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数字图象处理
(Digital Image Processing）
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1．学习成绩考核方法上机编程 20%，期末考试 80%。
2．本课程主要参考书
[1],数字图像处理,阮秋琦著，电子工业出版社,2001年。
[2],数字图像处理,Kenneth.R.Castleman 著，
朱志刚等译，电子工业出版社,1998年。
[3],计算机图像处理,容观澳编著，清华大学出版社,2000年。
3．网上学习本讲课内容将放入辽宁石油化工大学主页
（ http://www.lnpu.edu.cn） 网上学苑 内
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第一章 数字图像处理综述
数字图象处理的主要内容
图象处理技术分类
计算机图形学与图 象 处理
图象的表征
数字图象处理系统
图像处理技术的重要意义
数字图像处理领域的发展方向
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1.1数字图象处理主要内容
1.1.1 图象的定义一幅图象是一种代表另一个客体（或对象）的一种写真或模拟；是一种生动的、图形化的描述。也就是说，图象是一种代表客观世界中另一物体的、生动的图形表达，它包含了描述其所代表的物体的信息。
1.1.2 图象分类借助集合（即凡具有某种特定性质的对象的总合称之为集合）的概念，图象可根据其生成方法或存在形式分成若干类。所有图象的总体可以看作客观世界的一部分，或者叫做客观世界的一个子集，而图象本身又可进一步划分为若干子集（若干类）。图象的各子集中，最重要的一个子集是可见图象子集。
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该子集包含了全部人眼可见（可接收到）的图象，其中不仅包括了客观存在的光学图象，而且也包括了人类用各种不同的方法人工生成的图象，即照片，图形与绘画。
各种可测到的（客观存在的）物理特征量的空间分布，
构成一大类图象，称为物理图象。这些物理特征量是多种多样的，它既包括各种波长的电磁波强度的空间分布不同所构成的图象，也包括如温度分布、压力分布、高度分布、
人口密度分布等等所构成的图象。可见光学图象只是电磁波场图象中的一个子集。其余各种物理图象（均是人眼不可见的）构成了不可见物理图象子集。
还应注意到，同一个空间点，可以具有多个物理特征；
因此，同一对象（或物体）可以有多幅图象。例如彩照
（或彩色电视图象），就是每一点均在红、绿、蓝三个波段上有不同强度分布的三幅图象的合成。
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实际上，对任一个空间点，在该点可测到的物理特征都远远大于 3，（但这些特征中绝大部分是人眼不可见的。）因此，任一对象都存在着大量的图象。
图象的另一个子集是抽象的数学图象，即用数学函数代表的图象，它包括了连续型与离散型（即数字图象）
两大类。
在所有各类图象中，只有数字图象是可以用数字计算机直接处理的图象。计算机图象处理技术主要研究数字图象的处理。
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1.1.3数字图像处理的主要内容数字图像处理概括他说主要包括如下几项内容：几何处理 （ Geometrical Processing ）,算术处理
（ Arithmetic Processing ）,图像增强 （ Image
Enhancement ）,图像复原 （ Image Restoration）,图像重建 （ Image Reconstruction ）,图像编码 (Image
Encoding）,图像识别 （ Image Recognition）,图像理解
（ lmage Understanding） 。
（ 1） 几何处理几何处理主要包括坐标变换,图像的放大,缩小,旋转,移动,多个图像配准,全景畸变校正,扭曲校正,
周长,面积,体积计算等 。
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（ 2） 算术处理算术处理主要对图像施以＋,－,×,÷ 等运算,虽然该处理主要针对像素点的处理,但非常有用,如医学图像的减影处理就有显著的效果 。
（ 3） 图像增强图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的信息,而减弱或去除不需要的信息,从而使有用信息得到加强,便于区分或解释 。 主要方法有直方图增强,伪彩色增强法
（ pseudo color）,灰度窗口等技术 。
（ 4） 图像复原图像复原处理的主要目的是去除干扰和模糊,恢复图像的本来面目 。 典型的例子如去噪就属于复原处理 。 图像噪声包括随机噪声和相干噪声,随机噪声干扰表现为麻点干扰,相干燥声表现为网纹干扰 。 去模糊也是复原处理的任务 。 这些模糊来自透镜散焦,相对运动,大气湍流,以及云层遮挡等 。 维纳滤波,逆滤波,同态滤波等方法加以去除 。
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（ 5） 图像重建几何处理,图像增强,图像复原都是从图像到图像的处理,即输入的原始数据是图像,处理后输出的也是图像,
而重建处理则是从数据到图像的处理 。 也就是说输入的是某种数据,而处理结果得到的是图像,该处理的典型应用就是 CT技术 。 CT技术发明于 1972年,早期为 X射线 （ X-
ray） CT,后来发展的有 ECT,超声 CT,核磁共振 （ NMR）
等 。 图像重建的主要算法有代数法,迭代法,傅里叶反投影法,卷积反投影法等,其中以卷积反投影法运用最为广泛,因为它的运算量小,速度快 。 值得注意的是三维重建算法发展得很快,而且由于与计算机图形学相结合,把多个二维图像合成三维图像,并加以光照模型和各种渲染技术,能生成各种具有强烈真实感及纯净的高质量图像 。 三维图形的主要算法有线框法,表面法,实体法,彩色分域法等等,这些算法在计算机图形学中都有详尽的介绍 。 三维重建技术也是当今颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础 。
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（ 6） 图像编码图像编码研究属于信息论中信源编码范畴,其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人 类视觉的生理学及心理学特性对图像信号进行高效编码,即研究数据压缩技术,以解决数据量大的矛盾 。 一般来说,图像编码的目的有三个,① 减少数据存储量； ② 降低数据率以减少传输带宽； ③ 压缩信息量,便于特征抽取,为识别作准备 。 就编码而言,以去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码 。 如,PCM,DPCM。
△ M,亚取样编码法；变换编码中的 DFT,DCT,Walsh-
Hadamard变换等方法以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第一代编码法 。 而第二代编码方法多是 20世纪 80年代以后提出的新的编码方法,如余字塔编码法,Fractal编码,
基于神经元网络的编码方法,小波变换编码法,模型基编码法等,现代编码法的特点是,① 充分考虑人的视觉特性； ②
恰当地考虑对图像信号的分解与表述； ③ 采用图像的合成与识别方案压缩数据率 。
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（ 7） 模式识别模式识别是数字图像处理的又一研究领域 。 当今,模式识别方法大致有三种,即：统计识别法；句法结构模式识别法；模糊识别法 。
统计识别法侧重于特征,句法结构识别侧重于结构和基元,模糊识别法是把模糊数学的一些概念和理论用于识别处理 。 在模糊识别处理中充分考虑人的主观概率,同时也考虑了人的非逻辑思维方法及人的生理,心理反映,这一独特性的识别方法目前正处于研究阶段,方法尚未成熟 。
（ 8） 图像理解图像理解是由模式识别发展起来的方法 。 该处理输入的是图像,输出的是一种描述 。 这种描述并不仅是单纯的用符号作出详细的描绘,而且要利用客观世界的知识使计算机进行联想,思考及推论,从而理解图像所表现的内容 。
图像理解有时也叫景物理解 。 在这一领域还有相当多的问题需要进行深入研究 。
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以上所述的 8项处理任务是图像处理所涉及到的主要内容。总的说来，经多年的发展，图像处理经历了从静止图像到活动图像；从单色图像到彩色图像；从客观图像到主观图像；从二维图像到三维图像的发展历程。特别是与计算机图形学的结合已能产生高度逼真、非常纯净、更有创造性的图像。由此派生出来的虚拟现实技术的发展或许将从根本上改变我们的学习、生产和生活方式。
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天津复康路三维实景虚拟
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居室虚拟 1
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居室虚拟 2
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自然景观模拟
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美人鱼
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1.1.4数字图像处理的主要方法数字图像处理方法大致可分为两大类,即：空域法和变换域法 。
1.空域法这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合,
然后直接对这－二维函数进行相应的处理 。 空域处理法主要有下面两大类：
（ 1） 邻域处理法其中包括：梯度运算 （ Gradient Algorithm）,拉普拉斯算子运算 （ Laplacian Operator）,平滑算子运算
（ Smoothing Operator ） 和 卷 积 运 算 （ Convolution
Algorithm） 。
（ 2） 点处理法灰度处理 (grey processing）,面积,周长,体积,重心运算等等 。
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2.变换域法数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换,得到变换域系数阵列,然后再施行各种处理,
处理后再反变换到空间域,得到处理结果 。
这类处理包括：滤波,数据压缩,特征提取等处理 。
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1.2 图象处理技术分类所谓处理是指对某一对象作一系列能导致预期结果的操作。
图象处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来,改造,图象。所谓特定的目标，可以是使图象更清晰、
更美丽动人，也可以是从图象中提取某些特定的信息。
人类研究与应用图象处理技术的历史已很久远。例如哈哈镜就是－一种人为地使图象畸变的图象处理工具，望远镜与显微镜则是另一类图象处理工具，照片的放大技术则是一种干家万户受益的图象处理技术。多种多样的图象处理在人类科技发展史上发挥过极其重要的作用。但直到数字计算机问世以前，这些图象处理的共同特点是把图象看作模拟（连续）信号来处理，即都属于图象的模拟处理。
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计算机应用到图形、图象信息处理领域，形成了数字图象处理这一新的学科。随着近年来超大规模集成电路技术与计算机结构、算法的发展，数字图象处理技术取得了惊人的进步，以至现在一提到图象处理几乎都是指图象的数字处理。计算机用于图象处理或者说计算机图象处理从其含义来说，可以是计算机控制下的模拟处理，也可以是计算机内的数字图象处理或计算机控制下处理数字图象存储器里的图象数据。但后者居多。所以一般认为计算机图象处理与数字图象处理是同义语。
图象的数字处理比模拟处理有许多明显的优点。数字处理与光学、照片、录象等类模拟处理相比较，主要优点是，可以灵活、多变地实现各种处理，既可对图象作线性变换处理，亦可作非线性变换处理。并且处理精度高，再现性好。
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1.3 计算机图形学与图象处理计算机图形学（ Computer Graphics）和图象处理
（ Image Processing）是计算机应用领域以各自独立形式发展形成的两个分支学科，它们之间有一定的关系和区别。
它们共同之处就是计算机所处理的信息都是与图有关的信息，但本质上却是不同的。
计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或数据等）使用计算机通过算法和程序构造出图形来，如直线，二次曲线面，自由曲线面的生成，图形变换，图形消隐，真实图形生成方法等。也就是说，图形是人们通过计算机设计和构造出来的，不是通过摄象机或扫描仪等设备输入的图象。所设计和构造的图形可以是现实世界中已经存在的物体的图形，也可以显示完全虚构的物体。因此，
计算机图形学是真实物体或虚构物体的图形综合技术。所生成图形可以显示在屏幕上、硬拷贝输出或作为数据集存在计算机中。
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与此相反，图象处理是景物或图象的分析技术，它所研究的是计算机图形学的逆过程。是利用计算机对原来存在的物体映象进行分析处理，然后再现图象。图象信息经过数字化后输入到计算机中按照不同的应用要求，用计算机对数据作加工处理，如图象增强，图象分析与识别，三维图象重建等。如对照片图象扫描抽样、量化、模／数转换后送入计算机，由计算机根据需要进行平滑、锐化、去噪声、特征分析等处理。其中还涉及到图象压缩、存储、
传输等不同处理。需要时可把加工处理后的图象重新输出。
如工业中射线、探伤、人体的 CT扫描、卫星遥感以及资源勘测等都是图象处理实例，早期图象处理基本上是二维处理，而且早已遍及各个领域，并朝着三维图象生成、立体成象、多种存储传输媒体等方向发展。
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到了 20世纪 80年代由于光栅扫描图形显示器的广泛使用，以及各门学科之间相互渗透和沟通，近年来，也由于多媒体技术、计算机动画、三维空间数据场显示及纹理映射等的迅速发展，计算机图形学和图象处理的结合日益紧密，并相互渗透和融合。例如，将计算机生成的图形与扫描输入的图象结合在一起，构造计算机动画；用菜单或其它图形交互技术来实现交互式图象处理；通过交互手段，
由一幅透视图象中提取出对称物体的三维模型并进行修改；
也可由一幅图象直接变换为另一幅图象从而代替了图形的综合等等。计算机图形学与图象处理相结合，加速了这两个相关领域的发展。
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1.4 图象的表征
1.4.1图象的数学表达式一幅图象可以被看成是空间各个坐标点上强度的集合。它的数学表达式的一般形式为：
其中,x,y,z是空间坐标,?是波长,t是时间,I是图象点的光强度。
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1.4 图象的表示在数字图像处理中,一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素 （ pixel） 组成的,每个像素的灰度级至少要用 6bit
（ 单色图像 ） 来表示,一般采用 8bit（ 彩色图像 ）,高精度的可用 12bit或 16bit。 一般分辨率的图像像素数为
256× 256,512× 512,高 分 辨 率 图 像 像 素 数 可 达
1024× 1024或 2048× 2048。
例如,256× 256× 8=64kB
512× 512× 8=256kB
1024× 1024× 8=lMB
2048× 2048× 8=4MB
X射线照片一般用 64～ 256kb的数据量,一幅遥感图像
3240× 2340× 4≈ 30Mb,因此,大数据量给存储,传输和处理都带来巨大的困难 。
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1.5 数字图象处理 系统
1.5.1 数字图象获取主要工具摄象机，扫描仪，遥感仪，绘图工具（软件）。
1.5.2 数字 图象输出和显示硬拷贝：各种打印机，绘图仪，胶片记录器。
显示：各种计算机显示屏。
1.5.3 数 字图象存储磁盘（硬软盘），磁带，光盘。
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彩色打印机一些较新的数字图像设备
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大面幅彩色打印机
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摄像头
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数码相机
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数码摄像机
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1.6 数字图像处理应用图像处理技术发展到今天,许多技术已日趋成熟 。 在各个领域的应用取得了巨大的成功和显著的经济效益 。 如在工程领域,工业生产,
军事,医学以及科学研究中的应用已十分普遍 。 通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及埋藏量；利用红外线,微波遥感技术可侦查到 隐蔽的军事设施； X射线 CT已广泛应用于临床诊断,由于它可得到人体内部器官的断层图像,因此,可准确地确定病灶位置,为诊断和治疗疾病带来了极大的方便 。 至于在工业生产中的设计自动化及产品质量检验中更是大有可为 。 在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技术 。 至于在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键技术 。 因此,图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的 。 正因为如此,图像的理理论和技术受到了各界的广泛重视,科学工作者经过不懈的努力,已取得了令人瞩目的成就,并正在向更加深人及更高的层次发展 。
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具体应用领域可粗略概括如下：
物理,化学,结晶分析,谱分析；
生物,医学,细胞分析,染色体分类,血球分类,X射线照片分析,CT；
环境保护,水质及大气污染调查；
地质,资源勘探,地图绘制,GIS；
农林,植被分布调查,农作物估产；
海洋,鱼群探查,海洋污染监测；
水利,河流分布,水利及水害调查；
气象,云图分析等；
通信,传真,电视,多媒体通信；
工业一交通,工业探伤,铁路选线,机器人,产品质量监测；
经济,电子商务,身份认证,防伪；
军事,军事侦察,导弹制导,电子抄盘,军事训练等；
法律,指纹识别等；
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应用的典型例子有：
（ 1） 遥感,在遥感应用中,我们可以看到大量的与图像处理密切相关的技术 。 从世界上出现第一幅照片 (1839年 ）,
意大利人乘飞机拍摄了第一张照片 (1909年 ）,前苏联
（ 1957年 ） 及美国 （ 1958年 ） 发射第一颗人造地球卫星等都为遥感技术的发展奠定了坚实的基础 。 1962年国际上正式使用遥感一词 （ Remote Sensing） 。 此后,美国相继发射多颗陆地资源探测卫星 （ 1972年,LANDSAT-I—四个波段,地面分辨率 59m× 79m； 1975年,LANDSAT-Ⅱ ； 1978年,LANDSAT-Ⅲ,
分辨率 40m× 40m； 1982年,LANDSAT-Ⅳ,分辨率 30m× 30m，
在这颗卫星上配置了 GPS 系统 （ Global Positioning
System）,定位精度在地心坐标系中为土 10m。
遥感图像处理的用处越来越大,效率及分辨率也越来越高 。
如：土地测绘,资源调查,气象监测,环境污染监测,农作物估产,军事侦察等 。 当前,在遥感图像处理中主要解决数据量大和处理速度慢的矛盾 。
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（ 2） 医学,图像处理在医学界的应用非常广泛,无论是在临床诊断还是病理研究都大量采用图像处 理技术 。 它的直观,无创伤,安全方便的忧点受到普遍的欢迎与接受 。
其主要应用如 X射线照片的分析,血球计数与染色体分类等 。 目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术,如超声波诊断等都用到图像处理技术 。 有人认为计算机图像处理在医学上应用最成功的例子就是 X射线 CT（ X-ray
Computed Tomography） 。 1968-1972年英国的 EMI公司的
Hounsfeld研制了头部 CT,1975年又研制了全身 CT。 其中主要研制者 Hounsfeld（ 英 ） 和 Commack(美 ） 获得了 1979
年的诺贝尔生理医学奖 。 类似的设备目前已有多种,如核磁共振 CT（ NMRI,Nuclear Magnetic Resonance Imaging）,
电 阻 抗 断 层 图 像 技 术 （ EIT,Electrical Impedance
Tomography） 和阻抗成像 （ Impedance Imaging）,这是一种利用人体组织的电特性 （ 阻抗,导纳,介电常数 ） 形成人体内部图像的技术 。
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（ 2） 医学,图像处理在医学界的应用非常广泛,无论是在临床诊断还是病理研究都大量采用图像处 理技术 。 它的直观,无创伤,安全方便的忧点受到普遍的欢迎与接受 。
其主要应用如 X射线照片的分析,血球计数与染色体分类等 。 目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术,如超声波诊断等都用到图像处理技术 。 有人认为计算机图像处理在医学上应用最成功的例子就是 X射线 CT（ X-ray
Computed Tomography） 。 1968-1972年英国的 EMI公司的
Hounsfeld研制了头部 CT,1975年又研制了全身 CT。 其中主要研制者 Hounsfeld（ 英 ） 和 Commack(美 ） 获得了 1979
年的诺贝尔生理医学奖 。 类似的设备目前已有多种,如核磁共振 CT（ NMRI,Nuclear Magnetic Resonance Imaging）,
电 阻 抗 断 层 图 像 技 术 （ EIT,Electrical Impedance
Tomography） 和阻抗成像 （ Impedance Imaging）,这是一种利用人体组织的电特性 （ 阻抗,导纳,介电常数 ） 形成人体内部图像的技术 。
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① 电视广播,单色电视广播 1925年在英国实现 。 1936年
BBC开始电视广播 。 目前出现的彩色电视有三种制式,即
NTSC（ 美国,日本等 ）,PAL（ 中国,西欧,非洲等 ） 和
SECAM（ 法国,俄罗斯等 ） 。
② 可视电话和会议电视,1964年美国国际博览会展出了
Picture-phone MOD-I可视电话系统,带宽为 1MHz,目前的可视电话 /会议电视均采用数字压缩技术,也出现了相应的国际标准 。 如：图像编码标准 H.261,H.263等,会议电视的 H.230标准,在专用通信网中用 PCM一次群传输,速率为 2048kb/s。 桌面型系统遵循 H.323标准 。
③ 传真,是把文字,图表,照片等静止图像通过光电扫描的方式变成电信号加以传送的设备 。 经过多年发展,传真技术不断进步,现在已有仅数秒钟就可传送一幅 A4文件的传真机,分辨率高达 16点／毫米 。
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④ 图文电视和可视图文,图文电视（ Teletext）和可视图文（ Videotext）是提供可视图形文字信息的通信方式，图文电视是单向传送信息，它是在电视信号消隐期发送图文信息，用户可用电视机和专用终端收看该信息；可视图文是双向工作方式，用户可用电话向信息中心提出服务内容或从数据库中选择信息。
总之，图像处理技术应用还可列出相当多的领域，
它在国家安全、经济发展、日常生活充当越来越重要的角色，对国计民生的作用不可低估。
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1.7数字图像处理领域的发展方向在该领域中需进一步研究的问题,不外乎如下五个方面：
l） 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题 。 如在航天遥感,气象云图处理方面,巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一 。
2） 加强软件研究,开发新的处理方法,特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果,创造新的处理方法 。
3） 加强边缘学科的研究工作,促进图像处理技术的发展 。 如：人的视觉特性,心理学特性等的研究如果有所突破,将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用 。
4） 加强理论研究,逐步形成图像处理科学自身的理论体系 。
5） 时刻注意图像处理领域的标准化问题 。 图像的信息量大,数据量大,因而图像信息的建库,检索和交流是一个极严重的问题 。 就现有的情况看,软件,硬件种类繁多,交流和使用极为不便,这成了资源共享的严重障碍 。 应及早建立图像信息库,统一存放格式,建立标准子程序,统一检索方法 。
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图像处理技术未来发展大致可归纳为如下四点：
1） 图像处理的发展将向着高速,高分辨率,立体化,多媒体化,智能化和标准化方向发展 。 围绕着 HDTV（ 高清晰度电视 ） 的研制将开展实时图像处理的理论及技术研究 。 其中包括：提高硬件速度； 提高分辨率；三维图像化；多媒体化；智能化；标准化 。
2） 图像,图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展 。
3）硬件芯片研究。
4）新理论与新算法研究在图像处理领域近年来引入了－些新的理论并提出了－些新的算法，如,Wavelet,Fractal,Morphology、遗传算法、神经网络等，
其中 Fractal广泛用于图像处理、图形处理、纹理分析，同时还可以用于数学、物理、生物、神经和音乐等方面，有人认为 Fractal把杂乱无章、随意性很强的事物能用数学方法加以规范和描述，它在分析和描绘自然现象上具有独到之处。这些理论在未来图像处理理论与技术上的作用应给予充分的注意，并积极地加以研究。
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2．本课程主要参考书
[1],数字图像处理,阮秋琦著，电子工业出版社,2001年。
[2],数字图像处理,Kenneth.R.Castleman 著，
朱志刚等译，电子工业出版社,1998年。
[3],计算机图像处理,容观澳编著，清华大学出版社,2000年。
3．网上学习本讲课内容将放入辽宁石油化工大学主页
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1.1数字图象处理主要内容
1.1.1 图象的定义一幅图象是一种代表另一个客体（或对象）的一种写真或模拟；是一种生动的、图形化的描述。也就是说，图象是一种代表客观世界中另一物体的、生动的图形表达，它包含了描述其所代表的物体的信息。
1.1.2 图象分类借助集合（即凡具有某种特定性质的对象的总合称之为集合）的概念，图象可根据其生成方法或存在形式分成若干类。所有图象的总体可以看作客观世界的一部分，或者叫做客观世界的一个子集，而图象本身又可进一步划分为若干子集（若干类）。图象的各子集中，最重要的一个子集是可见图象子集。
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该子集包含了全部人眼可见（可接收到）的图象，其中不仅包括了客观存在的光学图象，而且也包括了人类用各种不同的方法人工生成的图象，即照片，图形与绘画。
各种可测到的（客观存在的）物理特征量的空间分布，
构成一大类图象，称为物理图象。这些物理特征量是多种多样的，它既包括各种波长的电磁波强度的空间分布不同所构成的图象，也包括如温度分布、压力分布、高度分布、
人口密度分布等等所构成的图象。可见光学图象只是电磁波场图象中的一个子集。其余各种物理图象（均是人眼不可见的）构成了不可见物理图象子集。
还应注意到，同一个空间点，可以具有多个物理特征；
因此，同一对象（或物体）可以有多幅图象。例如彩照
（或彩色电视图象），就是每一点均在红、绿、蓝三个波段上有不同强度分布的三幅图象的合成。
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实际上，对任一个空间点，在该点可测到的物理特征都远远大于 3，（但这些特征中绝大部分是人眼不可见的。）因此，任一对象都存在着大量的图象。
图象的另一个子集是抽象的数学图象，即用数学函数代表的图象，它包括了连续型与离散型（即数字图象）
两大类。
在所有各类图象中，只有数字图象是可以用数字计算机直接处理的图象。计算机图象处理技术主要研究数字图象的处理。
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1.1.3数字图像处理的主要内容数字图像处理概括他说主要包括如下几项内容：几何处理 （ Geometrical Processing ）,算术处理
（ Arithmetic Processing ）,图像增强 （ Image
Enhancement ）,图像复原 （ Image Restoration）,图像重建 （ Image Reconstruction ）,图像编码 (Image
Encoding）,图像识别 （ Image Recognition）,图像理解
（ lmage Understanding） 。
（ 1） 几何处理几何处理主要包括坐标变换,图像的放大,缩小,旋转,移动,多个图像配准,全景畸变校正,扭曲校正,
周长,面积,体积计算等 。
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（ 2） 算术处理算术处理主要对图像施以＋,－,×,÷ 等运算,虽然该处理主要针对像素点的处理,但非常有用,如医学图像的减影处理就有显著的效果 。
（ 3） 图像增强图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的信息,而减弱或去除不需要的信息,从而使有用信息得到加强,便于区分或解释 。 主要方法有直方图增强,伪彩色增强法
（ pseudo color）,灰度窗口等技术 。
（ 4） 图像复原图像复原处理的主要目的是去除干扰和模糊,恢复图像的本来面目 。 典型的例子如去噪就属于复原处理 。 图像噪声包括随机噪声和相干噪声,随机噪声干扰表现为麻点干扰,相干燥声表现为网纹干扰 。 去模糊也是复原处理的任务 。 这些模糊来自透镜散焦,相对运动,大气湍流,以及云层遮挡等 。 维纳滤波,逆滤波,同态滤波等方法加以去除 。
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（ 5） 图像重建几何处理,图像增强,图像复原都是从图像到图像的处理,即输入的原始数据是图像,处理后输出的也是图像,
而重建处理则是从数据到图像的处理 。 也就是说输入的是某种数据,而处理结果得到的是图像,该处理的典型应用就是 CT技术 。 CT技术发明于 1972年,早期为 X射线 （ X-
ray） CT,后来发展的有 ECT,超声 CT,核磁共振 （ NMR）
等 。 图像重建的主要算法有代数法,迭代法,傅里叶反投影法,卷积反投影法等,其中以卷积反投影法运用最为广泛,因为它的运算量小,速度快 。 值得注意的是三维重建算法发展得很快,而且由于与计算机图形学相结合,把多个二维图像合成三维图像,并加以光照模型和各种渲染技术,能生成各种具有强烈真实感及纯净的高质量图像 。 三维图形的主要算法有线框法,表面法,实体法,彩色分域法等等,这些算法在计算机图形学中都有详尽的介绍 。 三维重建技术也是当今颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础 。
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（ 6） 图像编码图像编码研究属于信息论中信源编码范畴,其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人 类视觉的生理学及心理学特性对图像信号进行高效编码,即研究数据压缩技术,以解决数据量大的矛盾 。 一般来说,图像编码的目的有三个,① 减少数据存储量； ② 降低数据率以减少传输带宽； ③ 压缩信息量,便于特征抽取,为识别作准备 。 就编码而言,以去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码 。 如,PCM,DPCM。
△ M,亚取样编码法；变换编码中的 DFT,DCT,Walsh-
Hadamard变换等方法以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第一代编码法 。 而第二代编码方法多是 20世纪 80年代以后提出的新的编码方法,如余字塔编码法,Fractal编码,
基于神经元网络的编码方法,小波变换编码法,模型基编码法等,现代编码法的特点是,① 充分考虑人的视觉特性； ②
恰当地考虑对图像信号的分解与表述； ③ 采用图像的合成与识别方案压缩数据率 。
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（ 7） 模式识别模式识别是数字图像处理的又一研究领域 。 当今,模式识别方法大致有三种,即：统计识别法；句法结构模式识别法；模糊识别法 。
统计识别法侧重于特征,句法结构识别侧重于结构和基元,模糊识别法是把模糊数学的一些概念和理论用于识别处理 。 在模糊识别处理中充分考虑人的主观概率,同时也考虑了人的非逻辑思维方法及人的生理,心理反映,这一独特性的识别方法目前正处于研究阶段,方法尚未成熟 。
（ 8） 图像理解图像理解是由模式识别发展起来的方法 。 该处理输入的是图像,输出的是一种描述 。 这种描述并不仅是单纯的用符号作出详细的描绘,而且要利用客观世界的知识使计算机进行联想,思考及推论,从而理解图像所表现的内容 。
图像理解有时也叫景物理解 。 在这一领域还有相当多的问题需要进行深入研究 。
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以上所述的 8项处理任务是图像处理所涉及到的主要内容。总的说来，经多年的发展，图像处理经历了从静止图像到活动图像；从单色图像到彩色图像；从客观图像到主观图像；从二维图像到三维图像的发展历程。特别是与计算机图形学的结合已能产生高度逼真、非常纯净、更有创造性的图像。由此派生出来的虚拟现实技术的发展或许将从根本上改变我们的学习、生产和生活方式。
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天津复康路三维实景虚拟
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居室虚拟 1
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居室虚拟 2
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自然景观模拟
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美人鱼
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1.1.4数字图像处理的主要方法数字图像处理方法大致可分为两大类,即：空域法和变换域法 。
1.空域法这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合,
然后直接对这－二维函数进行相应的处理 。 空域处理法主要有下面两大类：
（ 1） 邻域处理法其中包括：梯度运算 （ Gradient Algorithm）,拉普拉斯算子运算 （ Laplacian Operator）,平滑算子运算
（ Smoothing Operator ） 和 卷 积 运 算 （ Convolution
Algorithm） 。
（ 2） 点处理法灰度处理 (grey processing）,面积,周长,体积,重心运算等等 。
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2.变换域法数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换,得到变换域系数阵列,然后再施行各种处理,
处理后再反变换到空间域,得到处理结果 。
这类处理包括：滤波,数据压缩,特征提取等处理 。
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1.2 图象处理技术分类所谓处理是指对某一对象作一系列能导致预期结果的操作。
图象处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来,改造,图象。所谓特定的目标，可以是使图象更清晰、
更美丽动人，也可以是从图象中提取某些特定的信息。
人类研究与应用图象处理技术的历史已很久远。例如哈哈镜就是－一种人为地使图象畸变的图象处理工具，望远镜与显微镜则是另一类图象处理工具，照片的放大技术则是一种干家万户受益的图象处理技术。多种多样的图象处理在人类科技发展史上发挥过极其重要的作用。但直到数字计算机问世以前，这些图象处理的共同特点是把图象看作模拟（连续）信号来处理，即都属于图象的模拟处理。
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计算机应用到图形、图象信息处理领域，形成了数字图象处理这一新的学科。随着近年来超大规模集成电路技术与计算机结构、算法的发展，数字图象处理技术取得了惊人的进步，以至现在一提到图象处理几乎都是指图象的数字处理。计算机用于图象处理或者说计算机图象处理从其含义来说，可以是计算机控制下的模拟处理，也可以是计算机内的数字图象处理或计算机控制下处理数字图象存储器里的图象数据。但后者居多。所以一般认为计算机图象处理与数字图象处理是同义语。
图象的数字处理比模拟处理有许多明显的优点。数字处理与光学、照片、录象等类模拟处理相比较，主要优点是，可以灵活、多变地实现各种处理，既可对图象作线性变换处理，亦可作非线性变换处理。并且处理精度高，再现性好。
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1.3 计算机图形学与图象处理计算机图形学（ Computer Graphics）和图象处理
（ Image Processing）是计算机应用领域以各自独立形式发展形成的两个分支学科，它们之间有一定的关系和区别。
它们共同之处就是计算机所处理的信息都是与图有关的信息，但本质上却是不同的。
计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或数据等）使用计算机通过算法和程序构造出图形来，如直线，二次曲线面，自由曲线面的生成，图形变换，图形消隐，真实图形生成方法等。也就是说，图形是人们通过计算机设计和构造出来的，不是通过摄象机或扫描仪等设备输入的图象。所设计和构造的图形可以是现实世界中已经存在的物体的图形，也可以显示完全虚构的物体。因此，
计算机图形学是真实物体或虚构物体的图形综合技术。所生成图形可以显示在屏幕上、硬拷贝输出或作为数据集存在计算机中。
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与此相反，图象处理是景物或图象的分析技术，它所研究的是计算机图形学的逆过程。是利用计算机对原来存在的物体映象进行分析处理，然后再现图象。图象信息经过数字化后输入到计算机中按照不同的应用要求，用计算机对数据作加工处理，如图象增强，图象分析与识别，三维图象重建等。如对照片图象扫描抽样、量化、模／数转换后送入计算机，由计算机根据需要进行平滑、锐化、去噪声、特征分析等处理。其中还涉及到图象压缩、存储、
传输等不同处理。需要时可把加工处理后的图象重新输出。
如工业中射线、探伤、人体的 CT扫描、卫星遥感以及资源勘测等都是图象处理实例，早期图象处理基本上是二维处理，而且早已遍及各个领域，并朝着三维图象生成、立体成象、多种存储传输媒体等方向发展。
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到了 20世纪 80年代由于光栅扫描图形显示器的广泛使用，以及各门学科之间相互渗透和沟通，近年来，也由于多媒体技术、计算机动画、三维空间数据场显示及纹理映射等的迅速发展，计算机图形学和图象处理的结合日益紧密，并相互渗透和融合。例如，将计算机生成的图形与扫描输入的图象结合在一起，构造计算机动画；用菜单或其它图形交互技术来实现交互式图象处理；通过交互手段，
由一幅透视图象中提取出对称物体的三维模型并进行修改；
也可由一幅图象直接变换为另一幅图象从而代替了图形的综合等等。计算机图形学与图象处理相结合，加速了这两个相关领域的发展。
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1.4 图象的表征
1.4.1图象的数学表达式一幅图象可以被看成是空间各个坐标点上强度的集合。它的数学表达式的一般形式为：
其中,x,y,z是空间坐标,?是波长,t是时间,I是图象点的光强度。
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1.4 图象的表示在数字图像处理中,一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素 （ pixel） 组成的,每个像素的灰度级至少要用 6bit
（ 单色图像 ） 来表示,一般采用 8bit（ 彩色图像 ）,高精度的可用 12bit或 16bit。 一般分辨率的图像像素数为
256× 256,512× 512,高 分 辨 率 图 像 像 素 数 可 达
1024× 1024或 2048× 2048。
例如,256× 256× 8=64kB
512× 512× 8=256kB
1024× 1024× 8=lMB
2048× 2048× 8=4MB
X射线照片一般用 64～ 256kb的数据量,一幅遥感图像
3240× 2340× 4≈ 30Mb,因此,大数据量给存储,传输和处理都带来巨大的困难 。
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1.5 数字图象处理 系统
1.5.1 数字图象获取主要工具摄象机，扫描仪，遥感仪，绘图工具（软件）。
1.5.2 数字 图象输出和显示硬拷贝：各种打印机，绘图仪，胶片记录器。
显示：各种计算机显示屏。
1.5.3 数 字图象存储磁盘（硬软盘），磁带，光盘。
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彩色打印机一些较新的数字图像设备
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大面幅彩色打印机
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摄像头
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数码相机
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数码摄像机
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1.6 数字图像处理应用图像处理技术发展到今天,许多技术已日趋成熟 。 在各个领域的应用取得了巨大的成功和显著的经济效益 。 如在工程领域,工业生产,
军事,医学以及科学研究中的应用已十分普遍 。 通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及埋藏量；利用红外线,微波遥感技术可侦查到 隐蔽的军事设施； X射线 CT已广泛应用于临床诊断,由于它可得到人体内部器官的断层图像,因此,可准确地确定病灶位置,为诊断和治疗疾病带来了极大的方便 。 至于在工业生产中的设计自动化及产品质量检验中更是大有可为 。 在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技术 。 至于在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键技术 。 因此,图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的 。 正因为如此,图像的理理论和技术受到了各界的广泛重视,科学工作者经过不懈的努力,已取得了令人瞩目的成就,并正在向更加深人及更高的层次发展 。
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具体应用领域可粗略概括如下：
物理,化学,结晶分析,谱分析；
生物,医学,细胞分析,染色体分类,血球分类,X射线照片分析,CT；
环境保护,水质及大气污染调查；
地质,资源勘探,地图绘制,GIS；
农林,植被分布调查,农作物估产；
海洋,鱼群探查,海洋污染监测；
水利,河流分布,水利及水害调查；
气象,云图分析等；
通信,传真,电视,多媒体通信；
工业一交通,工业探伤,铁路选线,机器人,产品质量监测；
经济,电子商务,身份认证,防伪；
军事,军事侦察,导弹制导,电子抄盘,军事训练等；
法律,指纹识别等；
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应用的典型例子有：
（ 1） 遥感,在遥感应用中,我们可以看到大量的与图像处理密切相关的技术 。 从世界上出现第一幅照片 (1839年 ）,
意大利人乘飞机拍摄了第一张照片 (1909年 ）,前苏联
（ 1957年 ） 及美国 （ 1958年 ） 发射第一颗人造地球卫星等都为遥感技术的发展奠定了坚实的基础 。 1962年国际上正式使用遥感一词 （ Remote Sensing） 。 此后,美国相继发射多颗陆地资源探测卫星 （ 1972年,LANDSAT-I—四个波段,地面分辨率 59m× 79m； 1975年,LANDSAT-Ⅱ ； 1978年,LANDSAT-Ⅲ,
分辨率 40m× 40m； 1982年,LANDSAT-Ⅳ,分辨率 30m× 30m，
在这颗卫星上配置了 GPS 系统 （ Global Positioning
System）,定位精度在地心坐标系中为土 10m。
遥感图像处理的用处越来越大,效率及分辨率也越来越高 。
如：土地测绘,资源调查,气象监测,环境污染监测,农作物估产,军事侦察等 。 当前,在遥感图像处理中主要解决数据量大和处理速度慢的矛盾 。
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（ 2） 医学,图像处理在医学界的应用非常广泛,无论是在临床诊断还是病理研究都大量采用图像处 理技术 。 它的直观,无创伤,安全方便的忧点受到普遍的欢迎与接受 。
其主要应用如 X射线照片的分析,血球计数与染色体分类等 。 目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术,如超声波诊断等都用到图像处理技术 。 有人认为计算机图像处理在医学上应用最成功的例子就是 X射线 CT（ X-ray
Computed Tomography） 。 1968-1972年英国的 EMI公司的
Hounsfeld研制了头部 CT,1975年又研制了全身 CT。 其中主要研制者 Hounsfeld（ 英 ） 和 Commack(美 ） 获得了 1979
年的诺贝尔生理医学奖 。 类似的设备目前已有多种,如核磁共振 CT（ NMRI,Nuclear Magnetic Resonance Imaging）,
电 阻 抗 断 层 图 像 技 术 （ EIT,Electrical Impedance
Tomography） 和阻抗成像 （ Impedance Imaging）,这是一种利用人体组织的电特性 （ 阻抗,导纳,介电常数 ） 形成人体内部图像的技术 。
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（ 2） 医学,图像处理在医学界的应用非常广泛,无论是在临床诊断还是病理研究都大量采用图像处 理技术 。 它的直观,无创伤,安全方便的忧点受到普遍的欢迎与接受 。
其主要应用如 X射线照片的分析,血球计数与染色体分类等 。 目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术,如超声波诊断等都用到图像处理技术 。 有人认为计算机图像处理在医学上应用最成功的例子就是 X射线 CT（ X-ray
Computed Tomography） 。 1968-1972年英国的 EMI公司的
Hounsfeld研制了头部 CT,1975年又研制了全身 CT。 其中主要研制者 Hounsfeld（ 英 ） 和 Commack(美 ） 获得了 1979
年的诺贝尔生理医学奖 。 类似的设备目前已有多种,如核磁共振 CT（ NMRI,Nuclear Magnetic Resonance Imaging）,
电 阻 抗 断 层 图 像 技 术 （ EIT,Electrical Impedance
Tomography） 和阻抗成像 （ Impedance Imaging）,这是一种利用人体组织的电特性 （ 阻抗,导纳,介电常数 ） 形成人体内部图像的技术 。
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① 电视广播,单色电视广播 1925年在英国实现 。 1936年
BBC开始电视广播 。 目前出现的彩色电视有三种制式,即
NTSC（ 美国,日本等 ）,PAL（ 中国,西欧,非洲等 ） 和
SECAM（ 法国,俄罗斯等 ） 。
② 可视电话和会议电视,1964年美国国际博览会展出了
Picture-phone MOD-I可视电话系统,带宽为 1MHz,目前的可视电话 /会议电视均采用数字压缩技术,也出现了相应的国际标准 。 如：图像编码标准 H.261,H.263等,会议电视的 H.230标准,在专用通信网中用 PCM一次群传输,速率为 2048kb/s。 桌面型系统遵循 H.323标准 。
③ 传真,是把文字,图表,照片等静止图像通过光电扫描的方式变成电信号加以传送的设备 。 经过多年发展,传真技术不断进步,现在已有仅数秒钟就可传送一幅 A4文件的传真机,分辨率高达 16点／毫米 。
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④ 图文电视和可视图文,图文电视（ Teletext）和可视图文（ Videotext）是提供可视图形文字信息的通信方式，图文电视是单向传送信息，它是在电视信号消隐期发送图文信息，用户可用电视机和专用终端收看该信息；可视图文是双向工作方式，用户可用电话向信息中心提出服务内容或从数据库中选择信息。
总之，图像处理技术应用还可列出相当多的领域，
它在国家安全、经济发展、日常生活充当越来越重要的角色，对国计民生的作用不可低估。
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1.7数字图像处理领域的发展方向在该领域中需进一步研究的问题,不外乎如下五个方面：
l） 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题 。 如在航天遥感,气象云图处理方面,巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一 。
2） 加强软件研究,开发新的处理方法,特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果,创造新的处理方法 。
3） 加强边缘学科的研究工作,促进图像处理技术的发展 。 如：人的视觉特性,心理学特性等的研究如果有所突破,将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用 。
4） 加强理论研究,逐步形成图像处理科学自身的理论体系 。
5） 时刻注意图像处理领域的标准化问题 。 图像的信息量大,数据量大,因而图像信息的建库,检索和交流是一个极严重的问题 。 就现有的情况看,软件,硬件种类繁多,交流和使用极为不便,这成了资源共享的严重障碍 。 应及早建立图像信息库,统一存放格式,建立标准子程序,统一检索方法 。
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图像处理技术未来发展大致可归纳为如下四点：
1） 图像处理的发展将向着高速,高分辨率,立体化,多媒体化,智能化和标准化方向发展 。 围绕着 HDTV（ 高清晰度电视 ） 的研制将开展实时图像处理的理论及技术研究 。 其中包括：提高硬件速度； 提高分辨率；三维图像化；多媒体化；智能化；标准化 。
2） 图像,图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展 。
3）硬件芯片研究。
4）新理论与新算法研究在图像处理领域近年来引入了－些新的理论并提出了－些新的算法，如,Wavelet,Fractal,Morphology、遗传算法、神经网络等，
其中 Fractal广泛用于图像处理、图形处理、纹理分析，同时还可以用于数学、物理、生物、神经和音乐等方面，有人认为 Fractal把杂乱无章、随意性很强的事物能用数学方法加以规范和描述，它在分析和描绘自然现象上具有独到之处。这些理论在未来图像处理理论与技术上的作用应给予充分的注意，并积极地加以研究。
