数字图像处理

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数字图像处理(Digital Image Processing,DIP)

　　数字图像处理是指经过空间采样和幅值量化后的图像，它可以利用计算机或其他实时的硬件处理，因而又称之为计算机图像处理(computer image processing)。

　　完整的数字图像处理工程大体上可分为如下几个方面：图像信息的获取；图像信息的存储；图像信息的传送；图像信息处理；图像信息的输出和显示。

　　(1)图像信息的获取(Image Information Acquisition)

　　就数字图像处理而言，主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。通常，图像获取的方法有以下几种：

　　①电视摄像机(Video Camera)

　　这是目前使用最广泛的图像获取设备。早期主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年来，主要是采用CCD摄像设备。

　　特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。

　　缺点：灰度层次较差、非线性失真较大、有黑斑效应，在使用中需要校正。目前，CCD摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做到较高水平，如：1920×1035或1024×1024的高分辨率的CCD摄像机已很成熟。

　　②飞点扫描器(Flying Point Scanner)

　　这是一种以光源做扫描的图像获取设备。其特点是：精度较高、图像清晰、可透射成像亦可反射成像，但是其体积略显庞大。

　　③扫描鼓

　　这是一种高精度的滚桶式的图像摄取设备。

　　特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以输出。

　　缺点：价格昂贵、速度低、维护要求高。多用于静止图像的输入、输出设备。

　　④扫描仪

　　特点：精度和分辨率中等，600DPI精度的扫描仪已常见。扫描仪的成本很低，近几年尤其降价显著，一般台式的已有不足1000元的产品。所以是当今应用最为广泛的图像信息获取没备。

　　缺点：速度较慢，非实时设备。

　　⑤显微光密度计：精度较高，速度较低。

　　⑥遥感中常用的图像获取设备已有多种，如：

　　光学摄影：摄像机、多光谱相机等。

　　红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪。

　　MSS：多光谱扫描仪。

　　微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷达(SAR)。

　　合成孔径雷达是20世纪50年代发展起来的技术。它采用小天线通过直线飞行(长距离)合成一条很长的线阵天线，从而达到优良的横向方位的分辨率。目前的国际水平，在距雷达50～100km范围内．合成孑L径雷达(SAR)的纵向和横向分辨率已达1m×1m以下。

　　为使飞机能直线、恒速飞行要用到陀螺导航仪、GPS定位系统等设备和技术加以保证。

　　(2)图像信息的存储(Image Information Storage)

　　图像信息的突出特点是数据量巨大。一般作档案存储主要采用磁带、磁盘或光盘。为解决海量存储问题，主要研究数据压缩、图像格式及图像数据库技术等。

　　(3)图像信息的传送(Image Information Transmission)

　　图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离传送。内部传送多采用DMA技术(Direct Memory Access)以解决速度问题，外部远距离传送主要解决占用带宽问题。目前，已有多种国际压缩标准来解决这一问题，图像通信网正在逐步建立。

　　(4)数字图像处理(Digital Image Processing)

　　目前。数字图像处理多采用计算机处理，因此．有时也称之为计算机图像处理(Computer Image Processing)。概括地说，数字图像处理主要包括如下几项内容：几何处理(Gometrical Processing)，算术处理(Arithmetic Processing)，图像增强(Image Enhancement)，图像复原(Image Restoration)，图像重建(Image Reconstruction)，图像编码(ImageEncoding)，图像识别(ImageRecognition)。图像理解(ImageUnderstanding)。

　　①几何处理

　　几何处理主要包括坐标变换，图像的放大、缩小、旋转、移动，多个图像配准，全景畸变校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。

　　②算术处理

　　算术处理主要对图像施以加、减、乘、除等运算，虽然该处理主要针对像素点的处理，但非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的效果。

　　③图像增强

　　图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强，便于区分或解释。主要方法有直方图增强、伪彩色增强法(pseudo color)、灰度窗口等技术。

　　④图像复原

　　图像复原处理的主要目的是去除__F扰和模糊，恢复图像的本来面目。典型的例子如去噪就属于复原处理。图像噪声包括随机噪声和相干噪声，随机噪声干扰表现为麻点干扰，相干噪声表现为网纹干扰。去模糊也是复原处理的任务。这些模糊来自透镜散焦、相对运动、大气湍流以及云层遮挡等。这些干扰可用维纳滤波、逆滤波、同态滤波等方法加以去除。

　　⑤图像重建

　　几何处理、图像增强、图像复原等都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说，输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像。该处理的典型应用就是CT技术，CT技术发明于1972年，早期为X射线(X—ray)CT，后来发展的有ECT，超声CT，核磁共振(NMR)等。图像重建的主要算法有代数法，迭代法、傅里叶反投影法、卷积反投影法等，其中以卷积反投影法运用最为广泛，因为它的运算量小、速度快。值得注意的是三维重建算法发展得很快，而且由于与计算机图形学相结合，把多个二维图像合成三维图像，并加以光照模型和各种渲染技术，能生成各种具有强烈真实感及纯净的高质量图像。三维图形的主要算法有线框法、表面法、实体法、彩色分域法等，这些算法在计算机图形学中都有详尽的介绍。三维重建技术也是当今颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础。

　　⑥图像编码

　　图像编码研究属于信息论中信源编码范畴，其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，以解决数据量大的矛盾。一般来说，图像编码的目的有三个：一是减少数据存储量；二是降低数据率以减少传输带宽；三是压缩信息量，便于特征抽取，为识别作准备。就编码而言，Kunt提出第一代、第二代编码的概念。Kunt把1948—1988年40年中研究的以去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码。如：PC2M，DPCM，AM，亚取样编码法；变换编码中的DFT，DCT，walsh—Had—amard变换等方法以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第一代编码法。而第二代编码方法多是20世纪80年代以后提出的新的编码方法，如金字塔编码法、Fractal编码、基于神经元网络的编码方法、小波变换编码法、模型基编码法等。现代编码法的特点：一是充分考虑人的视觉特性；二是恰当地考虑对图像信号的分解与表述；三是采用图像的合成与识别方案可压缩数据率。

　　图像编码应是经典的研究课题，60多年的研究已有多种成熟的方法得到应用。随着多媒体技术的发展，已有若干编码标准由ITu—T制定出来，如JPEG，H．261，H．263，MPEGl．MPEG2，MPEG4，MPEG7，JBIC(Joint Bi—level Image Coding：Expert Group，二值图像压缩)等。相信在未来会有更多、更有效的编码方法问世，以满足多媒体信息处理及通信的需要。

　　⑦模式识别

　　模式识别是数字图像处理的又一研究领域。当今，模式识别方法大致有三种，即：统计识别法；句法结构模式识别法；模糊识别法。

　　统计识别法侧重于特征，句法结构识别侧重于结构和基元，模糊识别法是把模糊数学的一些概念和理论用于识别处理。在模糊识别处理中充分考虑人的主观概率，同时也考虑了人的非逻辑思维方法及人的生理、心理反映，这一独特性的识别方法目前正处于研究阶段，方法尚未成熟。

　　⑧图像理解

　　图像理解是由模式识别发展起来的方法。该处理输入的是图像，输出的是一种描述。这种描述并不仅是单纯的用符号作出详细的描绘，而且要利用客观世界的知识使计算机进行联想、思考及推论，从而理解图像所表现的内容。图像理解有时也叫景物理解。在这一领域还有相当多的问题需要进行深入研究。

　　总的说来，经多年的发展，图像处理经历了从静止图像到活动图像；从单色图像到彩色图像；从客观图像到主观图像；从二维图像到三维图像的发展历程。特别是与计算机图形学的结合已能产生高度逼真、非常纯净、更有创造性的图像。由此派生出来的虚拟现实技术的发展或许将从根本上改变人们的学习、生产和生活方式。

　　(5)图像的输出与显示

　　图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解译和识别的图像。因此，图像输出也是图像处理的重要内容之一。图像的输出有两种，一种是硬拷贝，另一种是软拷贝。其分辨率随着科学技术的发展从256×256，512×512，1024×1024，至今已有2048×2048的高分辨率的显示设备问世。通常的硬拷贝方法有照相、激光拷贝、彩色喷墨打印等几种方法。软拷贝方法有以下几种：

　　①CRT显示(Cathode Ray TLibe)

　　自20世纪60年代以来，在显示技术中，CRT几乎独霸天下。目前，彩色显像管(CPT)和彩色显示管(CDT)技术已相当成熟。20世纪90年代后期，平板显示器件才相继问世。但专家们预测在未来10年内，CRT仍是图像显示的主流。CRT显示质量好、亮度高、电子束寻址方式简单、制造成本低等都是CRT的显著优点。尤其采用微形滤光条(Microfiher)工艺，加之动态聚焦技术的出现，使得CRT在对比度、色纯及光点大小方面都得到了改进。目前，分辨率为1280×1024、行频64kHz、点频110MHz的CRT已很普遍，高分辨率的可达到1920×1035，行频达80kHz，视频带宽达140MHz。进一步提高分辨率的主要困难在于显像管的制造和刷新存储器的速度。从市场占有率来看，CRT亦是主流。

　　②液晶显示器(LCD)

　　液晶的发现已有100多年的历史，但真正用于显示技术的历史还不到30年。尽管有人认为LCD要想取代CRT至少还需15年左右的时问，但其发展势头之大，发展速度之快却令人刮目相看。LCD的突出性能是极吸引人的。它的缺点正在逐步被克服。

　　③场致发光显示器(FED)

　　场致发光平面显示器有多种。总体来说，从技术上看，还不能与CRT和LCD相竞争。但等离子显示器件的性能优于LCD。其本身视角可达160。结构工艺简单，目前是有力的竞争者。

　　1994年已有40英寸的壁挂式AD-PDP显示器展出。至于彩色荧光显示，目前只能用于字符显示。场致发光显示(FED)具有光明的前途。FED是最新发展起来的彩色平板显示器件。

　　同传统的模拟图像处理相比，数字图像处理有很多优点。主要表现在以下几点：

　　1．精度高

　　对于一幅图像而言，不管是对2bit还是8bit图像的处理，对计算机程序来说几乎是一样的。增加图像像素数使处理图像变大，只需改变数组的参数，而处理方法不变。所以从原理上讲，不管处理多高精度的图像都是可能的。而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对处理装置进行大幅度改进。

　　2．再现性好

　　不管是什么图像，它们均用数组或数组集合表示，这样计算机容易处理。因此，在传送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，因此数字图像处理不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作导致图像质量的退化，从而保持了完好的再现性。而在模拟图像处理过程中，就会因为各种因素干扰而无法保持图像的再现性。

　　3．通用性、灵活性高

　　不管是可视图像还是红外热成像、X射线照片、超声波图像等不可见光成像，尽管这些图像成像体系中的设备规模和精度各不相同，但把图像信号直接进行A／D变换或记录成照片，对于计算机来说都能用二维数组表示，即不管什么样的图像都可用同样的方法进行处理，这就是数字图像处理的通用性。另外，对处理程序加以改变后可进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、拼图、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运算等，所以灵活性很高。

　　数字图像处理大致包含四个方面的技术内容，包括图像质量改善、图像分析、图像重建和图像数据压缩。

　　1．图像质量改善

　　图像质量改善是力图把图像上的畸变及噪声信息去掉，使图像更清晰，以便准确目视判读和解释图像信息。具体技术措施大致包括四类：

　　(1)锐化技术：是突出图像上的各类边缘处的灰度处理，增大对比度使图像轮廓纹理更清晰；

　　(2)平滑技术：是一种抑制噪声而达到改善图像质量的措施；

　　(3)复原技术：是根据引起图像质量下降的原因而采取的一种恢复图像本来面目的处理措施；

　　(4)校正技术：采取几何校正措施，去掉图像上的几何失真。

　　2．图像分析

　　图像分析的目的是提取图像中的有用信息，常用技术有：边缘与线条的检测、图像区域分割、形状特征提取与测量、图像纹理分析、图像匹配与融合等。

　　3．图像重建

　　图像重建是成熟的实用图像处理技术。普遍应用于医学领域中，它主要包括CT中投影图像的三维重建，和应用于测量左、右视图图像，生成立体图像的技术。

　　4．图像数据压缩技术

　　图像数据压缩是针对图像经数字化后所产生的图像数据信息量非常大的特点，尤其是彩色动态图像的数据量更是大得惊人，为了对这些图像进行传输和预览，需要减少图像的存储容量。常用的有静态图像的有损压缩和无损压缩技术，如WINZIP、WINRAR、各种图像格式转换等；也有动态图像的压缩处理技术，如MPEG、网络流媒体技术等。

　　数字图像处理方法大致可分为两大类，即空域法和变换域法。

　　(1)空域法

　　这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相f菠的处理。空域处理法主要有下面两大类：

　　①邻域处理法

　　其中包括梯度运算、拉普拉斯算子运算、平滑算子运算和卷积运算。

　　②点处理法

　　灰度处理，面积、周长、体积、重心的运算等等。

　　(2)变换域法

　　数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。

　　这类处理包括滤波、数据压缩、特征提取等处理。

　　图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作方面。随着计算机技术和半导体工业的发展，数字图像处理技术的应用也将越来越广泛，总结其应用大致有以下几个方面。

　　1．在航天、航空中的应用

　　卫星遥感和航空测量有大量的图像需要处理，处理有两部分内容：一是图像校正．由于卫星、飞机是空中运动物体，装载的成像传感器受卫星飞机的姿态、运动、时间和气候条件等影响，摄取的图像存在畸变，需要自动校正；二是通过分析、处理遥感图像，有效地进行资源、矿藏勘探，国土规划，灾害调查，农作物估产，气象预报以及军事目标监视等。自从最早美国的喷气推进实验室(JPL)对月球、火星照片进行处理以来，数字图像处理技术在航天、航空中的应用还涉及航天器遥感技术，如很多国家都在利用陆地卫星所获取的图像进行气象监测、资源调查(如森林调查、水资源调查等)、土地测绘、灾害监测(如病虫害监测、火灾检测、环境污染监测等)、农业规划(如水分和农作物生长、产量估算等)、资源勘察(如石油勘察、大型工程地理位置勘探分析等)、城市规划(如城市建筑物拆迁、地质结构、水源及环境分析等)、军事侦察等。另外，在航空交通管制以及机场安检视频监控中，图像处理也得到了广泛的应用。

　　2．在军事、公安中的应用

　　数字图像处理是一种高技术，一般来说，高技术总是首先应用于军事国防领域。已经有许多战例说明由数字图像信息处理技术作为核心控制部件的精确制导武器的威力，这种武器采用被动方式工作，隐蔽性好，抗干扰能力强，智能化程度高，无须人工干预，实现“打了不管”，能在复杂背景中精确地控制导弹命中目标。数字图像处理在军事方面主要用于导弹的精确制导、各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；在公安业务方面主要用于实时监控、案件侦破、指纹识别、人脸鉴别、虹膜识别以及交通流量监控、事故分析、银行防盗等。

　　3．在生物医学中的应用

　　数字图像处理在生物医学领域的应用十分广泛，无论是临床诊断还是病理研究都采用了图像处理技术，而且很有成效。除了最成功的x射线、CT技术之外，还有一类是对医用显微图像的处理分析，即自动细胞分析仪，如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别以及超声波图像的分析等。这些技术和设备大大提高了疾病的治疗诊断水平，减轻了病人的痛苦。

　　4．在工业和工程中的应用

　　数字图像处理技术已经有效地应用于工业生产中的加工、装配、拆卸与质量检查等环节，例如机械手的手眼系统，车型识别，信函分拣，印刷电路板、集成电路芯片掩膜板、药片外形、汽车零部件等质量自动检查(逐个检查)；又如在生产线中对生产的产品及部件进行无损检测并对其进行分类，在一些有毒、放射性环境内利用计算机自动识别工件及物体的形状和排列状态等。现已发展到具备视觉、听觉和触觉反馈的智能机器人。高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别就是图像处理技术成功应用的例子。

　　5．在通信和电子商务中的应用

　　当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据相结合的多媒体通信，也就是将电话、电视和计算机以三网合一的方式在数字通信网上传输。其中，以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100Mb／s以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用图像处理中的压缩编码技术来达到目的。

　　在电子商务中，数字图像处理广泛应用于产品防伪、水印技术、利用生物识别实现身份认证和办公自动化等领域。

　　6．在文化艺术中的应用

　　数字图像处理在文化艺术中的应用包括电影、电视画面的数字编辑，动画的制作，纺织工艺品设计和制作，服装和发型设计，珍贵文物资料的复制和修复，运动员动作分析和评分，数字博物馆。虚拟城市和计算机图形生成技术以及图像变形技术等。