1.5　數(shù)字圖像處理發(fā)展及應(yīng)用簡介

1.5.1　數(shù)字圖像處理的發(fā)展

數(shù)字圖像處理最早的應(yīng)用之一是在報紙業(yè)。當(dāng)時，圖像第一次通過海底電纜從倫敦傳往紐約。早在20世紀20年代，曾引入Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)，把橫跨大西洋傳送一幅圖片所需的時間從一個多星期減少到了3h。為了用電纜傳輸圖片，首先要進行編碼，然后在接收端用特殊的打印設(shè)備重構(gòu)該圖片。而早期的Bartlane電纜圖片傳輸系統(tǒng)可以用5個灰度級對圖像進行編碼，到1929年已增加到15個等級，明顯地改善了圖像表達的效果。

電子計算機的發(fā)明促進了真正意義上的數(shù)字圖像處理的誕生與應(yīng)用。而現(xiàn)代意義上的數(shù)字圖像處理技術(shù)是建立在計算機軟硬件快速發(fā)展及性能價格比急速提高的基礎(chǔ)之上的，它開始于20世紀60年代初期，第三代計算機的研制成功、快速傅里葉變換的出現(xiàn)，使得某些圖像處理算法可以在計算機上得以實現(xiàn)。其中具有代表性的是美國加利福尼亞州噴氣推進實驗室（JPL，Jet Propulsion Laboratory）在圖像處理方面的研究和應(yīng)用。該實驗室對航天探測器“徘徊者7號”在1964年發(fā)回的幾千張月球照片，使用IBM7094計算機以及其他設(shè)備，采用幾何校正、灰度變換、去噪聲、傅里葉變換以及二維線性濾波等方法進行處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，成功地繪制了月球表面地圖。隨后，又對1965年“徘徊者8號”發(fā)回地球的幾萬張照片進行了較為復(fù)雜的數(shù)字圖像處理（解卷積、去運動模糊等），使圖像質(zhì)量進一步提高。這些進展引起世界許多有關(guān)方面的注意。JPL本身也更加重視對數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究，改進設(shè)備（使用更先進的IBM360/65計算機和研制專用設(shè)備），成立專用圖像處理實驗室IPL。對后來的探測飛船發(fā)回的幾十萬張照片進行了更為復(fù)雜的圖像處理，以致可以獲得月球的地形圖、彩色圖以及全景鑲嵌圖。從此，JPL以很大的力量投入圖像處理技術(shù)的開發(fā)和研究，取得了許多非凡的成果。例如，1971年“水手號”發(fā)回的幾千張火星照片，由于火星表面覆蓋塵爆等，導(dǎo)致這些照片成像條件很差，畸變和干擾因素又很復(fù)雜，未經(jīng)處理，幾乎看不出什么內(nèi)容。因此數(shù)字圖像處理變得必不可少，這又促進了這門技術(shù)的發(fā)展。與此同時，JPL以及各國有關(guān)部門已把數(shù)字圖像處理技術(shù)從空間技術(shù)中開發(fā)到生物學(xué)、X射線圖像增強、光學(xué)顯微圖像的分析、陸地衛(wèi)星、多波段遙感圖像的分析、粒子物理、地質(zhì)勘探、人工智能、工業(yè)檢測等等方面。

到20世紀80年代，計算機及圖像處理各種硬件的發(fā)展，使得人們不僅能夠處理二維圖像，而且開始處理三維圖像。許多能獲取三維圖像的設(shè)備和分析處理三維圖像的系統(tǒng)研制成功，圖像處理技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用。20世紀90年代直至現(xiàn)在的20余年，圖像處理技術(shù)已逐步涉及人類生活和社會發(fā)展的各個方面。例如近年來蓬勃發(fā)展的大數(shù)據(jù)醫(yī)學(xué)圖像處理、圖像融合技術(shù)、多媒體語音識別、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，圖像在其中占據(jù)了主要地位，文本、圖形、動畫、視頻都要借助于圖像處理技術(shù)才能充分發(fā)揮作用。

數(shù)字圖像處理在不長的時間里，迅速發(fā)展成一門獨立的、有強大生命力的學(xué)科，隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，以及各種實際應(yīng)用的需求，可以預(yù)料，數(shù)字圖像處理技術(shù)必將更加迅速地向廣度和深度發(fā)展。

1.5.2　數(shù)字圖像處理的應(yīng)用

數(shù)字圖像處理已成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域，滲透到人類生活的方方面面，并給人們的生活帶來了巨大的社會和經(jīng)濟效益。

（1）航空、航天遙感方面的應(yīng)用

數(shù)字圖像處理技術(shù)在航空和航天技術(shù)方面的應(yīng)用，除了上面介紹的JPL對月球、火星相片的處理外，其主要應(yīng)用是在航空和航天遙感技術(shù)中。不計其數(shù)的偵察機和衛(wèi)星搭載各種傳感器對地球上的感興趣部分進行大量的空中攝影，對由此得來的照片進行判讀分析，以前需要雇傭幾千人，而現(xiàn)在改用配備有高級計算機的圖像處理系統(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。圖1.5是通過遙感的方式獲取的某城市的局部遙感圖像。

20世紀60年代末以來，美國及一些國際組織發(fā)射了資源遙感衛(wèi)星并建立了太空實驗室，由于成像條件受飛行器的位置、姿態(tài)、環(huán)境條件等影響，圖像質(zhì)量總是不盡人意。因此，簡單地直觀判讀以如此昂貴的代價所獲取的圖像是不合算的，而必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。如LANDSAT系列衛(wèi)星，采用多波段掃描器，在高空對地球的每一地區(qū)以18天為一周期進行掃描成像，其圖像分辨率大致相當(dāng)于地面上的十幾米或100m左右（如1983年發(fā)射的LANDSAT-4，分辨率為30m。目前的衛(wèi)星如高分2號等的空間分辨率可達亞米級）。這些圖像在空中先處理（數(shù)字化、編碼）成數(shù)字信號存入存儲介質(zhì)中，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時再高速傳下來，然后由地面處理中心進行管理、分析、判讀和分發(fā)。這些圖像無論在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須借助數(shù)字圖像處理的方法。特別是對圖像的判讀分析中，目前世界各國都在利用遙感衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(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）、農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤養(yǎng)分、水分和農(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）。我國也開展了以上諸方面的一些實際應(yīng)用（如國土資源調(diào)查、城市管理，以及在汶川地震及舟曲泥石流的抗震救災(zāi)中各種衛(wèi)星及無人機的應(yīng)用），均取得了良好的應(yīng)用效果。

除可見光影像以外，紅外波段具有獨特的功能，可借助各種紅外遙感方式，來觀察地球表面微弱的接近可見光范圍的近紅外光的發(fā)射源，包括城市、小鎮(zhèn)、村莊、氣體火焰及火光。而在許多情況下，雷達是探測地球表面不可接近地區(qū)的唯一方法。通過這些方式獲取的圖像，也需要利用圖像處理的方法進行處理、分析和理解。

在氣象學(xué)方面，大量數(shù)據(jù)的計算和對計算結(jié)果的分析更希望以一種直觀的圖像形式來表示。首先將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，在屏幕上顯示出某一時刻的等壓面、等溫面、云層的位置及其運動、暴雨區(qū)的位置及其強度、風(fēng)力的大小及方向等，從而使預(yù)報人員能對未來的天氣做出準確的分析和預(yù)測；同時根據(jù)全球的氣象檢測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，也可將不同時期全球的氣溫分布、氣壓分布、雨量分布及風(fēng)力風(fēng)向等以數(shù)字圖像形式表示出來，從而對全球的氣象情況及其變化趨勢進行研究和預(yù)測。圖1.6是一幅關(guān)于某地區(qū)受到云覆蓋影響的衛(wèi)星圖像；圖1.7所示為利用一幅衛(wèi)星云圖監(jiān)視臺風(fēng)的形成及其運動趨勢。

對太空其他星球的研究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當(dāng)大的作用。

（2）生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用

數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用開展得較早，其中一類是對生物醫(yī)學(xué)的顯微光學(xué)圖像的處理和分析方面。如對紅白細胞、細菌、蟲卵的分類計數(shù)、染色體分析等。

圖像處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中最為成功的是計算機斷層成像，也稱CT技術(shù)。它是由英國的Hounsfield和美國的Cormack發(fā)明的，并由英國的EMI公司在1973年制造出第一臺X射線斷層成像裝置。通過CT，可以獲取人體剖面圖，使得肌體病變特別是腫瘤診斷發(fā)生了革命性的變化。兩位發(fā)明者因此獲得了1979年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。X射線CT主要應(yīng)用肌體不同的組織對X射線的吸收率不同來成像，但人體的某些組織，如心臟、乳腺等軟組織，正常的和病變的部分對X射線的衰減變化不大，圖像靈敏度不夠，后來又發(fā)展了γ射線、質(zhì)子、正電子等射線的CT，以及超聲CT，最近又出現(xiàn)了核磁共振CT，使人體免受各種硬射線的傷害，并且圖像也更為清晰。

根據(jù)CT所獲得的一系列二維圖像通過三維重建可在計算機屏幕上顯示出來。在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)矯形手術(shù)、放射治療等計算機模擬及手術(shù)規(guī)劃。例如，髖關(guān)節(jié)發(fā)育不正常在兒童中并不少見，在做矯形手術(shù)時，需要對髖關(guān)節(jié)進行切割、移位、固定等操作。首先通過三維圖像處理系統(tǒng)在計算機上構(gòu)造出髖關(guān)節(jié)的三維圖像；然后對切割部位、切割形狀、移位多少及固定方式等的多種方案在計算機上進行預(yù)先模擬，并從各個不同角度觀察其效果；最后由醫(yī)生確定最佳實施方案，從而大大提高矯形手術(shù)的質(zhì)量。總之，圖像處理技術(shù)在人類醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了最為廣泛的應(yīng)用。圖1.8為兩幅醫(yī)學(xué)圖像。

（3）工業(yè)和工程方面的應(yīng)用

這是近期極其活躍的圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)和工程方面存在許多無損探傷和自動控制問題，如彈性力學(xué)照片的應(yīng)力分析、流體力學(xué)圖片的阻力和升力分析；機械零部件的檢查和識別，如印刷電路板疵病檢測等。其中最值得肯定的是“計算機視覺”的應(yīng)用，利用能夠時時獲取場景圖像的機器人，可以確定物體的位置、方向、屬性以及其他狀態(tài)等，它不但可以完成普通的材料搬運、產(chǎn)品集裝、部件裝配、生產(chǎn)過程自動監(jiān)控，還可以在不宜進入的環(huán)境里進行噴漆、焊接、自動檢測等。目前已發(fā)展到視覺、聽覺和觸覺自動反饋的智能機器人。

在生產(chǎn)線中對生產(chǎn)的產(chǎn)品及部件進行無損檢測也是數(shù)字圖像處理技術(shù)的一個應(yīng)用領(lǐng)域。如食品包裝出廠前的質(zhì)量檢查、工件尺寸測量、集成芯片內(nèi)部電路的檢測等都需要采用圖像處理技術(shù)加以自動實現(xiàn)。目前已使用的自動外觀檢查裝置有很多，如漆包線自動外觀檢查裝置、彩色顯像管的自動外觀檢查裝置、電話交換機繼電器接點檢查以及印刷板自動外觀檢查等。圖1.9為一幅水庫堤壩圖像，可用來觀察大壩的形變。圖1.10為一幅電路板圖像，可用來檢查電子器件的外觀等。

（4）軍事公安業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用

這方面主要是各種觀察圖像的判讀，運動目標的圖像自動跟蹤技術(shù)，如景象跟蹤技術(shù)已裝配到無人機、軍艦和導(dǎo)彈，并在軍事演習(xí)和實戰(zhàn)中取得了很好的效果。還包括圖像傳輸、存儲和顯示的自動化指揮系統(tǒng)，飛機、軍艦和坦克的模擬訓(xùn)練器等。公安視頻監(jiān)視圖像的判讀分析、跟蹤、監(jiān)視、交通控制、事故分析（如車輛船只的識別等）都已在不同的程度上投入正常業(yè)務(wù)使用。圖1.11是利用CCD監(jiān)視器獲取的同一地點不同時間的監(jiān)控錄像經(jīng)過截頻得到的兩幅監(jiān)控圖像。左邊圖像是可見光監(jiān)視器獲取的某一區(qū)域上午的監(jiān)控圖像；右邊圖像是晚上紅外監(jiān)視器所獲取的同一區(qū)域的監(jiān)控錄像，其右下方是一嫌犯正在準備進入廠區(qū)進行偷竊。

在公共安全領(lǐng)域中，目前得到廣泛應(yīng)用的還有身份認證、指紋識別、不完整圖片的復(fù)原、電子地圖繪制、人臉合成和識別等。在公安偵察和人口管理中，常用的指紋識別技術(shù)和身份認證對應(yīng)技術(shù)都離不開數(shù)字圖像處理。指紋具有兩大特征，第一是沒有兩個人的指紋是完全相同的；第二是指紋不受損傷時終生不變。所以它是識別人最有力的手段之一。指紋本身是一個無窮類問題，在應(yīng)用中有不同的情況，主要是對指紋根據(jù)匹配特征進行核對查找。

（5）通信工程方面的應(yīng)用

21世紀的通信已不再是模擬時代下的模擬信號，通信傳輸?shù)男畔⑹锹曇簟D像等多種數(shù)據(jù)的結(jié)合。特別是數(shù)字化的圖像、數(shù)字化的視頻和其他種數(shù)據(jù)等多媒體數(shù)據(jù)信息。為此國際標準化組織提出了一系列圖像通信的國際標準，均要求采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，包括圖像的采集、圖像壓縮、圖像存儲、圖像傳輸和圖像顯示等眾多環(huán)節(jié)。眾多新型手機的功能需要圖像處理技術(shù)的支持。圖1.12是目前流行的華為手機的待機界面。

（6）其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

在文化藝術(shù)方面，目前較為成熟的有電視畫面的數(shù)字編輯、電視場景的數(shù)字生成與實景布置、電影電視動畫制作、計算機動畫和電子競技游戲、服裝紡織品的花紋設(shè)計和制作、古文物資料和古建筑照片的復(fù)制和修復(fù)、運動員動作分析和評分等。圖1.13～圖1.15是圖像處理在電視轉(zhuǎn)播、店面廣告設(shè)計及數(shù)字電影方面應(yīng)用的圖片。可以說，作品藝術(shù)性的表現(xiàn)只受設(shè)計者的想象空間的限制。

在教學(xué)和科研領(lǐng)域中也大量使用數(shù)字圖像處理技術(shù)。特別在近似科學(xué)可視化方面更是如此，它是發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具，加快數(shù)據(jù)處理速度，并運用計算機圖形學(xué)和重建技術(shù)將計算過程中的數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出來并進行交互處理。如Matlab科學(xué)計算工具就包括了很多成熟的圖像處理軟件包和具備了比較完美的圖像表達能力。

在當(dāng)前的電子商務(wù)、電子政務(wù)和信息化建設(shè)中，數(shù)字圖像處理技術(shù)也大有可為。如身份認證中的印章真?zhèn)巫R別、產(chǎn)品防偽中相似商標的檢測、數(shù)字水印技術(shù)等。

表1.2對目前數(shù)字圖像處理的應(yīng)用進行了簡要的總結(jié)。

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與成熟，彩色顯示終端和大容量存儲介質(zhì)的應(yīng)用，數(shù)字圖像處理技術(shù)將發(fā)生巨大的變化，并日益為人們所重視，在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事偵察測繪技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生、資源勘探、氣象預(yù)報、大氣污染研究、政府決策部門等許多領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。