教學(xué)課件·數(shù)字圖像處理(第二版)

1、第1章 概 論 1.1 數(shù)字圖像基本概念 1.2 圖像處理目的、 內(nèi)容和特點(diǎn) 1.3 圖像工程與相關(guān)學(xué)科 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 1.5 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用 1.6 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向 1.1 數(shù)字圖像基本概念1.1.1 圖像及其特點(diǎn) 1. 二維性數(shù)字圖像是用配置在二維平面(畫(huà)面)上的灰度值或彩色值來(lái)表示信息的， 信息擴(kuò)展在二維平面上。 用數(shù)學(xué)描述， 若用f(x， y)表示(x， y)處的灰度值， 則二維函數(shù)f(x， y)表示圖像。 若為彩色圖像， 可以認(rèn)為f(x， y)是由表示紅色、 綠色和藍(lán)色圖像的3個(gè)函數(shù)fR(x， y)、 fG(x， y)和fB(x， y)組成的。 大家知道， 聲

2、音是時(shí)基媒體， 即聲音信號(hào)是隨時(shí)間發(fā)生變化的。 若二維平面上的圖像中的圖案隨時(shí)間發(fā)生變化， 則稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)圖像，如電影膠片和視頻等。 2. 抽象性圖像包含的或從圖像獲取的信息， 往往用語(yǔ)言難于表達(dá)。也就是說(shuō)， 相對(duì)于語(yǔ)言描述，圖像積極地表達(dá)了更多的信息。3. 降維性圖像記錄的是二維畫(huà)面， 但是其內(nèi)容是描述三維世界或三維物體的。也就是說(shuō)， 生成圖像時(shí)進(jìn)行了從三維到二維的降維處理。4. 一覽性人處理圖像信息時(shí)， 幾乎能在瞬時(shí)捕獲二維畫(huà)面整體信息并進(jìn)行處理。如果進(jìn)一步仔細(xì)觀察局部細(xì)節(jié)， 更能獲得與全局無(wú)矛盾的解釋。1.1.2 模擬圖像與數(shù)字圖像1. 模擬圖像在了解數(shù)字圖像之前， 需要對(duì)模擬圖像有一個(gè)基

3、本認(rèn)識(shí)。日常生活中常見(jiàn)的用傳統(tǒng)照相機(jī)拍攝的照片， 書(shū)籍、 雜志、 畫(huà)冊(cè)中的插圖， 海報(bào)，廣告畫(huà)， X射線(xiàn)膠片， 電影膠片， 縮微膠片等， 均為模擬圖像。在模擬圖像中， 圖像信息是以連續(xù)形式存儲(chǔ)和表現(xiàn)的。圖1-1、 圖1-2、 圖1-3分別為傳統(tǒng)照相機(jī)拍攝的照片、 書(shū)籍中的插圖和胸部X射線(xiàn)膠片等， 均屬模擬圖像。圖1-1 傳統(tǒng)照相機(jī)拍攝的照片圖1-2 書(shū)籍中的插圖圖1-3 胸部X射線(xiàn)膠片2. 數(shù)字圖像計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)， 因此， 用計(jì)算機(jī)能夠處理的也只能是數(shù)字圖像。那么， 什么是數(shù)字圖像呢？先看一個(gè)例子。圖1-4(a)是一幅包含簡(jiǎn)單圖形的模擬圖像。如果用間隔相等的柵格將圖像橫向、 縱向各均分

4、成8等份， 則圖像被分割成許多小方格， 每一個(gè)小方格稱(chēng)為像素(Pixel)。然后， 測(cè)量每一個(gè)像素的平均灰度值， 并賦以灰度級(jí)中某個(gè)整數(shù)值， 就成為圖1-4(b)所示的用數(shù)字表示的圖像。然后， 再以數(shù)字格式存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)， 這種圖像稱(chēng)之為數(shù)字圖像。圖1-4 數(shù)字圖像將模擬圖像數(shù)字化后生成數(shù)字圖像， 需要利用數(shù)字化設(shè)備。目前， 模擬圖像數(shù)字化的主要設(shè)備是掃描儀， 將視頻畫(huà)面進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)備有圖像采集卡。當(dāng)然， 也可以利用數(shù)碼照相機(jī)直接拍攝以數(shù)字格式存放的數(shù)字圖像。模擬圖像經(jīng)掃描儀進(jìn)行數(shù)字化或由數(shù)碼照相機(jī)拍攝的自然景物圖像是以數(shù)字格式存儲(chǔ)的， 既然是數(shù)字， 計(jì)算機(jī)當(dāng)然可以方便地對(duì)其進(jìn)行各種處理，以達(dá)

5、到視覺(jué)效果、 特殊效果或進(jìn)行對(duì)象識(shí)別。數(shù)字圖像常用矩陣來(lái)描述。一幅MN個(gè)像素的數(shù)字圖像， 其像素灰度值可以用M行、N列的矩陣G表示： (1-1)在存儲(chǔ)數(shù)字圖像時(shí)， 一幅M行、 N列的數(shù)字圖像(MN個(gè)像素)， 可以用一個(gè)MN的二維數(shù)組T表示。圖像的各個(gè)像素灰度值可按一定順序存放在數(shù)組T中。 習(xí)慣上把數(shù)字圖像左上角的像素定為第(1， 1)個(gè)像素， 右下角的像素定為第(， )個(gè)像素。若用i表示垂直方向， j表示水平方向， 這樣， 從左上角開(kāi)始， 縱向第i行， 橫向第j列的第(i， j)個(gè)像素就存儲(chǔ)到數(shù)組的元素T(i， j)中。數(shù)字圖像中的像素與二維數(shù)組中的每個(gè)元素便一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。應(yīng)注意到數(shù)組元素的下

6、標(biāo)越靠右其值越大， 與xy坐標(biāo)系是一致的， 但縱向越向下越大，與xy坐標(biāo)系相反。 1.2 圖像處理目的、 內(nèi)容和特點(diǎn)1.2.1 什么是數(shù)字圖像處理 數(shù)字化后的圖像是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的有序數(shù)據(jù)，當(dāng)然可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理。比如，用計(jì)算機(jī)對(duì)二維數(shù)組T中第i行、第j列位置的數(shù)值，考慮其上下左右位置的數(shù)值進(jìn)行置換； 可以對(duì)兩個(gè)圖像數(shù)組中對(duì)應(yīng)位置的數(shù)值進(jìn)行加、 減操作(見(jiàn)圖1-5)。最基本的數(shù)字圖像處理就是這些簡(jiǎn)單操作的組合。圖1-5 圖像處理基本操作 數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、特征提取、識(shí)別等處理的理論、方法和技

7、術(shù)。一般情況下，圖像處理是用計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)的，因此，也稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)圖像處理(Computer Image Processing)。為簡(jiǎn)略起見(jiàn)，若無(wú)特別說(shuō)明，本書(shū)將數(shù)字圖像處理簡(jiǎn)稱(chēng)為圖像處理。圖像處理已在人們的日常生活中得到廣泛應(yīng)用，例如，電腦人像藝術(shù)，電視中的特殊效果，自動(dòng)售貨機(jī)鈔票的識(shí)別，郵政編碼的自動(dòng)識(shí)別和利用指紋、虹膜、面部等特征的身份識(shí)別等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，很早以前就采用X射線(xiàn)膠片、顯微鏡照片等來(lái)診斷疾病?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)圖像處理已成為疾病診斷的重要手段，并且，一般攝影方法不能獲取的身體內(nèi)部的狀況也能由特殊的圖像處理裝置獲取，最具有代表性的便是X射線(xiàn)CT(Computed Tomogra

8、phy，計(jì)算機(jī)斷層攝像)。1.2.2 圖像處理的目的和意義1. 圖像處理的目的一般而言，對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析主要有如下三方面的目的。(1) 提高圖像的視感質(zhì)量，以達(dá)到賞心悅目的目的。如去除圖像中的噪聲，改變圖像的亮度、顏色； 增強(qiáng)圖像中的某些成分，抑制某些成分； 對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等，從而改善圖像的質(zhì)量，以達(dá)到或真實(shí)的、或清晰的、或色彩豐富的、或意想不到的藝術(shù)效果，如圖1-6所示。圖1-6 提高圖像的視感質(zhì)量(2) 提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，主要用于計(jì)算機(jī)分析，經(jīng)常用作模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)的預(yù)處理。這些特征包括很多方面，如頻域特性、灰度/顏色特性、邊界/區(qū)域特性、紋理特性、形狀/拓

9、撲特性以及關(guān)系結(jié)構(gòu)等，如圖1-7所示。(3) 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以便用于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。如一幅大小為184 KB的BMP格式圖像，采用壓縮因子為4的JPEG壓縮后，其大小僅有40 KB。 圖1-7 提取圖像的邊界2. 數(shù)字圖像處理的意義數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受如下三個(gè)方面因素的影響。一是計(jì)算機(jī)的發(fā)展。早期的計(jì)算機(jī)無(wú)論計(jì)算速度或存儲(chǔ)容量，都難以滿(mǎn)足對(duì)龐大圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的要求。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、內(nèi)存及外圍設(shè)備的價(jià)格急劇下降，而其性能卻有了大幅度的提高。過(guò)去只能用大型計(jì)算機(jī)完成的龐大處理，現(xiàn)在在PC機(jī)上也能夠輕易實(shí)現(xiàn)。二是數(shù)學(xué)的發(fā)展，特別是

10、離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，為數(shù)字圖像處理奠定了理論基礎(chǔ)。三是軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)。自20世紀(jì)20年代，圖像處理首次應(yīng)用于改善倫敦和紐約之間海底電纜發(fā)送的圖片質(zhì)量以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，數(shù)字圖像處理應(yīng)用范圍更加廣闊。如1972年英國(guó)EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，即CT(Computed Tomography)； 1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。1979年，這項(xiàng)無(wú)損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，表明它對(duì)人類(lèi)做出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。圖像處理技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測(cè)

11、、機(jī)器人視覺(jué)、公安司法、軍事、文化藝術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為一門(mén)引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。用圖像處理技術(shù)分析飛機(jī)遙感和衛(wèi)星遙感照片，進(jìn)行森林調(diào)查、海洋泥沙調(diào)查、漁業(yè)調(diào)查和水資源調(diào)查等資源調(diào)查，進(jìn)行石油勘查、礦產(chǎn)量探測(cè)、大型工程地理位置勘探分析等資源勘察，進(jìn)行土壤營(yíng)養(yǎng)、水分和農(nóng)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量的估算等農(nóng)業(yè)規(guī)劃以及進(jìn)行以地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水源及環(huán)境分析等為內(nèi)容的城市規(guī)劃。在氣象預(yù)報(bào)和太空其它星球研究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當(dāng)大的作用。在工業(yè)和工程領(lǐng)域，圖像處理技術(shù)用于檢測(cè)自動(dòng)裝配線(xiàn)中零件的質(zhì)量，進(jìn)行零件分類(lèi)，印刷電路板瑕疵檢查，彈性力學(xué)照片的應(yīng)力分析，流體力學(xué)圖片的阻力和升力分析，郵政信件

12、的自動(dòng)分揀，有毒、放射性環(huán)境內(nèi)工件及物體的形狀和排列狀態(tài)的識(shí)別，先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺(jué)，等等。具備視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)功能的智能機(jī)器人，也已在工業(yè)生產(chǎn)如漆、焊接、裝配中得到有效的利用。在軍事方面，圖像處理和識(shí)別主要用于導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲(chǔ)和顯示的軍事自動(dòng)化指揮系統(tǒng)，飛機(jī)、坦克和軍艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)等。在公共安全方面，圖像處理技術(shù)可用于指紋識(shí)別，人臉面部鑒別，不完整圖片的復(fù)原以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運(yùn)行的高速公路不停車(chē)自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中的車(chē)輛和車(chē)牌的自動(dòng)識(shí)別都是圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的例子。在文化藝術(shù)方面，數(shù)字圖像藝術(shù)創(chuàng)作，動(dòng)畫(huà)制作，游戲，工藝美術(shù)設(shè)計(jì)

13、，文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)等，均有數(shù)字圖像處理的成功應(yīng)用，以至于逐漸形成一門(mén)新的學(xué)科： 計(jì)算機(jī)藝術(shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)形成為一門(mén)新興的學(xué)科，并在向更高級(jí)的方向發(fā)展，如在景物理解和計(jì)算機(jī)視覺(jué)(機(jī)器視覺(jué))方面，圖像處理已由二維處理發(fā)展到三維理解或解釋。很多國(guó)家，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家投入更多的人力、物力到這項(xiàng)研究中，取得了不少重要的研究成果?？梢灶A(yù)料，數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的發(fā)展與應(yīng)用，將對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生重大的影響，不僅可以促進(jìn)人類(lèi)的進(jìn)步，并且可帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。1.2.3 圖像處理的主要內(nèi)容不管圖像處理用于何種目的，都需要用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、加工和輸出，因此數(shù)字圖像處理

14、研究的內(nèi)容主要有： (1) 圖像獲取、表示和表現(xiàn)(Image Acquisition，Representation and Presentation)。圖像獲取、表示和表現(xiàn)主要是把模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字形式，以及把數(shù)字圖像顯示和表現(xiàn)出來(lái)(如打印)。這一過(guò)程主要包括攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。(2) 圖像復(fù)原(Image Restoration)。當(dāng)造成圖像退化(圖像品質(zhì)下降)的原因已知時(shí)，復(fù)原技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行校正。圖像復(fù)原最關(guān)鍵的是對(duì)每種退化都需要有一個(gè)合理的模型。由于不同應(yīng)用領(lǐng)域的圖像有不同的退化原因，所以對(duì)于同一幅圖像，不同應(yīng)用領(lǐng)域可以根據(jù)不同的退化模型或質(zhì)量評(píng)

15、價(jià)標(biāo)準(zhǔn)而采用不同的復(fù)原方法。因此，盡管人們對(duì)圖像復(fù)原的研究不少，但應(yīng)用仍有一定難度。(3) 圖像增強(qiáng)(Image Enhancement)。圖像增強(qiáng)是對(duì)圖像質(zhì)量在一般意義上的改善。當(dāng)無(wú)法知道圖像退化有關(guān)的定量信息時(shí)，可以使用圖像增強(qiáng)技術(shù)較為主觀地改善圖像的質(zhì)量。所以圖像增強(qiáng)技術(shù)是為了改善圖像視感質(zhì)量所采取的一種方法。因增強(qiáng)技術(shù)并非針對(duì)某種退化所采取的方法，故很難預(yù)測(cè)哪一種特定技術(shù)是最好的，只能通過(guò)試驗(yàn)和分析誤差來(lái)選擇一種合適的方法。有時(shí)可能需要徹底改變圖像的視覺(jué)效果，以便突出重要特征的可觀察性，使人或計(jì)算機(jī)更易觀察或檢測(cè)。在這種情況下，可以把增強(qiáng)理解為增強(qiáng)感興趣特征的可檢測(cè)性，而非改善視感質(zhì)量

16、。電視節(jié)目片頭或片尾處所采用的顏色變換、輪廓凸現(xiàn)效果等，其目的是得到一種特殊的藝術(shù)效果，增強(qiáng)動(dòng)感和力度。(4) 圖像分割(Image Segmentation)。把圖像分成區(qū)域的過(guò)程即圖像分割。圖像中通常包含多個(gè)對(duì)象，例如，一幅醫(yī)學(xué)圖像中顯示出正常的或有病變的各種器官和組織。為達(dá)到識(shí)別和理解的目的，幾乎都必須按照一定的規(guī)則將圖像分割成區(qū)域，每個(gè)區(qū)域代表被成像的一個(gè)物體(或部分)。圖像自動(dòng)分割是圖像處理中最困難的問(wèn)題之一。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)越性，使得人類(lèi)能夠?qū)⑺^察的復(fù)雜場(chǎng)景中的對(duì)象分開(kāi)并識(shí)別出每個(gè)物體。但對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這卻是-個(gè)難題。由于解決和分割有關(guān)的基本問(wèn)題是特定領(lǐng)域中圖像分析實(shí)用化的關(guān)鍵一

17、步，因此，將各種方法融合在一起并使用知識(shí)來(lái)提高處理的可靠性和有效性是圖像分割的研究熱點(diǎn)。(5) 圖像分析(Image Analysis)。圖像處理應(yīng)用的目標(biāo)幾乎均涉及到圖像分析，即對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、特征提取和表示，從而有利于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分類(lèi)、識(shí)別和理解。在工業(yè)產(chǎn)品零件無(wú)缺陷且正確裝配檢測(cè)中，圖像分析把圖像中的像素轉(zhuǎn)化成一個(gè)“合格”或“不合格”的判定。在醫(yī)學(xué)圖像處理中，不僅要檢測(cè)出異變(如腫瘤)的存在，而且還要檢查其尺寸大小。(6) 圖像重建(Image Reconstruction)。圖像重建與上述的圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原等不同，圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原的輸入是圖像，處理后輸出的結(jié)果也是圖

18、像，而圖像重建是從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，而經(jīng)過(guò)處理后得到的結(jié)果是圖像。CT是圖像重建處理的典型應(yīng)用實(shí)例。目前，圖像重建與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，把多個(gè)二維圖像合成為三維圖像，并加以光照模型和各種渲染技術(shù)，能生成各種具有強(qiáng)烈真實(shí)感的高質(zhì)量圖像。(7) 圖像壓縮編碼(Image Compression & Coding)。數(shù)字圖像的特點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)量龐大，盡管現(xiàn)在有大容量存儲(chǔ)器，但是對(duì)圖像數(shù)據(jù)(尤其是動(dòng)態(tài)圖像、高分辨率圖像)的需求量也大大增加，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行圖像壓縮。如果數(shù)據(jù)不壓縮，則在存儲(chǔ)和傳輸中就需要占用很大的容量/帶寬，因而增加了成本。圖像壓縮的目的就是減少數(shù)據(jù)量。圖像

19、編碼主要是指利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類(lèi)視覺(jué)的生理學(xué)及心理學(xué)特性，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，即研究數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，目的是在保證圖像質(zhì)量的前提下壓縮數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。一般來(lái)說(shuō)，圖像編碼的目的有三個(gè)： 減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量； 降低數(shù)據(jù)率以減小傳輸帶寬； 壓縮信息量，便于特征提取，為后續(xù)識(shí)別作準(zhǔn)備。從編碼技術(shù)發(fā)展來(lái)看，Kunt提出第一代、第二代編碼的概念。他將以去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法稱(chēng)為第一代編碼，如PCM、DPCM、M、亞取樣編碼法。DFT、DCT、W-H變換編碼以及以此為基礎(chǔ)的混合編碼法均屬經(jīng)典的第一代編碼。第二代編碼方法多為20世紀(jì)80年代以后提出的，如金字塔編碼法、F

20、ractal編碼法、小波變換編碼法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼法、模型基編碼法等。第二代編碼方法有如下特點(diǎn)： 充分考慮人的視覺(jué)特性； 恰當(dāng)?shù)乜紤]對(duì)圖像信號(hào)的分解與表述； 采用圖像的合成與識(shí)別方案壓縮數(shù)據(jù)。數(shù)字圖像處理是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與光學(xué)系統(tǒng)模擬處理相同處理效果的過(guò)程，它具有如下特點(diǎn)： (1) 處理精度高，再現(xiàn)性好。計(jì)算機(jī)圖像處理的實(shí)質(zhì)，是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算精度和計(jì)算的正確性毋庸置疑； 另外，對(duì)同一圖像用相同的方法處理多次，也可得到完全相同的效果，具有良好的再現(xiàn)性。(2) 易于控制處理效果。在圖像處理程序中，可以任意設(shè)定或變動(dòng)各種參數(shù)，能有效控制處理過(guò)程，達(dá)

21、到預(yù)期處理效果。這一特點(diǎn)在改善圖像質(zhì)量的圖像處理中表現(xiàn)得尤為突出。(3) 處理的多樣性。由于圖像處理是通過(guò)運(yùn)行程序進(jìn)行的，所以，設(shè)計(jì)不同的圖像處理程序，便可實(shí)現(xiàn)各種不同的處理目的。(4) 圖像數(shù)據(jù)量龐大。圖像中包含有豐富的信息，可以通過(guò)圖像處理技術(shù)獲取圖像中包含的有用的信息。但是，數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量巨大。一幅數(shù)字圖像是由圖像矩陣中的像素(Pixel)組成的，通常每個(gè)像素用紅、綠、藍(lán)三種顏色表示，每種顏色用8 bit表示灰度級(jí)，則一幅1024768不經(jīng)壓縮的的真彩色圖像，數(shù)據(jù)量達(dá)2.25 MB(102476883/8)，一幅遙感圖像的數(shù)據(jù)量為32402340430 Mb。如此龐大的數(shù)據(jù)量給存儲(chǔ)、傳

22、輸和處理都帶來(lái)巨大的困難。如果顏色位數(shù)及分辨率再提高，則數(shù)據(jù)量將大幅度增加。(5) 處理費(fèi)時(shí)。由于圖像數(shù)據(jù)量大，因此處理比較費(fèi)時(shí)。特別是處理結(jié)果與中心像素鄰域有關(guān)的處理過(guò)程(如第4章介紹的區(qū)處理方法)花費(fèi)時(shí)間更多，這給需要實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用帶來(lái)了困難。(6) 圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。數(shù)字圖像處理涉及相當(dāng)廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，如通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)，當(dāng)然，數(shù)學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域更是數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)。1.3 圖像工程與相關(guān)學(xué)科1.3.1 圖像工程的內(nèi)涵圖像工程的內(nèi)容非常豐富，根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同，可分為圖像處理、圖像分析和圖像理解三個(gè)層次，這三個(gè)層次既有聯(lián)系又有區(qū)別，如圖1-8所示

23、。換句話(huà)說(shuō)，圖像工程是圖像處理、圖像分析及圖像理解三者的有機(jī)結(jié)合及工程應(yīng)用。圖1-8 圖像工程三層次示意圖1. 圖像處理圖像處理的重點(diǎn)是圖像之間進(jìn)行的變換。盡管人們常用圖像處理泛指各種圖像技術(shù)，但比較狹義的圖像處理主要是對(duì)圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺(jué)效果并為自動(dòng)識(shí)別奠定基礎(chǔ)，或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼以減少所需存儲(chǔ)空間。2. 圖像分析圖像分析主要是對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對(duì)圖像的描述。如果說(shuō)圖像處理是一個(gè)從圖像到圖像的過(guò)程，則圖像分析是一個(gè)從圖像到數(shù)據(jù)的過(guò)程。這里的數(shù)據(jù)可以是目標(biāo)特征的測(cè)量結(jié)果，或是基于測(cè)量的符號(hào)表示，它們描述了目標(biāo)的特點(diǎn)和性質(zhì)。3.

24、圖像理解圖像理解的重點(diǎn)是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來(lái)客觀場(chǎng)景的解釋?zhuān)瑥亩笇?dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)。如果說(shuō)圖像分析主要以觀察者為中心來(lái)研究客觀世界，那么圖像理解在一定程度上是以客觀世界為中心，借助知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等來(lái)把握整個(gè)客觀世界(包括沒(méi)有直接觀察到的事物)的?？梢?jiàn)，圖像處理、圖像分析和圖像理解處在三個(gè)抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點(diǎn)的不同層次上。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級(jí)上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。圖像分析則進(jìn)入了中層，分割和特征提取把原來(lái)以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡(jiǎn)潔的非圖形式的描述。圖像理解主要是高層操作，基本上

25、是對(duì)從描述抽象出來(lái)的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，其處理過(guò)程和方法與人類(lèi)的思維推理有許多類(lèi)似之處。根據(jù)本課程的任務(wù)和目標(biāo)，本書(shū)重點(diǎn)放在圖像處理上，并學(xué)習(xí)圖像分析的基本理論和方法。1.3.2 相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域圖像工程是一門(mén)系統(tǒng)地研究各種圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的交叉學(xué)科。從研究方法來(lái)看，它與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多學(xué)科可以相互借鑒。從研究范圍來(lái)看，它與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)又互相交叉。另外，圖像工程的研究進(jìn)展與人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等理論和技術(shù)都有密切的聯(lián)系，它的發(fā)展應(yīng)用與醫(yī)學(xué)、遙感、通信、文檔處理和工業(yè)自動(dòng)化等許多領(lǐng)域也是密不可分的。圖像工程與計(jì)算

26、機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)、模式識(shí)別(Pattern Recognation)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)(Computer Vision)等的關(guān)系如圖1-9所示。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的是用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成圖形的理論、方法和技術(shù)，即從非圖像形式的數(shù)據(jù)描述來(lái)生成逼真的圖像，可以生成現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的物體的圖形，也可以生成虛構(gòu)物體的圖形。它的研究對(duì)象和輸出結(jié)果與圖像分析的研究對(duì)象和輸出結(jié)果正好對(duì)調(diào)。圖像模式識(shí)別與圖像分析則比較相似，只是前者試圖把圖像分解成可用符號(hào)較抽象地描述的類(lèi)別。計(jì)算機(jī)視覺(jué)主要強(qiáng)調(diào)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，要用到圖像工程三個(gè)層次的許多技術(shù)，但目前的研究?jī)?nèi)容主要與圖像理解相結(jié)合。

27、圖1-9 圖像工程與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系與區(qū)別以上學(xué)科各有所側(cè)重，但互相聯(lián)系、有所重合、互為補(bǔ)充。其實(shí)，這些名詞也經(jīng)?；旌鲜褂茫鼈?cè)诟拍钌匣驅(qū)嵱弥胁](méi)有嚴(yán)格的界限，專(zhuān)業(yè)和背景不同的人習(xí)慣使用不同的術(shù)語(yǔ)。另外，人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等新理論、新工具、新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)上述學(xué)科均提供了有力的技術(shù)支持，促進(jìn)了這些學(xué)科的長(zhǎng)足發(fā)展。1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.4.1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件早期的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)為提高處理速度、增加容量，均采用大型機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)性能價(jià)格比日新月異的提高，以小型機(jī)為主的微型圖像處理系統(tǒng)得到發(fā)展。主機(jī)為PC機(jī)，配以圖像采集卡及顯示設(shè)備就構(gòu)成了最基本的微型圖像處理系統(tǒng)。

28、目前，CA540、Vp32、FGCT11010N8、CA-CPE-1000、CA-CPE-3000等國(guó)產(chǎn)圖像板已研制成功并商品化。微型圖像處理系統(tǒng)成本低，應(yīng)用靈活，便于推廣。特別是微型計(jì)算機(jī)的性能逐年提高，使得微型圖像處理系統(tǒng)的性能也不斷升級(jí)，加之軟件配置豐富，使其更具實(shí)用意義。微型圖像處理系統(tǒng)組成如圖1-10所示，主要包括圖像輸入設(shè)備(CCD攝像機(jī)或掃描儀)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器、打印機(jī)等。其實(shí)，簡(jiǎn)單的圖像處理系統(tǒng)就是在PC機(jī)上連一臺(tái)攝像機(jī)(或掃描儀)，用PC機(jī)就足以進(jìn)行一般的圖像處理。下面對(duì)各部件進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。圖1-10 微型圖像處理系統(tǒng)組成示意圖1. 圖像輸入設(shè)置1) 電視攝像機(jī)(

29、Video Camera)電視攝像機(jī)是目前使用最廣泛的圖像獲取設(shè)備。電視攝像機(jī)的核心部件是光電轉(zhuǎn)換部件，目前大多數(shù)感光基元為電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD可以將照射在其上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。該設(shè)備小巧，速度快，成本低，靈敏度高，多作為實(shí)時(shí)圖像輸入設(shè)備應(yīng)用；但攝像機(jī)拍攝的圖像灰度層次較差，非線(xiàn)性失真較大，有黑斑效應(yīng)，在使用中需要校正。目前，CCD攝像機(jī)可達(dá)19201035的高分辨率，快門(mén)速度可達(dá)10-4 s。2) 數(shù)碼攝像機(jī)(Digital Video Camera)數(shù)碼攝像機(jī)DV就是Digital Video的縮寫(xiě)，譯成中文就是“數(shù)字視頻”的意

30、思，它是由索尼(SONY)、松下(PANASONIC)、JVC(勝利)等多家著名家電企業(yè)聯(lián)合制定的一種數(shù)碼視頻格式。在絕大多數(shù)場(chǎng)合下，DV代表數(shù)碼攝像機(jī)。DV記錄的是數(shù)字信號(hào)，和模擬攝像機(jī)相比，DV具有清晰度高(水平清晰度已經(jīng)達(dá)到了500540線(xiàn))，色彩更加純正(色度和亮度信號(hào)帶寬約為模擬攝像機(jī)的6倍)，無(wú)損復(fù)制，體積小，重量輕等特點(diǎn)。圖1-11為SONY產(chǎn)DVDCAM外觀，可直接刻錄DVD光盤(pán)。圖1-11 SONY產(chǎn)DVDCAM3) 掃描儀(Scanner)HT掃描儀是圖片、照片、膠片及文稿資料等各種形式的圖像信息輸入計(jì)算機(jī)的重要工具，其特點(diǎn)是精度和分辨率高。目前，1200 dpi(dot

31、per inch)以上精度的掃描儀已常見(jiàn)。掃描儀的成本很低，平板式掃描儀的價(jià)格在千元以下。掃描儀由于其良好的精度和低廉的價(jià)格，已成為當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的圖像數(shù)字化設(shè)備。但用掃描儀獲取圖像信息速度較慢，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸入。4) 數(shù)碼照相機(jī)(Digital Camera)數(shù)碼照相機(jī)是一種能夠進(jìn)行景物拍攝，并以數(shù)字格式存放拍攝圖像的照相機(jī)。它的核心部件是CCD圖像傳感器，主流機(jī)型分辨率已在600萬(wàn)像素以上。數(shù)碼照相機(jī)的感光器件CCD可以對(duì)亮度進(jìn)行分級(jí)，但并不能識(shí)別顏色。為此，數(shù)碼照相機(jī)使用了紅、綠和藍(lán)三個(gè)彩色濾鏡，當(dāng)光線(xiàn)從紅、綠、藍(lán)濾鏡中穿過(guò)時(shí)，就可以得到每種色光的反應(yīng)值，再通過(guò)軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

32、，從而確定每一個(gè)像素點(diǎn)的顏色。CCD生成的數(shù)字圖像被傳送到照相機(jī)的一塊內(nèi)部芯片上。該芯片負(fù)責(zé)把圖像轉(zhuǎn)換成相機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)格式(通常為JPEG)。最后，把生成的圖像保存在存儲(chǔ)卡中。數(shù)碼照相機(jī)通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連，將拍攝的圖像下載到計(jì)算機(jī)中，以備處理使用。5) 遙感圖像獲取設(shè)備遙感中常用的圖像獲取設(shè)備有光學(xué)攝影設(shè)備，如攝像機(jī)、多光譜像機(jī)等； 紅外攝影設(shè)備，如紅外輻射計(jì)、紅外攝像儀、多通道紅外掃描儀； 多光譜掃描儀(MSS)； 微波設(shè)備，如微波輻射計(jì)、側(cè)視雷達(dá)、真空孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)等。2. 圖像輸入卡(采集卡)通常圖像輸入卡安裝于計(jì)算機(jī)主板擴(kuò)展槽中，主要包括圖像存儲(chǔ)器單元、顯示查

33、找表(LUT)單元、CCD攝像頭接口(A/D)、監(jiān)視器接口(D/A)和PC機(jī)總線(xiàn)接口單元。其工作過(guò)程如下： 攝像頭實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D變換后將圖像存放在圖像存儲(chǔ)單元的一個(gè)或三個(gè)通道中，D/A變換電路自動(dòng)將圖像顯示在監(jiān)視器上。通過(guò)主機(jī)發(fā)出指令，將某一幀圖像靜止在存儲(chǔ)通道中，即采集或捕獲一幀圖像，然后可對(duì)圖像進(jìn)行處理或存盤(pán)。高檔圖像輸入卡還包括卷積濾波、FFT(快速傅立葉變換)等圖像處理專(zhuān)用的快速部件。中國(guó)大恒有限公司開(kāi)發(fā)的DH-VT142四通道彩色圖像視頻采集卡(見(jiàn)圖1-12)，可四路復(fù)合視頻同時(shí)輸入同頻顯示，可進(jìn)行476857624 bit同時(shí)傳輸，最大分辨率可達(dá)76857632

34、 bit(PAL)，硬件完成輸入圖像的比例縮放、裁剪，硬件支持色度空間變換。圖1-12 四通道彩色圖像視頻采集卡3. 顯示卡顯示卡是記憶和保存供顯示圖像的設(shè)備。通常，存儲(chǔ)的圖像要隨時(shí)顯示在顯示器上。PC機(jī)顯示卡分辨率均在1024768以上。通常的圖像處理裝置中，灰度值紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)各占8位(bit)，共計(jì)24位，可以表示1670萬(wàn)種顏色，這種顯示卡稱(chēng)為真彩色顯示卡。4. 計(jì)算機(jī)圖像處理的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因而對(duì)系統(tǒng)硬件配置要求較高。目前配置Intel雙核2.0 G以上CPU、1 G內(nèi)存、160 G以上硬盤(pán)的計(jì)算機(jī)已屬常見(jiàn)，計(jì)算速度大幅度提高，可與幾年前的大型機(jī)媲美。

35、為了加快圖像的顯示和處理速度，用于圖像處理的PC機(jī)配置應(yīng)盡可能高一些。當(dāng)然，有條件時(shí)最好采用圖形工作站進(jìn)行圖像處理。5. 圖像存儲(chǔ)裝置圖像數(shù)據(jù)量龐大，早期其存儲(chǔ)成為問(wèn)題。目前，除了大容量磁盤(pán)可供存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)之外，CDR、DVD等光學(xué)存儲(chǔ)裝置以及SAN、NAS等網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)，為存儲(chǔ)海量圖像數(shù)據(jù)提供了極好的支持。1.4.2 高速圖像處理卡實(shí)用圖像處理系統(tǒng)分為在線(xiàn)處理系統(tǒng)和離線(xiàn)處理系統(tǒng)兩種形式。在研究中，多采用離線(xiàn)圖像處理系統(tǒng)，主要用于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證圖像處理與分析算法。在線(xiàn)圖像處理系統(tǒng)除上述設(shè)備外，還需用圖像處理專(zhuān)用硬件代替圖像采集卡，以構(gòu)成自動(dòng)處理系統(tǒng)，可以對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并對(duì)其處理

36、結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控。下面簡(jiǎn)要介紹夏普公司研發(fā)的GPB-K高速圖像處理卡(見(jiàn)圖1-13)。圖1-13 GPB-K高速圖像處理卡GPB-K可以安裝在計(jì)算機(jī)的PCI擴(kuò)展槽上，是一種高速、高性能的圖像處理板卡。操作系統(tǒng)為Windows NT。輸入圖像可調(diào)用圖像文件，也可由攝像機(jī)輸入。板卡上的視頻輸入端有6路，最多可同時(shí)輸入3路信號(hào)，可通過(guò)函數(shù)進(jìn)行選擇。當(dāng)輸入視頻圖像時(shí)，可選擇GPB-K內(nèi)部和外部的輸入同步信號(hào)。輸出圖像能在標(biāo)準(zhǔn)的VGA監(jiān)視器上顯示。輸入和輸出與GPB-K的其它處理不必同步，所以該處理卡對(duì)攝像機(jī)的幀頻沒(méi)有限制。GPB-K在板卡上固化了包含約300個(gè)函數(shù)的圖像處理庫(kù)。GPB-K函數(shù)由Micros

37、oft Visual C+ 6.0版本提供。對(duì)于像素灰度為8 bit的灰度圖像而言，GPB-K能處理的圖像最大尺寸為10241024，但處理視頻圖像的最大尺寸為640480。GPB-K可以根據(jù)目標(biāo)區(qū)域ROI(Region OfInterest)來(lái)指定處理的區(qū)域。處理區(qū)域設(shè)定得越小，處理時(shí)間相應(yīng)越短。GPB-K中使用了夏普公司的通用圖像處理大規(guī)模集成電路SALA，具有高速、高性能的特點(diǎn)，圖像處理的速度達(dá)40 ns每像素；可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)圖像灰度變換、圖像間的運(yùn)算、濾波處理、特征提取等。圖1-14給出了GPB-K的整體硬件結(jié)構(gòu)方框圖。GPB-K板卡由SALA-LSI、攝像機(jī)的輸入、顯示、擴(kuò)展連接、

38、模板匹配(MAP)、各單元的圖像存儲(chǔ)器及PCI總線(xiàn)組成，由于各個(gè)單元分別與4根8 bit的圖像總線(xiàn)連接，因而可處理圖像數(shù)據(jù)。圖1-14 GPB-K硬件結(jié)構(gòu)方框圖GPB-K主要應(yīng)用于制造業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域，例如尺寸的測(cè)量(導(dǎo)桿寬度、螺距)，外觀檢查(裂紋檢查、根據(jù)顏色判別優(yōu)劣)，文字識(shí)別(制造年月日、產(chǎn)品批號(hào))，印刷電路板檢查(跨接線(xiàn)、過(guò)孔、焊盤(pán))等。1.4.3 圖像處理系統(tǒng)軟件微型圖像處理系統(tǒng)既包含硬件設(shè)備，也需要一定的軟件環(huán)境支持。目前，圖像處理系統(tǒng)平臺(tái)多為Microsoft Windows或X-Windows，主流的開(kāi)發(fā)工具為Microsoft公司的Visual C+。這是因?yàn)閂isual C+

39、是一種具有高度綜合性能的軟件開(kāi)發(fā)工具，用它開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序具有運(yùn)行速度快、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本書(shū)中的實(shí)例也是在Windows平臺(tái)下，用Visual C+ 6.0實(shí)現(xiàn)的。此外，各國(guó)的科學(xué)家和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了不少專(zhuān)用的圖像處理軟件環(huán)境，下面僅對(duì)主要的幾種作一簡(jiǎn)單介紹。1. MATLAB圖像處理工具箱MATLAB圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，靈活運(yùn)用這些函數(shù)幾乎可以完成所有的圖像處理工作，從而大大節(jié)省編寫(xiě)低層算法的時(shí)間，避免程序設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)，達(dá)到事半功倍的效果。但是，MATLAB強(qiáng)大的功能只能在安裝有MATLAB系統(tǒng)的機(jī)器上，使用圖像處理工具箱中的函數(shù)或自編的m文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用極為不便

40、，且MATLAB使用行解釋方式執(zhí)行代碼，使得其執(zhí)行速度很慢。為將MATLAB的強(qiáng)大功能融入各種應(yīng)用程序中，通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編譯器將MATLAB語(yǔ)言編譯為二進(jìn)制代碼已逐漸成為研究熱點(diǎn)。MathTools公司推出的MatCom可以把MATLAB語(yǔ)言翻譯成為或C+語(yǔ)言，但其翻譯的代碼不夠簡(jiǎn)潔。更直接的方法是利用MatCom提供的MatrixLIBC+庫(kù)實(shí)現(xiàn)MATLAB與C+的接口。2. AVS和SPIDER1) AVS(Application Visualization System)AVS是對(duì)龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行可視化處理的通用系統(tǒng)之一。最初，該系統(tǒng)是為了對(duì)科學(xué)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行可視化(Scientific

41、Visualization)處理而開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，現(xiàn)已在如下領(lǐng)域中廣泛使用：(1) 醫(yī)學(xué)圖像、有限元法分析、流體力學(xué)、檢測(cè)/實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表示； (2) 資源探索、環(huán)境科學(xué)、遙感、一般圖像處理； (3) 量子力學(xué)、分子設(shè)計(jì)、CAD數(shù)據(jù)表示、OR分析； (4) 金融數(shù)據(jù)分析、一般科學(xué)分析。AVS作為應(yīng)用軟件，它具有如下強(qiáng)大功能： (1) 數(shù)據(jù)顯示，Pointer和Clicker類(lèi)型數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用；(2) 幾何顯示，可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的三維幾何數(shù)據(jù)的顯示；(3) 圖像顯示，可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的二維圖像的顯示；(4) 圖形顯示，完成畫(huà)圖功能；(5) 超函數(shù)，如進(jìn)行圖像處理、聲音波形圖顯示。2) SPIDER

42、ViewerSPIDER(Subroutine Package for Image Data Enhancement and Recognition)是由日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所開(kāi)發(fā)的圖像處理程序庫(kù)。如表1-1所示，它包含了圖像處理的基本算法和實(shí)現(xiàn)方法，因此得到了很高的評(píng)價(jià)，之后又追加了基本的圖像分析算法以及立體圖像、距離圖像、文本、畫(huà)面處理等算法，稱(chēng)之為SPIDER ，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。3. IUE對(duì)圖像處理和圖像理解算法優(yōu)劣的評(píng)價(jià)是非常困難的。為此，世界范圍內(nèi)的圖像工程科研人員就評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了研討，以構(gòu)建可重復(fù)利用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。IUE(Image Understan

43、dingEnvironment)就是以美國(guó)為主，日本和歐洲共同參加開(kāi)發(fā)的圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像理解計(jì)算模型的確立，進(jìn)行嚴(yán)密的幾何學(xué)描述，能應(yīng)用于各種類(lèi)型的圖像，從而提高研究效率，促進(jìn)技術(shù)積累和技術(shù)轉(zhuǎn)移。針對(duì)上述目標(biāo)，IUE有效利用現(xiàn)有軟件，開(kāi)發(fā)了運(yùn)行在UNIX工作站上(SunOS、Linux)的面向?qū)ο蟮某绦?C+)，并從LaTeX自動(dòng)生成C+源代碼，以滿(mǎn)足實(shí)際需要。IUE不僅提供函數(shù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，為了能正確地描述有關(guān)光源、物體、傳感器等幾何學(xué)和光學(xué)的關(guān)系，還提供了類(lèi)的分層結(jié)構(gòu)關(guān)系；并且也提供了坐標(biāo)系和坐標(biāo)變換的類(lèi)，是用矢量圖來(lái)表示的。這種類(lèi)有600個(gè)，還有400個(gè)模板及類(lèi)成員，可以說(shuō)

44、IUE是一個(gè)巨大的資源庫(kù)。IUE系統(tǒng)不單是圖像處理系統(tǒng)，而且還是由輸入圖像轉(zhuǎn)換為三維場(chǎng)景描述的圖像理解的信息環(huán)境。在此環(huán)境中，可以處理圖像數(shù)據(jù)，線(xiàn)段、區(qū)域、面等幾何數(shù)據(jù)，以及對(duì)于認(rèn)識(shí)、理解的高級(jí)處理時(shí)的知識(shí)表達(dá)、幾何數(shù)據(jù)之間關(guān)系的符號(hào)數(shù)據(jù)等。1.5 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用“旅行者7號(hào)”于1964年7月31日拍攝到第一張?jiān)虑驁D像(見(jiàn)圖1-15)，這也是美國(guó)航天器取得的第一幅月球圖像。“旅行者7號(hào)”傳送的圖像，可作為增強(qiáng)和復(fù)原來(lái)自“探索者”登月飛行、“水手號(hào)”系列空間探測(cè)器等圖像的基礎(chǔ)。60年代末，數(shù)字圖像處理已經(jīng)形成了比較完整的體系，形成一門(mén)新興的學(xué)科。60年代到70年代，由于離散數(shù)學(xué)的創(chuàng)立和完善，

45、使數(shù)字圖像處理技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，理論和方法進(jìn)一步完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。這一時(shí)期，圖像處理主要與模式識(shí)別和圖像理解的研究相聯(lián)系，如文字識(shí)別、醫(yī)學(xué)圖像處理、遙感圖像的處理等。圖1-15 “旅行者7號(hào)”拍攝的月球圖像70年代后期至今，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shù)字圖像處理提出越來(lái)越高的要求，促進(jìn)這門(mén)學(xué)科向更高級(jí)的方向發(fā)展，特別是在景物理解和機(jī)器視覺(jué)方面，圖像由二維處理變成三維解釋。近幾年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和各個(gè)領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化、多媒體技術(shù)等的研究和應(yīng)用，數(shù)字圖像處理從一個(gè)專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域的學(xué)科變成了一種新型的科學(xué)研究和人機(jī)界面工具。概括起來(lái)，數(shù)字圖像處理主要應(yīng)用于如下領(lǐng)域： (1) 通信。通信應(yīng)用包括圖

46、像傳輸、電視電話(huà)、電視會(huì)議，數(shù)字圖像處理技術(shù)主要用于進(jìn)行圖像壓縮甚至在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓縮。(2) 宇宙探測(cè)。由于太空技術(shù)的發(fā)展，需要用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理大量的星體照片。(3) 遙感。航空遙感和衛(wèi)星遙感圖像需要用數(shù)字技術(shù)加工處理，并提取有用的信息，主要用于地形地質(zhì)，礦藏探查，森林、水利、海洋、農(nóng)業(yè)等資源調(diào)查，自然災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，氣象衛(wèi)星云圖處理，以及地面軍事目標(biāo)的識(shí)別。圖1-16是利用衛(wèi)星遙感圖像預(yù)測(cè)森林樹(shù)冠密度的一個(gè)實(shí)例。圖1-16 衛(wèi)星遙感圖像預(yù)測(cè)森林樹(shù)冠密度 (4) 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。圖像處理在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用非常廣泛，無(wú)論是臨床診斷還是病理研究都大量采用圖像處理技術(shù)。它因

47、直觀、無(wú)創(chuàng)傷、安全方便等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。圖像處理首先應(yīng)用于細(xì)胞分類(lèi)、染色體分類(lèi)和放射圖像分析等。20世紀(jì)70年代數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用有了重大突破，1972年X射線(xiàn)斷層掃描CT得到實(shí)用； 1977年白血球自動(dòng)分類(lèi)儀問(wèn)世； 1980實(shí)現(xiàn)了CT的立體重建。有人認(rèn)為計(jì)算機(jī)圖像處理在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用最成功的例子就是X射線(xiàn)CT，其主要研制者Hounsfield(英)和Commack(美)獲得了1979年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。圖1-17是利用圖像處理診斷乳腺癌的例子。乳腺癌輔助診斷利用模式識(shí)別技術(shù)分析乳房X射線(xiàn)圖像，自動(dòng)檢測(cè)疑似乳腺癌，并在圖像上做上標(biāo)記。圖1-17 乳腺癌的圖像分析診斷(5) 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)

48、用。在生產(chǎn)線(xiàn)中對(duì)產(chǎn)品及部件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是圖像處理技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。該領(lǐng)域的應(yīng)用在20世紀(jì)取得了迅速的發(fā)展，主要有產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制、CAD/CAM等。在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方面，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用包括食品、水果質(zhì)量檢查，無(wú)損探傷，焊縫質(zhì)量或表面缺陷檢測(cè)等。圖像處理技術(shù)的應(yīng)用還包括金屬材料的成分和結(jié)構(gòu)分析，紡織品質(zhì)量檢查，光測(cè)彈性力學(xué)中應(yīng)力條紋的分析等。在電子工業(yè)中，可以用圖像處理技術(shù)來(lái)檢驗(yàn)印刷電路板的質(zhì)量，監(jiān)測(cè)零部件的裝配等。在工業(yè)自動(dòng)控制中，主要使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制，如港口的監(jiān)測(cè)調(diào)度、交通管理、流水生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)控制等。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造方面，圖像處理技術(shù)已

49、獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并和基于圖形學(xué)的模具、機(jī)械零件、服裝、印染花型CAD結(jié)合。目前二維圖紙自動(dòng)輸入和理解，根據(jù)3D實(shí)物建立CAD模型等越來(lái)越引起人們的重視。日本FA系統(tǒng)株式會(huì)社的Visionscape4000高速圖像處理卡構(gòu)成的超高速產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)如圖1-18所示。圖1-18 超高速產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)(6) 軍事、公安等方面的應(yīng)用。該方面的應(yīng)用有軍事目標(biāo)的偵察，制導(dǎo)和警戒系統(tǒng)，自動(dòng)火器的控制及反偽裝； 公安部門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)照片、指紋、手跡、印章、人像等的處理和辨識(shí)； 歷史文字和圖片檔案的修復(fù)和管理等。圖1-19為IEEE公布的指紋特征值提取過(guò)程。圖1-19 IEEE公布的指紋特征值提取過(guò)程(7)

50、機(jī)器人視覺(jué)。機(jī)器視覺(jué)作為智能機(jī)器人的重要感覺(jué)器官，主要進(jìn)行三維景物識(shí)別和理解，是目前處于研究之中的開(kāi)放課題。機(jī)器視覺(jué)主要用于軍事偵察、危險(xiǎn)環(huán)境自主機(jī)器人，郵政、醫(yī)院和家庭服務(wù)的智能機(jī)器人，裝配線(xiàn)工件識(shí)別、定位，太空機(jī)器人的自動(dòng)操作等。圖像預(yù)處理是高級(jí)視覺(jué)不可分割的一部分。圖1-20是日本本田公司研制的自主式機(jī)器人ASIMO(2006年4月攝于日本未來(lái)科學(xué)館)，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)，它可以辨識(shí)周?chē)跋?，進(jìn)行各種動(dòng)作，并能和人進(jìn)行交流。圖1-20 自主式機(jī)器人ASIMO(8) 視頻和多媒體系統(tǒng)。視頻和多媒體系統(tǒng)應(yīng)用包括目前電視制作系統(tǒng)廣泛使用的圖像處理、變換、合成，多媒體系統(tǒng)中靜止圖像和動(dòng)態(tài)圖像的采集、壓

51、縮、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)取?9) 科學(xué)可視化。圖像處理和圖形學(xué)緊密結(jié)合，形成了科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域新型的研究工具。(10) 電子商務(wù)。電子商務(wù)中，圖像處理技術(shù)也大有可為，如身份認(rèn)證、產(chǎn)品防偽、水印技術(shù)等。總之，圖像處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，已在國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、日常生活中充當(dāng)著越來(lái)越重要的角色，對(duì)國(guó)計(jì)民生的作用不可低估。1.6 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向當(dāng)前，圖像處理面臨的主要任務(wù)是研究新的處理方法，構(gòu)造新的處理系統(tǒng)，開(kāi)拓更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題有如下五個(gè)方面： (1) 在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度問(wèn)題。如在航天遙感、氣象云圖處理方面，巨大的數(shù)據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。

52、(2) 加強(qiáng)軟件研究，開(kāi)發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其它學(xué)科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法。(3) 加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究工作，促進(jìn)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。如人的視覺(jué)特性、心理學(xué)特性等的研究如果有所突破，則將對(duì)圖像處理技術(shù)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。(4) 加強(qiáng)理論研究，逐步形成圖像處理科學(xué)自身的理論體系。(5) 圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。圖像的信息量大、數(shù)據(jù)量大，因而圖像信息的建庫(kù)、檢索和交流是一個(gè)重要的問(wèn)題。就現(xiàn)有的情況看，軟件、硬件種類(lèi)繁多，交流和使用極為不便，成為資源共享的嚴(yán)重障礙。應(yīng)建立圖像信息庫(kù)，統(tǒng)一存放格式，建立標(biāo)準(zhǔn)子程序，統(tǒng)一檢索方法。圖像處理技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向大致可歸納為如下四

53、點(diǎn)： (1) 圖像處理的發(fā)展將圍繞HDTV(高清晰度電視)的研制，開(kāi)展實(shí)時(shí)圖像處理的理論及技術(shù)研究，向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。(2) 圖像、圖形相結(jié)合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。(3) 硬件芯片研究。把圖像處理的眾多功能固化在芯片上，使之更便于應(yīng)用。如用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)圖像處理卡和FPGA，能夠根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和環(huán)境狀況靈活組建硬件系統(tǒng)。(4) 新理論與新算法研究。在圖像處理領(lǐng)域近年來(lái)引入了一些新的理論并提出了一些新的算法， 如小波分析(Wavelet)、分形幾何(Fractal)、形態(tài)學(xué)(Morphology)、遺傳算法(Genetic Algorit

54、hms，GA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks)等。這些理論及建立在其上的算法，將會(huì)成為今后圖像處理理論與技術(shù)的研究熱點(diǎn)。數(shù)字圖像處理經(jīng)過(guò)初創(chuàng)期、發(fā)展期、普及期及廣泛應(yīng)用幾個(gè)階段，如今已是各個(gè)學(xué)科競(jìng)相研究并在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人類(lèi)需求的不斷增長(zhǎng)，圖像處理科學(xué)無(wú)論是在理論上還是實(shí)踐上，均會(huì)取得更大的發(fā)展。習(xí) 題1. 試述連續(xù)圖像f(x， y)和數(shù)字圖像g(i， j)中變量的含義，它們有何聯(lián)系與區(qū)別？2. 什么是數(shù)字圖像？數(shù)字圖像處理有哪些特點(diǎn)？3. 數(shù)字圖像處理的目的是什么？4. 數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容有哪些？5. 圖像處理、圖

55、像分析和圖像理解各有什么特點(diǎn)？它們之間有何聯(lián)系與區(qū)別？6. 圖像工程與哪些學(xué)科有關(guān)聯(lián)？它們之間如何相互聯(lián)系和影響？7. 簡(jiǎn)述圖像處理系統(tǒng)各組成部分的作用。8. 試列舉出新的數(shù)學(xué)工具在圖像工程中應(yīng)用的實(shí)例。9. 圖像處理有哪些主要應(yīng)用？10. 數(shù)字圖像處理今后的發(fā)展方向是什么？11. 試用MATLAB的圖像處理工具讀取一個(gè)圖像，并將其尺寸縮小0.5倍，將縮小后的圖像旋轉(zhuǎn)30。提示： 在命令行逐行輸入如下命令，或編輯成一個(gè)m文件執(zhí)行。 I = imread(文件名)； 讀取數(shù)字圖像到向量Ifigure， imshow(I) 顯示圖像J = imresize(I，0.5)； 縮小圖像0.5倍，并存入

56、Jfigure， imshow(J) 顯示縮小后的圖像K = imrotate(J，30)； 將J旋轉(zhuǎn)30，并存入Kfigure， imshow(K) 顯示旋轉(zhuǎn)后的圖像第2章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 2.1 圖像數(shù)字化技術(shù) 2.2 數(shù)字圖像類(lèi)型 2.3 圖像文件格式2.1 圖像數(shù)字化技術(shù)圖像處理的方法有模擬式和數(shù)字式兩種。由于數(shù)字計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到的圖像一般是連續(xù)形式的模擬圖像，所以數(shù)字圖像處理的一個(gè)先決條件就是將連續(xù)圖像離散化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個(gè)過(guò)程。設(shè)連續(xù)圖像f(x， y )經(jīng)數(shù)字化后，可以用一個(gè)離散量組成的矩陣g

57、(i， j)(即二維數(shù)組)來(lái)表示： (2-1) 矩陣中的每一個(gè)元素稱(chēng)為像元、像素或圖像元素。而g(i， j)代表(i， j)點(diǎn)的灰度值，即亮度值。對(duì)以上數(shù)字化過(guò)程有以下幾點(diǎn)說(shuō)明： (1) 由于g(i， j)代表該點(diǎn)圖像的光強(qiáng)度，而光是能量的一種形式，故g(i， j)必須大于零，且為有限值，即0g(i，j)。 (2) 數(shù)字化采樣一般是按正方形點(diǎn)陣采樣的，除此之外還有三角形點(diǎn)陣、正六邊形點(diǎn)陣采樣方式，圖2-1所示為正方形和正六邊形采樣網(wǎng)格。圖2-1 采樣網(wǎng)格(3) 以上是用g(i，j)的數(shù)值來(lái)表示(i，j)位置點(diǎn)上灰度值的大小，亦即只反映了黑白灰度的關(guān)系。如果是一幅彩色圖像，各點(diǎn)的數(shù)值還應(yīng)當(dāng)反映色

58、彩的變化，可用g(i，j，)表示，其中是波長(zhǎng)。如果圖像是運(yùn)動(dòng)的，g(i,j)還應(yīng)是時(shí)間t的函數(shù)，即可表示為g(i，j，t)。2.1.1 采樣圖像在空間上的離散化稱(chēng)為采樣。也就是用空間上部分點(diǎn)的灰度值代表圖像，這些點(diǎn)稱(chēng)為采樣點(diǎn)。圖像是一種二維分布的信息，為了對(duì)它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號(hào)變?yōu)橐痪S信號(hào)，再對(duì)一維信號(hào)完成采樣。具體做法是，先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向進(jìn)行直線(xiàn)掃描，取出各水平行上灰度值的一維掃描信號(hào)。而后再對(duì)一維掃描信號(hào)按一定間隔采樣得到離散信號(hào)。即先沿垂直方向采樣，再沿水平方向采樣，用兩個(gè)步驟完成采樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像(即時(shí)間域上的連續(xù)圖像)，需先在時(shí)間軸上采樣

59、，再沿垂直方向采樣，最后再沿水平方向采樣三個(gè)步驟。對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行(即橫向)像素為M個(gè)，每列(即縱向)像素為N個(gè)，則圖像大小為MN個(gè)像素。在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的選取是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實(shí)于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像的細(xì)微濃淡變化來(lái)決定。一般，圖像中細(xì)節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。根據(jù)一維采樣定理，若一維信號(hào)g(t)的最大頻率為，以T1/(2)為間隔進(jìn)行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT) (i=，-1，0，1，)完全恢復(fù)g(t)，即式中 采樣示意圖如圖2-2所示。圖2-2 采樣示意圖2.1.2 量化模擬圖像經(jīng)過(guò)采樣后，在空間上離散化為像素。

60、但采樣所得的像素值(即灰度值)仍是連續(xù)量。把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為圖像灰度的量化。圖2-3(a)說(shuō)明了量化過(guò)程。若連續(xù)灰度值用z來(lái)表示，對(duì)于滿(mǎn)足zizOpenDocumentFile( strPathName )； nIndex = (int) FileDlg.m_ofn.nFilterIndex； if( !ReadImgToDoc() ) AfxMessageBox(無(wú)法載入圖像文件！)； return； 在CDipDoc類(lèi)的消息映射函數(shù)OnFileOpen()中，除了要調(diào)用一個(gè)CDipDoc類(lèi)的公有成員函數(shù)ReadImgToDoc()外(該函數(shù)將在后面進(jìn)行說(shuō)