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1 of in of of s An be as a f(x, y), x y of f at of x,y) is or of at x,y,of to by of a a is of a of of a to as is to of a in is of so it is in to of M to on by to a of is no as a is by as a in of a We to be a of of an a be an On as is to 2 to to on is a of AI)is to I is in of in of of is in no in at to at is to of is as to A is by on as an or of to to a of is by is of of an of as in at of on we a of is of of or in an we in in up to of As a to of of of an of in a in of 3 we in of of be as in of on of by As as we is in a of of in in ne of of in by of in 920s to a a to at .1 in on a a of in of to of of to 1.1 921 in of a on at .2 an 1.1 in in 921 a by a 922 a ( 4 of in of 5 929. .3 is of be 5of a a by in of in of is to of In so in of on of of of a to of 000 in of we we a to 940s of (1) a to a 2) of a is at of a of to to be be as (1) of 948; (2) in 950s 960s of (3) of 958; (4) of in 960s; (5) of a of in 5 1970s; (6) BM of 981; (7) of in 970s, in 980s, to of in of of to in 960s. of we be to of of It of to of on a at 964 of by a to of in of 1, 1964 : 09 A. M. n 1929 5 do by 6 7 as ). is of by a as to to of to In in 960s 970s to be in in 970s of is of in of in is a in a of an or at by in As is of to an a “ of in a to of a of a 3of of . . 895 he 901 00 to of of 7 he by a 1, 1964 : 7 (o 8 數(shù)字圖像處理方法的研究 1 緒論 數(shù)字圖像處理方法的研究源于兩個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域 :其一是為了便于人們分析而對(duì)圖像信息進(jìn)行改進(jìn)；其二是為了使機(jī)器自動(dòng)理解而對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸及顯示。 字圖像處理的概念 一幅圖像可定義為一個(gè)二維函數(shù) f(x, y)，這里 x和 在任何一對(duì)空間坐標(biāo) f(x, y)上的幅值 當(dāng) x， 限的、離散的數(shù)值時(shí)，稱該點(diǎn)是由有限的元素組成的，沒(méi)一個(gè)元素都有 一個(gè)特定的位置和幅值，這些元素稱為圖像元素、畫面元素或象素。象素是廣泛用于表示數(shù)字圖像元素的詞匯。在第二章，將用更正式的術(shù)語(yǔ)研究這些定義。視覺(jué)是人類最高級(jí)的感知器官，所以，毫無(wú)疑問(wèn)圖像在人類感知中扮演著最重要的角色。然而，人類感知只限于電磁波譜的視覺(jué)波段，成像機(jī)器則可覆蓋幾乎全部電磁波譜，從伽馬射線到無(wú)線電波。它們可以對(duì)非人類習(xí)慣的那些圖像源進(jìn)行加工，這些圖像源包括超聲波、電子顯微鏡及計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像。因此，數(shù)字圖像處理涉及各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域。 圖像處理涉及的范疇或其他相關(guān)領(lǐng)域 (例如，圖像分析和計(jì)算機(jī)視覺(jué) )的界定在初創(chuàng)人之間并沒(méi)有一致的看法。有時(shí)用處理的輸人和輸出內(nèi)容都是圖像這一特點(diǎn)來(lái)界定圖像處理的范圍。我們認(rèn)為這一定義僅是人為界定和限制。例如，在這個(gè)定義下，甚至最普通的計(jì)算一幅圖像灰度平均值的工作都不能算做是圖像處理。另一方面，有些領(lǐng)域 (如計(jì)算機(jī)視覺(jué) )研究的最高目標(biāo)是用計(jì)算機(jī)去模擬人類視覺(jué)，包括理解和推理并根據(jù)視覺(jué)輸人采取行動(dòng)等。這一領(lǐng)域本身是人工智能的分支，其目的是模仿人類智能。人工智能領(lǐng)域處在其發(fā)展過(guò)程中的初期階段，它的發(fā)展比預(yù)期的 要慢得多，圖像分析 (也稱為圖像理解 )領(lǐng)域則處在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)兩個(gè)學(xué)科之間。 從圖像處理到計(jì)算機(jī)視覺(jué)這個(gè)連續(xù)的統(tǒng)一體內(nèi)并沒(méi)有明確的界線。然而，在這個(gè)連續(xù)的統(tǒng)一體中可以考慮三種典型的計(jì)算處理 (即低級(jí)、中級(jí)和高級(jí)處理 )來(lái)區(qū)分其中的各個(gè)學(xué)科。低級(jí)處理涉及初級(jí)操作，如降低噪聲的圖像預(yù)處理，對(duì)比度增強(qiáng)和圖像尖銳化。低級(jí)處理是以輸人、輸出都是圖像為特點(diǎn)的處理。中級(jí)處理涉及分割〔 把圖像分為不同區(qū)域或目標(biāo)物 )以及縮減對(duì)目標(biāo)物的描述，以使其更適合計(jì)算機(jī)處理及對(duì)不同日標(biāo)的 9 分類 (識(shí)別 )。中級(jí)圖像處理是以輸人為圖像， 但輸出是從這些圖像中提取的特征 (如邊緣、輪廓及不同物體的標(biāo)識(shí)等 )為特點(diǎn)的。最后，高級(jí)處理涉及在圖像分析中被識(shí)別物體的總體理解，以及執(zhí)行與視覺(jué)相關(guān)的識(shí)別函數(shù) (處在連續(xù)統(tǒng)一體邊緣 )等。 根據(jù)上述討論，我們看到，圖像處理和圖像分析兩個(gè)領(lǐng)域合乎邏輯的重疊區(qū)域是圖像中特定區(qū)域或物體的識(shí)別這一領(lǐng)域。這樣，在本書中，我們界定數(shù)字圖像處理包括輸人和輸出均是圖像的處理，同時(shí)也包括從圖像中提取特征及識(shí)別特定物體的處理。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的文本自動(dòng)分析方面的例子來(lái)具體說(shuō)明這一概念。在自動(dòng)分析文本時(shí)首先獲取一幅包含文本的圖像，對(duì)該 圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取 (分割 )字符，然后以適合計(jì)算機(jī)處理的形式描述這些字符，最后識(shí)別這些字符，而所有這些操作都在本書界定的數(shù)字圖像處理的范圍內(nèi)。理解一頁(yè)的內(nèi)容可能要根據(jù)理解的復(fù)雜度從圖像分析或計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域考慮問(wèn)題。這樣，本書定義的數(shù)字圖像處理的概念將在有特殊社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的領(lǐng)域內(nèi)通用。在以下各章展開(kāi)的概念是那些應(yīng)用領(lǐng)域所用方法的基礎(chǔ)。 字圖像處理的起源 數(shù)字圖像處理最早的應(yīng)用之一是在報(bào)紙業(yè)，當(dāng)時(shí)，圖像第一次通過(guò)海底電纜從倫敦傳往紐約。早在 20世紀(jì) 20年代曾引入 纜圖片傳 輸系統(tǒng)，把橫跨大西洋傳送一幅圖片所需的時(shí)間從一個(gè)多星期減少到 3個(gè)小時(shí)。為了用電纜傳輸圖片，首先要進(jìn)行編碼，然后在接收端用特殊的打印設(shè)備重構(gòu)該圖片。圖 些早期數(shù)字圖像視覺(jué)質(zhì)量的改進(jìn)工作，涉及到打印過(guò)程的選擇和亮度等級(jí)的分布等問(wèn)題。用于得到圖 而支持一種基于光學(xué)還原的技術(shù)，該技術(shù)在電報(bào)接收端用穿孔紙帶打出圖片。圖 是用這種方法得到的圖像，對(duì)比圖 在色調(diào)質(zhì)量和分辨率方面的改進(jìn) 都很明顯。 10 圖 1421年由電報(bào)打印機(jī)采用特殊字 符在編碼紙帶中產(chǎn)生的數(shù)字圖像 ( 早期的 個(gè)灰度等級(jí)對(duì)圖像編碼，到 1929年已增加到 15個(gè)等級(jí)。圖 5級(jí)色調(diào)設(shè)備得到的。在這一時(shí)期，由于引入了一種用編碼圖像紙帶去調(diào)制光束而使底片感光的系統(tǒng)，明顯地改善了復(fù)原過(guò)程。剛才引用的數(shù)字圖像的例子并沒(méi)有考慮數(shù)字圖像處理的結(jié)果，這主要是因?yàn)闆](méi)有涉及到計(jì)算機(jī)。因此，數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計(jì)算機(jī) 的發(fā)展密切相關(guān)。事實(shí)上，數(shù)字圖像要求非常大的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，因此數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的發(fā)展必須依靠數(shù)字計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)的概念可追溯到 5000多年前中國(guó)算盤的發(fā)明。近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)的一些發(fā)展也奠定了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)還要回溯到 20世紀(jì) 40年代由約翰 ·馮 ·諾依曼提出的兩個(gè)重要概念 :(l)保存程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器 ;(2)條件分支。這兩個(gè)概念是中央處理單元 (基礎(chǔ)。今天，它是計(jì)算機(jī)的心臟。從馮 ·諾依曼開(kāi)始，引發(fā)了一系列重要技術(shù)進(jìn)步，使得計(jì)算機(jī)以強(qiáng)大的功能用于數(shù)字 圖像處理領(lǐng)域。簡(jiǎn)單說(shuō)，這些進(jìn)步可歸納為如下幾點(diǎn) : (1)1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體三極管 (2)20世紀(jì) 50年代到 20世紀(jì) 60年代高級(jí)編程語(yǔ)言 (如 開(kāi)發(fā)； (3)1958年得州儀器公司發(fā)明了集成電路 ( (4)20世紀(jì) 60年代早期操作系統(tǒng)的發(fā)展 ; (5)20世紀(jì) 70年代 司開(kāi)發(fā)了微處理器 (由中央處理單元、存儲(chǔ)器和輸 圖 922年在信號(hào)兩次穿越大西洋后， 從穿孔紙帶得到的數(shù)字圖像，可以 看出某些差錯(cuò) ( 11 入 、 輸出控制組成的單一芯片 ); (6)1981年 (7)20世紀(jì) 70年代出 現(xiàn)的大規(guī)模集成電路 (引發(fā)的元件微小化革命， 20世 紀(jì) 80年代出現(xiàn)了 大規(guī)模集成電路 )，現(xiàn)在已出現(xiàn)了 圖 1. 3在 1929年從倫敦到紐約用 15級(jí)色調(diào)設(shè)備通過(guò)電纜 傳送的 伴隨著這些技術(shù)進(jìn)步，大規(guī)模的存儲(chǔ)和顯示系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來(lái)。這兩者均是數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)。第一臺(tái)可以執(zhí)行有意義的圖像處理任務(wù)的大型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在 20世紀(jì) 60年代早期。數(shù)字 圖像處理技術(shù)的誕生可追溯至這一時(shí)期這些機(jī)器的使用和空間項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，這兩大發(fā)展把人們的注意力集中到數(shù)字圖像處理的潛能上。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)改善空間探測(cè)器發(fā)回的圖像的工作，始于 1964 年美國(guó)加利福尼亞的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)由“旅行者 7 號(hào) ”衛(wèi)星傳送的月球圖像由一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了處理，以校正航天器上電視攝像機(jī)中各種類型的圖像畸變。圖 旅行者 7號(hào) ”于 1954年 7月 31日上午 (東部白天時(shí)間 )9點(diǎn) 09分在光線影響月球表面前約 17分鐘時(shí)攝取的第一張?jiān)虑驁D像痕跡 (稱為網(wǎng)狀痕跡 )用于幾何校正，在第 5章將討論該間 題 ]，這也是美國(guó)航天器取得的第一幅月球圖像。 “旅行者 7 號(hào) ”傳送的圖像可作為改善的增強(qiáng)和復(fù)原圖像 (例如來(lái)自 “探索者 ”登月一飛行、 “水手號(hào) ”系列空間探淵器及阿波羅載人登月飛行的圖像 )方法的基礎(chǔ)。進(jìn)行空間應(yīng)用的同時(shí)，數(shù)字圖像處理技術(shù)在 20世紀(jì) 60年代末和 20世紀(jì) 70年代初開(kāi)始用于醫(yī)學(xué)圖像、 12 地球遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)等領(lǐng)域。早在 20世紀(jì) 70年代發(fā)明的計(jì)算機(jī)軸向斷層術(shù) (簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)斷層 (是圖像處理在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。計(jì)算機(jī)軸向斷層術(shù)是一種處理方法，在這種處理中，一個(gè)檢測(cè)器環(huán)圍繞著一個(gè)物體 (或 病人 )，并且一個(gè) x 射線源 (與檢測(cè)器環(huán)同心 )繞著物體旋轉(zhuǎn)。 X 射線穿過(guò)物體并由位于對(duì)面環(huán)中的相應(yīng)檢測(cè)器收集起來(lái)。當(dāng) X 射線源旋轉(zhuǎn)時(shí)，重復(fù)這一過(guò)程。斷層技術(shù)由一些算法組成，該算法用感知的數(shù)據(jù)去重建通過(guò)物體的 “切片 ”圖像。當(dāng)物體沿垂直于檢測(cè)器的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生一系列這樣的 “切片 ”，這些切片組成了物體內(nèi)部的再現(xiàn)圖像。斷層技術(shù)是由 生和 授發(fā)明的，他們共同獲得了 1979 年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 X 射線是在 1895 年由威廉 ·康拉德 ·倫琴 發(fā)現(xiàn)的，由于這一發(fā)現(xiàn)，他獲得了 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這兩項(xiàng)發(fā)明相差近 100 年。它們?cè)诮裉煲I(lǐng)著圖像處理某些最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。 圖 1. 4美國(guó)航天器傳送的第一張?jiān)虑蛘掌?，“旅行?7號(hào)” 衛(wèi)星 1964年 7月 31日 9點(diǎn) 09分 (東部白天時(shí)間 )在 光線影響月球表面前 17分鐘時(shí)攝取的圖像