【正文】 , ( , ) T( , )0 , ( , )f x yg x yf x y T??? ???第 3 章 閾值分割 圖像閾值分割是一種廣泛應(yīng)用的分割技術(shù)，利用圖像中要提取的目標(biāo) 與其背景在灰度特性上的差異，把圖像看作具有不同灰度級(jí)的兩類(lèi)區(qū)域 (目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域 )的組合，選取一個(gè)比較合理的閾值，以確定圖像中每個(gè)像素點(diǎn)應(yīng)該屬于目標(biāo)還是背景區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的二值圖像。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的，用戶(hù)可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫(xiě)代碼。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶(hù)界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶(hù)也可以得到滿(mǎn)足。新版本的 MATLAB 對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等）， MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是 MATLAB 能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。新版本的 MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的 C++語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與 C++語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。 編程語(yǔ)言： Matlab 是一個(gè)高級(jí)的矩陣 /陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。而且新版本的 MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢(xún)、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶(hù)的使用。包括 MATLAB 桌面和命令 窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶(hù)瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。 編程環(huán)境 ： MATLAB 由一系列工具組成。 MATLAB 軟件 MATLAB 是由美國(guó) mathworks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。另一方面，計(jì)算機(jī)視覺(jué)是模仿人的視覺(jué)，人的感知機(jī)理必然影響著計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究。 (5)受人的因素影 響較大 :數(shù)字圖像處理后的圖像一般是給人觀察和評(píng)價(jià)的，因此受人的因素影響較大。因此，要分析和理解三維景物必須作合適的假定或附加新的測(cè)量，例如雙目圖像或多視點(diǎn)圖像。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。在圖像畫(huà)面上，蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 8 經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。所以在成像、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本亦高，這就對(duì)頻帶壓縮技術(shù)提出了更高的要求。與語(yǔ)言信息相比，占用的頻帶要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量等要求較高。 基本特點(diǎn) (1)處理信息量很大 ： 數(shù)字圖像處理的信息大多是二維信息，處理信息量很大。 （ 9）電子商務(wù) ： 在當(dāng)前呼聲甚高的電子商務(wù)中，圖像處理技術(shù)也大有可為，如身份認(rèn)證、產(chǎn)品防偽、 水印技術(shù) 等。機(jī)器視覺(jué)主要用于軍事偵察、危險(xiǎn)環(huán)境的 自主機(jī)器人，郵政、醫(yī)院和家庭服務(wù)的智能機(jī)器人，裝配線工件識(shí)別、定位，太空機(jī)器人的自動(dòng)操作等。 （ 6） 文化藝術(shù)方面 ： 目前這類(lèi)應(yīng)用有 電視畫(huà)面的 數(shù)字編輯，動(dòng)畫(huà)的制作，電子圖像游戲，蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 7 紡織工藝品設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)與制作， 發(fā)型設(shè)計(jì)， 文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)， 運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作，分析和評(píng)分等等，現(xiàn)在已逐漸形成一門(mén)新的藝術(shù) 計(jì)算機(jī)美術(shù)。 （ 5） 軍事公安方面 ： 在軍事方面圖像處理和識(shí)別主要用于導(dǎo)彈的精確末制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲(chǔ)和顯示的軍事自動(dòng)化指揮系統(tǒng)，飛機(jī)、坦克和軍艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)等； 公安業(yè)務(wù) 圖片的判讀分析，指紋識(shí)別，人臉鑒別，不 完整圖片的復(fù)原，以及交通監(jiān)控、事故分析等。 （ 4） 工業(yè)和工程方面 ： 在工業(yè)和工程領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)裝配線中檢測(cè)零件的質(zhì)量、并對(duì)零件進(jìn)行分類(lèi)，印刷電路板疵病檢查，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，郵政信件的自動(dòng)分揀，在一些有毒、放射性環(huán)境內(nèi)識(shí)別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺(jué)等等。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。其中 以圖像通信 最為復(fù)雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號(hào)的速率達(dá)100Mbit/s 以上。 （ 3） 通信工程方面 ： 當(dāng)前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信。除了上面介紹的 CT 技術(shù)之外，還有一類(lèi)是對(duì)醫(yī)用顯微圖像的處理分析，如紅細(xì)胞、白細(xì)胞分類(lèi)，染色體分析，癌細(xì)胞識(shí)別等。在氣象預(yù)報(bào)和對(duì)太空其它星球研 究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當(dāng)大的作用?，F(xiàn)在世界各國(guó)都在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進(jìn)行資源調(diào)查（如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等），災(zāi)害檢測(cè)（如 病蟲(chóng)害檢測(cè) 、水火檢測(cè)、環(huán)境污染檢測(cè)等），資源勘察（如石油勘查、礦產(chǎn)量探測(cè)、大型工程地理位置勘探分析等），農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤營(yíng)養(yǎng)、水份和農(nóng)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量的估算等），城市規(guī)劃（如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水源及環(huán)境分析等）。這些圖像在空中先處理（數(shù)字化，編碼）成數(shù)字信號(hào)存入磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地面站上空時(shí)，再高速傳送下來(lái)，然后由處 理中心分析判讀。因此，以如此昂貴的代價(jià)進(jìn)行簡(jiǎn)單直觀的判讀來(lái)獲取圖像是不合算的，而必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。對(duì)由此得來(lái)的照片進(jìn)行處理分析，以前需要雇用幾千人，而現(xiàn)在改用配備有高級(jí)計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)來(lái)判讀分析，既節(jié)省人力，又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報(bào)。 應(yīng)用 領(lǐng)域 （ 1）航天和航空方面 ： 航天和 航空技術(shù)方面的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了 JPL 對(duì)月球、火星照片的處理之外，另一方面的應(yīng)用是在飛機(jī)遙感和 衛(wèi)星遙感技術(shù)中 。 （ 6） 圖像分類(lèi)（識(shí)別）：圖像分類(lèi)（識(shí)別）屬于模式識(shí)別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過(guò)某些預(yù)處理（增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮）后，進(jìn)行圖像分割和特征提取，從而進(jìn)行判決分類(lèi)。對(duì)于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。 （ 5） 圖像描述：圖像描述是圖像識(shí)別和理解的必要前提。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒(méi)有一種普遍適用于各種圖像的有效方法 [5]。 （ 4） 圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。如強(qiáng)化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯；如強(qiáng)化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。 （ 3） 圖像增強(qiáng)和復(fù)原：圖像增強(qiáng)和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 5 高圖像的清晰度等。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行。目前新興研究的小波變換在時(shí)域和頻域中都具有良好的局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應(yīng)用。 常用方法 數(shù)字圖 像處理常用方法有以下幾個(gè)方面： （ 1） 圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進(jìn)行處理，涉及計(jì)算量很大。 （ 3）圖像數(shù)據(jù)的變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。提取特征或信息的過(guò)程是 模式識(shí)別 或計(jì)算機(jī)視覺(jué)的預(yù)處理。 主要目的 一般來(lái)講，對(duì)圖像進(jìn)行處理（或加工、分析）的主要目的有三個(gè)方面： （ 1）提高圖像的視感質(zhì)量，如進(jìn)行圖像的亮度、彩色變換，增強(qiáng)、抑制某 些成分，對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等，以改善圖像的質(zhì)量。其中代表性的成果是 70 年代末 MIT 的 Marr 提出的視覺(jué)計(jì)算理論，這個(gè)理論成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)思想。人們已開(kāi)始研究如何 用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 解釋圖像，實(shí)現(xiàn) 類(lèi)似人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng) 理解外部世界，這被稱(chēng)為圖像理解 或計(jì)算機(jī)視覺(jué) 。與此同時(shí)，圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開(kāi)拓性成就，屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、 生物醫(yī)學(xué)工程 、 工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人視覺(jué)、公安司法、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等，使圖像處理成為一門(mén)引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。 1975 年 EMI 公司又成功研制出全身用的 CT 裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。 1972 年英國(guó) EMI 公司工程師 Housfield 發(fā)明了用于頭顱診斷的 X 射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，也就是我們通常所說(shuō)的 CT（ Computer Tomograph）。在以后的宇航空間技術(shù)，如 對(duì)火星 、土星等星球的探測(cè)研究中， 都 發(fā)揮了巨大的作用。他們對(duì)航天探測(cè)器徘徊者 7 號(hào)在 1964 年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌褂昧藞D像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進(jìn)行處理，并考慮了太陽(yáng)位置和月球環(huán)境的影響，由計(jì)算機(jī)成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。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，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。數(shù)字圖像處理作為一門(mén)學(xué)科大約形成于 20世紀(jì) 60 年代初期。 數(shù)字圖像處理又稱(chēng)為 計(jì)算機(jī)圖像 處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受三個(gè)因素的影響：一是計(jì)算機(jī)的發(fā)展；二是數(shù)學(xué)的發(fā)展（特 別是 離散數(shù)學(xué)理論 的創(chuàng)立和完善） 。通常，它 是利用圖像的灰度直方圖的分布特征 ,找出灰度直方圖分布的兩波峰之間的波谷，選定恰當(dāng)?shù)拈撝祵D像分割開(kāi)，然而這種分割方法依賴(lài)于圖像灰度的分布，對(duì)灰度分布不呈雙峰特征或復(fù)雜背景的圖像 ,這種方法往往會(huì)造成錯(cuò)誤，并且有些細(xì)節(jié)不能很好的顯示出來(lái) ，應(yīng)用較窄 。 數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)是圖像分割，圖像分割同時(shí)也是進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和人工智能的橋梁，長(zhǎng)期以來(lái)圖像分割一直都是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典難題。圖像分割的應(yīng)用非常廣泛，幾乎出現(xiàn)在關(guān)于圖像處理的所有領(lǐng)域。所使用的教學(xué)工具 和實(shí)驗(yàn)手段也是不斷的擴(kuò)展，從時(shí)域信號(hào)到頻域信號(hào)處理，近來(lái)小波變換也 被應(yīng)用到圖像分割中 。一類(lèi)是邊界方法，這種方蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 2 法的假設(shè)是圖像分割結(jié)果的某個(gè)子區(qū)域在原來(lái)的圖像中一定會(huì)有邊緣存在；一類(lèi)是區(qū)域方法，這種方法的假設(shè)是圖像分割結(jié)果的子區(qū)域一定會(huì)有相同的性質(zhì)，而不同區(qū)域的像素沒(méi)有共同的性質(zhì) [3]。 雖然這些分割方法不適合所有類(lèi)型的圖像分割，但是這些方法卻是圖像分割方法進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ) 。分割結(jié)果的好壞，目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，分割的好壞必須從分割的效果和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)判斷。到目前為止，還沒(méi)有一種分割方法，可以使按照人們的意愿準(zhǔn)確無(wú)誤的分割任何一種圖像。