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数字图像处理初探 主讲：张东仓 定义：数字图像处理（Digital Image Processing）又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。迅速发展一是计算机的发展;二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善);三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。 20世纪20年代,图像处理首次应用于改善伦敦和纽约之间海底电缆发送的图片质量。20世纪50年代,数字计算机发展到一定的水平后,数字图像处理才真正引起人们的兴趣。1964年美国喷气推进实验室用计算机对“徘徊者七号”太空船发回的大批月球照片进行处理,收到明显的效果。20世纪60年代末,数字图像处理具备了比较完整的体系,形成了一门新兴的学科。20世纪70年代,数字图像处理技术得到迅猛的发展,理论和方法进一步完善,应用范围更加广泛。在这一时期,图像处理主要和模式识别及图像理解系统的研究相联系,如文字识别、医学图像处理、遥感图像的处理等。20世纪70年代后期到现在,各个应用领域对数字图像处理提出越来越高的要求,促进了这门学科向更高级的方向发展。特别是在景物理解和计算机视觉(即机器视觉)方面,图像处理已由二维处理发展到三维理解或解释。近年来,随着计算机和其它各有关领域的迅速发展例如在图像表现、科学计算可视化、多媒体计算技术等方面的发展,数字图像处理已从一个专门的研究领域变成了科学研究和人机界面中的一种普遍应用的工具。 目的: (1)提高图像的视感质量,如进行图像的亮度、彩色变换,增强、抑制某些成分,对图像进行几何变换等,以改善图像的质量。 (2)提取图像中所包含的某些特征或特殊信息,这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。提取特征或信息的过程是模式识别或计算机视觉的预处理。提取的特征可以包括很多方面,如频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和关系结构等。 (3)图像数据的变换、编码和压缩,以便于图像的存储和传输。 不管是何种目的的图像处理,都需要由计算机和图像专用设备组成的图像处理系统对图像数据进行输入、加工和输出。 研究的内容: (1)图像获取和图像表现阶段主要是把模拟图像信号转化为计算机所能接受的数字形式,以及把数字图像用所需要的形式显示出来。 (2)图像复原当造成图像退化的原因已知时,复原技术可用来进行图像的校正。复原技术是基于模型和数据的图像恢复,其目的是消除退化的影响,从而产生一个等价于理想成像系统所获得的图像。 (3)图像增强当无法知道与图像退化有关的定量信息时,可以使用图像增强技术较为主观地改善图像的质量。 (4)图像分析对图像中的不同对象进行分割、特征提取和表示,从而有利于计算机对图像进行分类、识别、理解或解释。 (5)图像重建由图像的多个一维投影重建该图像,可看成是特殊的图像复原技术。 (6)图像编码和压缩对图像进行编码的主要目的是为了压缩数据,便于存储和传输。当前的一些编码方法对图像分析和图像加密也有越来越多的应用。 工具:第一类包括各种正交变换和图像滤波等方法,其共同点是将图像变换到其它域(如频域)中进行处理(如滤波)后,再变换到原来的空间(域)中;第二类方法是直接在空间域中处理图像,它包括各种统计方法、微分方法及其它数学方法:第三类是数学形态学运算,它不同于常用的频域和空域的方法,是建立在积分几何和随机集合论的基础上的运算。 由于被处理图像的数据量非常大且许多运算在本质上是并行的,所以图像并行处理结构和图像并行处理算法也是图像处理中的主要研究方向。 应用领域:(1)通信包括图像传输、电视电话、电视会议。 (2)宇宙探测随着太空技术的发展,需要用数字图像处理技术处理大量的星体照片。 (3)遥感分航空遥感和航天遥感。遥感图像需要用图像处理技术加工处理并提取有用的信息。可用于地质、矿藏勘探和森林、水利、海洋、农业等资源的调查;自然灾害预测预报;环境污染监测;气象卫星云图处理以及用于军事目的的地面目标识别。(4)生物医学领域中的应用X射线、超声、显微图像分析、计算机断层摄(即CT)分析和重建等。 (5)工业生产中的应用主要有产品质量检测、生产过程的自动控制、计算机辅助设计与制造等。 (6)军事、公安、档案等其它方面的应用军事目标的侦察、制导和警戒系统、自动火器的控制及反伪装;公安部门的现场照片;指纹、手迹、印章、人像等的进一步处理和辨识;历史文字和图片档案的修复和管理;以及其它方面图像信息的显示、记录、处理和文字自动识别等。 (7)机器人视觉作为智能机器人的重要感觉器官,进行三维景物的理解和识别。主要用于