数字图像处理：第一章 绪论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字图像处理,第,1,章 绪论,教材,数字图像处理学,(,第二版）,阮秋琦 电子工业出版社,参考书,1、,Digital Image Processing,(Second Edition)，,R.C.Gonzalez，R.E.Woods。(,原版,),2、数字图像处理，,北京交大，阮秋琦译（中译本）。,3,、,Computer Image Processing and,Pattern Recognition，,E.L.Hall University of Tennessee。,4,、,图像处理学，,W.K.Pratt。,5、,数字图像处理,（,Digital Picture Processing）,A.Rosenfeld，,中译本 余英林等。,6、,Digital Image processing using MATLAB.,Rafael C.Gonzalez.Richard E.Woods.Steven,L.Eddins(,原版,),7,、数字图像处理,MATLAB,版 阮秋琦,(,中译本,),8,、数字图像处理,（,Digital Image processing）,Kenneth.R.castleman,著,清华大学 林学訚等译,前言,人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据统计，在人类接受的信息中，听觉信息占20，视觉信息占60，其他如味觉、触觉、嗅觉总起来不过占20。,所以，作为传递信息的重要媒体和手段-图像信息是十分重要的，俗话说,“,百闻不如一见,”,。,一、数字图像处理的起源,数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年代。最早应用之一是在报纸业，当时，引入巴特兰电缆图片传输系统，图像第一次通过海底电缆横跨大西洋从伦敦送往纽约传送一幅图片。,为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照1929年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压缩后传输时间减少到3个小时。,1929,年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片,1921,年经编码后用电报打印机打印的图像,1922,年两次通过大西洋后打印的数字图像,数字图像处理的历史与数字计算机的发展紧密相连。事实上，数字图像要求如此之大的存储和计算能力，以致于在图像处理中必须依靠数字计算机及包括数据存储及传输方面的支撑技术的发展。,第一台能够进行图像处理的大型计算机出现在20世纪60年代。数字图像处理的起源可追溯至利用这些大型机开始的空间研究项目，可以说大型计算机与空间研究项目是数字图像处理发展的原动力。,利用计算机技术改善空间探测器拍摄的图像的工作开始于1964年，美国加利福尼亚的喷气推进实验室（帕薩迪那，加里福尼亚）对太空船,“,徘徊者7号,”,传送的月球图像进行了处理，以校正飞行器上电视摄像机中各种类型的图像畸变。,下图示出了由徘徊者7号在1964年7月31日上午（东部白天时间）9点09分在光线影响月球表面前约17分钟时摄取的第一张月球图像。这也是美国航天器取得的第一幅月球图像。,与空间应用同时，数字图像处理技术在20世纪60年代末和70年代初开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学领域。,早在20世纪70年代计算机轴向断层(,CAT)、,简称计算机断层(,CT),是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件之一。,计算机断层是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着一个物体(或病人)，一个,X,射线源，带有检测器的同心圆绕着物体旋转，,X,射线通过物体并由位于环上对面的相应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体的,“,切片,”,的图像，,这些切片组成了物体内部的再现图像。,断层技术是,Godfrey N.Hounsfield,和,Allan M.Cormack,教授分别发明的，他们共同获得1979年诺贝尔医学奖。,X,射线,在1895年由威尔霍姆,康瑞德,伦琴发现的，由于他的发现，他获得了1901年诺贝尔物理学奖。,1895年11月8日傍晚，他研究阴极射线时发现了,X,射线。,他发现的,X,射线可穿透千页书、23厘米厚的木板、几厘米厚的硬橡皮、15毫米厚的铝板等等可是1.5毫米的铅板几乎就完全把,X,射线挡住了,他偶然发现的,X,射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，于是有一次他夫人到实验室来看他时，他请她把手放在用黑纸包严的照相底片上，然后用,X,射线对准照射15分钟，显影后，底片上清晰地呈现出他夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也很清楚,这是一张具有历史意义的照片，它表明了人类可借助,X,射线，隔着皮肉去透视骨骼,。,1895,年12月28日伦琴向维尔茨堡物理医学学会递交了第一篇,X,射线的论文“一种新射线初步报告”，报告中叙述了实验的装置，做法，初步发现的,X,射线的性质等等。,x,射线和,x,射线,CT,这两项发明相差近100年。但是，一个是科学发现,一个是技术创新,他们引领着图像处理某些最活跃的应用领域。,从20世纪60年代至今，数字图像处理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科之间学习和研究的对象。,如今图像处理技术已给人类带来了巨大的经济和社会效益。不久地将来它不仅在理论上会有更深入的发展，在应用上亦是科学研究、社会生产乃至人类生活中不可缺少的强有力的工具。,二、图像处理科学对人类具有重要意义,(1)、图像是人们从客观世界获取信息的重要来源：人类是通过感觉器官从客观世界获取信息，即通过耳、目、口、鼻、手通过听、看、味、嗅和触摸的方式获取信息。在这些信息中，视觉信息占6070。,视觉信息的特点是信息量大，传播速度快，作用距离远，有心理和生理作用，加上大脑的思维和联想，具有很强的判断能力。其次是人的视觉十分完善，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪，由此可见，图像信息对人类来说是十分重要的。,(2)、图像信息处理是人类视觉延续的重要手段：,人的眼睛只能看到可见光部分，但就目前科技水平看，能够成像的并不仅仅是可见光，一般来说可见光的波长为0.38 0.8 ，而迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：,射 线：0.003 0.03 ；,射 线：0.03 3 ；,紫外线：3 300 ；,红外线：0.8 300 ；,微 波 0.3 100 ；,(3)、图像处理技术对国计民生有重要意义,图像处理技术发展到今天，许多技术已日趋成熟。在各个领域的应用取得了巨大的成功和显著的经济效益。如在工程领域、工业生产、军事、医学以及科学研究中的应用已十分普遍。,如：通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及埋藏量；利用红外线、微波遥感技术可侦查到隐蔽的军事设施；,X-ray CT,已广泛应用于临床诊断，由于它可得到的人体内部器官的断层图像，为诊断和治疗疾病带来了极大的方便。,在工业生产中的设计自动化及产品质量检验中更是大有可为。在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技术；至于在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键技术。因此，图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的。,三、图像处理技术的分类,模拟图像处理,数字图像处理。,（1）模拟图像处理(,Analog image processing)；,模拟处理包括：光学处理（利用透镜）和电子处理，如：照相、遥感图像处理、电视信号处理等，电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，25帧/秒。,优点：,模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。,缺点：,模拟图像处理的缺点是精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。,（2）数字图像处理,(,Digital Image processing)：,数字图像处理一般都用计算机处理，因此也称之谓计算机图像处理（,Computer Image processing）。,优点：,处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。,缺点：,处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像需要具有100,Mips,的处理能力；,其次是分辨率及精度尚有一定限制，如一般精度图像是5125128,bits，,分辨率高的可2048204812,bits，,如精度及分辨率再高，所需处理时间将显著的增加。,四、数字图像处理的特点,（1）图像信息量大、数据量也大；,（2）图像处理技术综合性强；,（3）图像信息理论与通信理论密切相关。,（1）图像信息量大、数据量也大；,在数字图像处理中，一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素（,pixel）,组成的，每个像素的灰度级至少要6,bit（,单色图像）来表示，一般采用8,bit（,彩色图像），高精度的可用12,bit,或16,bit。,例如：256,256,8=64,Kbytes,512,512,8=256Kbytes,1024,1024,8=1Mbytes,2048,2048,8=4Mbytes,X,光照片一般用,64,Kb,256Kb,的数据量，一幅遥感图像,3240,2340,4=30,Mbits,，,因此，大数据量给存储、传输和处理都带来巨大的困难。,（2）图像处理技术综合性强；,在数字图像处理中涉及的基础知识和专业技术相当广泛。一般来说涉及通信技术、计算机技术、电子技术、电视技术，至于涉及到的数学、物理等方面的基础知识就更多。,当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，只是把通信中的一维问题推广到二维，以便于分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，图像处理技术与通信技术休戚相关。,在图像处理工程中的信息获取和显示技术主要源于电视技术，其中的摄像、显示、同步等各项技术是必不可少的。,计算机已是图像处理的常规工具，在图像处理中涉及到软件、硬件、网络、接口等多项技术，特别是并行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。,图像处理技术的发展涉及越来越多的基础理论知识，雄厚的数理基础及相关的边缘学科知识对图像处理科学的发展有越来越大的影响。总之图像处理科学是一项涉及多学科的综合性科学。,（3）图像信息理论与通信理论密切相关。,早在1948年,Shannon,发表了,“,A mathematical Theory of Communication,”,（,通信中的数学理论）一文，它奠定了信息论的基础。此后，信息理论已渗透到了各个领域。图像信息论也属于信息论科学中的一个分支。,从当今的理论发展看，我们可以说，图像信息论是在通信理论研究的基础上发展起来的。图像理论是把通信中的一维问题推广到二维空间上来研究的，也就是说，通信研究的是一维时间信息；图像研究的是二维空间信息；,总之，通信中的一维问题都可推广到二维，尽管有些理论尚不完全贴切，但对图像自身理论体系的形成有极大的借鉴意义。,五、数字图像处理的主要方法及主要内容,数字图像处理方法：,两大类：空域法和变换域法。,A、,空域法：这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：,(1)、邻域处理法：其中包括,梯度运算(,gradient Algorithm),拉普拉斯算子运算(,Laplacian operator),平滑算子运算(,Smoothing operator),卷积运算(,Convolution algorithm),(2)、,点处理法：如灰度处理（,grey processing），,面积、周长、体积、重心运算等等。,B、,变换域法：,数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。,这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。,数字图像处理的主要内容：,完整的数字图像处理工程大体上可分为如下几个方面：,图像信息的获取；,图像信息的存贮；,图像信息的传送；,图像信息处理；,图像信息的输出和显示。,1、图像信息的获取,(,Image Information Acquisition):,主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。图像获取的方法有如下几种：,(1)电视摄像机(,Video Camera)：,这是目前使用最广泛的图像获取设备。早期主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年来，主要是采用,CCD,摄像设备。,特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。,缺点：灰度层次较差、非线性失真较大、有黑斑效应，在使用中需校正。,目前,CCD,摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做到较高水平，如：1920,1035或1024,1024的高分辨率的,CCD,摄像机已很成熟。,(2)飞点扫描器(,flying point Scanner)：,这是一种以光源做扫描的图像获取设备。,其特点是：精度较高、图像清晰、可透射成像亦可反射成像，但是其体积略显庞大。,(3)扫描鼓：这是一种高精度的滚桶式的图像摄取,设备。,特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以,输出。,缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。多,用于静止图像的输入、输出设备。,(4)扫描仪：,特点：精度和分辨率中等，600,DPI,精度的扫描仪已常见。扫描仪的成本很低，近几年尤其降价显著，一般台式的已有不足一千元的产品。所以是当今应用最为广泛的图像信息获取设备。,缺点：速度较慢，非实时设备。,(5)显微光密度计，精度较高，速度低。,(6)遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，如：,光学摄影：摄像机、多光谱像机等。,红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪。,MSS ：,多光谱扫描仪。,微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷达(,SAR)。,合成孔经雷达是50年代发展起来的技术。它采用小天线通过直线飞行（长距离）合成一条很长的线阵天线，从而达到优良的横向方位的分辨率。目前的国际水平，在距雷达50100,km,范围内，合成孔径雷达（,SAR）,的纵向和横向分辨率已达1,m,1m,以下。,例如,=3，,距雷达50,km,处的分辨率要达到1,m,1m,时所需的飞行直线合成孔径为：1012,m。,由此可以看出飞行距离很长。为使飞机能直线、恒速飞行要用到陀螺导航仪、定位系统等设备和技术加以保证。,(,B),信息的存贮：(,Image information Storage),图像信息的突出特点是数据量巨大。一般作档案存贮主要采用磁带、磁盘或光盘。为解决海量存贮问题主要研究数据压缩、图像格式及图像数据库、图像检索技术等。,(,C),图像信息的传送：,(,Image information transmission),图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离传送。内部传送多采用,DMA,技术(,Direct Memory Access）,以解决速度问题，外部远距离传送主要解决占用带宽问题。目前，已有多种国际压缩标准来解决这一问题，图像通信网正在逐步建立。,(,D),数字图像处理,(,Digital Image processing,),数字图像处理概括的说主要包括如下几项内容：,几何处理(,geometrical processing),算术处理(,Arithmetic processing),图像增强(,Image Enhancement),图像复原(,Image Restoration),图像重建(,Image Reconstruction),图像编码(,Image Encoding),图像识别(,Image Recognition),图像理解(,Image Understanding),（1）、几何处理,几何处理主要包括座标变换、图像的放大、缩小、旋转、移动、多个图像配准，全景畸变校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。,（2）、算术处理,算术处理主要对图像施以、,、,等运算，虽然该处理主要针对像素点的处理，但非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的效果。,（3）、图像增强,图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强，便于区分或解释。主要方法有直方图增强、伪彩色增强法(,pseudo color)、,灰度窗口等技术。,（4）、图像复原,图像复原处理的主要目的是去掉干扰和模糊，恢复图像的本来面目。典型的例子如去噪就属于复原处理。图像噪声包括随机噪声和相干噪声，随机噪声干扰表现为麻点干扰，相干噪声表现为网纹干扰。,去模糊也是复原处理的任务。这些模糊来自透镜散焦，相对运动，大气湍流，云层遮挡等。这些干扰可用维纳滤波、逆滤波、同态滤波等方法加以去除。,图像复原的新方法,(Partial differential equation)(PDE),偏微分方程图像修复方法,（5）、图像重建,几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像。,该处理的典型应用就是,CT,技术，,CT,技术发明于1972年，早期为,X,光,CT，,后来发展的有,ECT、,超声,CT、,核磁共振（,NMR）,等。,图像重建的主要算法有代数法、迭代法、付里哀反投影法、卷积反投影法等，其中以卷积反投影法运用最为广泛，因为它的运算量小、速度快。,值得注意的是三维重建算法发展很快，而且由于与计算机图形学相结合，把多个图像合成图像，并加以光照模型和各种渲染技术，能生成各种具有强烈真实感及纯净的高质量图像。,三维图形的主要算法有线框法、表面法、实体法、彩色分域法等等，这些算法在计算机图形学中都有详尽的介绍。三维重建技术也是当今颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础。,（6）、图像编码 图像编码的研究属于信息论中信源编码范畴，其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，以解决数据量大的矛盾。,一般来说，图像编码目的有三个：,减少数据存贮量；,降低数据率以减少传输带宽；,压缩信息量，便于特征抽取，为识,别作准备。,M.Kunt,提出第一代、第二代编码的概念。,Kunt,把1948年至1988年这四十年中研究的以去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码。,如：,PCM、DPCM、M、,亚取样编码法；变换编码中的,DFT、DCT、Walsh-Hadamard,变换等方法以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第一代编码法。,而第二代编码方法多是二十世纪八十年代以后提出的新的编码方法，,如金字塔编码法、,Fractal,编码、基于神经元网络的编码方法、小波变换编码法、模型基编码法等。,现代编码法的特点是：,充分考虑人的视觉特性；,恰当地考虑对图像信号的分解与表述；,采用图像的合成与识别方案压缩数据率。,图像编码应是经典的研究课题，五十多年的研究已有多种成熟的方法得到应用。随着多媒体技术的发展已有若干编码标准由,ITU-T,制定出来。如,JPEG、H.261、H.263、MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7、,JBIG(,二值图像压缩)(,Joint Bo-level Image Coding Expert Group)、JPEG2000,等。相信经广大科技工作者的不懈努力，在未来会有更多、更有效的编码方法问世，以满足多媒体信息处理及通信的需要。,（7）、模式识别,模式识别是数字图像处理的又一研究领域。当今，模式识别方法大致有三种，即：,统计识别法；,句法结构模式识别法；,模糊识别法。,统计识别法侧重于特征，句法结构识别侧重于结构和基元，模糊识别法是把模糊数学的一些概念和理论用于识别处理。在模糊识别处理中充分考虑人的主观概率，同时也考虑了人的非逻辑思维方法及人的生理、心理反映，这一独特性的识别方法目前正处于研究阶段，方法尚未成熟。,（8）、图像理解,图像理解是由模式识别发展起来的方法。该处理输入的是图像，输出的是一种描述。这种描述并不仅是单纯的用符号作出详细的描绘，而且要利用客观世界的知识使计算机进行联想、思考及推论，,从而理解图像所表现的内容。图像理解有时也叫景物理解。在这一领域还有相当多的问题需要,进行深入研究。,以上所述的八项处理任务是图像处理所涉及到的主要内容。总的说来，经多年的发展，图像处理经历了从静止图像到活动图像；从单色图像到彩色图像；从客观图像到主观图像；从二维图像到三维图像的发展历程。,特别是与计算机图形学的结合已能产生高度逼真、非常纯净、更有创造性的图像。由此派生出来的虚拟现实技术的发展或许将从根本上改变我们的学习、生产和生活方式。,E、,图像的输出与显示,图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解译和识别的图像。因此，图像输出也是图像处理的重要内容之一。图像的输出有二种，一种是硬拷贝，另一种是软拷贝。,其分辨率随着科学技术的发展从256,256、512,512、1024,1024，至今已有2048,2048的高分辨率的显示设备问世。通常的硬拷贝方法有照相、激光拷贝、彩色喷墨打印等几种方法。软拷贝方法有以下几种：,（1）、,CRT,显示,自二十世纪六十年代以来，在显示技术中，,CRT,几乎独霸天下。目前，彩色显像管（,CPT）,和彩色显示管（,CDT）,技术已相当成熟。九十年代后期平板显示器件才相继问世。,CRT,优点：显示质量好、亮度高、电子束寻址方式简单、制造成本低等。尤其采用微形滤光条(,Microfilter),工艺，加之动态聚焦技术的出现，使得,CRT,在对比度、色纯及光点大小方面都得到了改进。,目前，分辨率为12801024、行频64,KHz、,点频110,MZ,的,CRT,已很普遍，高分辨率的可达到19201035，行频达80,KHz，,视频带宽达140,MHz。,进一步提高分辨率的主要困难在于显像管的制造和刷新存贮器的速度。,我国生产的,CPT,年产达1800万只，而,CDT,却很少，国内只有两个厂家，年产只有35万只。从市场占有率来看,CRT,亦是主流。,（2）、液晶显示器,LCD,液晶的发现已有100多年的历史，但真正用于显示技术的历史不到30年。尽管有人认为,LCD,要想取代,CRT,至少还需一些时间，但其发展势头之大，发展速度之快却令人刮目相看。,LCD,的突出性能是极吸引人的，,体积小，重量轻；,低功耗，低电压；,无软,X,射线；,全色显示及相当的亮度。,它的主要缺点是视角较窄；寻址复杂；亮度不及,CRT，,大约在。近年来的最新产品已大有改善，如,Sharp,公司推出的彩色非晶硅,TFT-LCD,产品，屏幕尺寸21英寸，分辨率640,480，像素数921600点，彩色数1670万种。富士通推出的10.4英寸显示器的视角可达120,。,（3）彩色等离子显示技术（,Plasma Display Panel-PDP）,这是利用气体放电原理实现的一种发光平板显示技术。它发明于20世纪60年代。1993年首次批量生产。,它的工作原理有两个基本过程：,1）、气体放电，惰性气体受电信号的作用放电发射真空紫外线；,2）、紫外线激发荧光粉发光。,等离子显示技术有如下特点：,易于大面积显示，可达到80英吋；,全色显示，显示器可显示256级灰度和1670万种颜色；,伏安特性非线性强，可寻址2000线以上；,可实现高亮度显示，最新报道日本,sony,和日立公司已推出亮度达到1000,cd/m,2,的平板电视机。,对比度高；,视角在所有的平板显示器中是最大的，可达到160度；,色纯度好，与,CRT,相当；,寿命长，可达3万小时以上；,工作电压低，一般小于200伏；,易于批量生产。,其主要缺点是功耗较大，目前在以上。此外，在亮环境下对比度有待提高。其最大的弱点是价格偏高。,（4）、场致发光显示器(,Field Effect Display-FED),场致发光显示（,FED）,具有光明的前途。,FED,是最新发展起来的彩色平板显示器件。,SID95,会议上展出的产品6英寸方形的全色,FED,分辨率已达到512,512。,其显著优点是：,薄型，无需加背光源，一般比,LED,还要薄；,易于拼接，可做成大屏幕；,可高度集成做成高清晰度显示器；,电压低，功耗小，寿命长，一般如：,LCD,加背光源功耗为13,W，,而相同尺寸的,FED,在高对比度下只有5,W;,图像质量好，分辨率可达到1024,X768，,无视角限制，响应速度快，一般小于2微秒；,发光亮度起伏小，成品率高；,不需要偏转线圈，无,X,射线，抗电磁辐干扰和辐射，工作温度宽，一般可达到-40-+85；,生产工艺简单，,FED,有数百个阴极，有几个不工作没有影响。,但目前要解决的是大面积的,FED,需要改善发光的均匀性和提高低压荧光粉的发光效率。在实用化中，封接、排气、真空维持等工艺尚有困难，这些问题解决后,FED,大有前途。,新型显示设备,-E-Paper(,电子纸,数码纸,),将来会有更多的新型器件和原理制成新的显示器，如：,碳纳米管制成的显示器（日本），65,mm。,铁电液晶显示器（韩国），,Sharp,公司甚至做出了能卷曲的显示器。,六、数字图像处理的应用,数字图像处理的应用越来越广。它的应用已渗透到了工程、工业、医疗保健、航空航天，军事、科研、安全保卫等各个方面，在国计民生及国民经济中发挥越来越大的作用。,学 科 应 用 内 容,物理、化学,结晶分析、谱分析,生物、医学,细胞分析、染色体分类、,血球分类、,X,光照片分,析、,CT,环境保护,水质及大气污染调查,地 质,资源勘探、地图绘,制、,GIS,农 林,植被分布调查、农作物估产,海 洋,鱼群探查、海洋污染监测,水 利,河流分布、水利及水害调,气 象,云图分析等,通 信,传真、电视、多媒体通信,工业、交通,工业探伤、铁路选线、机器,人、产品质量监测,经 济,电子商务、身份认证、防伪,军 事,军事侦察、导弹致导、电,子沙盘、军事训练,法 律,指纹识别、人脸识别等,安 全,加密、信息隐藏、数字水,印等,(1)遥感：(,Remote Sensing),在遥感的发展和大事纪中，我们可以看到大量的与图像处理密切相关的技术。,1839年 世界上出现第一幅照片-最简单,的图像处理；,1858年 有人在巴黎上空乘热气球拍摄第,一张照片；,1909年 意大利人乘飞机拍摄了第一张照片；,1924年,MANNER,首次制成彩色照片；,1937年 世界上出现彩色航空照片；,1957年 前苏联发射第一颗人造地球卫星；,1958年 美国发射第一颗人造地球卫星等,都为遥感技术的发展奠定了坚实,的基础。,1959年 前苏联发射月球一号；,1962年 国际上正式使用遥感一词,(,Remote Sensing)；,1972,年 美国发射第一颗资源探测卫星,LANDSAT-,四个波段，,地面分辨率59,79,m,1975,年,LANDSAT-，,1978,年,LANDSAT-,分辨率40,40,m,。,1982,年：,LANDSAT-,分辨率30,30,m,，,在这颗卫星上配量了,GPS,系统,(,Global positioning System)，,定位,精度在地心坐标系中为,10,m。）,遥感图像处理的用处越来越大，效率及分辨率也越来越高。如：土地测绘、资源调查、气象监测，环境污染监测、农作物估产、军事侦察等。,如：我国国土普查，用航片要50万张，用卫片，600张就可以了，18天就可以普查一次。,当前，在遥感图像处理中主要解决数据量大和处理速度慢的矛盾。,(2)医学应用：,图像处理在医学界的应用非常广泛，无论是在临床诊断还是病理研究都大量采用图像处理技术。它的直观、无创伤、安全方便的优点受到普遍的欢迎与接受。其主要应用可举出众多的例子，,如,X,光照片的分析，血球计数与染色体分类等。目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术，如超声波诊断等都用到图像处理技术。,有人认为计算机图像处理在医学上应用最成功的例子就是,X,光,CT(X-ray Computed Tomography)。,在19681972年英国的,EMI,公司的,G.N.Hounsfeld,研制了头部,CT，1975,年又研制了全身,CT。70,年代下半年美、日、法、荷兰相继生产,CT。,其中主要研制者,G.N.Hounsfeld（,英）和,A.M.Commack（,美）获得了79年的诺贝尔生理医学奖。这足以说明,CT,的发明与研究对人类贡献之大、影响之深。,类似的设备目前已有多种，如：,核磁共振,CT(NMRI：Nuclear Magnetic Resonance Imaging)，,电阻抗断层图像技术(,EIT:Electrical Impedance Tomography),或阻抗成像(,Impedance Imaging)，,这是一种利用人体组织的电特性（阻抗、导纳、介电常数）形成人体内部图像的技术。,由于不同组织和器官具有不同的电特性。因此，这些电特性包含了解剖学信息。更重要的是人体组织的电特性随器管功能的状态而变化，因此，,EIT,可望绘出反应与人体病理和生理状态相应功能的图像。,目前，,EIT,已发展了一些相应的算法（图像重建算法），并在临床应用中也正在探索（如：神经中枢系统、呼吸系统、心血管系统、消化系统）,。,当前的主要问题是分辨能力差，原因是入射电流进入人体组织后呈三维分布发散，因此，指向性不强，并且电流在人体组织中的分布规律复杂，未知因素多。,虽然,EIT,分辨率不高，但是生物阻抗技术提取的组织和器官的电持性信息对血液、气体、体液和不同组织成份有独持的鉴别能力，对血液的流动分布，肺内的气血交换，体液含量与流动等非常敏感，,以此为基础，可进行心、脑、肺及相关循环系统的功能评价及血液动力学与流变学的研究。该技术对肺癌的早期发现显示出很大优越性，这一点是现有的其他成像技术无法比拟的。,图像归档与管理模块,影像显示,图像处理模块,报告模块,在生物医学领域的重要计划就是“数字化虚拟人”。该计划最早由美国国立图书馆支持的,VHP（Visible Human Project）。1989,年立项，1994，1995年相继推出高精度的一男一女的高精度，高分辨率组织切片光学照片，,CT,和,MRI,断层图像数据集。这一举动在美国及全世界医学界产生了巨大影响。其意义体现在四方面：,(1)实现了人体解剖信息的数字化，影响深远。,(2)大大提高了人体解剖的可视化水平，使人类在认识自身结构方面前进了一步。,(3),开辟了医学研究的虚拟环境。提供了医生的训练机会，对提高医疗水平有重要意义。,(4),作为高质量，高水平的基础医学数据集，将人体解剖信息资源为全人类共享。,按美国,Mayo,研究所的,Robert Rob,教授的划分，把虚拟人划分为五代：,第一代，特征（,properties）,是几何解剖（,Geometric Anatomy），,如3,D,器官形状；,第二代，特征是物理动态建模（,Physical Dynamic Modeling）；,第三代，生理特征（,Physiologic Characteristics）；,第四代，显微解剖（,Microscopic Anatomy）；,第五代，生化系统（,Biochemical Systems）。,总之这是一个长期的庞大的，涉及多学科的计,划，所以重建技术在医学中占有十分重要的地位。,(,3)、图像处理技术在通信中的应用：,图像通信如按业务性能划分可分为：,电视广播（点对面通信）、,传真、,可视电话（点对点通信）,、,会议电视（点电对多点）、,图文电视,可视图文以及电缆电视等。,如按图像变化性质分：,可分为静止图像和活动图像通信。,1）、传真：,从历史上看，早在1865年在法国试验成功传真通信（巴黎至里昂），但后来由于技术及经济原因发展一直非常缓慢。70年代后，图像通信逐渐成为人们生活中常用的通信方式，随着大规模集成电路的发展，使得图像通信中所需的关键技术逐步得到解决，推动了图像通信的发展。,传真是把文字、图表、照片等静止图像通过光电扫描的方式变成电信号加以传送的设备。,1980年,CCITT,为三类传真机和公共电话交换网上工作的数字传真建立了国际标准，即：,一类机,不压缩，4线毫米，,A4,文件,传6分钟；,二类机,采用频带压缩技术（残留边带,传输）4线/毫米，传,A4,文件需,3分钟；,三类机,在传送前采用去冗余技术，在,电话线上以1分钟传,A4,文件；,四类机,在三类机的基础上发展的采用,去冗余技术的传真设备，采用,去冗余、纠错码技术在公用数,据网上使用的设备，加,Modem,也可以在公用电话网上使用。,经过多年发展，传真技术不断进步，现在已有仅数秒钟就可传送一幅,A4,文件的传真机，分辨率高达16点毫米。,1984年,CCITT,提出了,ISDN,的建议，以及当今基于,IP,的多媒体通信都意味着非话业务通信方式已在通信中占有重要位置。,2）、电视广播：单色电视广播1925年在英国实现。1936年,BBC,开始电视广播。目前出现的彩色电视有三种制式，即,NTSC(,美国、日本等)、,PAL(,中、西欧、非洲等)和,SECAM（,法国、俄罗斯等）。,3）、可视电话和会议电视:1964年美国国际博览会展出了,Picture-phone MOD-I,可视电话系统，带宽为1,MHz。,目前的可视电话/会议电视均采用数字压缩技术，也出现了相应的国际标准。,如：图像编码标准,H.261、H.263,等，会议电视的,H.320,标准，在专用通信网中用,PCM,一次群传输，速率为2048,Kbit/s。,桌面型系统遵循,H.323,标准。,4）、图文电视和可视图文：图文电视(,Teletext),和可视图文(,Videotex),是提供可视图形文字信息的通信方式。图文电视是单向传送信息，它是在电视信号消隐期发送图文信息，用户可用电视机和专用终端收看该信息；可视图文是双向工作方式，用户可用电话向信息中心提出服务内容或从数据库中选择信息。,5）、电缆电视(,CATV)：,是通过电缆或光缆传送的电视节目。第一个电缆电视系统于1949年安装在美国，采用光缆实现的,CATV,是1977年后的事情。,（4）、工业生产的质量控制：,在生产线中对生产的产品及部件进行无损检测也是图像处理技术的一个广泛的应用领域。如食品包装出厂前的质量检查，浮法玻璃生产线上对玻璃质量的监控和筛选，甚至在工件尺寸测量方面也可以采用图像处理的方法加以自动实现。另外铁谱分析也是一个典型的应用。,（5）、安全保章、公安等方面的应用：,该领域将采用模式识别等方法实现监控、指纹档案、案件侦破、交通管理等。,（6）、教学及科研领域中也将大量应用图像处理技术。如科学可视化技术，远程培训及教学也将大量使用图像处理技术的成果。,（7）、当前呼声甚高的电子商务中，图像处理技术也大有可为。如：身份认证、产品防伪、水印技术等；,技术难点,(,a)Lena,原图,(,b),水印,(,d),水印图像,(,e),提取效果,图7水印的嵌入和提取,(,c),置乱的水印,信息隐藏,(,a),原始彩色图像,(,b),水印,Candy,(,c),水印图像,(,d),提取的,Candy,图13 在彩色图像中嵌入水印,信息隐藏,气象预报,气象云图,气象预报,计算机合成图像,计算机合成图像,广告设计,军事应用,目标跟踪,军事应用,隐形飞机、定位轰炸,七、数字图像处理领域的发展动向,自六十年代第三代数字计算机问世以后，数字图像处理技术出现了空前的发展，其形势可谓是方兴未艾。,在该领域中需进一步研究的问题，不外乎如下四个方面：,（1）、在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。如在航天遥感、气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。,（2）、加强软件研究、开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法。,（3）、加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如：人的视觉特性、心理学特性