《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(diǎn)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(dòng)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(diǎn)

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(gè)物體生動(dòng)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(diǎn)(x，y)的幅值?；叶葓D像可用一個(gè)二維灰度(或亮度)函數(shù)f?(x，y)來(lái)表示；彩色圖像用三個(gè)(如RGB、HSV)二維灰度(或亮度)函數(shù)f?(x，y)的組合來(lái)表示。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理的前提是圖像必須以數(shù)字格式存儲(chǔ)。我們把以數(shù)字格式存儲(chǔ)的圖像稱(chēng)為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像由二維元素組成，每一個(gè)元素具有一個(gè)特定的位置(x，y)和幅值f?(x，y)，這些元素就稱(chēng)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(duì)于單色(灰度)圖像而言，每個(gè)像素的亮度用一個(gè)數(shù)值來(lái)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(lái)表示。通常，三元組的每個(gè)數(shù)值也是在0～255之間，“0”表示在該像素中沒(méi)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(jì)算機(jī)最擅長(zhǎng)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(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的有序數(shù)據(jù)，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理。利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、特征提取等處理，就稱(chēng)為數(shù)字圖像處理。數(shù)字圖像處理一般是用計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)的，故也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的發(fā)展。早期的計(jì)算機(jī)無(wú)論在計(jì)算速度還是存儲(chǔ)容量方面，都難于滿(mǎn)足對(duì)龐大圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的要求。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、內(nèi)存及外圍設(shè)備的價(jià)格急劇下降，而其性能卻有了大幅度的提高。過(guò)去只能用大型計(jì)算機(jī)完成的對(duì)龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理工作，現(xiàn)在在個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))上也能夠輕而易舉地實(shí)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(zhǎng)。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(lái)，經(jīng)過(guò)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(mén)新興的學(xué)科，并在向更高級(jí)的方向發(fā)展。比如，在景物理解和計(jì)算機(jī)視覺(jué)(機(jī)器視覺(jué))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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，科學(xué)計(jì)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(gè)專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域的學(xué)科，變成了一種新型的科學(xué)研究和人機(jī)界面交互的工具。1.1.2數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)數(shù)字圖像處理可以利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)與光學(xué)系統(tǒng)模擬處理相同效果的過(guò)程。數(shù)字圖像處理具有如下特點(diǎn)：

(1)處理精度高，再現(xiàn)性好。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，實(shí)質(zhì)是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算精度和正確性毋庸置疑；另外，對(duì)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(guò)運(yùn)行程序進(jìn)行的，因此，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的圖像處理程序，實(shí)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(guò)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(gè)像素用紅、綠、藍(lán)三種顏色表示，每種顏色用8bit表示灰度級(jí)。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(chǔ)、傳輸和處理都帶來(lái)了巨大的困難。如果精度及分辨率再提高，所需處理時(shí)間將大幅度增加。

(4)圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。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(jì)算機(jī)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(duì)圖像進(jìn)行加工和分析主要有如下三個(gè)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(qiáng)圖像中的某些成分、抑制某些成分，對(duì)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(shí)、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(jì)算機(jī)分析，例如，模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。不管圖像處理是何種目的，都需要用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)對(duì)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?jī)?nèi)容有以下九個(gè)方面：

(1)圖像獲取(ImageAcquisition)、表示(Representation)和表現(xiàn)(Presentation)。該過(guò)程主要是把模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)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(lái)(如打印)。這一過(guò)程主要包括攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)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(shí)，復(fù)原技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行校正。圖像復(fù)原最關(guān)鍵的是對(duì)每種退化都建立一個(gè)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(duì)獲取圖像的特定光學(xué)系統(tǒng)的直接測(cè)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(gè)等價(jià)于理想成像系統(tǒng)所獲得的圖像。

(3)圖像增強(qiáng)(ImageEnhancement)。圖像增強(qiáng)是對(duì)圖像質(zhì)量在一般意義上的改善。當(dāng)無(wú)法知道圖像退化有關(guān)的定量信息時(shí)，可以使用圖像增強(qiáng)技術(shù)較主觀地改善圖像的質(zhì)量。所以，圖像增強(qiáng)技術(shù)是用于改善圖像視感質(zhì)量所采取的一種方法。因?yàn)樵鰪?qiáng)技術(shù)并非是針對(duì)某種退化所采取的方法，所以很難預(yù)測(cè)哪一種特定技術(shù)是最好的，只能通過(guò)試驗(yàn)和分析誤差來(lái)選擇一種合適的方法。有時(shí)可能需要徹底改變圖像的視覺(jué)效果，以便突出重要特征的可觀察性，使人或計(jì)算機(jī)更易觀察或檢測(cè)。在這種情況下，可以把增強(qiáng)理解為增強(qiáng)感興趣特征的可檢測(cè)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(qiáng)動(dòng)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(guò)程就是圖像分割。一幅圖像中通常包含多個(gè)對(duì)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(shí)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(gè)區(qū)域代表被成像的一個(gè)物體(或部分)。圖像自動(dòng)分割是圖像處理中最困難的問(wèn)題之一。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)越性，使得人類(lèi)能夠?qū)⑺^察的對(duì)象從復(fù)雜場(chǎng)景中分開(kāi)，并識(shí)別出每個(gè)物體。但對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這卻是一個(gè)難題。目前，大部分圖像的自動(dòng)分割還需要人工提供必需的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，只有一部分領(lǐng)域(如印刷字符自動(dòng)識(shí)別(OCR)、指紋識(shí)別等)開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用。由于解決與圖像分割相關(guān)的基本問(wèn)題是特定領(lǐng)域中圖像分析實(shí)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(shí)來(lái)提高圖像處理的可靠性和有效性是圖像分割的研究熱點(diǎn)。

(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(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、特征提取和表示，從而有利于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分類(lèi)、識(shí)別和理解。在工業(yè)產(chǎn)品零件無(wú)缺陷裝配檢測(cè)中，圖像分析是將圖像中的像素轉(zhuǎn)化成一個(gè)“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(cè)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(qiáng)、圖像復(fù)原等不同。圖像增強(qiáng)、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(guò)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(shí)例。目前，圖像重建與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，把多個(gè)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(qiáng)烈真實(shí)感的高質(zhì)量圖像。

(7)圖像壓縮編碼(ImageEncoding)。數(shù)字圖像的特點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)量龐大。盡管現(xiàn)在有大容量的存儲(chǔ)器，但仍不能滿(mǎn)足圖像數(shù)據(jù)(尤其是動(dòng)態(tài)圖像、高分辨率圖像)處理的需要，因此在實(shí)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(chǔ)和傳輸過(guò)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(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類(lèi)視覺(jué)的生理和心理特性，對(duì)圖像信號(hào)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(chǔ)和傳輸。一般來(lái)說(shuō)，圖像編碼的目的有三個(gè)：①減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)別做準(zhǔn)備。從編碼技術(shù)發(fā)展來(lái)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(diǎn)：①充分考慮人的視覺(jué)特性；②恰當(dāng)?shù)乜紤]對(duì)圖像信號(hào)的分解與表述；③采用圖像的合成與識(shí)別方案壓縮數(shù)據(jù)。

(8)模式識(shí)別(PatternRecognition)。模式識(shí)別是數(shù)字圖像處理的又一研究領(lǐng)域。當(dāng)今，模式識(shí)別方法大致有三種：統(tǒng)計(jì)識(shí)別法；句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法；模糊識(shí)別法。統(tǒng)計(jì)識(shí)別法側(cè)重于特征；句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法側(cè)重于結(jié)構(gòu)和基元；模糊識(shí)別法是把模糊數(shù)學(xué)的一些概念和理論用于識(shí)別處理。在模糊識(shí)別處理中充分考慮人的主觀概率，同時(shí)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(dú)特性的識(shí)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(shí)別發(fā)展起來(lái)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(hào)做出詳細(xì)的描繪，而且要利用客觀世界的知識(shí)使計(jì)算機(jī)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(shí)也叫景物理解，在這一領(lǐng)域還有相當(dāng)多的問(wèn)題需要深入研究。以上所述的九項(xiàng)處理任務(wù)是圖像處理所涉及到的主要內(nèi)容?？偟膩?lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，圖像處理經(jīng)歷了對(duì)從靜止圖像到活動(dòng)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(jì)算機(jī)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(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)(通常將存儲(chǔ)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(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、遙感儀與圖像采集卡等。

(1)電視攝像機(jī)(VideoCamera)。電視攝像機(jī)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(jī)的核心部件是光電轉(zhuǎn)換裝置，也稱(chēng)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(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。該設(shè)備小巧、速度快、成本低、靈敏度高，多作為實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)的重要工具，特點(diǎn)是精度和分辨率高。由于掃描儀良好的精度和低廉的價(jià)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸入。

(3)數(shù)碼照相機(jī)(DigitalCamera)。如圖1.3(c)所示，數(shù)碼照相機(jī)也叫數(shù)字相機(jī)，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(jī)。它的核心部件是CCD圖像傳感器。CCD可以對(duì)亮度進(jìn)行分級(jí)，但并不能識(shí)別顏色。為此，數(shù)碼照相機(jī)使用了紅、綠、藍(lán)三個(gè)彩色濾鏡，當(dāng)光線從紅、綠、藍(lán)濾鏡中穿過(guò)時(shí)，就可以得到每種色光的反應(yīng)值，再通過(guò)軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而確定每一個(gè)像素點(diǎn)的顏色。CCD生成的數(shù)字圖像被傳送到照相機(jī)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(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)格式(通常為JPEG格式)。最后，將生成的圖像保存在存儲(chǔ)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(jī)、多光譜像機(jī)等；紅外攝影設(shè)備，如紅外輻射計(jì)、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(jì)、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(jì)算機(jī)主板擴(kuò)展槽中，主要包括圖像存儲(chǔ)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(jī)總線接口單元。其工作過(guò)程如下：攝像頭實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(chǔ)單元的一個(gè)或三個(gè)通道中，D/A變換電路自動(dòng)將圖像顯示在監(jiān)視器上。通過(guò)主機(jī)發(fā)出指令，將某一幀圖像靜止在存儲(chǔ)通道中，即采集或捕獲一幀圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理或存盤(pán)。高檔卡還包括卷積濾波、FFT(快速傅立葉變換)等圖像處理專(zhuān)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(jì)算機(jī)

(1)計(jì)算機(jī)。圖像處理的數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)硬件配置要求較高。目前，PC機(jī)硬件性能顯著增強(qiáng)，計(jì)算速度大幅度提高，可與幾年前的大型機(jī)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(jī)配置應(yīng)盡可能高一些。當(dāng)然，有條件時(shí)最好采用圖形工作站進(jìn)行圖像處理。

(2)圖像存儲(chǔ)裝置。由于圖像數(shù)據(jù)量龐大，使得早期圖像的存儲(chǔ)成為問(wèn)題。到目前為止，除了大容量磁盤(pán)可供存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)之外，MO、CD、DVD等光學(xué)存儲(chǔ)裝置以及SAN、NAS等網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)，為存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備。圖1.4圖像存儲(chǔ)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(jī)、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(chǔ)的圖像要隨時(shí)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(jì)24位，可以表示1670萬(wàn)種顏色，這種顯示卡稱(chēng)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(jī)對(duì)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(gè)構(gòu)成部件，在實(shí)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(shí)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(kāi)發(fā)和驗(yàn)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(zhuān)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(dòng)處理系統(tǒng)，以對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并對(duì)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(tái)多為MicrosoftWindows或X-Windows，開(kāi)發(fā)的主流工具為Microsoft公司的VC++。這是因?yàn)閂C++?是一種具有高度綜合性能的軟件開(kāi)發(fā)工具，用它開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序運(yùn)行速度快、可移植能力強(qiáng)。此外，各國(guó)的科學(xué)家和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了不少專(zhuān)用的圖像處理軟件環(huán)境，下面僅對(duì)主要的幾種進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.?MATLAB的圖像處理工具箱

MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算的有力工具。它具有相當(dāng)強(qiáng)大的矩陣運(yùn)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(yùn)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(xiě)底層算法代碼的時(shí)間，避免程序設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)，達(dá)到事半功倍的效果。但MATLAB強(qiáng)大的功能只能在安裝有MATLAB系統(tǒng)的機(jī)器上，通過(guò)使用圖像處理工具箱中的函數(shù)或自編的m文件來(lái)實(shí)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(qiáng)大功能融入到各種應(yīng)用程序中，可通過(guò)高級(jí)語(yǔ)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(duì)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(lái)是為了對(duì)科學(xué)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行可視化(ScientificVisualization)處理而開(kāi)發(fā)的，具有如下強(qiáng)大的功能：對(duì)Pointer和Clicker類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以將人機(jī)對(duì)話的三維幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以對(duì)人機(jī)對(duì)話的二維圖像進(jìn)行顯示。同時(shí)還可完成畫(huà)圖功能，并對(duì)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(cè)/實(shí)驗(yàn)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(jì)、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(kāi)發(fā)的圖像處理程序庫(kù)。它包含了圖像處理領(lǐng)域中的基本算法和實(shí)現(xiàn)方法，因此得到了很高的評(píng)價(jià)，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(huà)面處理等領(lǐng)域的算法，稱(chēng)之為SPIDERⅡ，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.?IUE對(duì)圖像處理和圖像理解算法優(yōu)劣的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了研討，以構(gòu)建可重復(fù)利用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。IUE(ImageUnderstandingEnvironment)就是以美國(guó)為主，日本和歐洲共同參加開(kāi)發(fā)的圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像理解、計(jì)算模型的確立，對(duì)圖像進(jìn)行嚴(yán)密的幾何學(xué)描述。它能應(yīng)用于各種類(lèi)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(duì)上述目標(biāo)，IUE有效利用現(xiàn)有軟件，開(kāi)發(fā)了運(yùn)行在UNIX工作站(SunOS、Linux)上的面向?qū)ο蟮某绦?C++)，并從LaTeX自動(dòng)生成C++源代碼，以滿(mǎn)足實(shí)際需要。

IUE不僅提供了函數(shù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，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(lèi)的分層結(jié)構(gòu)關(guān)系。同時(shí)，也提供了用矢量圖來(lái)表示的坐標(biāo)系和坐標(biāo)變換的類(lèi)。這種類(lèi)有600個(gè)，還有400個(gè)模板及類(lèi)成員，可以說(shuō)它是一個(gè)巨大的資源庫(kù)。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(chǎng)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(duì)于認(rèn)識(shí)、理解的高級(jí)處理時(shí)的知識(shí)表達(dá)、幾何數(shù)據(jù)之間關(guān)系的符號(hào)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(bào)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(shí)間由一周多減少到小于3個(gè)小時(shí)。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(bào)打印機(jī)通過(guò)字符模擬中間色調(diào)還原出來(lái)的圖像。早期的圖像處理視覺(jué)質(zhì)量的改進(jìn)工作涉及到打印過(guò)程的選擇和亮度等級(jí)的分布等問(wèn)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(bào)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(duì)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(gè)色度等級(jí)對(duì)圖像進(jìn)行編碼，到1929年已經(jīng)增加到15個(gè)等級(jí)。圖1.8所示圖像就是用15級(jí)色調(diào)設(shè)備得到的。這一時(shí)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(guò)打印字符模擬中間色調(diào)打印出來(lái)的5級(jí)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(jí)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(lài)于數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，如存儲(chǔ)、顯示和傳送等技術(shù)的發(fā)展。而真正的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)40年代由JohnVonNeumann提出兩個(gè)重要的概念才開(kāi)始的：保存程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；條件分支。第一臺(tái)真正可以執(zhí)行圖像處理任務(wù)的足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)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(shí)的空間計(jì)劃。

20世紀(jì)50年代，隨著計(jì)算機(jī)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(jì)劃的推動(dòng)下開(kāi)始相關(guān)技術(shù)的研究。其重要標(biāo)志是1964年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正式使用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)“旅行者7號(hào)”太空船送回的四千多張?jiān)虑蛘掌M(jìn)行了處理。圖1.9為由旅行者7號(hào)于1964年7月31號(hào)在東部白天時(shí)間著陸前17分鐘拍攝的，其中網(wǎng)狀標(biāo)記表示經(jīng)過(guò)了幾何校正。圖1.9美國(guó)航天器傳送的第一張?jiān)虑蛘掌?0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(mén)新興的學(xué)科。60年代末，數(shù)字圖像處理形成了一個(gè)比較完整的理論與技術(shù)體系，從而構(gòu)成了一門(mén)獨(dú)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(kāi)始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感探測(cè)和天文學(xué)等尖端科學(xué)領(lǐng)域。CAT(ComputerizedAxialTomography，簡(jiǎn)稱(chēng)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(jì)算機(jī)程序用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度；或者將圖像強(qiáng)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(qiáng)和復(fù)原過(guò)程用于處理不可修復(fù)物體的有損圖像或者造價(jià)昂貴而不可復(fù)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)通常用于增強(qiáng)用高能等離子和電子顯微鏡方法等得到的實(shí)驗(yàn)圖像。同時(shí)，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(shí)施、國(guó)防及工業(yè)等領(lǐng)域中。數(shù)字圖像處理的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域即機(jī)器感知問(wèn)題(利用的信息主要有統(tǒng)計(jì)矩、傅立葉變換系數(shù)、多維距離測(cè)度等)方面，典型的有自動(dòng)字符識(shí)別、用于生產(chǎn)線及檢測(cè)的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)、軍事識(shí)別、指紋的自動(dòng)處理、X射線和血樣分類(lèi)處理、用于天氣預(yù)報(bào)和環(huán)境鑒定的航空與衛(wèi)星圖像的處理。計(jì)算機(jī)性?xún)r(jià)比的不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)通信帶寬的擴(kuò)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(jī)會(huì)。其中一些應(yīng)用領(lǐng)域在下節(jié)以圖像來(lái)源(電磁波譜圖像、顯微圖像、合成圖像等)為類(lèi)別舉例進(jìn)行說(shuō)明。其中的每一個(gè)實(shí)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(yùn)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(huì)議等，主要是對(duì)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(guó)實(shí)現(xiàn)；1936年，BBC開(kāi)始電視廣播。目前出現(xiàn)的彩色電視有三種制式，即NTSC(美國(guó)、日本等)、PAL(中國(guó)、西歐、非洲等)和SECAM(法國(guó)、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(hào)消隱期可以發(fā)送圖文信息，用戶(hù)可用電視機(jī)和專(zhuān)用終端收看該信息；可視圖文采用雙向工作方式，用戶(hù)可用電話向信息中心提出服務(wù)內(nèi)容或從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇信息。1.5.2宇宙探測(cè)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(guó)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡可對(duì)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(duì)這些數(shù)字圖像進(jìn)行諸如增強(qiáng)和復(fù)原等處理。另外，在宇宙探測(cè)中，可以利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)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(cè)中的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)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(cè)預(yù)報(bào)，環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，氣象衛(wèi)星云圖處理以及地面軍事目標(biāo)的識(shí)別。圖1.11給出了數(shù)字遙感中圖像處理應(yīng)用實(shí)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(jī)拍攝了第一張照片(1909年)、前蘇聯(lián)(1957年)及美國(guó)(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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1962年，國(guó)際上正式使用遙感一詞(RemoteSensing)。此后，美國(guó)相繼發(fā)射了多顆陸地資源探測(cè)衛(wèi)星(1972年，LANDSAT-Ⅰ—四個(gè)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(wú)論是臨床診斷還是病理研究都會(huì)大量采用圖像處理技術(shù)。該技術(shù)的直觀、無(wú)創(chuàng)傷、安全方便等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。圖像處理首先應(yīng)用于細(xì)胞分類(lèi)、染色體分類(lèi)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(cè)(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(shí)用；1977年白血球自動(dòng)分類(lèi)儀問(wèn)世；1980實(shí)現(xiàn)了CT的立體重建。有人認(rèn)為計(jì)算機(jī)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(jiǎng)。圖1.13是人類(lèi)利用X射線得到的人類(lèi)第一張透視人手圖像。1968～1972年英國(guó)的EMI公司的Hounsfeld研制了頭部CT，1975年又研制了全身CT。類(lèi)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(lèi)第一張X線圖像經(jīng)過(guò)百年的發(fā)展，應(yīng)用X線機(jī)可觀察人體內(nèi)部的骨骼、肺結(jié)核病變等，通過(guò)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(jī)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(lèi)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(guó)阿波羅登月計(jì)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(lèi)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(cè)儀示意圖和腦部檢測(cè)結(jié)果。圖1.15CT檢測(cè)儀器及檢測(cè)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(cè)儀器和檢測(cè)結(jié)果圖1.17PET檢測(cè)結(jié)果1.5.5工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域在生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品及部件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)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(cè)、生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制、CAD/CAM等。在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方面，如食品、水果質(zhì)量檢查，無(wú)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(cè)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(lái)檢驗(yàn)印制電路板的質(zhì)量、監(jiān)測(cè)零部件的裝配等。在工業(yè)自動(dòng)控制中，主要使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)