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数字图像处理方法的研究

1 绪论

数字图像处理方法的研究源于两个主要应用领域：其一是为了便于人们分析而对图像信

息进行改进；其二是为了使机器自动理解而对图像数据进行存储、传输及显示。本章的主要目的是：（1）定义我们称之为图像处理的字段的范围；（2）对这一领域的起源给予历史视角；（3）通过检查图像处理的一些主要应用领域，了解图像处理技术的现状；（4）简要讨论数字图像处理中的主要方法；（5）概述典型通用图像处理系统中包含的组件；（6）为图像处理工作通常是记者的书籍和其他文献提供指导。

数字图像处理的概念

一幅图像可定义为一个二维函数 f(x, y)，这里 x 和 y 是空间坐标，而在任何一对空间坐标 f(x, y)上的幅值 f 称为该点图像的强度或灰度。当 x，y 和幅值 f 为有限的、离散的数值时，称该点是由有限的元素组成的，每一个元素都有一个特定的位置和幅值，这些元素称为图像元素、 画面元素或像素。 像素是广泛用于表示数字图像元素的词汇。在第二章，将用更正式的术语研究这些定义。

视觉是人类最高级的感知器官，所以，毫无疑问图像在人类感知中扮演着最重要的角色。然而，人类感知只限于电磁波谱的视觉波段，成像机器则可覆盖几乎全部电磁波谱，从伽马

射线到无线电波。它们可以对非人类习惯的那些图像源进行加工，这些图像源包括超声波、电子显微镜及计算机产生的图像。因此，数字图像处理涉及各种各样的应用领域。

图像处理涉及的范畴或其他相关领域 (例如，图像分析和计算机视觉)的界定在初创人之间并没有一致的看法。有时用处理的输入和输出内容都是图像这一特点来界定图像处理的范围。我们认为这一定义仅是人为界定和限制。例如，在这个定义下，甚至最普通的计算一幅图像灰度平均值的工作都不能算做是图像处理。另一方面，有些领域 (如计算机视觉)研究的最高目标是用计算机去模拟人类视觉，包括理解和推理并根据视觉输人采取行动等。这一领域本身是人工智能的分支，其目的是模仿人类智能。人工智能领域处在其发展过程中的初期阶段，它的发展比预期的要慢得多，图像分析 (也称为图像理解)领域则处在图像处理和计算机视觉两个学科之间。

从图像处理到计算机视觉这个连续的统一体内并没有明确的界线。然而，在这个连续的统一体中可以考虑三种典型的计算处理 (即低级、中级和高级处理)来区分其中的各个学科。低级处理涉及初级操作，如降低噪声的图像预处理，对比度增强和图像尖锐化。低级处理是以输入、输出都是图像为特点的处理。中级处理涉及分割（把图像分为不同区域或目标物）以及缩减对目标物的描述，以使其更适合计算机处理及对不同日标的分类 (识别)。中级图像处理是以输人为图像，但输出是从这些图像中提取的特征 (如边缘、轮廓及不同物体的标识等)为特点的。最后，高级处理涉及在图像分析中被识别物体的总体理解，以及执行与视觉相关的识别函数 (处在连续统一体边缘)等。

根据上述讨论，我们看到，图像处理和图像分析两个领域合乎逻辑的重叠区域是图像中特定区域或物体的识别这一领域。这样，在本书中，我们界定数字图像处理包括输入和输出均是图像的处理，同时也包括从图像中提取特征及识别特定物体的处理。举一个简单的文本自动分析方面的例子来具体说明这一概念。在自动分析文本时首先获取一幅包含文本的图像，对该图像进行预处理，提取(分割)字符，然后以适合计算机处理的形式描述这些字符，最后识别这些字符，而所有这些操作都在本书界定的数字图像处理的范围内。理解一页的内容可能要根据理解的复杂度从图像分析或计算机视觉领域考虑问题。这样，本书定义的数字图像处理的概念将在有特殊社会和经济价值的领域内通用。在以下各章展开的概念是那些应用领域所用方法的基础。

1.2 数字图像处理的起源

数字图像处理最早的应用之一是在报纸业，当时，图像第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约。 早在20世纪20年代曾引入Btutlane 电缆图片传输系统，把横跨大西洋传送一幅图片所需的时间从一个多星期减少到 3 个小时。为了用电缆传输图片，首先要进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重构该图片。 图 1.1 就是用这种方法传送并利用电报打印机通过字符模拟中间色调还原出来的图像。

这些早期数字图像视觉质量的改进工作，涉及到打印过程的选择和亮度等级的分布等问题。用于得到图 1.1 的打印方法到 1921 年底就被彻底淘汰了，转而支持一种基于光学还原的技术，该技术在电报接收端用穿孔纸带打出图片。图 1.2 就是用这种方法得到的图像，对比图1.1，它在色调质量和分辨率方面的改进都很明显。

图1.1 1412年由电报打印机采用特殊字符在编码纸带中产生的数字图像（McFalsne）

图1.2 1922年在信号两次穿越大西洋后，从穿孔纸带得到的数字影像，可以看出某些差错（McFalsne）

早期的 Bartlane 系统可以用 5 个灰度等级对图像编码，到 1929 年已增加到 15 个等级。图 1.3 所示的这种典型类型的图像就是用 15 级色调设备得到的。在这一时期，由于引入了一种用编码图像纸带去调制光束而使底片感光的系统，明显地改善了复原过程。刚才引用的数字图像的例子并没有考虑数字图像处理的结果，这主要是因为没有涉及到计算机。因此，数字图像处理的历史与数字计算机的发展密切相关。事实上，数字图像要求非常大的存储和计算能力，因此数字图像处理领域的发展必须依靠数字计算机及数据存储、显示和传输等相关技术的发展。

计算机的概念可追溯到 5000 多年前中国算盘的发明。近两个世纪以来的一些发展也奠定了计算机的基础。然而，现代计算机的基础还要回溯到 20 世纪 40 年代由约翰· 冯·诺依曼提出的两个重要概念 :(l)保存程序和数据的存储器；(2)条件分支。这两个概念是中央处理单元(CPU)的基础。今天，它是计算机的心脏。从冯·诺依曼开始，引发了一系列重要技术进步，使得计算机以强大的功能用于数字图像处理领域。

简单说，这些进步可归纳为如下几点：

1. 1948年贝尔实验室发明了晶体三极管；
2. 20世纪50年代到20世纪 60年代高级编程语言(如 COBOL 和 FORTRAN)的开发；
3. 1958年得州仪器公司发明了集成电路 (IC)；
4. 20世纪60年代早期操作系统的发展；
5. 20世纪70年代 Intel 公司开发了微处理器 (由中央处理单元、存储器和输入输出控制组成的单一芯片)；
6. 1981年IBM公司推出了个人计算机 ;
7. 20世纪70年代出现的大规模集成电路(LI)所引发的元件微小化革命，20世纪80年代出现了YLSI( 超大规模集成电路)，现在已出现了ULSI。

图1.3 在1929年从伦敦到纽约用15级色调设备通过电缆传送的Cenerale Pershing和Foch的未经修饰的照片

伴随着这些技术进步，大规模的存储和显示系统也随之发展起来。这两者均是数字图像

处理的基础。

第一台可以执行有意义的图像处理任务的大型计算机出现在 20 世纪 60 年代早期。数字图像处理技术的诞生可追溯至这一时期这些机器的使用和空间项目的开发，这两大发展把人们的注意力集中到数字图像处理的潜能上。利用计算机技术改善空间探测器发回的图像的工作，始于 1964 年美国加利福尼亚的喷气推进实验室。当时由“旅行者 7 号”卫星传送的月球图像由一台计算机进行了处理，以校正航天器上电视摄像机中各种类型的图像畸变。图1.4 显示了由“旅行者 7 号”于1954年7月31日上午(东部白天时间)9点09分在光线影响月球表面前约17分钟时摄取的第一张月球图像，这也是美国航天器取得的第一幅月球图像。“旅行者7号”传送的图像可作为改善的增强和复原图像(例如来自“探索者”登月一飞行、“水手号”系列空间探渊器及阿波罗载人登月飞行的图像)方法的基础。

进行空间应用的同时，数字图像处理技术在20世纪60年代末和20世纪70年代初开始用于医学图像、 地球遥感监测和天文学等领域。早在20世纪70年代发明的计算机轴向断层术(CAT)[ 简称计算机断层(CT)]是图像处理在医学诊断领域最重要的应用之一。计算机轴向断层术是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着一个物体 (或病人 )，并且一个x 射线源 (与检测器环同心 )绕着物体旋转。X 射线穿过物体并由位于对面环中的相应检测器收集起来。当 X 射线源旋转时，重复这一过程。断层技术由一些算法组成，该算法用感知的数据去重建通过物体的“切片”图像。当物体沿垂直于检测器的方向运动时就产生一系列这样的“切片”，这些切片组成了物体内部的再现图像。断层技术是由Godfrey N.Hounsfiel先生和Allan M.Cormack教授发明的，他们共同获得了 1979 年诺贝尔医学奖。 X 射线是在1895 年由威廉·康拉德·伦琴发现的，由于这一发现，他获得了1901 年诺贝尔物理学奖。

这两项发明相差近 100 年。它们在今天引领着图像处理某些最活跃的应用领域。

图1.4 美国航天器传送的第一张月球图片，“旅行者7号”卫星1964年7月31日9点09分（东部白天时间）在光线影响月球表面前17分钟时摄取的图像

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