《MATLAB應(yīng)用圖像處理》課件第1章

1.1數(shù)字圖像處理及其特點1.2數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容1.3數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.4數(shù)字圖像處理的歷史與發(fā)展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)展動向習(xí)題

第1章MATLAB圖像處理概述

1.1數(shù)字圖像處理及其特點

1.1.1數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理

1.數(shù)字圖像圖像是客觀世界中一個物體生動的圖形表達(dá)形式，它包含了所描述物體的信息。圖像可用二維函數(shù)f?(x，y)表示，其中x，y是空間坐標(biāo)值，f?(x，y)是點(x，y)的幅值?；叶葓D像可用一個二維灰度(或亮度)函數(shù)f?(x，y)來表示；彩色圖像用三個(如RGB、HSV)二維灰度(或亮度)函數(shù)f?(x，y)的組合來表示。用計算機進(jìn)行圖像處理的前提是圖像必須以數(shù)字格式存儲。我們把以數(shù)字格式存儲的圖像稱為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像由二維元素組成，每一個元素具有一個特定的位置(x，y)和幅值f?(x，y)，這些元素就稱為像素(Pixel)，圖1.1是圖像數(shù)字化示意圖。像素組成的二維排列可以用矩陣表示。對于單色(灰度)圖像而言，每個像素的亮度用一個數(shù)值來表示。通常數(shù)值范圍為[0，255]，“0”表示黑、“255”表示白，其它值表示處于黑白之間的灰度。彩色圖像可以用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來表示。通常，三元組的每個數(shù)值也是在0～255之間，“0”表示在該像素中沒有相應(yīng)的顏色，“255”則代表相應(yīng)的基色在該像素中取得最大值。圖1.1圖像數(shù)字化示意圖

2.數(shù)字圖像處理數(shù)字計算機最擅長的是處理各種數(shù)據(jù)，數(shù)字化后的圖像可以看成是存儲在計算機中的有序數(shù)據(jù)，可以用計算機對數(shù)字圖像進(jìn)行處理。利用計算機對圖像進(jìn)行去噪、增強、復(fù)原、分割、特征提取等處理，就稱為數(shù)字圖像處理。數(shù)字圖像處理一般是用計算機和實時硬件實現(xiàn)的，故也稱為計算機圖像處理。數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受如下三方面的影響：

(1)計算機的發(fā)展。早期的計算機無論在計算速度還是存儲容量方面，都難于滿足對龐大圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理的要求。隨著計算機硬件技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計算機、內(nèi)存及外圍設(shè)備的價格急劇下降，而其性能卻有了大幅度的提高。過去只能用大型計算機完成的對龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理工作，現(xiàn)在在個人計算機(PC機)上也能夠輕而易舉地實現(xiàn)。

(2)數(shù)學(xué)的發(fā)展，特別是離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和不斷完善，為數(shù)字圖像處理奠定了理論基礎(chǔ)。

(3)軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面應(yīng)用需求的不斷增長。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，經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，數(shù)字圖像處理的理論和方法進(jìn)一步完善，應(yīng)用范圍更加廣闊，已經(jīng)成為一門新興的學(xué)科，并在向更高級的方向發(fā)展。比如，在景物理解和計算機視覺(機器視覺)方面，圖像處理已由二維處理發(fā)展到三維理解或解釋。近幾年來，隨著計算機和各個相關(guān)領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，科學(xué)計算可視化、多媒體技術(shù)等研究和應(yīng)用的興起，數(shù)字圖像處理從一個專門領(lǐng)域的學(xué)科，變成了一種新型的科學(xué)研究和人機界面交互的工具。1.1.2數(shù)字圖像處理的特點數(shù)字圖像處理可以利用計算機的計算實現(xiàn)與光學(xué)系統(tǒng)模擬處理相同效果的過程。數(shù)字圖像處理具有如下特點：

(1)處理精度高，再現(xiàn)性好。利用計算機進(jìn)行圖像處理，實質(zhì)是對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運算。由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算精度和正確性毋庸置疑；另外，對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)處理的多樣性。由于圖像處理是通過運行程序進(jìn)行的，因此，可以通過設(shè)計不同的圖像處理程序，實現(xiàn)各種不同的處理效果。

(3)圖像數(shù)據(jù)量龐大。圖像中包含豐富的信息，可以通過圖像處理技術(shù)獲取圖像中的有用的信息，但是，數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量龐大。一幅數(shù)字圖像是由圖像矩陣中的像素組成的，通常每個像素用紅、綠、藍(lán)三種顏色表示，每種顏色用8bit表示灰度級。一幅1024×1024不經(jīng)壓縮的真彩色圖像，數(shù)據(jù)量達(dá)3MB。X射線照片的數(shù)據(jù)量一般為64～256?KB，一幅遙感圖像為3240×2340×4=30MB。如此龐大的數(shù)據(jù)量給圖像的存儲、傳輸和處理都帶來了巨大的困難。如果精度及分辨率再提高，所需處理時間將大幅度增加。

(4)圖像處理技術(shù)綜合性強。數(shù)學(xué)、物理學(xué)等是數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)，此外，數(shù)字圖像處理涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，如通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)等。1.2數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容一般而言，對圖像進(jìn)行加工和分析主要有如下三個方面的目的：

(1)提高圖像的視感質(zhì)量，以達(dá)到賞心悅目的效果。如去除圖像中的噪聲，改變圖像的亮度、顏色，增強圖像中的某些成分、抑制某些成分，對圖像進(jìn)行幾何變換等，從而改善圖像的質(zhì)量，以達(dá)到或真實、或清晰、或色彩豐富、或意想不到的藝術(shù)效果。

(2)提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計算機分析，例如，模式識別、計算機視覺的預(yù)處理等。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?fù)涮匦砸约瓣P(guān)系結(jié)構(gòu)等。

(3)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲和傳輸。不管圖像處理是何種目的，都需要用計算機圖像處理系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、加工和輸出，因此數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容有以下九個方面：

(1)圖像獲取(ImageAcquisition)、表示(Representation)和表現(xiàn)(Presentation)。該過程主要是把模擬圖像信號轉(zhuǎn)化為計算機所能接受的數(shù)字形式，以及把數(shù)字圖像顯示和表現(xiàn)出來(如打印)。這一過程主要包括攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個步驟。

(2)圖像復(fù)原(ImageRestoration)。當(dāng)造成圖像退化(圖像品質(zhì)下降)的原因已知時，復(fù)原技術(shù)可以對圖像進(jìn)行校正。圖像復(fù)原最關(guān)鍵的是對每種退化都建立一個合理的模型。例如，掌握了聚焦不良成像系統(tǒng)的物理特性，便可建立復(fù)原模型，而且對獲取圖像的特定光學(xué)系統(tǒng)的直接測量也是可能的。退化模型和特定數(shù)據(jù)一起描述了圖像的退化，因此，復(fù)原技術(shù)是基于模型和數(shù)據(jù)的圖像恢復(fù)，其目的是消除退化的影響，從而產(chǎn)生一個等價于理想成像系統(tǒng)所獲得的圖像。

(3)圖像增強(ImageEnhancement)。圖像增強是對圖像質(zhì)量在一般意義上的改善。當(dāng)無法知道圖像退化有關(guān)的定量信息時，可以使用圖像增強技術(shù)較主觀地改善圖像的質(zhì)量。所以，圖像增強技術(shù)是用于改善圖像視感質(zhì)量所采取的一種方法。因為增強技術(shù)并非是針對某種退化所采取的方法，所以很難預(yù)測哪一種特定技術(shù)是最好的，只能通過試驗和分析誤差來選擇一種合適的方法。有時可能需要徹底改變圖像的視覺效果，以便突出重要特征的可觀察性，使人或計算機更易觀察或檢測。在這種情況下，可以把增強理解為增強感興趣特征的可檢測性，而非改善視感質(zhì)量。電視節(jié)目片頭或片尾處的顏色、輪廓等的變換，其目的是得到一種特殊的藝術(shù)效果，增強動感和力度。

(4)圖像分割(ImageSegmentation)。把圖像分成一些互不重疊的區(qū)域的過程就是圖像分割。一幅圖像中通常包含多個對象，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。圖像處理為了達(dá)到識別和理解的目的，幾乎都必須按照一定的規(guī)則將圖像分割成區(qū)域，每個區(qū)域代表被成像的一個物體(或部分)。圖像自動分割是圖像處理中最困難的問題之一。人類視覺系統(tǒng)的優(yōu)越性，使得人類能夠?qū)⑺^察的對象從復(fù)雜場景中分開，并識別出每個物體。但對計算機來說，這卻是一個難題。目前，大部分圖像的自動分割還需要人工提供必需的信息來實現(xiàn)，只有一部分領(lǐng)域(如印刷字符自動識別(OCR)、指紋識別等)開始實際應(yīng)用。由于解決與圖像分割相關(guān)的基本問題是特定領(lǐng)域中圖像分析實用化的關(guān)鍵一步，因此，如何將各種方法融合在一起，并使用有關(guān)知識來提高圖像處理的可靠性和有效性是圖像分割的研究熱點。

(5)圖像分析。圖像處理應(yīng)用的目標(biāo)幾乎均涉及到圖像分析，即對圖像中的不同對象進(jìn)行分割、特征提取和表示，從而有利于計算機對圖像進(jìn)行分類、識別和理解。在工業(yè)產(chǎn)品零件無缺陷裝配檢測中，圖像分析是將圖像中的像素轉(zhuǎn)化成一個“合格”或“不合格”的判定。在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如醫(yī)學(xué)圖像處理，不僅要檢測出物體(如腫瘤)的存在，而且還要檢查物體的大小。

(6)圖像重建。圖像重建與上述的圖像增強、圖像復(fù)原等不同。圖像增強、圖像復(fù)原的輸入是圖像，處理后的輸出結(jié)果也是圖像，而圖像重建是指從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，而經(jīng)過處理后得到的結(jié)果是圖像，CT就是圖像重建的典型應(yīng)用實例。目前，圖像重建與計算機圖形學(xué)相結(jié)合，把多個二維圖像合成三維圖像，并加以光照模型和各種渲染技術(shù)，能生成各種具有強烈真實感的高質(zhì)量圖像。

(7)圖像壓縮編碼(ImageEncoding)。數(shù)字圖像的特點之一是數(shù)據(jù)量龐大。盡管現(xiàn)在有大容量的存儲器，但仍不能滿足圖像數(shù)據(jù)(尤其是動態(tài)圖像、高分辨率圖像)處理的需要，因此在實際應(yīng)用中圖像壓縮是必需的。如果數(shù)據(jù)不壓縮，則在存儲和傳輸過程中就需要占很大的容量和帶寬，從而增加成本。圖像壓縮的目的就是壓縮圖像數(shù)據(jù)量。圖像編碼主要是利用圖像信號的統(tǒng)計特性及人類視覺的生理和心理特性，對圖像信號進(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)，便于圖像的存儲和傳輸。一般來說，圖像編碼的目的有三個：①減少數(shù)據(jù)存儲量；②降低數(shù)據(jù)率以減少傳輸帶寬；③壓縮信息量，便于特征提取，為后續(xù)識別做準(zhǔn)備。從編碼技術(shù)發(fā)展來看，Kunt提出了第一代、第二代編碼的概念。第一代編碼是以去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法，如PCM、ΔM、亞取樣編碼法、DFT、DCT、W-H變換編碼法以及以此為基礎(chǔ)的混合編碼法，第二代編碼法大多在20世紀(jì)80年代以后提出，如金字塔編碼法、Fractal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。這些編碼方法有如下特點：①充分考慮人的視覺特性；②恰當(dāng)?shù)乜紤]對圖像信號的分解與表述；③采用圖像的合成與識別方案壓縮數(shù)據(jù)。

(8)模式識別(PatternRecognition)。模式識別是數(shù)字圖像處理的又一研究領(lǐng)域。當(dāng)今，模式識別方法大致有三種：統(tǒng)計識別法；句法結(jié)構(gòu)模式識別法；模糊識別法。統(tǒng)計識別法側(cè)重于特征；句法結(jié)構(gòu)模式識別法側(cè)重于結(jié)構(gòu)和基元；模糊識別法是把模糊數(shù)學(xué)的一些概念和理論用于識別處理。在模糊識別處理中充分考慮人的主觀概率，同時也考慮了人的非邏輯思維方法及人的生理、心理反應(yīng)，這一獨特性的識別方法目前尚未成熟，正處于研究階段。

(9)圖像理解(ImageUnderstanding)。圖像理解是由模式識別發(fā)展起來的圖像處理方法。該方法輸入的是圖像，輸出的是一種描述。這種描述并不僅是單純地用符號做出詳細(xì)的描繪，而且要利用客觀世界的知識使計算機進(jìn)行聯(lián)想、思考及推論，從而理解圖像所表現(xiàn)的內(nèi)容。圖像理解有時也叫景物理解，在這一領(lǐng)域還有相當(dāng)多的問題需要深入研究。以上所述的九項處理任務(wù)是圖像處理所涉及到的主要內(nèi)容?？偟膩碚f，經(jīng)過多年的發(fā)展，圖像處理經(jīng)歷了對從靜止圖像到活動圖像、從單色圖像到彩色圖像、從客觀圖像到主觀圖像、從二維圖像到三維圖像處理的發(fā)展歷程。特別是圖像處理技術(shù)與計算機圖形學(xué)的結(jié)合，已能產(chǎn)生高度逼真、非常純凈、更有創(chuàng)造性的圖像。由此派生出來的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，或許將從根本上改變?nèi)藗兊膶W(xué)習(xí)、生產(chǎn)和生活方式。1.3數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.3.1硬件系統(tǒng)如圖1.2所示，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像數(shù)字化設(shè)備、圖像處理計算機(通常將存儲設(shè)備也包括在內(nèi))、圖像輸出和顯示設(shè)備組成。圖1.2圖像處理系統(tǒng)示意圖

1.圖像數(shù)字化設(shè)備

圖像數(shù)字化設(shè)備包括電視攝像機、掃描儀、數(shù)碼相機、遙感儀與圖像采集卡等。

(1)電視攝像機(VideoCamera)。電視攝像機是目前使用最廣泛的圖像獲取設(shè)備，如圖1.3(a)所示。電視攝像機的核心部件是光電轉(zhuǎn)換裝置，也稱為固態(tài)陣。目前大多數(shù)感光基元多為電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)，CCD可以將照射在其上的光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號。該設(shè)備小巧、速度快、成本低、靈敏度高，多作為實時圖像輸入設(shè)備應(yīng)用。但用該設(shè)備所獲取的圖像灰度層次較差、非線性失真較大、有黑斑效應(yīng)，在使用中需要校正。

(2)掃描儀(Scanner)。如圖1.3(b)所示，掃描儀是將各種形式的圖像信息(如圖片、照片、膠片及文稿資料等)輸入到計算機的重要工具，特點是精度和分辨率高。由于掃描儀良好的精度和低廉的價格，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的速度較慢，不能實現(xiàn)實時輸入。

(3)數(shù)碼照相機(DigitalCamera)。如圖1.3(c)所示，數(shù)碼照相機也叫數(shù)字相機，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特殊照相機。它的核心部件是CCD圖像傳感器。CCD可以對亮度進(jìn)行分級，但并不能識別顏色。為此，數(shù)碼照相機使用了紅、綠、藍(lán)三個彩色濾鏡，當(dāng)光線從紅、綠、藍(lán)濾鏡中穿過時，就可以得到每種色光的反應(yīng)值，再通過軟件對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而確定每一個像素點的顏色。CCD生成的數(shù)字圖像被傳送到照相機的一塊內(nèi)部芯片上，該芯片負(fù)責(zé)將圖像轉(zhuǎn)換成相機內(nèi)部的存儲格式(通常為JPEG格式)。最后，將生成的圖像保存在存儲卡中。圖1.3圖像獲取設(shè)備

(4)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、多光譜像機等；紅外攝影設(shè)備，如紅外輻射計、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、側(cè)視雷達(dá)、真空孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)。

(5)圖像采集卡。通常，圖像采集卡安裝于計算機主板擴展槽中，主要包括圖像存儲器單元、顯示查找表(LUT)單元、CCD攝像頭接口(A/D)、監(jiān)視器接口(D/A)和PC機總線接口單元。其工作過程如下：攝像頭實時或準(zhǔn)實時采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D變換后將圖像存放在圖像存儲單元的一個或三個通道中，D/A變換電路自動將圖像顯示在監(jiān)視器上。通過主機發(fā)出指令，將某一幀圖像靜止在存儲通道中，即采集或捕獲一幀圖像，然后對圖像進(jìn)行處理或存盤。高檔卡還包括卷積濾波、FFT(快速傅立葉變換)等圖像處理專用的快速部件?，F(xiàn)有的圖像采集卡將圖像和圖形功能合為一體。

2.圖像處理計算機

(1)計算機。圖像處理的數(shù)據(jù)量大、運算時間長，對系統(tǒng)硬件配置要求較高。目前，PC機硬件性能顯著增強，計算速度大幅度提高，可與幾年前的大型機媲美。為了加快圖像的顯示和處理速度，用于圖像處理的PC機配置應(yīng)盡可能高一些。當(dāng)然，有條件時最好采用圖形工作站進(jìn)行圖像處理。

(2)圖像存儲裝置。由于圖像數(shù)據(jù)量龐大，使得早期圖像的存儲成為問題。到目前為止，除了大容量磁盤可供存儲圖像數(shù)據(jù)之外，MO、CD、DVD等光學(xué)存儲裝置以及SAN、NAS等網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)，為存儲海量圖像數(shù)據(jù)提供了極好的支持。圖1.4給出了三種常用的存儲設(shè)備。圖1.4圖像存儲裝置

3.圖像輸出和顯示設(shè)備數(shù)字圖像輸出和顯示設(shè)備包括打印機、繪圖儀、顯示卡、膠片記錄器、顯示器等。顯示卡是記憶和保存圖像的地方，通常，存儲的圖像要隨時顯示在顯示器上。在圖像處理裝置中，灰度值紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)各占8位，共計24位，可以表示1670萬種顏色，這種顯示卡稱為真彩色顯示卡。除了顯示卡這一圖像輸出設(shè)備外，還可以利用如圖1.5所示的打印機對圖像進(jìn)行打印輸出。圖1.5圖像輸出設(shè)備以上我們介紹了數(shù)字化設(shè)備的構(gòu)成以及各個構(gòu)成部件，在實際的圖像處理系統(tǒng)中，根據(jù)圖像獲取與圖像處理之間時間間隔的差異，可以將圖像處理系統(tǒng)分為在線處理系統(tǒng)和離線處理系統(tǒng)兩種形式。在研究中，多采用離線圖像處理系統(tǒng)，主要用于開發(fā)和驗證圖像處理與分析的算法。在線圖像處理系統(tǒng)除上述設(shè)備外，還需用圖像處理專用硬件(如夏普公司研發(fā)的GPB-K高速圖像處理卡)代替普通圖像采集卡，構(gòu)成自動處理系統(tǒng)，以對生產(chǎn)現(xiàn)場采集的圖像進(jìn)行實時處理，并對其處理結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控。1.3.2軟件系統(tǒng)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)平臺多為MicrosoftWindows或X-Windows，開發(fā)的主流工具為Microsoft公司的VC++。這是因為VC++?是一種具有高度綜合性能的軟件開發(fā)工具，用它開發(fā)出來的程序運行速度快、可移植能力強。此外，各國的科學(xué)家和研究機構(gòu)開發(fā)了不少專用的圖像處理軟件環(huán)境，下面僅對主要的幾種進(jìn)行簡單介紹。

1.?MATLAB的圖像處理工具箱

MATLAB是由美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算的有力工具。它具有相當(dāng)強大的矩陣運算和操作功能，并且MATLAB圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)。靈活運用這些函數(shù)幾乎可以完成所有的圖像處理工作，從而大大節(jié)省了編寫底層算法代碼的時間，避免程序設(shè)計中的重復(fù)勞動，達(dá)到事半功倍的效果。但MATLAB強大的功能只能在安裝有MATLAB系統(tǒng)的機器上，通過使用圖像處理工具箱中的函數(shù)或自編的m文件來實現(xiàn)，應(yīng)用不是很方便，且MATLAB使用行解釋方式執(zhí)行代碼，執(zhí)行速度較慢。為將MATLAB的強大功能融入到各種應(yīng)用程序中，可通過高級語言編譯器將MATLAB程序代碼編譯為二進(jìn)制代碼。

2.?AVS和SPIDER

AVS(ApplicationVisualizationSystem)是對龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行可視化處理的通用系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)原來是為了對科學(xué)計算的結(jié)果進(jìn)行可視化(ScientificVisualization)處理而開發(fā)的，具有如下強大的功能：對Pointer和Clicker類型數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以將人機對話的三維幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以對人機對話的二維圖像進(jìn)行顯示。同時還可完成畫圖功能，并對圖像處理、聲音波形圖中的超函數(shù)進(jìn)行處理。AVS現(xiàn)在已經(jīng)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/實驗結(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、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。

SPIDER(SubroutinePackageforImageDataEnhancementandRecognition)Viewer是由日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所開發(fā)的圖像處理程序庫。它包含了圖像處理領(lǐng)域中的基本算法和實現(xiàn)方法，因此得到了很高的評價，之后又追加了基本的圖像分析算法，立體圖像、距離圖像、文本、畫面處理等領(lǐng)域的算法，稱之為SPIDERⅡ，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.?IUE對圖像處理和圖像理解算法優(yōu)劣的評價是非常困難的。為此，世界范圍內(nèi)的圖像工程科研人員就評價問題進(jìn)行了研討，以構(gòu)建可重復(fù)利用的軟件開發(fā)環(huán)境。IUE(ImageUnderstandingEnvironment)就是以美國為主，日本和歐洲共同參加開發(fā)的圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)圖像理解、計算模型的確立，對圖像進(jìn)行嚴(yán)密的幾何學(xué)描述。它能應(yīng)用于各種類型的圖像，從而提高研究效率，促進(jìn)技術(shù)積累和技術(shù)轉(zhuǎn)移。針對上述目標(biāo)，IUE有效利用現(xiàn)有軟件，開發(fā)了運行在UNIX工作站(SunOS、Linux)上的面向?qū)ο蟮某绦?C++)，并從LaTeX自動生成C++源代碼，以滿足實際需要。

IUE不僅提供了函數(shù)庫和數(shù)據(jù)庫，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，還提供了類的分層結(jié)構(gòu)關(guān)系。同時，也提供了用矢量圖來表示的坐標(biāo)系和坐標(biāo)變換的類。這種類有600個，還有400個模板及類成員，可以說它是一個巨大的資源庫。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)，線段、區(qū)域、面等幾何數(shù)據(jù)，以及對于認(rèn)識、理解的高級處理時的知識表達(dá)、幾何數(shù)據(jù)之間關(guān)系的符號數(shù)據(jù)等。1.4數(shù)字圖像處理的歷史與發(fā)展

數(shù)字圖像處理的最早應(yīng)用之一是在報紙業(yè)，20世紀(jì)20年代，Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)(紐約和倫敦之間海底電纜)傳輸一幅圖片所需的時間由一周多減少到小于3個小時。為了用電纜傳輸圖像，首先要進(jìn)行編碼，然后在接收端用特殊的打印設(shè)備重構(gòu)該圖片。圖1.6就是利用這種方法傳遞并應(yīng)用電報打印機通過字符模擬中間色調(diào)還原出來的圖像。早期的圖像處理視覺質(zhì)量的改進(jìn)工作涉及到打印過程的選擇和亮度等級的分布等問題。圖1.6的打印方法在1921年底被徹底淘汰，一種基于光學(xué)還原的技術(shù)得到了支持，該技術(shù)在電報接收端用穿孔紙帶打出圖像。圖1.7是用該方法得到的圖像，對比圖1.6，它在色調(diào)質(zhì)量和分辨率方面得到明顯改進(jìn)。早期的Bartlane系統(tǒng)可以用5個色度等級對圖像進(jìn)行編碼，到1929年已經(jīng)增加到15個等級。圖1.8所示圖像就是用15級色調(diào)設(shè)備得到的。這一時期，由于引入了一種用編碼圖像紙帶去調(diào)制光束而使底片感光的系統(tǒng)，使恢復(fù)的圖像質(zhì)量明顯得到了改善。圖1.6通過打印字符模擬中間色調(diào)打印出來的5級灰度圖像圖1.7基于圖片再生技術(shù)用穿孔紙帶打印的圖像圖1.81929年從倫敦到紐約用15級色調(diào)設(shè)備傳輸?shù)膱D像真正的數(shù)字圖像處理極大地依賴于數(shù)字計算機及相關(guān)技術(shù)，如存儲、顯示和傳送等技術(shù)的發(fā)展。而真正的現(xiàn)代計算機是20世紀(jì)40年代由JohnVonNeumann提出兩個重要的概念才開始的：保存程序和數(shù)據(jù)的存儲器；條件分支。第一臺真正可以執(zhí)行圖像處理任務(wù)的足夠強大的計算機出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代早期，數(shù)字圖像處理的發(fā)展也得益于這時的空間計劃。

20世紀(jì)50年代，隨著計算機的發(fā)展，數(shù)字圖像處理才真正地引起人們的巨大興趣。50年代中期在太空計劃的推動下開始相關(guān)技術(shù)的研究。其重要標(biāo)志是1964年美國噴氣推進(jìn)實驗室正式使用數(shù)字計算機對“旅行者7號”太空船送回的四千多張月球照片進(jìn)行了處理。圖1.9為由旅行者7號于1964年7月31號在東部白天時間著陸前17分鐘拍攝的，其中網(wǎng)狀標(biāo)記表示經(jīng)過了幾何校正。圖1.9美國航天器傳送的第一張月球照片到20世紀(jì)60年代末至70年代初，由于離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和不斷完善，使數(shù)字圖像處理技術(shù)形成了比較完整的理論體系，成為一門新興的學(xué)科。60年代末，數(shù)字圖像處理形成了一個比較完整的理論與技術(shù)體系，從而構(gòu)成了一門獨立的技術(shù)。數(shù)字圖像處理的空間應(yīng)用不斷取得進(jìn)展，20世紀(jì)60年代末和70年代開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感探測和天文學(xué)等尖端科學(xué)領(lǐng)域。CAT(ComputerizedAxialTomography，簡稱CT)是數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。從20世紀(jì)60年代至今，數(shù)字圖像處理已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍更加廣闊。計算機程序用于增強圖像對比度；或者將圖像強度編碼成彩色以便于解釋X射線和用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)及生物科學(xué)領(lǐng)域的其他圖像；地理學(xué)者用相同的技術(shù)從航空和衛(wèi)星圖像中研究污染模式。圖像增強和復(fù)原過程用于處理不可修復(fù)物體的有損圖像或者造價昂貴而不可復(fù)現(xiàn)的實驗結(jié)果。在考古學(xué)領(lǐng)域，使用圖像處理方法已成功復(fù)原了模糊的圖片，這些圖片是那些丟失或損壞了的稀有物品的唯一現(xiàn)存記錄。在物理學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域，計算機技術(shù)通常用于增強用高能等離子和電子顯微鏡方法等得到的實驗圖像。同時，數(shù)字圖像處理還成功應(yīng)用在天文學(xué)、核醫(yī)學(xué)、法律實施、國防及工業(yè)等領(lǐng)域中。數(shù)字圖像處理的另一個主要應(yīng)用領(lǐng)域即機器感知問題(利用的信息主要有統(tǒng)計矩、傅立葉變換系數(shù)、多維距離測度等)方面，典型的有自動字符識別、用于生產(chǎn)線及檢測的工業(yè)機器視覺、軍事識別、指紋的自動處理、X射線和血樣分類處理、用于天氣預(yù)報和環(huán)境鑒定的航空與衛(wèi)星圖像的處理。計算機性價比的不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)通信帶寬的擴展，為數(shù)字圖像處理(DigitalImageProcessing，DIP)的持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機會。其中一些應(yīng)用領(lǐng)域在下節(jié)以圖像來源(電磁波譜圖像、顯微圖像、合成圖像等)為類別舉例進(jìn)行說明。其中的每一個實例都要用到以后的某種數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理。目前，就處理方法而言，主要將小波、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算子、分形等智能信息處理技術(shù)運用于數(shù)字圖像處理，使其更具活力，并不斷地發(fā)展。1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用

1.5.1通信領(lǐng)域通信包括圖像傳輸、電視電話、電視會議等，主要是對圖像進(jìn)行壓縮甚至理解基礎(chǔ)上的壓縮。1925年，單色電視廣播在英國實現(xiàn)；1936年，BBC開始電視廣播。目前出現(xiàn)的彩色電視有三種制式，即NTSC(美國、日本等)、PAL(中國、西歐、非洲等)和SECAM(法國、俄羅斯等)。圖文電視(Teletext)和可視圖文(Videotext)是提供可視圖形文字信息的通信方式。圖文電視是單向傳送信息的，在電視信號消隱期可以發(fā)送圖文信息，用戶可用電視機和專用終端收看該信息；可視圖文采用雙向工作方式，用戶可用電話向信息中心提出服務(wù)內(nèi)容或從數(shù)據(jù)庫中選擇信息。1.5.2宇宙探測由于太空技術(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。利用美國的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡可對太空的景象進(jìn)行拍攝，結(jié)果就保存為數(shù)字圖像，為了進(jìn)一步地研究宇宙現(xiàn)象，需要對這些數(shù)字圖像進(jìn)行諸如增強和復(fù)原等處理。另外，在宇宙探測中，可以利用數(shù)字圖像技術(shù)對飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行模擬，以便于技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)飛行器的異常，提高安全性。圖1.10給出了圖像處理在宇宙探測中的兩個應(yīng)用實例。圖1.10圖像處理最先應(yīng)用于空間探索1.5.3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，以提取有用的信息。主要用于地形地質(zhì)、礦藏勘查，森林、水利、海洋、農(nóng)業(yè)等資源調(diào)查，自然災(zāi)害預(yù)測預(yù)報，環(huán)境污染監(jiān)測，氣象衛(wèi)星云圖處理以及地面軍事目標(biāo)的識別。圖1.11給出了數(shù)字遙感中圖像處理應(yīng)用實例。圖1.11數(shù)字圖像處理在遙感中的應(yīng)用在遙感應(yīng)用中，我們可以看到大量與圖像處理密切相關(guān)的技術(shù)。世界上出現(xiàn)第一張照片(1839年)、意大利人乘飛機拍攝了第一張照片(1909年)、前蘇聯(lián)(1957年)及美國(1958年)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星等都為遙感技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。1962年，國際上正式使用遙感一詞(RemoteSensing)。此后，美國相繼發(fā)射了多顆陸地資源探測衛(wèi)星(1972年，LANDSAT-Ⅰ—四個波段，地面分辨率為59?m?×?79?m；1975年，LANDSAT-Ⅱ；1978年，LANDSAT-Ⅲ，分辨率為40?m?×?40?m；1982年，LANDSAT-Ⅳ，分辨率為30?m?×?30?m，在這顆衛(wèi)星上配置了GPS系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)，定位精度在地心坐標(biāo)系中為±10?m。)1.5.4生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域圖像處理在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用非常廣泛，無論是臨床診斷還是病理研究都會大量采用圖像處理技術(shù)。該技術(shù)的直觀、無創(chuàng)傷、安全方便等優(yōu)點備受青睞。圖像處理首先應(yīng)用于細(xì)胞分類、染色體分類和放射圖像等方面。圖像處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用包括超聲波檢測(如圖1.12)、CT和MRI等。圖1.12超聲圖像

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射線斷層掃描CT得到實用；1977年白血球自動分類儀問世；1980實現(xiàn)了CT的立體重建。有人認(rèn)為計算機圖像處理在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用最成功的例子就是X射線CT，其主要研制者Hounsfeld(英)和Commack(美)獲得了1979年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。圖1.13是人類利用X射線得到的人類第一張透視人手圖像。1968～1972年英國的EMI公司的Hounsfeld研制了頭部CT，1975年又研制了全身CT。類似的設(shè)備目前已有多種，如核磁共振(NuclearMagneticResonanceImaging，NMRI)CT，電阻抗斷層圖像技術(shù)(ElectricalImpedanceTomography，EIT)和阻抗成像(ImpedanceImaging)，這是一種利用人體組織的電特性(阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù))形成人體內(nèi)部圖像的技術(shù)。圖1.13人類第一張X線圖像經(jīng)過百年的發(fā)展，應(yīng)用X線機可觀察人體內(nèi)部的骨骼、肺結(jié)核病變等，通過造影技術(shù)，可以觀察心臟、血管及消化道等管狀器官。X線機是臨床醫(yī)院必備的醫(yī)療設(shè)備。隨著相關(guān)科技的發(fā)展，X線投影成像技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展。圖1.14給出了X射線得到的人類不同部位的透視圖像。圖1.14人體X線圖像此外，CT技術(shù)還可用于三維醫(yī)學(xué)成像。20世紀(jì)60至70年代，隨著美國阿波羅登月計劃的結(jié)束，大批科學(xué)家、工程技術(shù)人員將研究方向轉(zhuǎn)移到生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，促進(jìn)了該學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)水平的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了人類觀察自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新的里程碑——X射線斷層成像技術(shù)。圖1.15人出了CT檢測儀示意圖和腦部檢測結(jié)果。圖1.15CT檢測儀器及檢測結(jié)果

80年代相繼出現(xiàn)了基于現(xiàn)代物理技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如數(shù)字減影血管造影(DigitalSubtractionangiography，DSA)技術(shù)；磁共振成像技術(shù)(MagneticResonanceImaging,MRI，如圖1.16所示)；發(fā)射型斷層成像技術(shù)(EmissionComputedTomography，ECT)，包括單光子發(fā)射型斷層成像技術(shù)(SinglePhotonEmissionComputedTomography，SPECT)和正電子發(fā)射型斷層成像技術(shù)(PositronEmissionTomography，PET)，如圖1.17所示)。圖1.16MRI檢測儀器和檢測結(jié)果圖1.17PET檢測結(jié)果1.5.5工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品及部件進(jìn)行無損檢測是圖像處理技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。圖像處理技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用從20世紀(jì)70年代起得到了迅速的發(fā)展，主要有產(chǎn)品質(zhì)量檢測、生產(chǎn)過程的自動控制、CAD/CAM等。在產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面，如食品、水果質(zhì)量檢查，無損探傷，焊縫質(zhì)量或表面缺陷。又如，金屬材料的成分和結(jié)構(gòu)分析、紡織品質(zhì)量檢查、光測彈性力學(xué)中應(yīng)力條紋的分析等。在電子工業(yè)中，圖像處理技術(shù)可以用來檢驗印制電路板的質(zhì)量、監(jiān)測零部件的裝配等。在工業(yè)自動控制中，主要使用機器視覺系統(tǒng)