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數(shù)字圖像處理曾志斌 zhibinzeng@126.com 教材參考圖像處理基礎(chǔ)教程 章毓晉 清華出版社 數(shù)字圖像處理 郭文強(qiáng) 西安電子科技大學(xué)出版社 數(shù)字圖像處理與分析 楊帆 北京航天大學(xué)出版社 數(shù)字圖像處理教學(xué)目的了解數(shù)字圖像處理的基本原理，熟悉基本的數(shù)字圖像處理算法，拓展視野. 為從事相關(guān)行業(yè)及基于該基礎(chǔ)的集成電路設(shè)計(jì)工作打下良好的基礎(chǔ)。 緒論數(shù)字圖像處理的研究目的數(shù)字圖像處理的重要性數(shù)字圖像處理的起源數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像的特點(diǎn)數(shù)字圖像處理技術(shù)圖像技術(shù)及分類數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢 數(shù)字圖像處理研究目的對(duì)兩大應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究 便于人們分析而對(duì)圖像信息進(jìn)行改進(jìn) 為使機(jī)器自動(dòng)理解而對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸及顯示數(shù)字圖像處理的重要性 1) 人類傳遞信息的主要媒介是語音和圖像。 作為傳遞信息的重要媒體和手段－--圖像信息是十分重要的，俗話說“百聞不如一見”。 根據(jù)美國哈佛商學(xué)院有關(guān)研究人員的分析資料表明，人的大腦每天通過五種感官接受外部信息的比例分別為：味覺1%，觸覺1.5%，嗅覺3.5%，聽覺11%，以及視覺83%。 2)圖像信息處理是人類視覺延續(xù)的重要手段： 人的眼睛只能看到可見光部分，但就目前科技水平看，能夠成像的并不僅僅是可見光，一般來說可見光的波長為0.38 ～0.8 ，而迄今為止人類發(fā)現(xiàn)可成像的射線已有多種，如： 3)圖像處理技術(shù)對(duì)國計(jì)民生有重要意義 圖像處理技術(shù)發(fā)展到今天，許多技術(shù)已日趨成熟。在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的成功和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如在工程領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)、軍事、醫(yī)學(xué)以及科學(xué)研究中的應(yīng)用已十分普遍。 數(shù)字圖像處理的歷史可追溯至二十世紀(jì)二十年代。最早應(yīng)用之一是在報(bào)紙業(yè)，當(dāng)時(shí)，引入巴特蘭電纜圖片傳輸系統(tǒng)，圖像第一次通過海底電纜橫跨大西洋從倫敦送往紐約傳送一幅圖片。為了用電纜傳輸圖片，首先進(jìn)行編碼，然后在接收端用特殊的打印設(shè)備重現(xiàn)該圖片。按照1929年的技術(shù)水平，如果不壓縮，需要一個(gè)多星期，壓縮后傳輸時(shí)間減少到3個(gè)小時(shí)。 1929年通過海底電纜從倫敦到紐約傳輸?shù)囊环�照�?數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相連。事實(shí)上，數(shù)字圖像要求如此之大的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，以致于在圖像處理中必須依靠數(shù)字計(jì)算機(jī)及包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸方面的支撐技術(shù)的發(fā)展。 第一臺(tái)能夠進(jìn)行圖像處理的大型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。數(shù)字圖像處理的起源可追溯至利用這些大型機(jī)開始的空間研究項(xiàng)目，可以說大型計(jì)算機(jī)與空間研究項(xiàng)目是數(shù)字圖像處理發(fā)展的原動(dòng)力。 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)改善空間探測器拍攝的圖像的工作開始于1964年，美國加利福尼亞的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（帕薩迪那，加里福尼亞）對(duì)太空船“徘徊者7號(hào)”傳送的月球圖像進(jìn)行了處理，以校正飛行器上電視攝像機(jī)中各種類型的圖像畸變。 下圖示出了由徘徊者7號(hào)在1964年7月31日上午（東部白天時(shí)間）9點(diǎn)09分在光線影響月球表面前約17分鐘時(shí)攝取的第一張?jiān)虑驁D像。這也是美國航天器取得的第一幅月球圖像。 與空間應(yīng)用同時(shí)，數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀(jì)60年代末和70年代初開始用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學(xué)領(lǐng)域。 早在20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)軸向斷層(CAT)、簡稱計(jì)算機(jī)斷層(CT)是圖像處理在醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用中最重要的事件之一。 計(jì)算機(jī)斷層是一種處理方法，在這種處理中，一個(gè)檢測器環(huán)圍繞著一個(gè)物體(或病人)，一個(gè)X射線源，帶有檢測器的同心圓繞著物體旋轉(zhuǎn)，X射線通過物體并由位于環(huán)上對(duì)面的相應(yīng)的檢測器收集起來，然后用特定的重建算法重建通過物體的“切片”的圖像。 從20世紀(jì)60年代至今，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，目前已成為工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域中各學(xué)科之間學(xué)習(xí)和研究的對(duì)象。如今圖像處理技術(shù)已給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。不久地將來它不僅在理論上會(huì)有更深入的發(fā)展，在應(yīng)用上亦是科學(xué)研究、社會(huì)生產(chǎn)乃至人類生活中不可缺少的強(qiáng)有力的工具。應(yīng)用舉例 1 視頻領(lǐng)域 視頻清晰化生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用視頻監(jiān)視 2 圖像處理圖片清晰化衛(wèi)星遙感其他應(yīng)用 大霧的清晰化 ——視頻清晰化大霧的清晰化 ——視頻清晰化 CT是目前使用非常廣泛的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，該技術(shù)可以很大程度地輔助醫(yī)生進(jìn)行科學(xué)的手段。為了提高早期診斷率，影像的處理成為非常重要的課題。彩色CT系統(tǒng)彩色CT系統(tǒng)彩色CT系統(tǒng)腎組織切片圖像的處理與識(shí)別視頻監(jiān)視 ——車流檢測車流量檢測實(shí)際上是利用監(jiān)視用的電子警察，獲得當(dāng)前時(shí)候，通過某個(gè)監(jiān)視路段的車輛情況。視頻監(jiān)視 ——車流檢測功能如下：背景提��；背景更新；目標(biāo)車輛提��；目標(biāo)車輛標(biāo)識(shí)別；車流檢測。視頻監(jiān)視 —車流檢測中的背景提取采用最大出現(xiàn)頻度法進(jìn)行提取背景。視頻監(jiān)視—車流檢測中的背景更新視頻監(jiān)視 ——車流檢測中的車輛提取視頻監(jiān)視 —車流檢測中的車輛標(biāo)識(shí)視頻監(jiān)視-- 車流檢測中的分區(qū)檢測視頻監(jiān)視 ——停車場監(jiān)視視頻監(jiān)視 ——停車場監(jiān)視視頻監(jiān)視—停車場監(jiān)視的違章情況 大霧天氣下的圖像清晰化大霧天氣下的景物清晰化低照度下的景物清晰化 北京地區(qū)土地利用/覆蓋變化證件照片的獲取 運(yùn)動(dòng)模糊圖像的清晰化散焦模糊圖像的清晰化圖像的幾何畸變校正 圖像的融合—— 變景深圖像的拼接圖像的融合——遠(yuǎn)、近景聚焦融合圖像壓縮編碼示例照片劃痕的修補(bǔ)照片中特定物體的去除數(shù)字圖像特點(diǎn)信息量大占用頻帶寬相關(guān)性大非客觀性 數(shù)字圖像特點(diǎn)信息量大 以數(shù)目較少的電視圖像為例，它一般是由512×512個(gè)象素、8比特組成，其總數(shù)據(jù)量為512×512×8＝2097152比特＝262144字節(jié)＝256K。 這樣大的數(shù)據(jù)量必須由計(jì)算機(jī)處理才易勝任，且計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量要大。為了運(yùn)算方便常需要幾倍的內(nèi)存。 數(shù)字圖像特點(diǎn)占用頻帶寬 一般語言信息（如電話、傳真、電傳、電報(bào)等）的帶寬僅4KHz左右，而圖像信息所占用頻率的帶寬要大三個(gè)數(shù)量級(jí)。如普通電視的標(biāo)準(zhǔn)帶寬是6.5MHz，約等于語言帶寬的1400倍。所以在攝影、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等各環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上技術(shù)難度大，因而對(duì)頻帶的壓縮技術(shù)的要求是很迫切的。 數(shù)字圖像特點(diǎn)相關(guān)性大 每幅圖像中不僅相鄰象素之間是很不獨(dú)立的，具有很大的相關(guān)性，有時(shí)大片大片的象素間具有相同或接近的灰度。 再如電視畫面而言，前后兩幅圖像其相關(guān)系數(shù)往往在0.95以上，因此壓縮圖像信息的潛力很大。 數(shù)字圖像特點(diǎn)非客觀性 圖像信息的最終接受器是人的視覺系統(tǒng)。由于圖像信息和視覺系統(tǒng)都十分復(fù)雜，它與環(huán)境條件、視覺特性、情緒、精神狀態(tài)、知識(shí)水平都有關(guān)。（例如航空照片判讀）因此要求圖像系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)有良好的“匹配”，所以必須研究圖像的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和視覺特征。 數(shù)字圖像處理技術(shù) （1）圖像信息的獲取 為了在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖像處理，必須把作為處理對(duì)象的模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息。圖像信息的獲取，一般包括圖像的攝取、轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。該部分主要由處理系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)。（2）圖像信息的存儲(chǔ)與交換 由于數(shù)字圖像信息量大，且在處理過程中必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和交換，為了解決大數(shù)據(jù)量及交換與傳輸時(shí)間的矛盾，通常除采用大容量機(jī)內(nèi)存存儲(chǔ)器進(jìn)行并行傳送，直接存儲(chǔ)訪問外，還必須采用外部磁盤、光盤及磁帶存儲(chǔ)方式，從而達(dá)到提高處理的目的。該部分組要功能也由硬件完成。 （3）圖像的輸出和顯示. 數(shù)字圖像處理的最終目的是為了提供便于人眼或接收系統(tǒng)解釋和社別圖像，因此圖像的輸出和顯示很重要。一般圖像輸出的方式可分為硬拷貝，諸如照相、打印、掃描鼓等，還有所謂的軟拷貝，諸如CRT監(jiān)視器及各種新型的平板監(jiān)視器等。 數(shù)字圖像處理技術(shù) 1. 圖像獲取、表示和表現(xiàn) 2. 圖像壓縮編碼 3. 圖像增強(qiáng) 4. 圖像分割 5. 圖像重建 6. 圖像復(fù)原 1. 圖像獲取、表示和表現(xiàn) 該過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（如打�。�。這一過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。 1. 圖像處理 　　圖像處理的重點(diǎn)是圖像之間進(jìn)行的變換。盡管人們常用圖像處理泛指各種圖像技術(shù)，但比較狹義的圖像處理主要是對(duì)圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺效果并為自動(dòng)識(shí)別奠定基礎(chǔ)，或?qū)�圖像進(jìn)行壓縮編碼以減少所需存儲(chǔ)空間。 2. 圖像分析　　圖像分析主要是對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測和測量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對(duì)圖像的描述。如果說圖像處理是一個(gè)從圖像到圖像的過程，則圖像分析是一個(gè)從圖像到數(shù)據(jù)的過程。這里的數(shù)據(jù)可以是目標(biāo)特征的測量結(jié)果，或是基于測量的符號(hào)表示，它們描述了目標(biāo)的特點(diǎn)和性質(zhì)。 3. 圖像理解 圖像理解的重點(diǎn)是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來客觀場景的解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)。 　　如果說圖像分析主要以觀察者為中心來研究客觀世界，那么圖像理解在一定程度上是以客觀世界為中心，借助知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等來把握整個(gè)客觀世界(包括沒有直接觀察到的事物)的。 相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域　　圖像工程是一門系統(tǒng)地研究各種圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的交叉學(xué)科。從研究方法來看，它與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多學(xué)科可以相互借鑒。從研究范圍來看，它與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)專業(yè)又互相交叉。另外，圖像工程的研究進(jìn)展與人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等理論和技術(shù)都有密切的聯(lián)系，它的發(fā)展應(yīng)用與醫(yī)學(xué)、遙感、通信、文檔處理和工業(yè)自動(dòng)化等許多領(lǐng)域也是密不可分的。 數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展方向圖像處理技術(shù)的未來發(fā)展方向大致可歸納為如下四點(diǎn)： 　　(1) 圖像處理的發(fā)展將圍繞HDTV(高清晰度電視)的研制，開展實(shí)時(shí)圖像處理的理論及技術(shù)研究，向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。 　　(2) 圖像、圖形相結(jié)合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。 　　(3) 硬件芯片研究。把圖像處理的眾多功能固化在芯片上，使之更便于應(yīng)用。如用VHDL語言設(shè)計(jì)圖像處理卡和FPGA，能夠根據(jù)檢測對(duì)象和環(huán)境狀況靈活組建硬件系統(tǒng)。　 數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展方向 (4) 新理論與新算法研究。在圖像處理領(lǐng)域近年來引入了一些新的理論并提出了一些新的算法， 如小波分析(Wavelet)、分形幾何(Fractal)、形態(tài)學(xué)(Morphology)、遺傳算法(Genetic Algorithms，GA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks)等。這些理論及建立在其上的算法，將會(huì)成為今后圖像處理理論與技術(shù)的研究熱點(diǎn)。 　82s紅軟基地

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