數字圖像處理

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數字圖像處理(Digital Image Processing,DIP)

　　數字圖像處理是指經過空間採樣和幅值量化後的圖像，它可以利用電腦或其他實時的硬體處理，因而又稱之為電腦圖像處理(computer image processing)。

　　完整的數字圖像處理工程大體上可分為如下幾個方面：圖像信息的獲取；圖像信息的存儲；圖像信息的傳送；圖像信息處理；圖像信息的輸出和顯示。

　　(1)圖像信息的獲取(Image Information Acquisition)

　　就數字圖像處理而言，主要是把一幅圖像轉換成適合輸入電腦或數字設備的數字信號，這一過程主要包括攝取圖像、光電轉換及數字化等幾個步驟。通常，圖像獲取的方法有以下幾種：

　　①電視攝像機(Video Camera)

　　這是目前使用最廣泛的圖像獲取設備。早期主要有光電攝像管、超正析攝像管等。近年來，主要是採用CCD攝像設備。

　　特點：設備小巧、速度快、成本低、靈敏度高。

　　缺點：灰度層次較差、非線性失真較大、有黑斑效應，在使用中需要校正。目前，CCD攝像機在解析度、靈敏度等方面已做到較高水平，如：1920×1035或1024×1024的高解析度的CCD攝像機已很成熟。

　　②飛點掃描器(Flying Point Scanner)

　　這是一種以光源做掃描的圖像獲取設備。其特點是：精度較高、圖像清晰、可透射成像亦可反射成像，但是其體積略顯龐大。

　　③掃描鼓

　　這是一種高精度的滾桶式的圖像攝取設備。

　　特點：精度高、解析度高，可以輸入也可以輸出。

　　缺點：價格昂貴、速度低、維護要求高。多用於靜止圖像的輸入、輸出設備。

　　④掃描儀

　　特點：精度和解析度中等，600DPI精度的掃描儀已常見。掃描儀的成本很低，近幾年尤其降價顯著，一般台式的已有不足1000元的產品。所以是當今應用最為廣泛的圖像信息獲取沒備。

　　缺點：速度較慢，非實時設備。

　　⑤顯微光密度計：精度較高，速度較低。

　　⑥遙感中常用的圖像獲取設備已有多種，如：

　　光學攝影：攝像機、多光譜相機等。

　　紅外攝影：紅外輻射計、紅外攝像儀、多通道紅外掃描儀。

　　MSS：多光譜掃描儀。

　　微波：微波輻射計，側視雷達、真實空孔徑雷達、合成孔徑雷達(SAR)。

　　合成孔徑雷達是20世紀50年代發展起來的技術。它採用小天線通過直線飛行(長距離)合成一條很長的線陣天線，從而達到優良的橫向方位的解析度。目前的國際水平，在距雷達50～100km範圍內．合成孑L徑雷達(SAR)的縱向和橫向解析度已達1m×1m以下。

　　為使飛機能直線、恆速飛行要用到陀螺導航儀、GPS定位系統等設備和技術加以保證。

　　(2)圖像信息的存儲(Image Information Storage)

　　圖像信息的突出特點是數據量巨大。一般作檔案存儲主要採用磁帶、磁碟或光碟。為解決海量存儲問題，主要研究數據壓縮、圖像格式及圖像資料庫技術等。

　　(3)圖像信息的傳送(Image Information Transmission)

　　圖像信息的傳送可分為系統內部傳送與遠距離傳送。內部傳送多採用DMA技術(Direct Memory Access)以解決速度問題，外部遠距離傳送主要解決占用帶寬問題。目前，已有多種國際壓縮標準來解決這一問題，圖像通信網正在逐步建立。

　　(4)數字圖像處理(Digital Image Processing)

　　目前。數字圖像處理多採用電腦處理，因此．有時也稱之為電腦圖像處理(Computer Image Processing)。概括地說，數字圖像處理主要包括如下幾項內容：幾何處理(Gometrical Processing)，算術處理(Arithmetic Processing)，圖像增強(Image Enhancement)，圖像複原(Image Restoration)，圖像重建(Image Reconstruction)，圖像編碼(ImageEncoding)，圖像識別(ImageRecognition)。圖像理解(ImageUnderstanding)。

　　①幾何處理

　　幾何處理主要包括坐標變換，圖像的放大、縮小、旋轉、移動，多個圖像配準，全景畸變校正，扭曲校正，周長、面積、體積計算等。

　　②算術處理

　　算術處理主要對圖像施以加、減、乘、除等運算，雖然該處理主要針對像素點的處理，但非常有用，如醫學圖像的減影處理就有顯著的效果。

　　③圖像增強

　　圖像增強處理主要是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強，便於區分或解釋。主要方法有直方圖增強、偽彩色增強法(pseudo color)、灰度視窗等技術。

　　④圖像複原

　　圖像複原處理的主要目的是去除__F擾和模糊，恢復圖像的本來面目。典型的例子如去噪就屬於複原處理。圖像雜訊包括隨機雜訊和相干雜訊，隨機雜訊干擾表現為麻點干擾，相干雜訊表現為網紋干擾。去模糊也是複原處理的任務。這些模糊來自透鏡散焦、相對運動、大氣湍流以及雲層遮擋等。這些干擾可用維納濾波、逆濾波、同態濾波等方法加以去除。

　　⑤圖像重建

　　幾何處理、圖像增強、圖像複原等都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數據是圖像，處理後輸出的也是圖像，而重建處理則是從數據到圖像的處理。也就是說，輸入的是某種數據，而處理結果得到的是圖像。該處理的典型應用就是CT技術，CT技術發明於1972年，早期為X射線(X—ray)CT，後來發展的有ECT，超聲CT，核磁共振(NMR)等。圖像重建的主要演算法有代數法，迭代法、傅里葉反投影法、捲積反投影法等，其中以捲積反投影法運用最為廣泛，因為它的運算量小、速度快。值得註意的是三維重建演算法發展得很快，而且由於與電腦圖形學相結合，把多個二維圖像合成三維圖像，並加以光照模型和各種渲染技術，能生成各種具有強烈真實感及純凈的高質量圖像。三維圖形的主要演算法有線框法、錶面法、實體法、彩色分域法等，這些演算法在電腦圖形學中都有詳盡的介紹。三維重建技術也是當今頗為熱門的虛擬現實和科學可視化技術的基礎。

　　⑥圖像編碼

　　圖像編碼研究屬於資訊理論中信源編碼範疇，其主要宗旨是利用圖像信號的統計特性及人類視覺的生理學及心理學特性對圖像信號進行高效編碼，即研究數據壓縮技術，以解決數據量大的矛盾。一般來說，圖像編碼的目的有三個：一是減少數據存儲量；二是降低數據率以減少傳輸帶寬；三是壓縮信息量，便於特征抽取，為識別作准備。就編碼而言，Kunt提出第一代、第二代編碼的概念。Kunt把1948—1988年40年中研究的以去除冗餘為基礎的編碼方法稱為第一代編碼。如：PC2M，DPCM，AM，亞取樣編碼法；變換編碼中的DFT，DCT，walsh—Had—amard變換等方法以及以此為基礎的混合編碼法均屬於經典的第一代編碼法。而第二代編碼方法多是20世紀80年代以後提出的新的編碼方法，如金字塔編碼法、Fractal編碼、基於神經元網路的編碼方法、小波變換編碼法、模型基編碼法等。現代編碼法的特點：一是充分考慮人的視覺特性；二是恰當地考慮對圖像信號的分解與表述；三是採用圖像的合成與識別方案可壓縮數據率。

　　圖像編碼應是經典的研究課題，60多年的研究已有多種成熟的方法得到應用。隨著多媒體技術的發展，已有若幹編碼標準由ITu—T制定出來，如JPEG，H．261，H．263，MPEGl．MPEG2，MPEG4，MPEG7，JBIC(Joint Bi—level Image Coding：Expert Group，二值圖像壓縮)等。相信在未來會有更多、更有效的編碼方法問世，以滿足多媒體信息處理及通信的需要。

　　⑦模式識別

　　模式識別是數字圖像處理的又一研究領域。當今，模式識別方法大致有三種，即：統計識別法；句法結構模式識別法；模糊識別法。

　　統計識別法側重於特征，句法結構識別側重於結構和基元，模糊識別法是把模糊數學的一些概念和理論用於識別處理。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、心理反映，這一獨特性的識別方法目前正處於研究階段，方法尚未成熟。

　　⑧圖像理解

　　圖像理解是由模式識別發展起來的方法。該處理輸入的是圖像，輸出的是一種描述。這種描述並不僅是單純的用符號作出詳細的描繪，而且要利用客觀世界的知識使電腦進行聯想、思考及推論，從而理解圖像所表現的內容。圖像理解有時也叫景物理解。在這一領域還有相當多的問題需要進行深入研究。

　　總的說來，經多年的發展，圖像處理經歷了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的發展歷程。特別是與電腦圖形學的結合已能產生高度逼真、非常純凈、更有創造性的圖像。由此派生出來的虛擬現實技術的發展或許將從根本上改變人們的學習、生產和生活方式。

　　(5)圖像的輸出與顯示

　　圖像處理的最終目的是為人或機器提供一幅更便於解譯和識別的圖像。因此，圖像輸出也是圖像處理的重要內容之一。圖像的輸出有兩種，一種是硬拷貝，另一種是軟拷貝。其解析度隨著科學技術的發展從256×256，512×512，1024×1024，至今已有2048×2048的高解析度的顯示設備問世。通常的硬拷貝方法有照相、激光拷貝、彩色噴墨列印等幾種方法。軟拷貝方法有以下幾種：

　　①CRT顯示(Cathode Ray TLibe)

　　自20世紀60年代以來，在顯示技術中，CRT幾乎獨霸天下。目前，彩色顯像管(CPT)和彩色顯示管(CDT)技術已相當成熟。20世紀90年代後期，平板顯示器件才相繼問世。但專家們預測在未來10年內，CRT仍是圖像顯示的主流。CRT顯示質量好、亮度高、電子束定址方式簡單、製造成本低等都是CRT的顯著優點。尤其採用微形濾光條(Microfiher)工藝，加之動態聚焦技術的出現，使得CRT在對比度、色純及光點大小方面都得到了改進。目前，解析度為1280×1024、行頻64kHz、點頻110MHz的CRT已很普遍，高解析度的可達到1920×1035，行頻達80kHz，視頻帶寬達140MHz。進一步提高解析度的主要困難在於顯像管的製造和刷新存儲器的速度。從市場占有率來看，CRT亦是主流。

　　②液晶顯示器(LCD)

　　液晶的發現已有100多年的歷史，但真正用於顯示技術的歷史還不到30年。儘管有人認為LCD要想取代CRT至少還需15年左右的時問，但其發展勢頭之大，發展速度之快卻令人刮目相看。LCD的突出性能是極吸引人的。它的缺點正在逐步被剋服。

　　③場致發光顯示器(FED)

　　場致發光平面顯示器有多種。總體來說，從技術上看，還不能與CRT和LCD相競爭。但等離子顯示器件的性能優於LCD。其本身視角可達160。結構工藝簡單，目前是有力的競爭者。

　　1994年已有40英寸的壁掛式AD-PDP顯示器展出。至於彩色熒光顯示，目前只能用於字元顯示。場致發光顯示(FED)具有光明的前途。FED是最新發展起來的彩色平板顯示器件。

　　同傳統的模擬圖像處理相比，數字圖像處理有很多優點。主要表現在以下幾點：

　　1．精度高

　　對於一幅圖像而言，不管是對2bit還是8bit圖像的處理，對電腦程式來說幾乎是一樣的。增加圖像像素數使處理圖像變大，只需改變數組的參數，而處理方法不變。所以從原理上講，不管處理多高精度的圖像都是可能的。而在模擬圖像處理中，要想使精度提高一個數量級，就必須對處理裝置進行大幅度改進。

　　2．再現性好

　　不管是什麼圖像，它們均用數組或數組集合表示，這樣電腦容易處理。因此，在傳送和複製圖像時，只在電腦內部進行處理，這樣數據就不會丟失或遭破壞，因此數字圖像處理不會因圖像的存儲、傳輸或複製等一系列變換操作導致圖像質量的退化，從而保持了完好的再現性。而在模擬圖像處理過程中，就會因為各種因素干擾而無法保持圖像的再現性。

　　3．通用性、靈活性高

　　不管是可視圖像還是紅外熱成像、X射線照片、超聲波圖像等不可見光成像，儘管這些圖像成像體系中的設備規模和精度各不相同，但把圖像信號直接進行A／D變換或記錄成照片，對於電腦來說都能用二維數組表示，即不管什麼樣的圖像都可用同樣的方法進行處理，這就是數字圖像處理的通用性。另外，對處理程式加以改變後可進行各種各樣的處理，如上下滾動、漫游、拼圖、合成、變換、放大、縮小和各種邏輯運算等，所以靈活性很高。

　　數字圖像處理大致包含四個方面的技術內容，包括圖像質量改善、圖像分析、圖像重建和圖像數據壓縮。

　　1．圖像質量改善

　　圖像質量改善是力圖把圖像上的畸變及雜訊信息去掉，使圖像更清晰，以便準確目視判讀和解釋圖像信息。具體技術措施大致包括四類：

　　(1)銳化技術：是突出圖像上的各類邊緣處的灰度處理，增大對比度使圖像輪廓紋理更清晰；

　　(2)平滑技術：是一種抑制雜訊而達到改善圖像質量的措施；

　　(3)複原技術：是根據引起圖像質量下降的原因而採取的一種恢復圖像本來面目的處理措施；

　　(4)校正技術：採取幾何校正措施，去掉圖像上的幾何失真。

　　2．圖像分析

　　圖像分析的目的是提取圖像中的有用信息，常用技術有：邊緣與線條的檢測、圖像區域分割、形狀特征提取與測量、圖像紋理分析、圖像匹配與融合等。

　　3．圖像重建

　　圖像重建是成熟的實用圖像處理技術。普遍應用於醫學領域中，它主要包括CT中投影圖像的三維重建，和應用於測量左、右視圖圖像，生成立體圖像的技術。

　　4．圖像數據壓縮技術

　　圖像數據壓縮是針對圖像經數字化後所產生的圖像數據信息量非常大的特點，尤其是彩色動態圖像的數據量更是大得驚人，為了對這些圖像進行傳輸和預覽，需要減少圖像的存儲容量。常用的有靜態圖像的有損壓縮和無損壓縮技術，如WINZIP、WINRAR、各種圖像格式轉換等；也有動態圖像的壓縮處理技術，如MPEG、網路流媒體技術等。

　　數字圖像處理方法大致可分為兩大類，即空域法和變換域法。

　　(1)空域法

　　這種方法是把圖像看作是平面中各個像素組成的集合，然後直接對這一二維函數進行相f菠的處理。空域處理法主要有下麵兩大類：

　　①鄰域處理法

　　其中包括梯度運算、拉普拉斯運算元運算、平滑運算元運算和捲積運算。

　　②點處理法

　　灰度處理，面積、周長、體積、重心的運算等等。

　　(2)變換域法

　　數字圖像處理的變換域處理方法是首先對圖像進行正交變換，得到變換域繫數陣列，然後再施行各種處理，處理後再反變換到空間域，得到處理結果。

　　這類處理包括濾波、數據壓縮、特征提取等處理。

　　圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應用領域必然涉及到人類生活和工作方面。隨著電腦技術和半導體工業的發展，數字圖像處理技術的應用也將越來越廣泛，總結其應用大致有以下幾個方面。

　　1．在航天、航空中的應用

　　衛星遙感和航空測量有大量的圖像需要處理，處理有兩部分內容：一是圖像校正．由於衛星、飛機是空中運動物體，裝載的成像感測器受衛星飛機的姿態、運動、時間和氣候條件等影響，攝取的圖像存在畸變，需要自動校正；二是通過分析、處理遙感圖像，有效地進行資源、礦藏勘探，國土規劃，災害調查，農作物估產，氣象預報以及軍事目標監視等。自從最早美國的噴氣推進實驗室(JPL)對月球、火星照片進行處理以來，數字圖像處理技術在航天、航空中的應用還涉及航天器遙感技術，如很多國家都在利用陸地衛星所獲取的圖像進行氣象監測、資源調查(如森林調查、水資源調查等)、土地測繪、災害監測(如病蟲害監測、火災檢測、環境污染監測等)、農業規劃(如水分和農作物生長、產量估算等)、資源勘察(如石油勘察、大型工程地理位置勘探分析等)、城市規劃(如城市建築物拆遷、地質結構、水源及環境分析等)、軍事偵察等。另外，在航空交通管制以及機場安檢視頻監控中，圖像處理也得到了廣泛的應用。

　　2．在軍事、公安中的應用

　　數字圖像處理是一種高技術，一般來說，高技術總是首先應用於軍事國防領域。已經有許多戰例說明由數字圖像信息處理技術作為核心控制部件的精確制導武器的威力，這種武器採用被動方式工作，隱蔽性好，抗干擾能力強，智能化程度高，無須人工干預，實現“打了不管”，能在複雜背景中精確地控制導彈命中目標。數字圖像處理在軍事方面主要用於導彈的精確制導、各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統，飛機、坦克和軍艦模擬訓練系統等；在公安業務方面主要用於實時監控、案件偵破、指紋識別、人臉鑒別、虹膜識別以及交通流量監控、事故分析、銀行防盜等。

　　3．在生物醫學中的應用

　　數字圖像處理在生物醫學領域的應用十分廣泛，無論是臨床診斷還是病理研究都採用了圖像處理技術，而且很有成效。除了最成功的x射線、CT技術之外，還有一類是對醫用顯微圖像的處理分析，即自動細胞分析儀，如紅細胞、白細胞分類，染色體分析，癌細胞識別以及超聲波圖像的分析等。這些技術和設備大大提高了疾病的治療診斷水平，減輕了病人的痛苦。

　　4．在工業和工程中的應用

　　數字圖像處理技術已經有效地應用於工業生產中的加工、裝配、拆卸與質量檢查等環節，例如機械手的手眼系統，車型識別，信函分揀，印刷電路板、集成電路晶元掩膜板、藥片外形、汽車零部件等質量自動檢查(逐個檢查)；又如在生產線中對生產的產品及部件進行無損檢測並對其進行分類，在一些有毒、放射性環境內利用電腦自動識別工件及物體的形狀和排列狀態等。現已發展到具備視覺、聽覺和觸覺反饋的智能機器人。高速公路不停車自動收費系統中的車輛和車牌的自動識別就是圖像處理技術成功應用的例子。

　　5．在通信和電子商務中的應用

　　當前通信的主要發展方向是聲音、文字、圖像和數據相結合的多媒體通信，也就是將電話、電視和電腦以三網合一的方式在數字通信網上傳輸。其中，以圖像通信最為複雜和困難，因圖像的數據量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達100Mb／s以上。要將這樣高速率的數據實時傳送出去，必須採用圖像處理中的壓縮編碼技術來達到目的。

　　在電子商務中，數字圖像處理廣泛應用於產品防偽、水印技術、利用生物識別實現身份認證和辦公自動化等領域。

　　6．在文化藝術中的應用

　　數字圖像處理在文化藝術中的應用包括電影、電視畫面的數字編輯，動畫的製作，紡織工藝品設計和製作，服裝和髮型設計，珍貴文物資料的複製和修複，運動員動作分析和評分，數字博物館。虛擬城市和電腦圖形生成技術以及圖像變形技術等。