第1章緒論

人類已邁入21世紀(jì)，伴隨科技的日新月異，對信息處理與交互的需求急劇增長。圖像作為人類視覺感知世界的基石，在獲取、表達及傳遞信息中扮演著不可或缺的角色。因此，數(shù)字圖像處理技術(shù)迅速崛起，成為橫跨信息科學(xué)、計算機科學(xué)、工程科學(xué)、生物科學(xué)及地球科學(xué)等眾多領(lǐng)域的研究焦點。本章旨在通過探討數(shù)字圖像處理的基本概念、核心特點、實施步驟以及廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域，以期為讀者構(gòu)建一個全面而系統(tǒng)的知識體系框架，促進對數(shù)字圖像處理技術(shù)的深入理解與實際應(yīng)用。1.1概述

數(shù)字圖像處理與眾多學(xué)科緊密相關(guān)，近年來隨著對圖像處理要求的不斷提高，圖像處理涉及的知識面以及領(lǐng)域越來越廣泛，已經(jīng)從可見光譜擴展到紅外、紫外等非可見光譜，從靜止圖像發(fā)展到視頻圖像，從物體的外部延伸到物體的內(nèi)部，以及人工智能圖像處理方法等，未來與數(shù)字圖像處理相關(guān)的理論和算法還會隨著技術(shù)的進步得到不斷地發(fā)展。1.1.1數(shù)字圖像

數(shù)字圖像即經(jīng)過離散化后計算機能夠辨識并處理的點陣圖像。嚴(yán)格的數(shù)字圖像是一個經(jīng)過等距離矩形網(wǎng)格采樣，對幅度進行等間隔量化的二維函數(shù)。因此，數(shù)字圖像實際上就是被量化的二維采樣數(shù)組。1．?dāng)?shù)字圖像的常用術(shù)語（1）像素（Pixel）：構(gòu)成數(shù)字圖像的最小單位，它是圖像采樣的網(wǎng)格單位，以矩陣的方式排列。（2）灰度級（Graylevel）：又稱灰階，指在黑白圖像中黑與白之間共包含多少個灰度級別。通常像素灰度級用8bit表示，黑白圖像包含有256（28=256）個灰度級。（3）分辨率（Resolution）：指圖像中存儲的信息量，如果圖像的長度為1600個像素，圖像的寬度為1200個像素，則該圖像的分辨率為1600×1200像素。（4）PPI（PixelsPerInch）：指在圖像中，每英寸所包含的像素數(shù)目，因此，它也是圖像分辨率的單位，表示每英寸圖像內(nèi)有多少個像素點。（5）DPI（DotsPerInch）：是打印分辨率，指打印設(shè)備每英寸所能打印的像素點數(shù)，表示打印精度。2．?dāng)?shù)字圖像的表示在計算機中，以矩陣的形式表示圖像既直觀又利于圖像處理運算。因此，一幅行數(shù)為,列數(shù)為的圖像，可以表示成大小為的矩陣F的形式：

式（1-1-1）中，x和y表示圖像垂直（寬度）方向和水平（長度）方向的坐標(biāo)。其中，表示位于x行和y列像素的灰度值。1.1.2數(shù)字圖像處理

數(shù)字化后的圖像可以看成是存儲在計算機中的有序數(shù)據(jù)，可以很方便地通過計算機對其進行處理。對于輸入的數(shù)字圖像，利用計算機對其進行去噪、增強、復(fù)原、分割、提取特征、融合等操作的過程稱為數(shù)字圖像處理。數(shù)字圖像處理可以簡單概括為以下兩大類操作：1．從圖像到圖像的處理

這類處理是以改善圖像的視覺效果為目標(biāo)，對一幅視覺效果欠佳的圖像進行處理，以獲得更好視覺效果的圖像。譬如，受霧、霾等惡劣天氣條件影響的圖像，這些天氣現(xiàn)象中懸浮的微粒嚴(yán)重干擾了光線的傳播，導(dǎo)致成像設(shè)備捕獲的圖像出現(xiàn)細(xì)節(jié)模糊、對比度降低等問題，不僅削弱了圖像的直觀感受，還極大阻礙了圖像特征的有效提取。對于依賴圖像信息的戶外監(jiān)控系統(tǒng)而言，這一挑戰(zhàn)尤為嚴(yán)峻，可能直接導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，引發(fā)安全隱患。圖像去霧算法作為一種關(guān)鍵的圖像增強技術(shù)，經(jīng)過去霧處理后的圖像，不僅視覺效果得到顯著提升，變得更為清晰明亮，而且其圖像特征也變得更加鮮明，為后續(xù)的分析與識別工作奠定了堅實基礎(chǔ)。2．從圖像到非圖像的表示

這類處理通常又稱為圖像分析，其目的就是自動地從數(shù)字圖像中提取信息，并將這些信息以特征或特征變換的形式表示，用于圖像中目標(biāo)的檢測、跟蹤、識別、視頻分析等。譬如，隨著計算機科學(xué)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的雙重飛躍，醫(yī)學(xué)影像已躍升為醫(yī)生病情分析與診斷的核心工具。在此背景下，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在海量醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)中自動捕捉并提煉出深層次的抽象特征，極大地提升了病灶檢測的速度與精準(zhǔn)度。當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用于肺結(jié)節(jié)篩查、乳腺癌檢測等多種臨床場景，為患者帶來更加高效、準(zhǔn)確的醫(yī)療服務(wù)。1.2數(shù)字圖像處理的特點隨著人工智能與深度學(xué)習(xí)，數(shù)字圖像處理正走向智能化，實現(xiàn)自動化處理，如深度學(xué)習(xí)驅(qū)動的圖像識別和自動駕駛。高精度、高效率01圖像處理因像素間的高度相關(guān)性，具有極大的信息壓縮潛力。圖像壓縮潛力大圖像質(zhì)量評價主要依賴人的主觀觀察，但人的視覺受多種因素影響，導(dǎo)致評價主觀性高。質(zhì)量評價受主觀影響0506020304智能化數(shù)字圖像處理技術(shù)在硬件升級和算法優(yōu)化下，實現(xiàn)了高精度的圖像分析和批量處理，大幅提升效率。適用領(lǐng)域廣泛多種信息源、不同客觀尺度的圖像，從微觀到天文，皆可適用。融合多種技術(shù)數(shù)字圖像處理整合傳感、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用的多元化和廣泛化。1.3數(shù)字圖像處理的步驟圖像信息的獲取多種方法可獲取數(shù)字圖像，如數(shù)碼設(shè)備拍攝、掃描儀轉(zhuǎn)換，新興技術(shù)如智能手機應(yīng)用、無人機拍攝和3D掃描等，提供了多樣化的獲取途徑和豐富表現(xiàn)形式。圖像信息的存儲計算機存儲圖像信息分永久性存儲和暫時性存儲。長期保存的圖像需壓縮后存外存儲器；處理過程中需頻繁使用的圖像存內(nèi)存中以提高速度。圖像信息的處理計算機或數(shù)字系統(tǒng)通過圖像處理、分析和識別，改善圖像、提取特征并實現(xiàn)目標(biāo)的識別分類。1.3數(shù)字圖像處理的步驟圖像信息的傳輸隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，圖像信息的傳輸變得日益重要。圖像信息傳輸面臨的主要挑戰(zhàn)是傳輸信道有限與數(shù)據(jù)量龐大的矛盾。為解決這一問題，一方面需要提升傳輸信道的速率，另一方面要對圖像信息進行壓縮編碼以減少數(shù)據(jù)量。5G技術(shù)的出現(xiàn)，以其高速率、低延遲和大連接數(shù)的特點，為圖像信息的快速傳輸提供了強大支持。同時，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進，如從H.264/AVC到H.266/VVC，也極大地提高了圖像壓縮效率和傳輸質(zhì)量，支持了更廣泛和更高質(zhì)量的視頻類型傳輸。圖像的輸出和顯示圖像的輸出與顯示是一個集成了硬拷貝與軟拷貝多種方式的綜合過程。它們共同作用于圖像信息的傳遞與表達，通過不同的可視化手段滿足不同用戶、不同場景下的需求。未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，圖像的輸出與顯示方式也將持續(xù)進化，為用戶帶來更加豐富、便捷、高效的視覺體驗。1.4數(shù)字圖像處理的應(yīng)用3G、4G技術(shù)推動通信發(fā)展，5G技術(shù)成熟并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、工業(yè)等領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理技術(shù)則在自動化、物流等行業(yè)中實現(xiàn)重要應(yīng)用。通信和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)助力醫(yī)學(xué)影像3D重構(gòu)與分析，提升疾病診斷精度，推動醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用天問一號成功著陸火星，火星車傳回圖像，展示地表特征，標(biāo)志我國首次火星探測取得重要進展。遙感航空領(lǐng)域的應(yīng)用1.4數(shù)字圖像處理的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于娛樂、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域，如“虛擬病人”訓(xùn)練，提升實習(xí)醫(yī)生的診療能力，具有巨