信号处理图像处理：从图像中提取信息，赋能计算机视觉

# 1. 信号处理与图像处理概述

### 1.1 信号处理与图像处理的关系

信号处理与图像处理是密切相关的领域。信号处理涉及对时间或空间域中的信号进行处理，而图像处理则专门处理二维图像信号。图像可以看作是信号的一种特殊形式，它包含了空间分布的亮度或颜色信息。

### 1.2 图像处理的应用

图像处理技术广泛应用于各个领域，包括：

- 医学成像：增强医学图像，用于诊断和治疗
- 遥感：分析卫星图像，提取地表信息
- 工业自动化：检测缺陷，控制机器人
- 视频监控：目标跟踪，安全监测

# 2. 图像处理基础理论

图像处理基础理论是图像处理领域的基础知识，包括图像表示与存储、图像增强与修复、图像分析与特征提取等内容。

### 2.1 图像表示与存储

#### 2.1.1 像素和图像格式

图像由像素组成，像素是图像中最小的可寻址单位，每个像素都有一个颜色值。图像格式决定了图像中像素的组织方式和存储方式。常见的图像格式包括：

- **BMP：** Windows 位图格式，未压缩，文件较大。
- **JPEG：** 联合图像专家组格式，有损压缩，文件较小，图像质量较差。
- **PNG：** 便携式网络图形格式，无损压缩，文件较大，图像质量较高。
- **TIFF：** 标签图像文件格式，无损压缩，文件较大，图像质量最高。

#### 2.1.2 图像增强与修复

图像增强和修复技术可以改善图像的视觉效果或修复图像中的缺陷。常见的图像增强技术包括：

- **对比度增强：** 调整图像中像素值的范围，提高图像的对比度。
- **直方图均衡化：** 调整图像中像素值的分布，使图像的直方图更均匀。
- **锐化：** 增强图像中边缘的对比度，使图像更清晰。

常见的图像修复技术包括：

- **去噪：** 去除图像中的噪声，如椒盐噪声、高斯噪声。
- **去模糊：** 锐化图像，去除图像中的模糊。
- **修复划痕：** 修复图像中的划痕或其他缺陷。

### 2.2 图像分析与特征提取

#### 2.2.1 边缘检测与轮廓提取

边缘检测算法可以检测图像中像素值的变化，识别图像中的边缘。常见的边缘检测算法包括：

- **Sobel 算子：** 使用两个 3x3 卷积核检测水平和垂直边缘。
- **Canny 算子：** 使用多阶段算法检测边缘，包括降噪、梯度计算、非极大值抑制和滞后阈值。

轮廓提取算法可以将边缘连接成闭合的曲线，表示图像中的对象。常见的轮廓提取算法包括：

- **链码：** 使用一系列方向代码表示轮廓。
- **多边形逼近：** 使用多边形逼近轮廓。
- **傅里叶描述符：** 使用傅里叶变换表示轮廓。

#### 2.2.2 纹理分析与形状描述

纹理分析算法可以描述图像中纹理的特征，如粗糙度、方向性、均匀性。常见的纹理分析算法包括：

- **灰度共生矩阵：** 计算图像中像素对之间的空间关系。
- **局部二值模式：** 将图像中的像素与其周围像素比较，生成二进制模式。

形状描述算法可以描述图像中对象的形状特征，如面积、周长、凸包。常见的形状描述算法包括：

- **轮廓长度：** 计算轮廓的长度。
- **面积：** 计算轮廓包围的面积。
- **凸包：** 计算轮廓的凸包，即包含轮廓的所有点的最小凸多边形。

# 3. 图像处理实践应用

图像处理技术在实际应用中有着广泛的应用，从图像分割和目标识别到图像分类和检索。本章将深入探讨这些应用，并介绍相关的算法和技术。

### 3.1 图像分割与目标识别

图像分割是将图像分解为具有相似特征的区域的过程，而目标识别是识别和定位图像中的特定对象。这两个任务在计算机视觉中至关重要，在医疗成像、工业自动化和安防等领域有着广泛的应用。

#### 3.1.1 分割