数字图像处理及分析基础
Digital Image Processing
and Analysis Theory
第一章 数字图像处理的基本概念
第一章
数字图像处理的基本概念
? 图像的概念
? 数字图像处理技术
第一章 数字图像处理的基本概念
内容摘要
?“数字图像处理”学科涉及众多新颖的概念，这些概念
对正确掌握本学科的有关知识是至关重要的，因此本
章先介绍本学科主要的研究对象，即图像、数字图像、
图像处理、数字图像处理等，其中“图像”的概念是
从图像类别的角度阐述的。在此基础上进一步介绍了
图像信息的类型、图像处理的基本方法以及数字图像
处理的研究内容、重点以及方法。本章的后一部分讲
述了数字图像处理学科的发展历程，并以大量的实例
说明，数字图像处理不仅已经在遥感、医学、机器人
等领域取得成功应用，而且在人工智能、计算机技术
等理论与技术的新成果的促进下不断向更多的领域拓
展。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1 图像
? 1.1.1图像的分类
? 1.1.2图像信息的分类
? 1.1.3图像处理的基本方法
? 1.1.4数字图像处理的几个基本术语
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1.1图像的分类
?,图像” (image)
在一般的意义下，可以认为一幅图像就
是一个东西的一个表示，它包含了所表
示物体的相关描述信息，出现形式多种
多样
?可视的和不可视的；
?抽象的和实际的；
?适于和不适于计算机处理的。
第一章 数字图像处理的基本概念
图像类型
? （ 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。
第一章 数字图像处理的基本概念
1、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)，人眼可以看到并
接受的图像，如, 图片, (picture)，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。
第一章 数字图像处理的基本概念
2、按照图像的色彩特性分
? 彩色图像，又称为“多光谱图像”，图像上
的每个点有多于一个的局部特征。如在彩色
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。
而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。例如黑白照片、黑白电视画面。
第一章 数字图像处理的基本概念
3、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”。
第一章 数字图像处理的基本概念
4、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。
?,静止图像”
? 不随时间变化的图像，如各类图片。
第一章 数字图像处理的基本概念
物体
objects
图像
images
不可见的物理图像
Non-visible
physical image
数学函数
Mathematical
function
连续函数
continuous
离散函数
Discrete
(digital image)
可见的图像
Visible image
光图像
Optical
image
图片 pictures
照片 photograph
图 drawing
画 paintings
types of images
图 1.1图像的类型
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1.2图像信息的分类
?三类
?符号信息
?景物信息
?情绪信息
第一章 数字图像处理的基本概念
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。如电路图、机械图、打印的文件
等，它们中包含有规则、含义明确的符号，这
些图像一般用二值图像表示就足够了，因为符
号的颜色不提供新的有效信息，对图像的理解
没有帮助。
? 注意：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，绿色的深浅也表明了海拔高度。
第一章 数字图像处理的基本概念
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。
第一章 数字图像处理的基本概念
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。
第一章 数字图像处理的基本概念
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。
? 基本方法
? 模拟图像处理
? 数字图像处理
第一章 数字图像处理的基本概念
1、模拟图像处理
? 包括光学图像处理和电子图像处理（电子光学处理）
? 光学方法是图像处理发展的起源,1946年法国的
Duffienx提出傅立叶光学,1964年美国密执安大学的
A.Vanderlugt制成空间滤频器。光学处理具有处理速
度快（可实时和并行处理，如电视模拟图像处理可达
25帧 /秒或 30帧 /秒）、信息量大、分辨率高、经济等
优点。
? 模拟图像处理的缺点是精度差、灵活性差，器件具有
专用性，并且缺乏判断分析能力，不具备非线性处理
能力。
? 趋势：将光学处理和计算机相结合的方法，如利用光
学方法对图像进行傅立叶变换，再用计算机对频谱分
析。
第一章 数字图像处理的基本概念
2、数字图像处理
? 就是将图像转换成一个数据矩阵存放在图像存储器中，
然后再利用数字计算机，或其它的大规模集成数字器
件（如 DSP）,对图像信息进行数字运算或处理，以提
高图像的质量或达到人们所预期的其它效果。
? 优点：精度高、处理内容丰富、可以进行复杂的非线
性处理，处理方式灵活，同样的图像硬件系统，在改
变软件之后何以用于其它完全不同的任务。
? 缺点：由于目前计算机性能的限制，数字图像处理的
速度有限，对于一些有实时性要求的任务，必须利用
DSP加速或构建专用系统。
第一章 数字图像处理的基本概念
两种基本的图像数学模型
? 连续模型
? 一般的图像都是能量的连续分布
? 离散模型
? 就是把数字图像看成离散采样点的集合，每个点具
有其各自的属性。处理运算就是对这些离散单元的
操作。这种模型不能反映出图像的整体状态以及图
像内容间的联系。图像及其内容由连续函数来描述
会更好。
第一章 数字图像处理的基本概念
图像数学模型的应用原则
? 在图像处理中，根据任务和目的的不同，经常
会采用不同的模型来处理图像，或者在不同的
阶段是用不同的模型，保证系统的最佳性能。
? 图像在数字化时必须满足采样定理，这样离散
的图像才能与它的连续形式对应。
?,数字图像处理”不是指“数字图像的处理”，
而是指“图像的数字处理”。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1.4数字图像处理的几个基本术语
? 数字化 (digitizing)
? 将一幅图像从其原来的形式转换为数字形式的处理
过程，包括“扫描”、“采样”与“量化”三个步
骤，但通常将“扫描”合并到“采样”阶段，合并
为两个过程。
第一章 数字图像处理的基本概念
扫描（ scanning）
? 将一个数学虚拟网格覆盖在一幅图像上，图像
的平面空间被离散化成一个个的有序的格子
（格子的形式可以有多种形式，通常易于物理
实现的是矩形，且每个格子完全相同），然后
按照格子的排列顺序依次读取图像的信息，此
读取过程称为,扫描” 。在扫描过程中被读取
的小块图像称为 图像元素 (picture element)，
简称 像素 (pixel),它的描述包括空间坐标以及
图像信息两个部分。不太严格的情况下，扫描
也可以用作数字化的等价词。矩形扫描网格常
称为 光栅 (raster)。
第一章 数字图像处理的基本概念
图 1-3图像数
字化 采样列
采样行
图片
像素
行间隔
采样列间隔
灰阶
黑
灰
白
0
128
255
物理图像
196
43
灰度
像素
数字图像
图 1-2物理图像及其对应的数字图像
第一章 数字图像处理的基本概念
采样 (sampling)
? 在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。
? 采样通常是由一个图像传感元件完成，它将每
个像素处的亮度转换成与其成正比的电压值。
采样完成图像空间的数字化，在 CCD摄像机
中，是由一个个感光单元实现的。
? 图像数字化时必须遵守“采样定理”，才能保
证图像可恢复。
第一章 数字图像处理的基本概念
量化 (quantization)
? 将采样时测量的灰度值转化成整数表示。
? 由于数字计算机只能处理数字，因此必须将连
续的测量值转化为离散的整数。因此在图像传
感器后面，经常跟随一个电子线路的模数转换
器 (ADC)，将电压值转化成一个整数。
经过数字化得到一幅图像的数字表示，即 数
字图像 f(x,y),f(x,y)以及 x,y都是整数 。
第一章 数字图像处理的基本概念
几个重要概念
? 1,处理,让某个事物受到一个过程的作用
? 2,过程 （ process ）：指能导致某个所期望
目标的一系列的动作或操作。
? 3,数字图像处理,对一个物体的数字表示施
加一系列的操作，以得到所期望的结果。
? 4、数字图像的限制性定义：一个被采样和量
化后的二维函数（该二维函数由光学方法产
生），采用等距离矩形网格采样，对幅度进行
等间隔量化。因此，一幅数字图像是一个被量
化的采样数值的二维矩阵。
第一章 数字图像处理的基本概念
重要概念（续）
? 6,显示 （ display）：由一幅数字图像生成一可
见的、直观的图像。类似概念有“回放”、“图
像重建”、“硬拷贝”、“图像记录”。显示设
备有暂时的、永久的两类。
? 10,对比度 （ contrast）：一幅图像中灰度反差
的大小。
? 11,噪声 （ noise）：加性的或乘法性的污染。
? 12,采样密度 （ sampling density）,图像上单位
长度包含的采样点数。
像素间距（ pixel spacing） =1/采样密度
第一章 数字图像处理的基本概念
重要概念（续）
? 13,放大率 （ magnification）：图像中物体与
其所对应的景物中物体的比例关系。
? 14,运算 （ operation）：注意运算前后图像
之间的对应关系。
? （ 1） 全局运算,对整幅图像同时处理
? （ 2） 点运算,由对应点决定
? （ 3） 局部运算,由中心像素周围的有关像素决定
第一章 数字图像处理的基本概念
1.2数字图像处理技术
? 广义的数字图像处理是指从图像获取到图像信
息输出的全过程，即图像处理系统，包括与计
算机应用相关的设备、图像处理相关的方法，
以及有效软件的实现、图像处理软件的应用、
图像信息在计算机中的表示、图像数据库及检
索、图像信息应用等。
? 狭义的数字图像处理仅指其中对图像信息进行
处理。
第一章 数字图像处理的基本概念
广义图像处理
? 图像信息获取，即获取研究对象的图像，并转换成数字信
号，以便于计算机或其它数字设备处理。这一阶段的研究
重点是图像成像设备和数字化设备等。
? 图像信息的存储。图像的数据量巨大，因此研究的领域包
括图像存储设备，以及图像存储的格式、图像压缩标准以
及图像数据库技术等。
? 图像信息的传送，包括内部传送与远距离传送。内部传送多采用 DMA（ Direct Memory Access）技术解决速度问
题；远距离传送同样需要研究图像压缩技术，减少占用带宽。
? 图像信息处理，即狭义的图像处理，主要研究利用计算机
可以实现的算法。
? 图像的输出与显示，即为人或计算机提供便于理解以及识别的图像。图像的输出有软拷贝与硬拷贝两种形式。
第一章 数字图像处理的基本概念
狭义的计算机图像处理
? 几何处理
? 主要包括坐标变换，图像的放大与缩小、旋转、移动
? 图像畸变校正
? 几何特征计算等。
? 算术与逻辑运算
? 图像的加减乘除，与或非等运算
? 此类运算既简单有效，又是其它处理的基础。
? 图像增强
? 根据任务目标突出图像中感兴趣的信息，消除干扰，改善图
像的视觉效果或增强便于机器识别的信息
? 此三项是图像预处理中常涉及的内容。
第一章 数字图像处理的基本概念
狭义的计算机图像处理 2
? 图像复原
? 根据图像退化模型，消除退化因素，恢复原始的图像。如散焦
是造成图像模糊的一个重要的因素，而散焦模型可以通过实验
数据和理论分析获得，利用逆滤波就可以消除散焦。
? 图像编码
? 研究压缩图像数据的方法，需要研究并利用图像的冗余特征，
如统计冗余、生理视觉冗余、知识冗余等。
? 图像分割
? 根据图像的某些特征将图像划分为不同的区域，以便于对图像
中的物体或目标进行分析与识别。如“机动车视觉系统”中根
据图像中的灰度信息分割白色导引线和路面。
第一章 数字图像处理的基本概念
狭义的计算机图像处理 3
? 图像重建
? 前面六个研究方面输入的是图像，而图像重建输入的是非
图像信息，如数据、公式等，输出为图像。主要有卷积反
投影法等。常用于医学设备,CT等
? 图像模式识别
? 在图像分割的基础上提取特征，对图像中的内容进行判决
分类。
? 图像分析与理解
? 在图像模式识别的基础上进一步发展，根据图像局部内容
之间的关系，利用有关知识进行推理与联想，对图像中所
表现的内容进行理解。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.3.1发展历程
? 改善视觉效果：
? 增强人类分析判断时采用的图像信息
? 生物视觉系统仿生：
? 随着计算机技术与人工智能技术的发展，主要目的
演变为处理自动装置感受的景物数据（计算机视觉、
模式识别（ Pattern Recognition）等）
第一章 数字图像处理的基本概念
1、改善视觉效果
? 打印技术与半调技术相结合
? 编码技术
第一章 数字图像处理的基本概念
图 1-4 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
第一章 数字图像处理的基本概念
2、计算机图像处理技术
? 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
第一章 数字图像处理的基本概念
图 1-5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
第一章 数字图像处理的基本概念
3、数字图像处理的显著成就
? 从可见光谱扩展到各波段：
? 如遥感图像的多光谱处理、雷达波段的侧视雷达
遥感图像处理、红外波段的图像处理（如夜视仪、
热像仪等）、超声图像处理。
? 从静止图像到运动图像的处理：
? 如运动模糊图像的恢复、心脏搏动序列图像的处
理、对运动目标的跟踪、巡航导弹的地形识别及
瞄准等。
第一章 数字图像处理的基本概念
数字图像处理的显著成就 2
? 从物体的外部到物体的内部图像的处理：
? 如人体的无损检测设备 CT,MRI及宇航用密封零
件的无损检测、海关用的集装箱不开箱检查等。
? 从整体到局部图像的处理（ AOI技术）：
? 有选择性地对人类感兴趣的局部图像进行处理，
如空间、灰度、颜色、频域都可以开窗口进行加
工处理 (如放大、变换、校正等 )。
第一章 数字图像处理的基本概念
数字图像处理的显著成就 3
? 提取图像中特征的处理：
? 从图像中抽出感兴趣的区域、物体以特征的形式
表现出来，以便计算机识别控制。
? 人工智能化的图像处理：
? 用计算机去理解图像，并进行景物分析，即计算
机视觉系统，如机动车自动驾驶系统和机器人的
视觉操纵系统等。
第一章 数字图像处理的基本概念
4、数字图像处理的学科特点
? 因此图像处理技术不仅是融合多学科的新兴学
科，而且是工程性很强的学科。
? 计算机应用，涉及的领域包括数学、物理学、生物
学以及生理学等基础学科，又在电子技术、计算机
科学、信息理论、医学、控制理论以及系统工程等
应用学科新成就的促进下迅速发展。
? 图像系统与研究目标密切相关，需针对不同应用、
不同要求采用不同的方法、构建不同的系统。
? 图像处理是一门年轻的、充满活力的交叉学科，
并随着计算机技术、认知科学、神经网络技术
以及数学理论的新成果，如数学形态学、小波
分析、分形理论的发展，以及其它相关领域的
最新成就而飞速发展着。
第一章 数字图像处理的基本概念
几个学科之间的关系
? 数字图像处理 (process)：图像 ~图像
? 数字图像分析 （ analysis ）：图像 ~非图像的表示
? 计算机图形学 (computer graphics)：用计算机将由概念或
数学模型表示的物体（不是实物）进行处理，并显示成图
像。
? 计算机视觉 （ computer vision）：研究模拟人眼功能的理
解自然景物的系统。
? 数字成像 （ digital imaging）,更广义的一个概念，涵盖任
何用计算机来操作（ manipulate）与图像有关数据的技术，
包括计算机图形学、计算机视觉、数字图像处理与分析。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.4 课程学习要求
? 课程的定位为“数字图像处理与分析基础”，即
“图像的数字处理基本方法”，讲授的内容主要
为应用广泛的、基础的图像处理手段
? 掌握图像处理的基本理论、基本思想、基本方法
? 课程体系从“图像处理系统”这个高度出发建立，
而讲授重点在图像的计算机处理思想与方法 。
第一章 数字图像处理的基本概念
课程基本章节
? 第一章数字图像处理基本概念
? 第二章数字图像处理系统
? 第三章生理视觉基础
? 第四章 Matlab图像处理基础
? 第五章图像变换
? 第六章图像增强
? 第七章图像编码
? 第八章图像分割与描述
第一章 数字图像处理的基本概念
教学内容及安排
第一章 2 1、图像处理应用 1
2、基本概念 1
第二章系统 3 2.1,2.2 1
2.3,2.4 1
2.5,2.6,2.7 1
第三章基础 3 3.1视觉基础 1
3.2数学模型
3.3,3.4 1
第四章 MATLAB1 概念，演示 1
第五章变换 8 5.1,5.2.1,5.2.2 1
5.2 3
5.3,5.4 1
5.5 1
5.6 2
第一章 数字图像处理的基本概念
第六章增强 11 6.1频域增强 1
6.2点运算 1
6.3逻辑运算 1
灰度变换，直方图 2
6.4空域低高通滤波器 2
6.6中值滤波,形态滤波 2
6.7彩色增强 1
6.8几何运算 1
第七章编码 9 7.1,7.2 1
7.3 2
7.4 2
7.5 2
7.6,7.7 2
第八章分割与描述 5 8.1.1,8.1.2,8.1.3 3
8.2.1,8.2.2 2
复习 2
第一章 数字图像处理的基本概念
学习方法
? 理论
? 阅读
? 实践
第一章 数字图像处理的基本概念
教学要求
? 书面作业
? 手写（图表除外）
? 上机作业
? 重要
? Matlab,C,C++,其他
? 实验报告
? 论文
? 选定主题，不断完善
第一章 数字图像处理的基本概念
考核方法
?开卷有益
?实验报告 +科学论文
?闭卷考试
?图像处理软件，实现工具不限
Matlab,C,VB
第一章 数字图像处理的基本概念
1.5思考题与习题 1（必做）
1、准备好 Photoshop,Matlab,VC等软件。
2、使用 Photoshop软件加工一幅图片，试验该
软件提供的尽可能多的功能。提交实验报告。
3,学会用 Matlab或 VC等编程。
4、参观实验室，简要介绍一套图像处理系统，
包括系统的构成、功能、所用的图像处理技术
等。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.5思考题与习题 2（任选 1）
1、举例说明数字图像处理技术对提高机器人智能的作用。
2、观察一个视频游戏，写一篇短文叙述数字图像技术如何用于产生特殊视
觉效果。
3、观察一个大量使用计算机动画的电影，写一篇短文描述数字图像技术如
何用于加强故事情节的。
4、参观一所医院的医学成像设施，写一篇短文描述它们用到哪些数字成像
技术，这些技术对提高医疗保健的准确性和效率，以及在降低成本上有何 贡献。
5、了解 OCR系统的工作过程，写一篇短文介绍其中的数字图像处理技术在
整个系统中的作用。
6、写一篇短文介绍图像处理技术在“数字地球”研究中的作用。
7、简要介绍 ATR（目标自动识别）系统中图像处理技术的作用。
8、智能化交通管理系统中图像处理技术有何应用前景？
Digital Image Processing
and Analysis Theory
第一章 数字图像处理的基本概念
第一章
数字图像处理的基本概念
? 图像的概念
? 数字图像处理技术
第一章 数字图像处理的基本概念
内容摘要
?“数字图像处理”学科涉及众多新颖的概念，这些概念
对正确掌握本学科的有关知识是至关重要的，因此本
章先介绍本学科主要的研究对象，即图像、数字图像、
图像处理、数字图像处理等，其中“图像”的概念是
从图像类别的角度阐述的。在此基础上进一步介绍了
图像信息的类型、图像处理的基本方法以及数字图像
处理的研究内容、重点以及方法。本章的后一部分讲
述了数字图像处理学科的发展历程，并以大量的实例
说明，数字图像处理不仅已经在遥感、医学、机器人
等领域取得成功应用，而且在人工智能、计算机技术
等理论与技术的新成果的促进下不断向更多的领域拓
展。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1 图像
? 1.1.1图像的分类
? 1.1.2图像信息的分类
? 1.1.3图像处理的基本方法
? 1.1.4数字图像处理的几个基本术语
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1.1图像的分类
?,图像” (image)
在一般的意义下，可以认为一幅图像就
是一个东西的一个表示，它包含了所表
示物体的相关描述信息，出现形式多种
多样
?可视的和不可视的；
?抽象的和实际的；
?适于和不适于计算机处理的。
第一章 数字图像处理的基本概念
图像类型
? （ 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。
第一章 数字图像处理的基本概念
1、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)，人眼可以看到并
接受的图像，如, 图片, (picture)，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。
第一章 数字图像处理的基本概念
2、按照图像的色彩特性分
? 彩色图像，又称为“多光谱图像”，图像上
的每个点有多于一个的局部特征。如在彩色
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。
而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。例如黑白照片、黑白电视画面。
第一章 数字图像处理的基本概念
3、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”。
第一章 数字图像处理的基本概念
4、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。
?,静止图像”
? 不随时间变化的图像，如各类图片。
第一章 数字图像处理的基本概念
物体
objects
图像
images
不可见的物理图像
Non-visible
physical image
数学函数
Mathematical
function
连续函数
continuous
离散函数
Discrete
(digital image)
可见的图像
Visible image
光图像
Optical
image
图片 pictures
照片 photograph
图 drawing
画 paintings
types of images
图 1.1图像的类型
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1.2图像信息的分类
?三类
?符号信息
?景物信息
?情绪信息
第一章 数字图像处理的基本概念
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。如电路图、机械图、打印的文件
等，它们中包含有规则、含义明确的符号，这
些图像一般用二值图像表示就足够了，因为符
号的颜色不提供新的有效信息，对图像的理解
没有帮助。
? 注意：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，绿色的深浅也表明了海拔高度。
第一章 数字图像处理的基本概念
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。
第一章 数字图像处理的基本概念
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。
第一章 数字图像处理的基本概念
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。
? 基本方法
? 模拟图像处理
? 数字图像处理
第一章 数字图像处理的基本概念
1、模拟图像处理
? 包括光学图像处理和电子图像处理（电子光学处理）
? 光学方法是图像处理发展的起源,1946年法国的
Duffienx提出傅立叶光学,1964年美国密执安大学的
A.Vanderlugt制成空间滤频器。光学处理具有处理速
度快（可实时和并行处理，如电视模拟图像处理可达
25帧 /秒或 30帧 /秒）、信息量大、分辨率高、经济等
优点。
? 模拟图像处理的缺点是精度差、灵活性差，器件具有
专用性，并且缺乏判断分析能力，不具备非线性处理
能力。
? 趋势：将光学处理和计算机相结合的方法，如利用光
学方法对图像进行傅立叶变换，再用计算机对频谱分
析。
第一章 数字图像处理的基本概念
2、数字图像处理
? 就是将图像转换成一个数据矩阵存放在图像存储器中，
然后再利用数字计算机，或其它的大规模集成数字器
件（如 DSP）,对图像信息进行数字运算或处理，以提
高图像的质量或达到人们所预期的其它效果。
? 优点：精度高、处理内容丰富、可以进行复杂的非线
性处理，处理方式灵活，同样的图像硬件系统，在改
变软件之后何以用于其它完全不同的任务。
? 缺点：由于目前计算机性能的限制，数字图像处理的
速度有限，对于一些有实时性要求的任务，必须利用
DSP加速或构建专用系统。
第一章 数字图像处理的基本概念
两种基本的图像数学模型
? 连续模型
? 一般的图像都是能量的连续分布
? 离散模型
? 就是把数字图像看成离散采样点的集合，每个点具
有其各自的属性。处理运算就是对这些离散单元的
操作。这种模型不能反映出图像的整体状态以及图
像内容间的联系。图像及其内容由连续函数来描述
会更好。
第一章 数字图像处理的基本概念
图像数学模型的应用原则
? 在图像处理中，根据任务和目的的不同，经常
会采用不同的模型来处理图像，或者在不同的
阶段是用不同的模型，保证系统的最佳性能。
? 图像在数字化时必须满足采样定理，这样离散
的图像才能与它的连续形式对应。
?,数字图像处理”不是指“数字图像的处理”，
而是指“图像的数字处理”。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.1.4数字图像处理的几个基本术语
? 数字化 (digitizing)
? 将一幅图像从其原来的形式转换为数字形式的处理
过程，包括“扫描”、“采样”与“量化”三个步
骤，但通常将“扫描”合并到“采样”阶段，合并
为两个过程。
第一章 数字图像处理的基本概念
扫描（ scanning）
? 将一个数学虚拟网格覆盖在一幅图像上，图像
的平面空间被离散化成一个个的有序的格子
（格子的形式可以有多种形式，通常易于物理
实现的是矩形，且每个格子完全相同），然后
按照格子的排列顺序依次读取图像的信息，此
读取过程称为,扫描” 。在扫描过程中被读取
的小块图像称为 图像元素 (picture element)，
简称 像素 (pixel),它的描述包括空间坐标以及
图像信息两个部分。不太严格的情况下，扫描
也可以用作数字化的等价词。矩形扫描网格常
称为 光栅 (raster)。
第一章 数字图像处理的基本概念
图 1-3图像数
字化 采样列
采样行
图片
像素
行间隔
采样列间隔
灰阶
黑
灰
白
0
128
255
物理图像
196
43
灰度
像素
数字图像
图 1-2物理图像及其对应的数字图像
第一章 数字图像处理的基本概念
采样 (sampling)
? 在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。
? 采样通常是由一个图像传感元件完成，它将每
个像素处的亮度转换成与其成正比的电压值。
采样完成图像空间的数字化，在 CCD摄像机
中，是由一个个感光单元实现的。
? 图像数字化时必须遵守“采样定理”，才能保
证图像可恢复。
第一章 数字图像处理的基本概念
量化 (quantization)
? 将采样时测量的灰度值转化成整数表示。
? 由于数字计算机只能处理数字，因此必须将连
续的测量值转化为离散的整数。因此在图像传
感器后面，经常跟随一个电子线路的模数转换
器 (ADC)，将电压值转化成一个整数。
经过数字化得到一幅图像的数字表示，即 数
字图像 f(x,y),f(x,y)以及 x,y都是整数 。
第一章 数字图像处理的基本概念
几个重要概念
? 1,处理,让某个事物受到一个过程的作用
? 2,过程 （ process ）：指能导致某个所期望
目标的一系列的动作或操作。
? 3,数字图像处理,对一个物体的数字表示施
加一系列的操作，以得到所期望的结果。
? 4、数字图像的限制性定义：一个被采样和量
化后的二维函数（该二维函数由光学方法产
生），采用等距离矩形网格采样，对幅度进行
等间隔量化。因此，一幅数字图像是一个被量
化的采样数值的二维矩阵。
第一章 数字图像处理的基本概念
重要概念（续）
? 6,显示 （ display）：由一幅数字图像生成一可
见的、直观的图像。类似概念有“回放”、“图
像重建”、“硬拷贝”、“图像记录”。显示设
备有暂时的、永久的两类。
? 10,对比度 （ contrast）：一幅图像中灰度反差
的大小。
? 11,噪声 （ noise）：加性的或乘法性的污染。
? 12,采样密度 （ sampling density）,图像上单位
长度包含的采样点数。
像素间距（ pixel spacing） =1/采样密度
第一章 数字图像处理的基本概念
重要概念（续）
? 13,放大率 （ magnification）：图像中物体与
其所对应的景物中物体的比例关系。
? 14,运算 （ operation）：注意运算前后图像
之间的对应关系。
? （ 1） 全局运算,对整幅图像同时处理
? （ 2） 点运算,由对应点决定
? （ 3） 局部运算,由中心像素周围的有关像素决定
第一章 数字图像处理的基本概念
1.2数字图像处理技术
? 广义的数字图像处理是指从图像获取到图像信
息输出的全过程，即图像处理系统，包括与计
算机应用相关的设备、图像处理相关的方法，
以及有效软件的实现、图像处理软件的应用、
图像信息在计算机中的表示、图像数据库及检
索、图像信息应用等。
? 狭义的数字图像处理仅指其中对图像信息进行
处理。
第一章 数字图像处理的基本概念
广义图像处理
? 图像信息获取，即获取研究对象的图像，并转换成数字信
号，以便于计算机或其它数字设备处理。这一阶段的研究
重点是图像成像设备和数字化设备等。
? 图像信息的存储。图像的数据量巨大，因此研究的领域包
括图像存储设备，以及图像存储的格式、图像压缩标准以
及图像数据库技术等。
? 图像信息的传送，包括内部传送与远距离传送。内部传送多采用 DMA（ Direct Memory Access）技术解决速度问
题；远距离传送同样需要研究图像压缩技术，减少占用带宽。
? 图像信息处理，即狭义的图像处理，主要研究利用计算机
可以实现的算法。
? 图像的输出与显示，即为人或计算机提供便于理解以及识别的图像。图像的输出有软拷贝与硬拷贝两种形式。
第一章 数字图像处理的基本概念
狭义的计算机图像处理
? 几何处理
? 主要包括坐标变换，图像的放大与缩小、旋转、移动
? 图像畸变校正
? 几何特征计算等。
? 算术与逻辑运算
? 图像的加减乘除，与或非等运算
? 此类运算既简单有效，又是其它处理的基础。
? 图像增强
? 根据任务目标突出图像中感兴趣的信息，消除干扰，改善图
像的视觉效果或增强便于机器识别的信息
? 此三项是图像预处理中常涉及的内容。
第一章 数字图像处理的基本概念
狭义的计算机图像处理 2
? 图像复原
? 根据图像退化模型，消除退化因素，恢复原始的图像。如散焦
是造成图像模糊的一个重要的因素，而散焦模型可以通过实验
数据和理论分析获得，利用逆滤波就可以消除散焦。
? 图像编码
? 研究压缩图像数据的方法，需要研究并利用图像的冗余特征，
如统计冗余、生理视觉冗余、知识冗余等。
? 图像分割
? 根据图像的某些特征将图像划分为不同的区域，以便于对图像
中的物体或目标进行分析与识别。如“机动车视觉系统”中根
据图像中的灰度信息分割白色导引线和路面。
第一章 数字图像处理的基本概念
狭义的计算机图像处理 3
? 图像重建
? 前面六个研究方面输入的是图像，而图像重建输入的是非
图像信息，如数据、公式等，输出为图像。主要有卷积反
投影法等。常用于医学设备,CT等
? 图像模式识别
? 在图像分割的基础上提取特征，对图像中的内容进行判决
分类。
? 图像分析与理解
? 在图像模式识别的基础上进一步发展，根据图像局部内容
之间的关系，利用有关知识进行推理与联想，对图像中所
表现的内容进行理解。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.3.1发展历程
? 改善视觉效果：
? 增强人类分析判断时采用的图像信息
? 生物视觉系统仿生：
? 随着计算机技术与人工智能技术的发展，主要目的
演变为处理自动装置感受的景物数据（计算机视觉、
模式识别（ Pattern Recognition）等）
第一章 数字图像处理的基本概念
1、改善视觉效果
? 打印技术与半调技术相结合
? 编码技术
第一章 数字图像处理的基本概念
图 1-4 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
第一章 数字图像处理的基本概念
2、计算机图像处理技术
? 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
第一章 数字图像处理的基本概念
图 1-5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
第一章 数字图像处理的基本概念
3、数字图像处理的显著成就
? 从可见光谱扩展到各波段：
? 如遥感图像的多光谱处理、雷达波段的侧视雷达
遥感图像处理、红外波段的图像处理（如夜视仪、
热像仪等）、超声图像处理。
? 从静止图像到运动图像的处理：
? 如运动模糊图像的恢复、心脏搏动序列图像的处
理、对运动目标的跟踪、巡航导弹的地形识别及
瞄准等。
第一章 数字图像处理的基本概念
数字图像处理的显著成就 2
? 从物体的外部到物体的内部图像的处理：
? 如人体的无损检测设备 CT,MRI及宇航用密封零
件的无损检测、海关用的集装箱不开箱检查等。
? 从整体到局部图像的处理（ AOI技术）：
? 有选择性地对人类感兴趣的局部图像进行处理，
如空间、灰度、颜色、频域都可以开窗口进行加
工处理 (如放大、变换、校正等 )。
第一章 数字图像处理的基本概念
数字图像处理的显著成就 3
? 提取图像中特征的处理：
? 从图像中抽出感兴趣的区域、物体以特征的形式
表现出来，以便计算机识别控制。
? 人工智能化的图像处理：
? 用计算机去理解图像，并进行景物分析，即计算
机视觉系统，如机动车自动驾驶系统和机器人的
视觉操纵系统等。
第一章 数字图像处理的基本概念
4、数字图像处理的学科特点
? 因此图像处理技术不仅是融合多学科的新兴学
科，而且是工程性很强的学科。
? 计算机应用，涉及的领域包括数学、物理学、生物
学以及生理学等基础学科，又在电子技术、计算机
科学、信息理论、医学、控制理论以及系统工程等
应用学科新成就的促进下迅速发展。
? 图像系统与研究目标密切相关，需针对不同应用、
不同要求采用不同的方法、构建不同的系统。
? 图像处理是一门年轻的、充满活力的交叉学科，
并随着计算机技术、认知科学、神经网络技术
以及数学理论的新成果，如数学形态学、小波
分析、分形理论的发展，以及其它相关领域的
最新成就而飞速发展着。
第一章 数字图像处理的基本概念
几个学科之间的关系
? 数字图像处理 (process)：图像 ~图像
? 数字图像分析 （ analysis ）：图像 ~非图像的表示
? 计算机图形学 (computer graphics)：用计算机将由概念或
数学模型表示的物体（不是实物）进行处理，并显示成图
像。
? 计算机视觉 （ computer vision）：研究模拟人眼功能的理
解自然景物的系统。
? 数字成像 （ digital imaging）,更广义的一个概念，涵盖任
何用计算机来操作（ manipulate）与图像有关数据的技术，
包括计算机图形学、计算机视觉、数字图像处理与分析。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.4 课程学习要求
? 课程的定位为“数字图像处理与分析基础”，即
“图像的数字处理基本方法”，讲授的内容主要
为应用广泛的、基础的图像处理手段
? 掌握图像处理的基本理论、基本思想、基本方法
? 课程体系从“图像处理系统”这个高度出发建立，
而讲授重点在图像的计算机处理思想与方法 。
第一章 数字图像处理的基本概念
课程基本章节
? 第一章数字图像处理基本概念
? 第二章数字图像处理系统
? 第三章生理视觉基础
? 第四章 Matlab图像处理基础
? 第五章图像变换
? 第六章图像增强
? 第七章图像编码
? 第八章图像分割与描述
第一章 数字图像处理的基本概念
教学内容及安排
第一章 2 1、图像处理应用 1
2、基本概念 1
第二章系统 3 2.1,2.2 1
2.3,2.4 1
2.5,2.6,2.7 1
第三章基础 3 3.1视觉基础 1
3.2数学模型
3.3,3.4 1
第四章 MATLAB1 概念，演示 1
第五章变换 8 5.1,5.2.1,5.2.2 1
5.2 3
5.3,5.4 1
5.5 1
5.6 2
第一章 数字图像处理的基本概念
第六章增强 11 6.1频域增强 1
6.2点运算 1
6.3逻辑运算 1
灰度变换，直方图 2
6.4空域低高通滤波器 2
6.6中值滤波,形态滤波 2
6.7彩色增强 1
6.8几何运算 1
第七章编码 9 7.1,7.2 1
7.3 2
7.4 2
7.5 2
7.6,7.7 2
第八章分割与描述 5 8.1.1,8.1.2,8.1.3 3
8.2.1,8.2.2 2
复习 2
第一章 数字图像处理的基本概念
学习方法
? 理论
? 阅读
? 实践
第一章 数字图像处理的基本概念
教学要求
? 书面作业
? 手写（图表除外）
? 上机作业
? 重要
? Matlab,C,C++,其他
? 实验报告
? 论文
? 选定主题，不断完善
第一章 数字图像处理的基本概念
考核方法
?开卷有益
?实验报告 +科学论文
?闭卷考试
?图像处理软件，实现工具不限
Matlab,C,VB
第一章 数字图像处理的基本概念
1.5思考题与习题 1（必做）
1、准备好 Photoshop,Matlab,VC等软件。
2、使用 Photoshop软件加工一幅图片，试验该
软件提供的尽可能多的功能。提交实验报告。
3,学会用 Matlab或 VC等编程。
4、参观实验室，简要介绍一套图像处理系统，
包括系统的构成、功能、所用的图像处理技术
等。
第一章 数字图像处理的基本概念
1.5思考题与习题 2（任选 1）
1、举例说明数字图像处理技术对提高机器人智能的作用。
2、观察一个视频游戏，写一篇短文叙述数字图像技术如何用于产生特殊视
觉效果。
3、观察一个大量使用计算机动画的电影，写一篇短文描述数字图像技术如
何用于加强故事情节的。
4、参观一所医院的医学成像设施，写一篇短文描述它们用到哪些数字成像
技术，这些技术对提高医疗保健的准确性和效率，以及在降低成本上有何 贡献。
5、了解 OCR系统的工作过程，写一篇短文介绍其中的数字图像处理技术在
整个系统中的作用。
6、写一篇短文介绍图像处理技术在“数字地球”研究中的作用。
7、简要介绍 ATR（目标自动识别）系统中图像处理技术的作用。
8、智能化交通管理系统中图像处理技术有何应用前景？
