1、数字图像处理语言实现王 宏 赵海滨 编著东北大学出版社沈 阳?王 宏 赵海滨图书在版编目 （）数据数字图像处理语言实现 王宏，赵海滨编著 沈阳 ：东北大学出版社，数 王 赵 数字图像处理语言程序设计中国版本图书馆数据核字 （）第号出 版 者：东北大学出版社地址：沈阳市和平区文化路号巷号邮编：电话：（市场部）（社务室）传真：（市场部）（社务室）：印 刷 者：铁岭新华印刷有限公司发 行 者：东北大学出版社幅面尺寸：犿犿犿犿印 张：字 数：千字出版时间：年月第版印刷时间：年月第次印刷责任编辑：李毓兴特邀编辑：李 艳封面设计：唐敏智责任校对：尔 顺责任出版：秦 力定 价：元 （附赠一张光盘）前 言数字
2、图像处理是随着现代计算机技术和超大规模集成电路技术的发展而产生、发展和不断成熟起来的一个新技术领域。目前，数字图像处理技术已经应用到了生物医学、遥感图像、军事图像和工业图像处理等领域。特别是近年来随着和通讯技术的快速发展，数字图像已经广泛地进入了人们的日常生活。人们可以在机上浏览和处理数字图像，可以通过网络传输、下载、上载和处理数字图像等。数字图像处理技术引起了人们的广泛关注，并在许多领域中起到了很大的作用。据统计，人的视觉信息占人类获取信息的左右，所以图像信息无论是在社会进步，还是在人们的日常生活中，都占有极其重要的地位。本书作为数字图像处理技术的入门书，由浅入深、详细地介绍了数字图像处理的
3、基本原理和方法，并给出了具体而生动的例子。本书共分章。第章介绍了计算机数字图像处理的发展历史和它包含的主要内容；第章介绍了计算机数字图像处理中所使用的数学变换；第章介绍了将模拟图像转换成数字图像的基本原理；第章介绍了图像增强；第章介绍了图像复原；第章介绍了图像的编码与压缩；第章介绍了图像的分割与描述；第章讲述了数字图像处理在医学中的应用。本书中的程序由王宏和赵海滨共同完成，附录由赵海滨辑录，其余内容均由王宏编著。在编著本书的过程中得到了庞小飞、王志宇、叶柠、汤龙海、袁正华的帮助，本书的出版得到了国家自然科学基金的资助，在此表示深深的感谢。由于编著者水平所限，书中如有不妥之处，恳切欢迎读者批评指
4、正。编著者年月目 录第章 引 言数字图像处理的发展概况数字图像和数字图像处理图 像数字图像数字图像处理数字图像处理系统数字图像处理硬件系统数字图像处理软件系统语言练习题第章 数字图像处理的数学基础图像的线性处理系统成像系统模型的划分点光源和函数傅立叶变换连续函数的傅立叶变换离散函数的傅立叶变换快速傅立叶变换沃尔什变换一维离散沃尔什变换二维离散沃尔什变换哈达玛变换一维离散哈达玛变换二维离散哈达玛变换小波变换连续小波变换离散小波变换练习题第章 图像的数字化概 述取 样量 化 语言实现对图像像素的获取取样、量化与图像的质量点阵取样原理一维点阵取样二维点阵取样最佳量化练习题第章 图像增强灰度变换灰度变
5、换 语言实现线性灰度变换直方图均匀化处理灰度直方图直方图修正技术直方图均匀化处理平滑化处理邻域平均法低通滤波法尖锐化处理微分尖锐化处理高通滤波法中值滤波一维中值滤波二维中值滤波练习题第章 图像复原退化的数学模型退化模型及复原的基本过程连续函数的退化模型离散函数的退化模型线性滤波图像复原无约束图像复原约束图像复原反向滤波图像复原基本原理零点问题 数字图像处理语言实现消除因匀速直线运动引起的图像模糊最小二乘方约束图像复原练习题第章 图像编码与压缩基本概念图像编码冗余信息和不相关信息数据的压缩图像质量的衡量准则客观保真度准则主观保真度准则图像编码过程图像数据转换图像数据量化图像数据编码统计编码基本概
6、念香农费诺码霍夫曼编码练习题第章 图像的分割与描述图像的分割灰度阈值分割法模板匹配法边缘检测法图像的描述区域描述关系描述相似性描述练习题第章 数字图像处理技术的应用医学图像处理医学成像系统的物理基础原子模型电磁波伦琴射线磁共振效应多普勒效应目 录超声波医学成像系统的技术基础计算机断层扫描（）成像正电子发射计算机断层扫描（）成像磁共振（）成像超声多普勒成像常用医学图像处理方法图像修正图像分析练习题参考文献附 录附录 语言简介附录 的安装及配置附录光盘说明 数字图像处理语言实现第章 引 言数字图像处理的发展概况数字图像处理就是用计算机对图像进行分析和处理，它是一门跨学科的技术。数字图像处理始于世纪
7、年代。特别是在年，美国喷射推进实验室使用计算机对太空船送回地面的大批月球照片进行处理后，得到了清晰逼真的图像，使这门技术受到了广泛的关注，它成为这门技术发展的重要里程碑，此后数字图像处理技术在空间研究方面得到了广泛的应用。世纪年代初，由于大量的研究和应用，数字图像处理已具备了自己的技术特色，并形成了较完善的学科体系，从而成为一门独立的新学科。目前，数字图像处理在生物医学、通信、流通领域，产业界、文件处理领域，军事、公安、遥感、宇宙探险及日常生活中被广泛应用，已经成为当代不可缺少的一门技术。（）生物医学。生物医学数字图像处理技术大约是世纪年代初在生物医学上得到广泛应用的，随着现代医学特别是数字化
8、医疗技术的不断发展，数字图像处理技术显得更为重要。如光对人体组织有损害，在临床上为了减少这种生物副效应，同时又能得到比较理想的病人的光片，可以用强度较低的光对病人进行照相，然后通过图像处理技术得到清晰的图像，这就是光图像的处理。此外，数字图像处理技术还应用到对超声图像的处理（图）、激光显微图像的处理、图像的处理（图）、磁共振图像的处理、图像的处理等。目前，数字图像处理技术在现代医学中不仅用于图像的加工和处理，同时还用于信息的存储和传输。图超声波图像的处理（选自）（）通信。在多媒体网络通讯中，对电视和电话等传输的图像进行数据压缩和处理等。（）流通领域、产业界、文件处理领域。数字图像处理技术在文件
9、处理、机器人视觉、地质、海洋、气象、农业、灾害治理、货物检测、邮政编码、金融、银行、工矿企业、冶金、渔业、机械、交通、电子商务等领域被广泛应用。（）军事和公安。对现场照片、指纹和手迹等图像进行分析和处理。图 图像的处理（）遥感。遥感是用不同光源和技术获得大量的遥感图像，这些图像需要用数字图像处理技术加工处理并提取有用的信息。数字图像和数字图像处理图 像景象众所周知，人类的视觉系统能够看到五彩缤纷的世界，这是人类的生理功能。具体地说，它是由于光线照射到物体上，经过不发光物体形成的反射光线或发光物体发出的光线射入人们的眼睛内，这些光信号在视网膜上转化成神经电信号，然后神经电信号通过神经纤维传送到大
10、脑皮层中，使人们看到外部的世界，这时所看到的外部世界称为景象。图像直到人类文明发展到一定程度时，人们才意识到景象的存在，并想出一些方法将景象记录下来，这种记录下来的景象称为图像。所以说图像是对视觉信息的记录和展现。一幅照片就是一幅图像，如图和图所示。要形成一幅图像，必须有两个因素：一个是景象，另一个是电磁波。电磁波谱包括可见光、射线和微波等（如图所示）。电磁波以的速度传播，所以事件的成像是在瞬间进行的。电磁波辐射决定了一幅图像的亮度。电磁波与物体的相互作用决定了图像中呈现出的物体的几何形状。由于电磁波的波长不同，电磁波与物质的相互作用形式也不同。在可见光（波长在）区内呈现彩色图像，其中波长呈现
11、绿色，波长呈现红色。在短波区，电磁波具有很大的能量。如在射线区电磁波具有很强的穿透能图电磁波分布示意图数字图像处理语言实现图 年月第一张光片（选自）力，所以射线成像常用于观测物体的内部结构（如图所示）。在更短的波长区域（如射线区）电磁波具有更大的能量，所以具有更强的穿透能力，射线成像在医学上也广泛应用着。射线可以提供物体内部的结构信息，而射线成像可以提供内部的生理功能信息。在长电磁波区域，如红外线成像和微波（雷达）成像也被广泛地应用。关于图像的例子很多，这里就不一一列举了。根据电磁波长的不同，常采用不同的记录方式（如照相机、摄像机、光成像等）来形成各种不同的图像。通常将图像分为两种，一种是可以
12、为视觉系统直接感受到的图像，如照片和图画等，称为可见图像；另一种是不可以为视觉系统直接感受到的图像，这类图像必须经过某些数学和物理的转换才能为视觉系统所感受，如光片等，称为不可见图像。从另一个角度，若记录的图像是随时间变化的，则称为时变图像，如电影；若记录的图像是不随时间变化的，则称为静止图像，如图画。通常用数学函数（，）表示一幅图像。对于平面图像，只有变量和，可用数学函数（，）表示。若只考虑光的能量，而不考虑波长，则图像只有黑白深浅之分，这样的图像称为黑白图像。对于平面黑白图像的数学表达式为（，）（，）（）（）式中（）为的品质函数。这样，（，）就表示了一幅随时间变化的平面黑白图像，即动态平面
13、黑白图像。若图像函数与时间无关，则代表静止图像，对于静止的平面黑白图像可表示为（，）（，）（）图像函数（，）在某一点的值称为灰度，它与图像在该点的亮度是相对应的，即灰度值大 亮灰度值小 暗灰度是一个非负的连续函数，即（，）（）式中图像中灰度的最大值。数字图像上面提到的图像叫模拟图像或连续图像，它们是不能直接送到计算机中进行处理的，为了在计算机中对图像进行处理，需要将现有的连续图像转换成计算机能识别的形式数字图像。所谓数字图像，就是将连续图像进行数字化后，用一个矩阵表示的图像。图示出了一幅连续图像的数字化过程，图（）是该图像的矩阵表达。这时从广义上来说，静止、平面、黑白的数字图像就可用下面的数学
14、形式表达第章 引 言图连续图像的数字化过程（，）（，）（，） （，）（，）（，） （，） （，）（，） （，烄烆烌烎）（）式中，；，；（，）点（，）处的灰度值。这样就将一幅图像表示成为矩阵的形式数字图像。数字图像处理一幅图像用矩阵表示后就可用计算机对数字图像的矩阵进行各种运算了，这就是数字图像处理。图像处理的目的是改善图像的质量，使它更便于人们观察，适合机器识别。通常分为两大类图像处理方式：（）光学图像处理，它是用光学的方法对图像作某些特殊的处理。（）数字图像处理，它是用计算机对图像进行加工和处理，主要有以下几个方面：）对图像进行增强处理。这里是增强有用的信息，抑制无用的信息，从而改变图像的灰
15、度分布，使图像更易于人们视觉系统观看。在图（）中图像比较暗，经过增强处理后，得到了图（），这时图像更清晰了。图图像增强的例子数字图像处理语言实现）对图像进行复原处理。有些图像由于在拍摄的曝光时间内，景物与照相机之间产生了相对移动，使图像模糊了（如图（）所示），应用图像复原技术可以改善这种图像的质量（如图（）所示）。图图像复原的例子）提取、分析和描述图像中所包含的特殊信息。在图（）中将图像中的边缘提取出来，得到了图（）。图图像边缘提取的例子数字图像处理系统能够完成图像处理和分析任务的系统就是数字图像处理系统。数字图像处理系统主要有：图像输入设备，执行分析与处理图像的计算机及图像处理机；输出设备及
16、存储系统中的图像数据库等。计算机数字图像处理系统的结构框图如图所示。数字图像处理系统与其他数据处理系统的不同之处是其庞大的数据处理量和存储量。因此，无论从硬件的配置还是软件的环境上，数字图像处理系统都有别于其他的计算机系统，从而形成了专门的数字图像处理系统。可以说，图像处理技术是以计算机为核心的技术，因此，图像处理系统的发展是随着计算机技术的提高而发展的。从系统的层次上，数字图像处理系统可分为高、中、低三个档次。第章 引 言图数字图像处理系统示意图（）高档图像处理系统。它是采用高速芯片、适合图像处理特有规律的并行阵列图像处理机。这种系统采用多个或多机结构，可以以并行或流水线的方式工作。（）中档
17、图像处理工作站。它是由主控计算机和图像处理器构成。其主控机是小型机或工作站。这类系统有较强的交互处理能力，在系统环境下具有较好的再开发能力。（）低档的数字图像处理系统。由计算机加上图像采集部件构成，其结构简单，是一种便于普及和推广的图像处理系统，它是本书重点介绍的系统。此外，从图像传感器的敏感区域看，又可分为可见光、红外线、近红外线、射线、雷达、射线、超声波等图像处理系统；从采集部件与景物的距离上来说，还可分成遥感、宏观和微观图像处理系统；就应用场所而言，又能分成通用图像处理系统和专用图像处理系统。通用图像处理系统一般用于研究开发；而专用图像处理系统一般用于特殊用途，它是在通用系统研究基础上研
18、制开发的为实现某一个或几个功能的商用系统。数字图像处理硬件系统图像处理硬件系统主要由图像采集系统、图像处理系统和图像输出系统三部分组成。数字图像采集系统原始的图像数据是通过图像采集部件进入计算机的，即图像采集部件是采集原始的模拟图像数据，并将其转换成数字信号，计算机接受到图像的数字信号后，将其存入内存储区。数字图像处理系统常用的图像采集部件有：（）摄像机和视频图像采集卡。该图像处理系统采用的摄像机需要和视频图像采集卡配合使用，使用时要考虑两者参数的优化问题。视频图像采集卡可以将摄像机摄取的模拟图像转化为数字图像。（）图像扫描仪。它是近年来出现的数字化产品，将图像采集和数字化部件集成在同一个机器
19、上，使其输出的信号能直接为计算机所接受。（）数码摄像机。数码摄像机也是近几年来出现的数字化产品，将图像采集和数字化部件集成在同一机器上，使其输出的信号能直接为计算机所接受。数码摄像机使图像的采集部件和主机的连接更具有通配性，而且由于其携带方便，有相应的存储器，因此更适用于现场数据采集。数字图像处理系统在数字图像处理系统中，图像处理工作是由计算机完成的，计算机的扩展槽上插有带帧数字图像处理语言实现存储器的采集卡，图像处理的过程通常包含从帧存储器提取数据到计算机内存、处理内存 中的图像数据和送数据回图像帧存储器三个步骤。对于直接使用内存的采集卡，则只需和内存进行数据交换，计算机的内存越大，的运算速
20、度越快，图像处理的速度也就越快。数字图像输出系统图像的输出是图像处理的最终目的。图像输出有两种基本形式：一种是根据图像处理的结果作出判断，例如质量检测中的合格与不合格，输出不一定以图像作为最终形式，而只需作出提示供人或机器进行选择。这种提示可以是计算机屏幕信息，或是电平信号的高低，这样的输出往往用于成熟研究的应用上。另一种则是以图像为输出形式，它包括中间过程的监视以及结果图像的输出。图像输出方式有屏幕输出、打印输出和视频硬拷贝输出。（）屏幕输出。用屏幕输出处理结果是最直观、最简单的方法，并可获得高质量图像。根据硬件的不同，可分为单屏显示和分屏显示两种形式。单屏显示是指图像处理的过程与结果都在同
21、一计算机的显示器上显示，一屏两用，比较经济。分屏显示是指图像处理的结果或中间过程由专门的监视器显示，加上计算机本身的显示器，这样的系统可以称作双屏系统。由于图像部分和程序执行过程互不干扰，因此处理过程比较直观。（）打印输出。打印输出的设备为打印机，按打印效果分成黑白、彩色两种，有点阵式、喷墨式、激光式、热敏式打印机等。（）视频硬拷贝输出。视频硬拷贝输出采用专用的拷贝和复制纸，得到高质量输出图像。视频拷贝机分成模拟式和数字式两种。模拟式拷贝机需连接视频信号，数字式拷贝机则可以直接和计算机相连，视频硬拷贝输出形式能长时间地保存图像。数字图像处理软件系统语言进行处理图像的应用软件很多，如，等。但这些
22、图像处理软件只是为了改善用户的某些视觉效果，不利于针对某个具体任务进行特殊的图像处理。在实际应用中进行的图像处理应根据高级程序语言来编写自己的图像处理软件。就是一种新型的可用于图像处理的高级语言。众所周知，随着科技的发展，数字图像和网络都进入了人们的日常生活中。人们可以在计算机上浏览和处理数字图像，也可以通过网络传输、下载、上载和处理数字图像，这样就需要能将网络与数字图像联系起来的高级语言。就是近年来很流行的一种网络编程语言，它提供了对图像的支持。在出现以前，上的信息内容都是一些乏味死板的文档。这对于那些迷恋于浏览的人们来说简直不可容忍。他们迫切希望能在中看到一些交互式的内容，开发人员也极希望
23、能够在上创建一类无需考虑软硬件平台就可以执行的应用程序，当然这些程序还要有极大的安全保障。对于用户的这种要求，传统的编程语言显得无能为力。年，当公司正式以这个名字推出一套新的语言的时候，几乎所有的开发人员都想到：噢，这正是我想要的。于是，全世界的目光都被这种神奇的语言所吸引了。是一种简单的、面向对象的、分布式的、解释的、安全的、可移植的、性能很优异的、多线程的、动态的语言。能运行于不同的平台，使用编写的程序能在世界范围内共享。对程序提供了安全管理器，防止程序的非法访问，避免病毒通过指针侵入系统。建立在扩展网络平台上，其类库提供了用和等协议传送和接受信息的方法。这就使得程序员使用网络上的文件和使
24、用本机文件一样容易。第章 引 言我们知道，早先的仅可以传送文本和图片，的出现实现了互动的页面，这是一次伟大的革命。并不只是为的而设计的，它也可以用来编写独立的应用程序。程序和它的浏览器提供了程序在浏览器中运行的方法。比如，浏览器可直接播放声音，播放动画，提供友好的交互式界面。图像处理常用的图像格式是和。图像文件格式是为了方便用户在网络上传输数据而制定的。图像文件格式可用不同的比例对文件格式进行压缩，它采用最少的磁盘空间，而得到较好的图像质量。程序分为两种：和。可以独立运行，不能独立运行，可以使用或其他支持虚拟机的浏览器运行。为了使读者对语言有一个初步的印象，下面将给出对图像进行提取和显示的简单
25、例子。在图像处理开始时，需要将图像载入，可以使用类的（）方法，（）从由对象指定的因特网地址上的图形文件中创建一个对象。（）从图形文件中创建一个带有指定名字的对象。下面的语句是创建一个名字为的对象。然后，若希望将读入的图像显示出来，需要使用类中的（）方法。程序清单和中示出了一个使用读取和显示图像的例子。程序清单 的源代码方法加载图像方法显示图像信息上面的程序若使用运行，还需要一个文件（如清单所示）。数字图像处理语言实现程序清单 的源代码为了观察上述程序的显示效果，可以将和复制在同一个目录下，以便浏览器对这两个文件进行读取，图给出了根据程序清单和程序清单得出的效果。图用读取和显示图像的例子程序也可
26、以独立运行，这就是。程序清单中给出了一个使用读取和显示图像的例子，图示出了该程序运行的结果。程序清单 的源代码的构造方法加载图像第章 引 言添加窗口监听事件的方法显示图像信息定义方法设置窗口的大小显示窗口图用读取和显示图像的例子练 习 题当一个人照全身的光片时，从图像上能看到什么现象？为什么？如果你有一本像册，你可以看看所有的照片是否都很清晰，将不清晰的照片通过扫描仪输入到计算机中，试用语言将其显示在屏幕上，并存入计算机内，以备后续处理。数字图像处理语言实现第章 数字图像处理的数学基础在第一章中已经介绍了，所谓数字图像就是指代表图像的矩阵。数字图像处理就是对图像矩阵进行各种数学运算。这就意味着
27、在进行图像处理时需要一些数学基础，主要包括线性系统、傅立叶变换、沃尔什变换和小波变换等。图像的线性处理系统所谓系统就是若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的、具有特定功能的整体。在数字图像处理中，为了数学上计算的方便，需要对图像处理系统予以近似，如下所述。成像系统模型的划分空间位置连续系统和空间位置离散系统若系统的输入信号和输出信号都是空间位置的连续信号，则该系统称为空间位置连续系统，这样的系统通常用数学解析方法进行处理。若系统的输入信号和输出信号都是空间位置的离散信号，则该系统称为空间位置离散系统，这样的系统可用向量与矩阵理论进行处理。线性系统与非线性系统若输入图像函数为（，），而（，）进行
28、运算或称为作处理，则处理后的图像函数为（，）（，） （）这个运算关系可以用图表示如下如果有两个图像（，）和（，）进入系统中，系统的输入和输出分别为输入（，）输出（，）（，）（，）当下面条件满足时（，）（，）（，）（，） （）称此系统具有叠加性。若系统满足（，）（，） （）时，称此系统具有奇次性，这里为常数。如果系统有个输入图像，根据式（）与式（），若有（，）（，） （）表明这个系统具有叠加性和奇次性，这种系统称为线性系统。而不具有叠加性与奇次性的系统称为非线性系统。位移不变系统如果输入图像函数为（，），根据式（）其输出图像函数应为（，）（，） （）当空间位置变化时，即输入图像函数为（，）时，其输出图像函数为（，）（，） （）可见成像系统的参数没有随空间位置的变化而发生变化，这种成像系统的参数不随空间位置而发生变化的系统称为位移不变系统。在图像处理中，通常将成像系统描述成为线性、位移不变的系统。点光源和函数函数的定义在图像处理的线性系统分析中，常引入点光源的概念。任一图像（，）都可以看作
