一、數(shù)字圖像處理的基本概況

　　數(shù)字圖像處理是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受三個因素的影響：一是計算機的發(fā)展；二是數(shù)學的發(fā)展（特別是離散數(shù)學理論的創(chuàng)立和完善）；三是廣泛的農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、軍事、工業(yè)和醫(yī)學等方面的應(yīng)用需求的增長。

　　圖像處理工具箱提供一套全方位的參照標準算法和圖形工具，用于進行圖像處理、分析、可視化和算法開發(fā)?？捎闷鋵τ性雸D像或退化圖像進行去噪或還原、增強圖像以獲得更高清晰度、提取特征、分析形狀和紋理以及對兩個圖像進行匹配。工具箱中大部分函數(shù)均以開放式MATLAB語言編寫。這意味著可以檢查算法、修改源代碼和創(chuàng)建自定義函數(shù)。圖像處理工具箱在生物測定學、遙感、監(jiān)控、基因表達、顯微鏡技術(shù)、半導體測試、圖像傳感器設(shè)計、顏色科學及材料科學等領(lǐng)域為工程師和科學家提供支持。它也促進了圖像處理技術(shù)的教學

　　二、數(shù)字圖像處理常用方法

　　1、圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可減少計算量，而且可獲得更有效的處理（如傅立葉變換可在頻域中進行數(shù)字濾波處理）。目前新興研究的小波變換在時域和頻域中都具有良好的局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應(yīng)用。

　　2、圖像編碼壓縮：圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存儲器容量。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進行。編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。

　　3、圖像增強和復原：圖像增強和復原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分。如強化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細節(jié)明顯；如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復原要求對圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型”，再采用某種濾波方法，恢復或重建原來的圖像。

　　4、圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進一步進行圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點之一。

　　5、圖像描述：圖像描述是圖像識別和理解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展，已經(jīng)開始進行三維物體描述的研究，提出了體積描述、表面描述、廣義圓柱體描述等方法。

　　6、圖像分類（識別）：圖像分類（識別）屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預處理（增強、復原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，從而進行判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識別方法，有統(tǒng)計模式分類和句法（結(jié)構(gòu)）模式分類，近年來新發(fā)展起來的模糊模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類在圖像識別中也越來越受到重視。

　　圖像的基本屬性

　　亮度：也稱為灰度，它是顏色的明暗變化，常用 0 ％～ 100 ％ （ 由黑到白 ） 表示。以下三幅圖是不同亮度對比。

　　亮度對圖像色彩的影響

　　對比度：是畫面黑與白的比值，也就是從黑到白的漸變層次。比值越大，從黑到白的漸變層次就越多，從而色彩表現(xiàn)越豐富。

　　對比度對圖像色彩表現(xiàn)的影響

　　直方圖：表示圖像中具有每種灰度級的象素的個數(shù)，反映圖像中每種灰度出現(xiàn)的頻率。圖像在計算機中的存儲形式，就像是有很多點組成一個矩陣，這些點按照行列整齊排列，每個點上的值就是圖像的灰度值，直方圖就是每種灰度在這個點矩陣中出現(xiàn)的次數(shù)。我們可以具體看一下下面兩個不同圖形的灰度直方圖：

　　直方圖均衡化

　　通過灰度變換將一幅圖像轉(zhuǎn)換為另一幅具有均衡直方圖的圖像，即在一定灰度范圍內(nèi)具有相同的象素點數(shù)的圖像的過程。下面是直方圖均衡化前后的圖形變化以及直方圖變化：

　　圖像的加減運算

　　兩幅圖像的加減運算：對圖像進行加減運算，就是將圖像對應(yīng)的存儲矩形點列上的灰度值進行加減運算。圖像相加可以將一幅圖像的內(nèi)容加到另一幅圖像上，可以實現(xiàn)二次曝光，也可一對同一個場景的多幅圖像求平均值，這樣可以降低噪聲。圖像相減可以用于運動檢測或去除圖像中不需要的加性圖案。

　　圖像的加法示例：圖中運算為： （a）+（b）=（c）

　　a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c

　　圖像的減法運算示例：圖中運算為 （a）-（b）=（c）?

　　三、應(yīng)用領(lǐng)域

　　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(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴大。

　　1）航天和航空技術(shù)方面

　　航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了JPL對月球、火星照片的處理之外，另一方面的應(yīng)用是在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中。許多國家每天派出很多偵察飛機對地球上有興趣的地區(qū)進行大量的空中攝影。對由此得來的照片進行處理分析，以前需要雇用幾千人，而現(xiàn)在改用配備有高級計算機的圖像處理系統(tǒng)來判讀分析，既節(jié)省人力，又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報。從60年代末以來，美國及一些國際組織發(fā)射了資源遙感衛(wèi)星（如LANDSAT系列）和天空實驗室（如SKYLAB），由于成像條件受飛行器位置、姿態(tài)、環(huán)境條件等影響，圖像質(zhì)量總不是很高。因此，以如此昂貴的代價進行簡單直觀的判讀來獲取圖像是不合算的，而必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。如LANDSAT系列陸地衛(wèi)星，采用多波段掃描器（MSS），在900km高空對地球每一個地區(qū)以18天為一周期進行掃描成像，其圖像分辨率大致相當于地面上十幾米或100米左右（如1983年發(fā)射的LANDSAT-4，分辨率為30m）。這些圖像在空中先處理（數(shù)字化，編碼）成數(shù)字信號存入磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時，再高速傳送下來，然后由處理中心分析判讀。這些圖像無論是在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須采用很多數(shù)字圖像處理方法。現(xiàn)在世界各國都在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(diào)查（如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等），災害檢測（如病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等），資源勘察（如石油勘查、礦產(chǎn)量探測、大型工程地理位置勘探分析等），農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤營養(yǎng)、水份和農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的估算等），城市規(guī)劃（如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水源及環(huán)境分析等）。我國也陸續(xù)開展了以上諸方面的一些實際應(yīng)用，并獲得了良好的效果。在氣象預報和對太空其它星球研究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當大的作用。

　　2）生物醫(yī)學工程方面

　　數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學工程方面的應(yīng)用十分廣泛，而且很有成效。除了上面介紹的CT技術(shù)之外，還有一類是對醫(yī)用顯微圖像的處理分析，如紅細胞、白細胞分類，染色體分析，癌細胞識別等。此外，在X光肺部圖像增晰、超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學診斷方面都廣泛地應(yīng)用圖像處理技術(shù)。

　　3）通信工程方面

　　當前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信。具體地講是將電話、電視和計算機以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通信網(wǎng)上傳輸。其中以圖像通信最為復雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達100Mbit/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實時傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比特量。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。除了已應(yīng)用較廣泛的熵編碼、DPCM編碼、變換編碼外，目前國內(nèi)外正在大力開發(fā)研究新的編碼方法，如分行編碼、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼、小波變換圖像壓縮編碼等。

　　4）工業(yè)和工程方面

　　在工業(yè)和工程領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，如自動裝配線中檢測零件的質(zhì)量、并對零件進行分類，印刷電路板疵病檢查，彈性力學照片的應(yīng)力分析，流體力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些有毒、放射性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進的設(shè)計和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺等等。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人，將會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來新的激勵，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。

　　5）軍事公安方面

　　在軍事方面圖像處理和識別主要用于導彈的精確末制導，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(tǒng)，飛機、坦克和軍艦模擬訓練系統(tǒng)等;公安業(yè)務(wù)圖片的判讀分析，指紋識別，人臉鑒別，不完整圖片的復原，以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別都是圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的例子。

　　6）文化藝術(shù)方面

　　目前這類應(yīng)用有電視畫面的數(shù)字編輯，動畫的制作，電子圖像游戲，紡織工藝品設(shè)計，服裝設(shè)計與制作，發(fā)型設(shè)計，文物資料照片的復制和修復，運動員動作分析和評分等等，現(xiàn)在已逐漸形成一門新的藝術(shù)--計算機美術(shù)。

　　7）機器人視覺

　　機器視覺作為智能機器人的重要感覺器官，主要進行三維景物理解和識別，是目前處于研究之中的開放課題。機器視覺主要用于軍事偵察、危險環(huán)境的自主機器人，郵政、醫(yī)院和家庭服務(wù)的智能機器人，裝配線工件識別、定位，太空機器人的自動操作等。

　　8）視頻和多媒體系統(tǒng)

　　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)中靜止圖像和動態(tài)圖像的采集、壓縮、處理、存貯和傳輸?shù)取?/p>

　　9）科學可視化

　　圖像處理和圖形學緊密結(jié)合，形成了科學研究各個領(lǐng)域新型的研究工具。

　　10）電子商務(wù)

　　在當前呼聲甚高的電子商務(wù)中，圖像處理技術(shù)也大有可為，如身份認證、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)域相當廣泛，已在國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、日常生活中充當越來越重要的角色，對國計民生的作用不可低估。

　　四、研究方向

　　自20世紀60年代第三代數(shù)字計算機問世以后，數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)了空前的發(fā)展，在該領(lǐng)域中需要進一步研究的問題主要有如下五個方向： 1）在進一步提高精度的同時著重解決處理速度問題; 2）加強軟件研究，開發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法; 3）加強邊緣學科的研究工作， 促進圖像處理技術(shù)的發(fā)展; 4）加強理論研究，逐步形成處理科學自身的理論體系; 5）時刻注意圖像處理領(lǐng)域的標準化問題。