數(shù)字圖像處理

安玉磊人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取的。數(shù)字圖象處理是用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理所獲取視覺信息的技術(shù)。第一章

緒論一、數(shù)字圖像處理的發(fā)展概況及應(yīng)用發(fā)展：上世紀(jì)20年代Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)（紐約和倫敦之間海底電纜）傳輸一幅圖片所需的時(shí)間由一周多減少到小于3個(gè)小時(shí)；上世紀(jì)50年代，計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理才真正地引起人們的巨大興趣；1964年，數(shù)字圖像處理有效地應(yīng)用于美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（J.P.L）對(duì)“徘徊者七號(hào)”太空船發(fā)回的大批月球照片的處理；隨后幾年，繼續(xù)用于空間研究計(jì)劃；同時(shí)，在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、軍事上得到應(yīng)用；直到上世紀(jì)六十年代末至七十年代初，由于離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，使之形成了比較完整的理論體系，成為一門新興的學(xué)科。二十世紀(jì)八十年代以來：數(shù)字圖象處理向更高級(jí)的方向發(fā)展：實(shí)時(shí)性，智能化，普及化，網(wǎng)絡(luò)化，低成本。目前，就處理方法而言主要將小波、及模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算子、分形等智能信息處理技術(shù)運(yùn)用于數(shù)字圖像處理，使得其更具活力，并在不斷地發(fā)展。1.2

數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用與趨勢1.2.1數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用1.2.2數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢1.2.1數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用遙感圖像應(yīng)用：資源調(diào)查、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)林業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用:計(jì)算機(jī)斷層攝影計(jì)算成像CT技術(shù)、X射線、染色體分析等工業(yè)和實(shí)驗(yàn)圖像應(yīng)用:無損探傷、自動(dòng)檢查和識(shí)別、智能機(jī)器人等1.2

數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用與趨勢1.2.1數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用辦公室自動(dòng)化圖像應(yīng)用：郵政編碼圖像識(shí)別、OCR（字符識(shí)別系統(tǒng)）、自動(dòng)判卷系統(tǒng)、各類圖紙自動(dòng)識(shí)別與錄入系統(tǒng)等軍事公安圖像應(yīng)用：自動(dòng)跟蹤技術(shù)、指紋識(shí)別、不完整圖片的復(fù)原、監(jiān)控等文化藝術(shù)圖像應(yīng)用：服裝設(shè)計(jì)、照片的復(fù)制和修復(fù)、運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作分析等圖像數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用：圖像的存儲(chǔ)、刻盤、互聯(lián)網(wǎng)傳輸，以及其它衛(wèi)星傳輸、無線傳輸?shù)葦?shù)字圖像輸入輸出設(shè)備從低分辨率向高分辨率發(fā)展從二維（2D）向三維（3D）發(fā)展從靜止圖像向動(dòng)態(tài)圖像發(fā)展從單態(tài)圖像向多態(tài)圖像發(fā)展結(jié)合應(yīng)用數(shù)學(xué)新進(jìn)展1.2.2數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢1.3

工程應(yīng)用簡介1.3.1遙感圖像處理1.3.2工業(yè)與實(shí)驗(yàn)圖像處理1.3.3醫(yī)學(xué)圖像處理1.3.4辦公圖像處理1.3.5公安圖像處理1.3.6影視圖像處理1.3.1

遙感圖像處理軍事偵察： 戰(zhàn)略目標(biāo)定位、多光譜去偽裝導(dǎo)彈末制導(dǎo)： 紅外、雷達(dá)圖像處理農(nóng)作物估產(chǎn)： 多光譜圖像分析地質(zhì)研究： 宏觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)、探礦災(zāi)情估計(jì)： 紅外圖像統(tǒng)計(jì)氣象云圖： 圖像幾何處理與拼接遙感圖像增強(qiáng)前后的

遙感圖像高分辨率遙感圖像1高分辨率遙感圖像2香港新機(jī)場遙感圖像航片地表覆蓋遙感應(yīng)用一例1.3.2工業(yè)與實(shí)驗(yàn)圖像處理自動(dòng)裝配生產(chǎn)線：實(shí)時(shí)圖像處理機(jī)器人視覺：立體圖像對(duì)處理無損探傷： 高能X射線探測金屬內(nèi)部車輛牌照識(shí)別： 交通管制流動(dòng)顯示與測速：PIV粒子圖像測速識(shí)別棉花中的雜質(zhì)車牌識(shí)別工件裂紋檢測1.3.3醫(yī)學(xué)圖像處理病理圖像分析： 顯微圖像、染色體圖像X射線圖像處理： X射線透視和照片增強(qiáng)超聲圖像處理： 黑白超和彩超、動(dòng)態(tài)CT圖像重建： 斷層圖像計(jì)算X光圖像增強(qiáng)CT切片圖像CT邊緣提取B超圖像染色體1.3.4辦公圖像處理郵政編碼識(shí)別： 手寫數(shù)字圖像處理識(shí)別印刷體文字識(shí)別： OCR

文字圖像識(shí)別機(jī)械圖樣自動(dòng)錄入： 線條跟蹤、擬合1.3.5公安圖像處理指紋圖像處理： 刑偵、司法鑒定、自動(dòng)門衛(wèi)槍紋圖像處理： 刑偵、司法鑒定面孔圖像處理： 自動(dòng)門衛(wèi)印章比對(duì)： 司法鑒定、銀行支票筆跡比對(duì)： 刑偵、司法鑒定指紋識(shí)別1.3.6影視圖像處理照片去模糊處理：焦距模糊、運(yùn)動(dòng)模糊綠幕剪影： 圖像合成變臉特技： 幀間插值處理靜止圖像壓縮： JPEG標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)傳輸動(dòng)態(tài)圖像壓縮： MPEG標(biāo)準(zhǔn)、VCD和DVD數(shù)字電影院： 未來電影技術(shù)由黑白圖像轉(zhuǎn)換的偽彩色圖像以通過遙感圖像處理分析為例，可涉及圖像處理的主要技術(shù)數(shù)據(jù)壓縮和轉(zhuǎn)換技術(shù)

通過數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，減少數(shù)據(jù)載體空間，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同星系遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的一體化。圖像校正

在理想情況下，衛(wèi)星圖像上的像素值只依賴于進(jìn)入傳感器的輻射強(qiáng)度；而輻射強(qiáng)度又只與太陽照射到地面的輻射強(qiáng)度和地物的輻射特性（反射率和發(fā)射率）有關(guān)，使圖像上灰度值的差異直接反映了地物目標(biāo)光譜輻射特性的差異，從而區(qū)分地物目標(biāo)。而實(shí)際上，由于大氣層的存在，也由于傳感器內(nèi)探測器性能的差異，使得進(jìn)入傳感器的輻射發(fā)生畸變，引起圖形模糊，對(duì)比度下降等。另一方面，由于衛(wèi)星飛行時(shí)姿態(tài)變化及地球形狀等因素影響，圖像中地物目標(biāo)的幾何位置也會(huì)發(fā)生畸變。為了使圖像更好地滿足使用要求，必須盡可能地通過處理消除畸變，恢復(fù)圖像的本來面目。

要用到的主要圖像處理技術(shù)：圖像增強(qiáng)處理、圖像分割技術(shù)（區(qū)域、邊緣提取）、圖像特征提取、圖像描述等。自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)（AutomaticTargetRecognition－簡稱ATR）實(shí)時(shí)光學(xué)圖像相關(guān)識(shí)別系統(tǒng)的核心技術(shù)是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。由于ATR技術(shù)在軍事上是導(dǎo)彈精確制導(dǎo)和武器防御系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是武器智能化程度的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，也代表著一個(gè)國家的國防高科技的水平。以軍事應(yīng)用為例

可能涉及圖像處理的主要技術(shù)因此，從20世紀(jì)60年代開始，美、英、俄、法等國家已投入大量人力、物力和財(cái)力開展ATR的理論研究和實(shí)際應(yīng)用推廣，并取得顯著成果，美國在中東戰(zhàn)爭中的精確武器打擊是最典型的成功范例。當(dāng)前精確制導(dǎo)武器所取得的成果還是有限的，最主要的問題是目前主要還是依靠人在導(dǎo)彈發(fā)射前發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后人工鎖定首幀目標(biāo)圖像進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，而不能實(shí)現(xiàn)不需人工參與的由導(dǎo)彈自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，做不到“打了不管”。特別是在復(fù)雜背景下，機(jī)器如何像人一樣自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，目前是相當(dāng)困難的。雖然從20世紀(jì)70年代開始人工智能、智能信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺的理論研究取得了重大的進(jìn)展，但是由于ATR領(lǐng)域中研究的背景和對(duì)象的復(fù)雜性和多樣性，特別是在實(shí)際環(huán)境中，背景與目標(biāo)不僅有很大的動(dòng)態(tài)變化范圍，而且它們以未知的方式變化。目前的ATR的研究都是在一定假設(shè)條件下建立的，一旦這些假設(shè)條件不成立或不再完全成立時(shí)，其ATR系統(tǒng)就不再有效。另外，目前國內(nèi)外研究的很多ATR方法和算法，除了存在很大的局限性外，在實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)方面還有很大的距離。因此，當(dāng)前國外發(fā)達(dá)國家鑒于精確制導(dǎo)武器在未來戰(zhàn)爭中的重要地位，還在投入大量人力財(cái)力開展ATR研究，如美國國防部已將ATR技術(shù)列為二十一世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我國從二十世紀(jì)七十年代以來對(duì)ATR技術(shù)研究也投入較大的人力財(cái)力。國防科工委、航天部、電子工業(yè)部等很多研究所以及國內(nèi)重點(diǎn)高校如國防科大、哈工大、北理工、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)等都在開展此項(xiàng)研究，取得不少重要研究成果。但總的來看還是處于理論方法和算法的研究，所研制的ATR系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，其性能還有待提高，離真正實(shí)戰(zhàn)的要求還有較大的距離。涉及圖像處理的主要技術(shù)圖像分割：雖然國內(nèi)外學(xué)者已提出很多種圖像分割算法，但由于背景的多變性和復(fù)雜性，至今為止還沒有一種能適用于各種背景的圖像分割算法。當(dāng)前提出的小波分析、模糊集、分形等新的智能信息處理方法有可能找到新的圖像分割方法。

特征提?。河?jì)算描述目標(biāo)的特征，如目標(biāo)的幾何形狀特征、統(tǒng)計(jì)特征、矩特征、紋理特征等

圖像識(shí)別：統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別、模糊模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等

圖像跟蹤

數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容圖像增強(qiáng)

數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容圖像復(fù)原二、圖像與數(shù)字圖像1、“圖”與“像”的定義：“圖”是物體透射或反射光的分布；“像”是人的視覺系統(tǒng)對(duì)圖的接收在大腦中形成的印象或認(rèn)識(shí)。2、模擬圖像的表示（物理圖像，人眼能看到的圖像）?圖像處理

圖像處理（imageprocessing）就是對(duì)圖像信息進(jìn)行加工處理和分析，以滿足人的視覺心理需要和實(shí)際應(yīng)用或某種目的（如壓縮編碼或機(jī)器識(shí)別）的要求。圖像處理可分為以下3類：▓模擬圖像處理（analogueimage