【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系。 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前即使家用電腦也可以配置性能相當(dāng)好的 圖像 輸入，輸出及存儲(chǔ)設(shè)備了。這對(duì)于計(jì)算機(jī) 圖像 應(yīng)用的普及與推廣提供了堅(jiān)實(shí)的條件。 4 圖 11 圖像 處理系統(tǒng)框圖 數(shù)字 圖像 處理的 研究背景 數(shù)字 圖像 處理技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和 VLSI（ Very LargeScale Integration）的發(fā)展而產(chǎn)生，發(fā)展和不斷成熟起來(lái)的一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，它在理論上和實(shí)際應(yīng)用中都取得了巨大的成就。 在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)獲取的原始圖像一般不是完美的，由于噪聲，光照，拍攝角度不正等原因，圖像的質(zhì)量不高，所以需要進(jìn)行圖像處理，以有利于提取感興趣的信息。所謂圖像處理，就是對(duì)圖像信息進(jìn)行加工以滿(mǎn)足人的視覺(jué)心理或應(yīng)用需求的行為。數(shù)字圖像處理的英文名稱(chēng)是 “ digital image processing” 。通常所說(shuō)的數(shù)字圖像處理是指用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的處理。因此也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)圖像處理。 對(duì)于一個(gè)圖像處理系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)，可以將流程分為三個(gè)階段：首先是圖像處理階段，第二是圖像分析階段，第三是圖像理解階段。圖像處理階段主要是在像素級(jí)上進(jìn)行處理，進(jìn)行圖像的幾何校正，圖像的灰度變換處理，圖像噪聲濾除的平滑處理，目標(biāo)物體邊界的銳化處理等，這些工作尤為重要，如果這階段處理不好，后面的工作根本無(wú)法展開(kāi)。圖像分析階段主要對(duì)圖像里感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，分割，特征提取和測(cè)量，分析的結(jié)果能為用戶(hù)提供描述圖像目標(biāo)特點(diǎn)和性質(zhì)的數(shù)據(jù)，把原來(lái)以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^簡(jiǎn)潔的非圖像方式的描述。圖像理解階段主要通過(guò)對(duì)圖像里各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間相互關(guān)系 的研究，對(duì)描述抽象出來(lái)的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，了解把握?qǐng)D像內(nèi)容并解釋原來(lái)的客觀場(chǎng)景，提供客觀世界的信息，指導(dǎo)和規(guī)劃行為，其處理過(guò)程和方法與人類(lèi)的思維推理可以有許多類(lèi)似之處。 圖像處理就是用一系列的特定操作來(lái)改變圖像的像素，以達(dá)到特定的目標(biāo)，比如使圖像更清晰，或從圖像中提取某些特定的信息等。對(duì)含有噪聲的圖像，要出去噪聲，濾去干擾，提 高 信噪比；對(duì)信息微弱的圖像要進(jìn)行灰度變換等增強(qiáng)處理；對(duì)已經(jīng)退化的模糊圖像要進(jìn)行各種復(fù)原的處理；對(duì)失真的圖像要進(jìn)行幾何校正等變換。除此之外，圖像的合成，圖像的編碼與傳送等技術(shù)也屬于圖像處理的 內(nèi)容。由此可見(jiàn)，圖像處理就是為了達(dá)到改善SCSI 卡， USB 接口 顯示卡 彩色顯示器 USB 接口 并口， USB接口 打印機(jī) 圖像采集卡 串口，其他接口 繪圖儀 接口 VGA— TV接口 電視機(jī) 接口 顯示適配器 投影儀 磁盤(pán) U 盤(pán) 硬盤(pán) 光盤(pán)刻路 機(jī) 掃描儀 數(shù)碼相機(jī) 電視攝象機(jī) 數(shù)字?jǐn)z像機(jī) 其他輸入設(shè)備 計(jì) 算 機(jī) 磁帶機(jī) 5 圖像的質(zhì)量，將圖像變換成便于人們觀察，適于機(jī)器識(shí)別的目的。數(shù)字圖像處理是現(xiàn)代圖像處理的主要方法，也可以在頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 在 圖像 處理中，輪廓不僅僅是指物體邊界的線，還應(yīng)該包括能夠描繪 圖像 特征的線要素，這些線要素就相當(dāng)于素描畫(huà)中的線條。當(dāng)然，除了線條以外，顏色以及亮度也是 圖像的重要因素，但是日常所見(jiàn)到的說(shuō)明圖 、 圖表 、 插圖 、 肖像畫(huà) 、 連環(huán)畫(huà)等，很多是通過(guò)描繪物體的邊緣線來(lái)表現(xiàn)的，盡管有些單調(diào)，我們還是能夠非常清楚地明白 圖像 的內(nèi)容。 研究目的和意義 視覺(jué)是人類(lèi)最重要的感知手 段， 圖像 又是視覺(jué)的基礎(chǔ)。早期 圖像 處理的目的是改善 圖像 質(zhì)量，它以人為對(duì)象，以改善人的視覺(jué)效果為目的。 圖像 處理中輸入的是質(zhì)量低的 圖像 ，輸出的是改善質(zhì)量后的 圖像 。 圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱(chēng)。目前人們主要研究的是數(shù)字圖像，主要應(yīng)用的是計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)。這包括計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備進(jìn)行和完成的一系列工作，例如圖像的采集 、 獲取 、 編碼 、 存儲(chǔ)和傳輸 、 圖像的分割 、 目標(biāo)的檢測(cè) 、 表達(dá)和描述 、 特征的提取和測(cè)量 、 序列圖像的校正 、 3D 景物的重建復(fù)原 、 圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立 、 索引和抽取 、 圖像的分類(lèi) 、 表示和識(shí)別 、 圖像模型的建立和 匹配 、 圖像和場(chǎng)景的解釋和理解，以及基于它們的判斷決策和行為規(guī)劃等等。另外，圖像技術(shù)還可包括為完成上述功能二進(jìn)行的硬件涉及 以及 制作等方面的技術(shù)。 下面簡(jiǎn)要的介紹一下數(shù)字圖像和圖像處理在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況： 圖像處理在軍事上的應(yīng)用 主要是偵察照片的判讀，雷達(dá)圖像的處理，軍用地圖的存儲(chǔ)與自動(dòng)檢索，小型圖像地面接收站的裝備和飛機(jī)，坦克，軍艦等的模擬訓(xùn)練等。成像雷達(dá)的成像部分使用信號(hào)處理方法把掃描得來(lái)的數(shù)據(jù)重新構(gòu)成圖像，并顯示出來(lái)，然后進(jìn)行目標(biāo)分析，目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。把軍用地圖存入計(jì) 算機(jī)，然后將有關(guān)目標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，分類(lèi)，歸檔，以便自動(dòng)檢索。這樣免去了參謀人員大量的標(biāo)圖作業(yè)。裝備了小型圖像地面接收站的移動(dòng)式戰(zhàn)術(shù)偵察系統(tǒng)，把傳感器傳來(lái)的圖像記錄下來(lái)并進(jìn)行目標(biāo)分析和歸檔轉(zhuǎn)發(fā)等，可將前線的情況及時(shí)傳送到指揮部。訓(xùn)練模擬裝置可提供接近實(shí)戰(zhàn)條件的訓(xùn)練環(huán)境。 在公安方面主要應(yīng)用于圖片的判讀分析（如指紋鑒別；罪犯臉型的合成；手跡，印章的鑒定識(shí)別； 不完整圖片的復(fù)原），跟蹤，監(jiān)視，交通監(jiān)控與事故的分析等。如指紋鑒別系統(tǒng)將指紋經(jīng)過(guò)預(yù)處理后提取特征，用聚類(lèi)分析方法進(jìn)行分類(lèi)。再將指紋數(shù)據(jù)做無(wú)失真的壓縮，然后存儲(chǔ)在 光盤(pán)上。這樣可以實(shí)現(xiàn)幾百萬(wàn)人的大城市中居民指紋的存儲(chǔ)和檢索。電子警察已成功地應(yīng)用于交通管理中。 由于數(shù)字圖像的信息量大，可作遠(yuǎn)距離，非接觸測(cè)量，在不破壞被測(cè)物體情況下也可檢測(cè)物體的內(nèi)部，而且處理方法靈活，便于自動(dòng)化。圖像處理也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 如彈性力學(xué)照片的應(yīng)力分析；流體力學(xué)圖片的阻力和升力分析 ；金相照片的結(jié)構(gòu)和成 6 分的分析；流水線上機(jī)械零件的自動(dòng)檢測(cè)，分類(lèi)；信件，包裹的自動(dòng)分揀；高爐火焰的分析；軋鋼廠中軋制中的鋼坯位置的確定和尺寸的測(cè)量；工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析或裂縫的檢測(cè)（工業(yè) CT）等。 除了以上這些，數(shù)字圖像處理還可以在一下領(lǐng)域中應(yīng)用，生物醫(yī)學(xué)中的顯微圖像處理，DNA 顯示分析，生物進(jìn)化的圖像分析，專(zhuān)家系統(tǒng)如手術(shù)規(guī)劃，內(nèi)臟大小形狀活動(dòng)及異常檢出分析等；遙感航天中的天文太空星體的探測(cè)及分析 、 軍事偵察 、 定位指揮 、 地質(zhì)地形地圖的普查及繪制 、 地下 礦藏 的勘察 、 環(huán)境污染的檢測(cè)等。此外在圖像的遠(yuǎn)程通信 、 服裝試穿顯示，現(xiàn)場(chǎng)視頻管理等方面也有廣泛的應(yīng)用 。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 關(guān)于數(shù)字圖像處理方法的興趣是起源于兩種主要應(yīng)用范圍 ：為了改善人類(lèi)做判斷用的圖像信息，和為了處理自動(dòng)裝置感受的景物數(shù)據(jù)。在第 一類(lèi)范圍內(nèi)，圖像處理技術(shù)首先應(yīng)用之一就是改善在倫敦和紐約之間經(jīng)海底電纜發(fā)送的數(shù)字化報(bào)紙的圖片。早在本 世紀(jì) 二十年代，曾引入巴特蘭（ Bartlane）電纜圖片傳輸系統(tǒng)，把橫跨大西洋傳送一幅圖片所需的時(shí)間從一個(gè)多星期減少到小于三個(gè)小時(shí)。為了用電纜傳輸圖片，首先要進(jìn)行編碼，然后在接收端由專(zhuān)用打印設(shè)備進(jìn)行圖片重建。 早先的巴特蘭系統(tǒng)，能夠按五個(gè)亮度等級(jí)對(duì)圖像進(jìn)行編碼。這種能力到 1929 年就增加到十五個(gè)等級(jí)。在這段時(shí)期，復(fù)原的過(guò)程也有明顯的改善，這是由于引入一個(gè)用編碼的圖片紙帶來(lái)調(diào)制光束從而使底板感光的系統(tǒng)。 雖然，對(duì) 傳送的數(shù)字圖片在處理方法上的改善一直延續(xù)到以后的三十五年，但直到大型數(shù)字計(jì)算機(jī)和空間規(guī)劃出現(xiàn)后，人們才把注意力集中于圖像處理的潛力上。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)改善圖像的工作，是從 1964 年在噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（ ）中進(jìn)行的太空檢測(cè)工作開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)用計(jì)算機(jī)來(lái)處理測(cè)距器 7 號(hào)發(fā)回的月球圖片，以校正飛船上的電視攝像機(jī)中各種不同形式的，固有的圖像畸變。這些技術(shù)同樣是改善圖像增強(qiáng)和復(fù)原的方法的基礎(chǔ)。這些圖像來(lái)自眾所周知的空間計(jì)劃，例如從進(jìn)行登月飛行的“探索者”到“水手號(hào)”的一系列靠近火星的分型以及阿波羅載人登月飛行。 從 1964 年，圖像處理領(lǐng)域一直在蓬勃發(fā)展。今天，數(shù)字圖像處理技術(shù)除了應(yīng)用于空間計(jì)劃以外，也在其他各種問(wèn)題中得到應(yīng)用。雖然，這些不同的應(yīng)用往往是互相無(wú)關(guān)的，但它們都需要增強(qiáng)圖像信息的方法，以便使人們能理解并分析這些圖像信息所含內(nèi)容。例如，在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生們借助于計(jì)算機(jī)的程序可增強(qiáng)對(duì)比度，或把亮度電平編碼成為彩色，使得對(duì)于 X 光或其他生物醫(yī)學(xué)的圖像更易于理解。同樣的或類(lèi)似的技術(shù)由地理學(xué)家用于研究從空中或地球衛(wèi)星得到的圖像中的污穢圖樣。圖像增強(qiáng)和復(fù)原的方法已經(jīng)用來(lái)處理那些不能再恢復(fù)的物體或模糊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖像。 這樣的圖像處 理概念的成功的應(yīng)用實(shí)例可以在天文學(xué)，生物學(xué)，核子醫(yī)學(xué)，法律實(shí)施，防御和工業(yè)應(yīng)用等方面 找到。這些例子都有共同的特點(diǎn)，就是處理是為了便于人們的理解，方便人們的工作。數(shù)字圖像處理的第二個(gè)主要應(yīng)用方面是研究機(jī)器的理解問(wèn)題。在這種情況下，我們的興趣集中在按照適合于計(jì)算機(jī)處理的方式從圖像信息中提取信息的方法。一般來(lái)說(shuō)，這種信息和人們理解一幅圖像內(nèi)容 7 的視覺(jué)特征有很大的不同。例如用于機(jī)器理解的信息形式為統(tǒng)計(jì)矩，傅立葉變換系數(shù)和多維距離測(cè)量等。 根據(jù)以上介紹， 數(shù)字圖像最早出現(xiàn)于圖像處理，遙感圖像的處理和生物，醫(yī)學(xué)圖像的分析是 圖像處理最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它們也是圖像處理賴(lài)以發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)。 20 世紀(jì) 60—— 70 年代，在遙感圖像處理和生物醫(yī)學(xué)圖像分析兩項(xiàng)技術(shù)取得成功的基礎(chǔ)上逐漸形成了圖像處理這門(mén)學(xué)科。在隨后的半個(gè)世紀(jì)里數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。近年來(lái)，數(shù)字圖像應(yīng)用的擴(kuò)大則應(yīng)歸功于圖形用戶(hù)界面（如 PC 機(jī)上的 Windows）的出現(xiàn)和多媒體技術(shù)的發(fā)展。圖像用戶(hù)界面簡(jiǎn)單，直觀，極大地簡(jiǎn)化了用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的操作，這加快了計(jì)算機(jī)普及的進(jìn)程。由于計(jì)算機(jī)中圖形與圖像采用相同的顯示原理，因此，近年來(lái)計(jì)算機(jī)圖像也得到了迅速的普及。 盡管計(jì)算機(jī)圖像技 術(shù)的歷史可追溯到 1946 年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生（借助打印設(shè)備進(jìn)行數(shù)字圖像處理甚至可追溯到 20 年代【 Gonzalez 1992】） ，但在 50 年代計(jì)算機(jī)主要還是用于數(shù)值計(jì)算，滿(mǎn)足不了處理大數(shù)據(jù)量圖像的要求。在 60 年代，第三代計(jì)算機(jī)的研制成功，以及快速傅立葉變換算法的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用使得對(duì)圖像的某些計(jì)算得以世紀(jì)實(shí)現(xiàn)，人們從而逐步開(kāi)始利用及三級(jí)對(duì)圖像進(jìn)行加工利用。在 70 年代，圖像技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，而且第一本重要的圖像處理專(zhuān)著【 Rosenfeld 1976】也得以出版。在 80 年代，各種硬件的發(fā)展使得人們不僅能處理 2— D 圖像的系統(tǒng)研制成功，圖像技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入 90 年代，圖像技術(shù)已逐步涉及人類(lèi)生活和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面。以近年得到廣為宣傳和應(yīng)用的多媒體為例，圖像在其中占據(jù)了主要地位。廣義上來(lái)說(shuō)，文本，圖形，視頻等都需要借助圖像技術(shù)才能充分利用。展望即將到來(lái)的 21 世紀(jì)，圖像技術(shù)必將得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，從而改變?nèi)藗兊纳罘绞揭约吧鐣?huì)結(jié)構(gòu) 。 圖像 輪廓的基本概念 在 圖像 處理，輪廓（ contour）不僅僅 是從物體 圖像 中得到目標(biāo)物體的外形輪廓 ，還應(yīng)該包括描繪 圖像 特征的線要素，這些線要素就相當(dāng)于素描畫(huà)中的線條。當(dāng)然 ，除了線條以外，顏色以及亮度也是 圖像 的重要因素，但是日常所見(jiàn)到的說(shuō)明圖 、 圖表 、 插圖 、 肖像畫(huà) 、連環(huán)畫(huà)等，很多是通過(guò)描繪物體的輪廓線來(lái)表現(xiàn)的，盡管有些單調(diào)，我們還是能夠非常清楚地明白 圖像 的內(nèi)容。這似乎有點(diǎn)不可思議，簡(jiǎn)單的邊緣線就能讓人們理解所要表述的物體。對(duì)于 圖像 處理來(lái)說(shuō)，輪廓跟蹤也是重要的基本操作之一。利用所提取的輪廓可以識(shí)別出特定的物體，測(cè)量物體的面積及周廠，求兩幅圖對(duì)應(yīng)點(diǎn)等。所以輪廓跟蹤處理是復(fù)雜的圖像 識(shí)別， 圖像 理解 ， 圖像 的特性提取 的關(guān)鍵。 輪廓跟蹤的 研究目的及意義 目標(biāo)物體的輪 廓對(duì)圖像識(shí)別和計(jì) 算機(jī)分析十分有用。輪廓能勾畫(huà)出目標(biāo)物體，使觀察者 一目了然；輪廓包含了豐富的內(nèi)在信息（如方向，階躍性質(zhì)，形狀等），是圖像識(shí)別中抽取圖像特征的重要屬性。從本質(zhì)上說(shuō)，圖像輪廓是圖像局部特性不連續(xù)性（灰度突變， 8 顏色突變等）的反映，它表示著一個(gè)區(qū)域的終結(jié)和另一個(gè)區(qū)域的開(kāi)始。輪廓 跟蹤是邊界分割中非常重要的一種處理，同時(shí)也是圖像處理的經(jīng)典難題 輪廓跟蹤的目的就是獲得圖像的外部輪廓特征。 在模式識(shí)別領(lǐng)域， 圖像 的形狀特性是特征提取的重要指標(biāo)，很多情況下，只有知道了 圖像 的形狀特征才能定量地對(duì) 圖像 做進(jìn)一步分析。而邊界輪廓的確定又 是研究形狀特征的前提，也是計(jì)算機(jī)對(duì) 圖像 自動(dòng)識(shí)別的前提，它對(duì)特征描述，識(shí)別和理解等高層次的處理有著重大的影響。 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而 圖像輪廓企圖通常是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)。 由于二值 圖像 具有存儲(chǔ)效率高，適應(yīng)面廣等特點(diǎn)，在激光切割加工，掃描工程圖及矢量漢字等方面，具有相當(dāng)普遍的使用價(jià)值，而提取二值 圖像的輪廓矢量是 圖像 處理的一項(xiàng)基本內(nèi)容， 它是保證測(cè)量精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 其過(guò)程一般為提取輪廓點(diǎn)陣，輪廓跟蹤和輪廓矢量逼近，其中輪廓跟蹤又可分為起始輪廓點(diǎn)的選擇，區(qū)域輪廓的自封閉跟蹤 以及記錄輪廓鏈碼等三個(gè)步驟 。 數(shù)字 圖像 的輪廓跟蹤是 圖像 分割，目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別，區(qū)域形狀提取等 圖像 分析領(lǐng)域十分中重要的基礎(chǔ)。 圖像 理解和分析的第一步往往就是邊緣檢測(cè)和跟蹤，目前它以成為機(jī)器視覺(jué)研究領(lǐng)域最活躍的課題之一，在工程應(yīng)用中占有十分重要的地位 。 論文主要工作 第一階段： 認(rèn)真查閱圖像輪廓技術(shù)以及圖像處理方面的文獻(xiàn)和書(shū)籍， 對(duì)什么是圖像輪廓跟蹤，怎么實(shí)現(xiàn)圖像輪