧光显微镜: 玉米图像(普通玉米、患黑穗病玉米)
    • 天鹅星座环
  • 可见光及红外波段成像
    • 不同光照图像
    • 光显微镜: 紫衫酚 250，胆固醇 40，微处理器 60，镍氧化物 600，CD表面 1750，有机超导体 450
    • 摇杆
    • 自动视觉检测: 电路控制板，药丸胶囊，瓶子页面检测，塑料中气泡检测，谷物质量检测，盘质量检测
    • 检测: 指纹检测，纸币识别检测，车牌识别
    • 军事: 最后一名离开阿富汗的美国士兵
  • 微波波段成像
    • 雷达: 星载雷达 西藏东南山区
    • 医学: MRI 图像(膝盖，脊椎)
    • 天文: 蟹状脉冲星
  • 声波成像
    • 地质勘探（石油）: 地震剖面图像
    • 医学: 胎儿，甲状腺，肌肉损伤
  • 诱射电子显微镜
    • 工业检测: 钨丝（过热损坏），集成电路（热破坏形成白色纤维）

不同类型的图像

图像新扩展类型

• 多光谱图像: 包含多个频谱段的一组图像，每幅图像对应一个频谱段
• 纹理图像
• 立体图像: 双目立体视觉，用两台照相机拍摄的
• 深度图像: 记录静物和摄像机之间距离信息的图像
• 3D 图像: 坐标是三维的，用三元函数表达，可看作多个 2D 图像叠加而成
• 序列图像: 时间上有序，内容上相关
• 投影重建图像: 从景物的投影出发，重建原来的图像
• 合成图像
• 事件图像

图像工程概述

数字图像处理

• 狭义（输入和输出）: 对图像进行加工，改善图像都是视觉效果或突出目标，强调图像之间进行的变换，是一个从图像到图像的过程
• 广义: 与图像相关的处理（图像分析、理解和机器视觉）
• 广义上分三种类型
  • 低级处理：输入输出都是图像（增强，复原，编码，压缩）
  • 中级处理：图像分割及目标的描述，输出是目标的特征数据（检测，分割）
  • 高级处理：目标物体及相互关系的理解，输出是更抽象的数据（分类，识别，解释）
• 图像处理主要是地基处理及部分中级处理

主要相关学科

• 计算机图形学: 原指用图形、图标、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

• 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都是视觉功能，目前的研究主要与图像理解相结合

• 相关学科间的关系

• 

• 发展特点: 交叉、接线模糊、相互渗透

系统引例

• 图书馆书的统计

• 运动会跳远检测离线的距离

• 系统构成框图

• 

图像的表示和显示

图像和像素的表示

图像和表示

• 表示: 2D 函数 $f(x,y)$
  • $(x,y)$ 点的空间坐标（实数）
  • $f$: 点 $(x,y)$ 的幅度（亮度、强度或灰度）
• 广义: 辐射能量的空间分布 $T(x,y,z,t,\lambda )$ 5D 有限函数
  • $x,y,z$ 空间位置向量
  • $t$ 时间
  • $\lambda$ 频谱相关变量，如波长
  • $T$ 能量值，标量

像素和表示

• 光栅图像像素表示
  • 函数: 2-D 函数 $f(x,y)$
  • 矩阵:
  $$\mathbf{F}=\left[\begin{array}{cccc}{f}_{11}& f_{12}& \cdots & f_{1N}\\ f_{21}& f_{22}& \cdots & f_{2N}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ f_{M1}& f_{M2}& \cdots & f_{MN}\end{array}\right]$$
  • 矢量
  $$\begin{array}{c}\mathbf{F}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathbf{f}}_1& {\mathbf{f}}_2& \cdots {\mathbf{f}}_N\end{array}\right]\\ {\mathbf{f}}_i={\left[\begin{array}{cccc}{f}_{1i}& f_{2i}& \cdots & f_{Mi}\end{array}\right]}^T,i=1,2,\cdots ,N\end{array}$$

补充

• 相关学术机构和期刊
• 相关工具
• 《魔鬼终结者》