【正文】 gy meaning and development background。 The third chapter basically tells the digital image processing technology characteristics, advantages and dealing with pictures processing。 The fifth chapter summarizes the digital image processing technology in the fields facing the main challenges and the future development direction. 【 key words 】 : image pression ； image segmentation ； image enhancement and recovery ； wavelet transform ； image restoration 1． 引 言 數(shù)字圖象處理的 起源 圖像 的應(yīng)用已 有數(shù)千年 歷史 。 17世紀(jì) 出現(xiàn)顯微 鏡圖 ，在醫(yī)學(xué) 上有很大的 貢獻(xiàn) 。 1858年出 現(xiàn)的黑白 照片和 1924年制 出的彩色 照片，對人類文 化、藝 術(shù)和生活 帶來很大 影響。 數(shù) 字圖像處 理的早 期 應(yīng) 用 是對宇 宙飛船發(fā) 回的圖像 所進(jìn)行的各 種處理。數(shù) 字圖像處 理技術(shù)發(fā) 展速度快、應(yīng)用 范圍廣的 主要原因 有兩個。第二個原 因是由于視 覺是人類 感知外部 世界最重 要的手段 ，據(jù)統(tǒng) 計，在 人類獲取 的信息中 ，視覺 信息占 60％，而圖像正 是人類獲取 信息的主 要途徑 ，因此 ，和視覺 緊密相 關(guān) 的 數(shù) 字圖像 處理技術(shù) 的潛在應(yīng) 用范圍自然 十分廣闊 。 數(shù) 字 圖像 處 理技 術(shù) 從 廣義 上 可看作是 各種圖像 加工技術(shù) 的總稱。 數(shù)字圖像是 一個物體 的數(shù)字表 示。數(shù)字 圖像處理 是指利用 計算機(jī)或其 他數(shù)字設(shè) 備對圖像 信息進(jìn)行 各種加工 和處理，它是 一門新興的 應(yīng)用學(xué)科，其 發(fā)展速 度 異 常 迅速， 應(yīng)用領(lǐng)域 極為廣泛 目前 已廣泛地 應(yīng)用于科 學(xué)研究、 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 、生物醫(yī) 學(xué)工程、航空 航天、軍 事、工業(yè) 檢測、機(jī) 器人視覺、 公安司法 、軍事制 導(dǎo)、文化 藝術(shù)等 ,已成為一 門引人注目 、前景遠(yuǎn) 大的新型 學(xué)科 ,發(fā)揮 著越來 越大的作 用 .數(shù)字 圖像處 理取得的 另一個巨 大成就 是在醫(yī)學(xué) 上獲得 的 成果 ,1972 年 英國 EMI 公司 工程 師 Housfield 發(fā) 明 了用 于頭顱診 斷的 X射 線計算機(jī) 斷層攝影 裝置即 CT(Computer Tomograph) . 1975 年 EMI 公 司 又成 功研 制出 全 身用 的 CT裝置 ,獲得 了人 體 各個部位 鮮明清晰 的斷層圖 像 . 1979 年這項 無損傷診斷 技術(shù)獲得 了諾貝爾獎 ,說 明 它 對人 類 作出 了 劃 時代 的 貢獻(xiàn) .隨著 圖 像 處理 技 術(shù)的深入發(fā)展 . 從 70 年代 中期開始 ,隨著計算 機(jī)技術(shù)和人 工智能、思 維科學(xué)研究的 迅速發(fā)展 ,數(shù)字圖 像處理向更 高、更深 層次發(fā)展 . 人們已 開始研 究如何用 計算機(jī)系 統(tǒng)解釋 圖像 ,實 現(xiàn)類似人 類視覺 系統(tǒng)理解 外部 世界 . 很多 國家 ,特別 是發(fā)達(dá)國 家投入更 多的人力、物力到這 項研究 ,取得了不 少重要的 研究成果 . 其中代 表性的成果 是 70 年 代末MIT 的 Marr 提出的 視覺計算理 論 ,這個 理論成為計 算機(jī)視覺 領(lǐng)域其 后 多 年的 主 導(dǎo)思 想 . 圖 像 理解 雖 然在 理論 方 法研 究 上已 取 得不小 的進(jìn)展 ,但它本身 是一個比 較難的 研究領(lǐng)域 ,存在不 少困難 ,因人類 本身對 自 己的視覺 過程還 了解甚少 ,因此計 算機(jī)視 覺是一個 有待人 們 進(jìn) 一 步 探 索 的 新 領(lǐng) 域 . 正 因 為 如 此 ,圖 像 處 理 理 論 和 技 術(shù) 受到 各界的廣 泛重視 ,當(dāng)前圖 像處理面 臨的主要 任務(wù)是 研究新的 處理方法 ,構(gòu) 造新的 處理系統(tǒng) ,開拓更廣 泛的應(yīng)用 領(lǐng)域 . 數(shù)字圖象處理的意義 ： (1) 再現(xiàn)性好 . 數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于 ,它不會 因圖像的 存儲、 傳輸或復(fù) 制等一系 列變換 操作而導(dǎo) 致圖像 質(zhì) 量 的 退化 ,只要 圖 像在 數(shù) 字 化時 準(zhǔn) 確地 表 現(xiàn)了 原 稿 ,則 數(shù) 字圖像 處 理 過 程始終 能保持圖 像的再現(xiàn) . (2) 處 理精 度高 . 按目 前的技 術(shù) ,幾 乎可將 一幅 模擬圖 像數(shù)字化 為任意大 小的二維 數(shù)組 ,現(xiàn)代掃描 儀可以把 每個像 素的灰度 等級量化為 16 位甚 至更 高 ,這 意 味著 圖 像的 數(shù)字 化 精度 可 以達(dá) 到 滿足任 一 應(yīng) 用 需求 . (3) 適 用面 寬 . 圖 像可 以來自 多種信 息源 ,從圖 像反映 的客觀實體 尺度看 ,可以小到 電子顯微鏡 圖像 ,大 到航空照片 、遙感圖 像甚至 天 文 望遠(yuǎn) 鏡 圖像 . 這些 來 自不 同 信息 源的 圖 像只 要 被變 換 為數(shù)字 編 碼 形 式后 ,均是 用 二維 數(shù) 組 表示 的 灰度 圖 像組 合 而 成 ,因 而均可 用 計 算 機(jī)來處 理 . (4) 靈 活性 高 . 數(shù) 字圖 像處理 不僅能 完成 線性運 算 ,而 且能實現(xiàn) 非線性處 理 ,即凡 是可以 用數(shù)學(xué)公 式或邏輯 關(guān)系來 表達(dá)的一 切運算 均 可 用 數(shù)字圖 像處理實 現(xiàn) . 現(xiàn) 在 人 們 充分認(rèn) 識到數(shù)字 圖像處理 是認(rèn)識世界 ，改造世界的重要 手 段 。 數(shù)字圖像處 理是交叉 學(xué)科。其研 究的 領(lǐng)域博大 精深，應(yīng)用領(lǐng) 域十分廣 泛，每個領(lǐng)域都 可以讓人 安身立 命 一 輩 子。當(dāng)時就有了 數(shù)字圖像 的概念。其后 ，衛(wèi)星 遙感、軍事、氣 象等學(xué)科 的發(fā)展推 動了數(shù)字 圖像處理 技術(shù)的快 速發(fā)展。 數(shù)字 圖像處理 技術(shù)的迅 速發(fā)展為 人類帶來了 巨大的社 會經(jīng)濟(jì)效 益，從應(yīng) 用衛(wèi)星遙 感進(jìn)行的 全球環(huán)境 氣候監(jiān)測 ，到指紋識 別技術(shù)在 安全領(lǐng)域 的應(yīng)用， 數(shù)字圖像 處理技術(shù) 已經(jīng)融入到 科學(xué)研究 的各個領(lǐng) 域。 20 世紀(jì) 90 年代 ，隨著信息 社會的到 來，圖像 處理技術(shù) 進(jìn)入一個 更加迅猛 發(fā)展的階 段。 首 先，數(shù)字 圖像處 理技術(shù) 可以幫助 人們更 加客觀、 準(zhǔn)確地 認(rèn)識 世 界， 人的 視覺 系 統(tǒng)可 以幫 助人 類 從外 界獲 得 3／ 4 以上 的信息 ，而圖 像、圖 形又是所 有視覺信息 的載體 。 其 次 ， 數(shù) 字圖像 處理技術(shù) 可以拓寬 人類獲取信 息的視野范圍。然而，通過 數(shù)字圖像 處理技術(shù) 卻可以利 用紅外、微波等波段 的信息進(jìn) 行數(shù)字成 像，將不可見的 信息變?yōu)?可見信息 —— 圖像 。 此 外 ， 相 對模擬 圖像處理 來說，數(shù) 字圖像處理有精度高、再現(xiàn)性 好、通用性 、靈活性 高的優(yōu)點 。 1. 真 正 集 中了 最先進(jìn)軟 硬件數(shù)字 圖像處理 的應(yīng)用領(lǐng)域 是： 【軍 事】：首 先圖像數(shù) 據(jù)類型上 包含所有 的成像頻段 能獲取的 影像（如 無線電（雷達(dá) 成像）、紅 外、可見光、紫外、 X 線。千萬不要片 面地理 解圖像就 是可見光 成像，那是 人眼的局 限。目前已 投入運行的 高速公路 不停車 自 動 收 費系 統(tǒng) 中 的車 輛 和車 牌 的 自動 識 別 都是 圖 像處 理 技 術(shù)成功 應(yīng) 用 的 例子。它被廣 泛應(yīng)用于 土地測繪 、資 源 調(diào)查、氣象監(jiān)測 、環(huán)境污 染監(jiān)督、 農(nóng)作物估 產(chǎn)、軍事 偵察等領(lǐng) 域。 現(xiàn)在 主要在 飛 機(jī)遙感和 衛(wèi)星遙感 技術(shù) 方面 。對由此得來 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 級計算機(jī) 的圖像處 理系統(tǒng)來 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 。因 此，以如此 昂貴的代 價進(jìn)行簡 單直觀的 判讀來獲取 圖像是不 合算的，而必須采 用數(shù)字圖 像處理技 術(shù)。這些圖像 在空中先 處理（ 數(shù)字化，編碼 ）成數(shù)字 信號存入 磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng) 過地 面站 上空時，再高速 傳送下來，然后 由處理中 心分 析判 讀。現(xiàn)在世界各 國都在利用 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（如 病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染 檢測等），資源勘察（ 如石油勘 查、礦產(chǎn)量探 測、大型工 程地理位 置勘探分 析等），農(nóng) 業(yè)規(guī)劃（如 土壤營養(yǎng)、水 份和農(nóng)作 物生長、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 ）。在氣象 預(yù)報和對 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。具體地 講是將電 話、電視和計 算機(jī)以三網(wǎng) 合一的方 式在數(shù)字 通信網(wǎng)上 傳輸。要將這 樣高速率 的數(shù)據(jù)實 時傳送出 去，必須采用編碼技 術(shù)來壓縮 信息的比 特量。除了 已應(yīng)用較 廣泛的熵 編碼、 DPCM 編 碼、變換 編碼外 ，目前國 內(nèi)外正在 大力開發(fā) 研究新的 編碼方法，如分 行 編碼、自適應(yīng) 網(wǎng)絡(luò)編 碼 、小 波 變 換 圖像壓 縮編碼等 。其中 最突出的 臨床應(yīng)用 就是超聲、 核磁共振 、 CT技術(shù) 等。比如：事故多 發(fā) 路段的車速 檢測系統(tǒng) ，道路 收費站收 費系 統(tǒng)，以及 某路段的 汽車流量 信息統(tǒng)計 系統(tǒng)等等。 全 領(lǐng)域中應(yīng) 用 利用 圖像處理 的模式識 別等技術(shù) ，可以 應(yīng)用在監(jiān) 控、指紋識別、腳 印 識 別 ，運動 目標(biāo)的圖 像自動跟 蹤等。其中 值得一提 的是研制具 備視覺、聽覺 和觸覺功 能的智能 機(jī)器人，將會 給工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)帶來新 的激勵，目前 已在工 業(yè) 生 產(chǎn) 中的噴 漆、焊接 、裝配中 得到有效的 利用。圖像在 空中先處 理（數(shù) 字化編碼 ）成數(shù) 字信號存人 磁帶中 ，在衛(wèi)星 經(jīng)過地面 站上空時，再 高速傳送 下來，然后由處 理中心分 析判讀 ?，F(xiàn)在世界各 國都在利 用各類衛(wèi) 星所獲取 的圖像進(jìn) 行資源調(diào) 查、災(zāi) 害檢測 、資源勘 察、農(nóng) 業(yè)規(guī)劃 、城市 規(guī)劃。 數(shù) 字圖像處 理技術(shù) 在生物醫(yī) 學(xué)工程 方面的應(yīng) 用十分廣 泛 ，且 很有成 效。此外， 在 X 光肺 部圖像增 晰、 超聲 波圖像處 理、心電圖分 析、立體定向 放射治療等 醫(yī)學(xué)診斷 方面都 廣 泛 地 應(yīng)用圖 像處理技 術(shù)。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 信號的速 率達(dá) 100M/s 以上。在 一 定 意 義上講 ，編碼壓 縮是這些 技術(shù)成敗的 關(guān)鍵 [5]。其中值 得一提的 是研制具 備視覺、聽覺 和觸覺功能 的智能機(jī) 器人，將會給 工農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)帶來新 的面貌 ，目前已 在工業(yè)生 產(chǎn)中的噴 漆、焊接、裝 配 中 得 到有效 的利用。目前已投 入運行的 高速公 路 不 停 車自 動 收 費系 統(tǒng) 中的 車 輛 和車 牌 的 自動 識 別就 是 圖 像處理 技 術(shù) 成 功應(yīng)用 的例子。目 前正在形 成一門新的藝術(shù) —— 計算機(jī)美 術(shù)。 步驟及過程 數(shù)字圖像處理的一般 步驟 1. 圖 像 信 息的 獲取 ： 采用 圖像 掃 描 儀等 將 圖像 數(shù)字化。 像信 息的 處 理： 即 數(shù)字 圖像 處理 ， 它是 指用 數(shù)字 計算機(jī) 或 數(shù) 字 系 統(tǒng) 對數(shù)字圖 像進(jìn)行的各 種處理 傳輸 ：要解決 的主要問題 是傳輸信 道和數(shù)據(jù) 量 的矛 盾問題 ，一方 面要改善 傳輸信道 ，提高 傳 輸速率 ，另 外要 對傳 輸?shù)?圖 像信 息進(jìn) 行壓 縮 編碼 ，以 減少 描 述圖 像信 息的數(shù)據(jù)量。 由 于數(shù)字圖 像處理 的靈活性 和方便性 ,所以 數(shù)字圖像 處理已成為 圖 像 處 理 的 主 流 . 常 見 的 數(shù) 字 圖 像 處 理 有 :圖 像 的 采 集 、 數(shù) 字化、 編碼、增 強(qiáng)、恢復(fù) 、變換、 壓縮、存儲 、傳輸、 分析、識 別、分割等 . . 通 過 取 樣 和 量化 將 一 個以 自 然 形 式存 在 的 圖像 變 換 為適 合 計算 機(jī) 處 理 的數(shù) 字 形式 ,圖像 在 計 算機(jī) 內(nèi) 部被 表 示為 一 個 數(shù)字 矩 陣 ,矩 陣 中 每 一元素 稱為像素 . 原圖： 線 段 的 采 樣和量 化圖 . 編 碼 的 目 的是 壓 縮 圖像 的 信 息量 (但 圖像 質(zhì) 量幾 乎 不 變 ) ,以滿 足 傳 輸和 存 儲 的要 求 ,為此 ,可 以 采用 模 擬處 理 技術(shù) ,再通 過 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 得 到編 碼 ,不 過 多數(shù) 是 采 用數(shù) 字 編碼 技 術(shù) ,其 編 碼方 法 可以對 圖像逐點 進(jìn)行加工 ,也可 以對圖像 施加某種 變換或 基于區(qū)域 、特征進(jìn)行編碼 . 如 圖 所 示 為圖像 壓縮編碼 ： . 圖 像 增 強(qiáng) 目 的 是 使 圖 像 清 晰 或 將 其 轉(zhuǎn) 換 為 更 適 合 人 或 機(jī) 器分 析的形式 ,常用的 圖像增強(qiáng) 方法有 :灰度等 級直方圖 處理 。邊 緣 銳化 。 數(shù) 碼照相機(jī) 可以與計 算機(jī)連接，將 照片影像 輸入電腦 保存，這樣 不用擔(dān)心 相處時間 長了會變 色，而且 還