1.4 數(shù)字圖像處理的應用與發(fā)展

20世紀60年代以來，數(shù)字圖像處理技術始終保持著迅速發(fā)展的趨勢，而且其高速發(fā)展勢頭一直得以延續(xù)，其源動力表現(xiàn)在以下幾方面：第一，圖像處理所需的計算機設備、數(shù)字化設備和圖像顯示設備在不斷降價，處理器和大容量存儲器末端市場價格逐年下降，而性能卻越來越高；第二，與圖像處理相關的基礎科學研究快速發(fā)展；第三，數(shù)字圖像處理的應用領域持續(xù)擴大，并不斷涌現(xiàn)出新的應用。以美國和歐洲的工業(yè)化國家為例，盡管總軍費開支趨于平穩(wěn)甚至下降，但在“勇氣號”和“機遇號”火星探測器、軍事以及航天遙感等領域卻更多地使用了數(shù)字圖像處理技術，而且在商業(yè)智能、人工智能、生物醫(yī)學、大數(shù)據(jù)等領域?qū)D像技術的應用需求一直持續(xù)增長。

1.4.1 數(shù)字圖像處理的應用

圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，相應地，數(shù)字圖像處理的應用領域也幾乎涉及人類生活、工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應用領域也將隨之不斷擴大。近年來，數(shù)字圖像處理的應用領域無論深度上還是廣度上都發(fā)生了深刻的變化。如表1-1所示，圖像處理技術已經(jīng)滲透到民用工業(yè)、軍事、航空航天、醫(yī)療保健、環(huán)境保護、礦產(chǎn)資源、工程技術、安全保衛(wèi)和科研等各領域，幾乎涉及社會經(jīng)濟生活的各方面，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮越來越重要的作用。

1. 航空航天

數(shù)字圖像處理技術在航空航天領域的應用非常廣泛，除了JPL對月球、火星照片的處理之外，還包括很多方面，如20世紀60年代末以來，美國及一些國際組織發(fā)射了數(shù)量可觀的資源遙感衛(wèi)星（如LANDSAT系列）和天空實驗室（如SKYLAB），由于成像條件受飛行器位置、姿態(tài)、環(huán)境條件等影響，圖像質(zhì)量不是很高，而必須采用數(shù)字圖像處理技術。如LANDSAT系列陸地衛(wèi)星，采用多波段掃描器（MSS），在900km高空對地球每一區(qū)域以18天為一周期進行掃描成像，其圖像地面分辨率相當于十幾米數(shù)量級（1983年LANDSAT-4分辨率為30m）。這些圖像在空中先處理（數(shù)字化，編碼）成數(shù)字信號存入存儲系統(tǒng)中，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時，再高速傳送至地面中心，然后由處理中心分析判讀。這些圖像無論在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須應用數(shù)字圖像處理技術。在我國，無論是“神舟”系列（1～10號）、“天宮”系列、“天舟”系列、繞月飛船系列的發(fā)射，還是“空間站”的建立，以及各型號的運載火箭和飛船的歷次發(fā)射、狀態(tài)監(jiān)控、故障修復及回收，這其中數(shù)字圖像處理技術也都發(fā)揮了不可替代的重要作用。

此外，包括航空遙感、衛(wèi)星遙感、空間探測、軍事偵察等諸多領域都離不開圖像處理技術。很多國家每天派出一定數(shù)量的偵察機對地球上感興趣的地區(qū)進行大量的觀察和信息傳輸，獲取軍事和經(jīng)濟等方面的有用信息。現(xiàn)在，世界各國在進行資源調(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），災害勘測（如病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等），資源勘察（如石油勘探、礦產(chǎn)量探測、大型工程地理位置勘探分析等），城市規(guī)劃（如地質(zhì)結構、水源及環(huán)境分析等），農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤營養(yǎng)、水分和農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的估算等）都大量采用了圖像處理技術。十幾年來，我國也陸續(xù)開展了上述多方面的一些實際應用，并獲得了很好的效果，在航空航天和太空星際研究方面，圖像處理技術也發(fā)揮了相當大的作用。

2. 工業(yè)應用

工業(yè)應用是數(shù)字圖像處理技術的重要應用領域之一。從20世紀60年代開始，在美國、日本及歐洲的一些工業(yè)化國家就已經(jīng)開始采用數(shù)字圖像處理技術進行工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量控制。例如，在現(xiàn)代化的流水生產(chǎn)線上，可以利用圖像處理技術對產(chǎn)品和部件進行無損檢測；在浮法玻璃生產(chǎn)線上，可以對玻璃質(zhì)量進行監(jiān)控和篩選等。

在工業(yè)和工程領域中，圖像處理技術有著廣泛的應用，如在自動裝配線上檢測零件的質(zhì)量及對零件進行分類，印制電路板疵病檢查，彈性力學照片的應力分析，流體力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些有毒、放射性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進的設計和制造技術中采用工業(yè)視覺等。其中值得一提的是，研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人將會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來新的激勵，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。

3. 醫(yī)學與生物工程

由于數(shù)字圖像處理技術具有直觀、無創(chuàng)傷、經(jīng)濟和安全方便等諸多優(yōu)點，因此圖像處理在醫(yī)學領域的應用非常廣泛。從近30年來國內(nèi)外醫(yī)學領域的發(fā)展情況看，圖像處理技術已在臨床診斷、病理研究等醫(yī)學領域發(fā)揮了重要作用，不僅應用領域日益廣泛，而且很有成效。

除了已經(jīng)提到的獲諾貝爾獎的CT之外，圖像處理技術在醫(yī)學和生物醫(yī)學工程領域的應用非常之多。如醫(yī)用顯微圖像的處理分析（紅／白細胞分類與計數(shù)、染色體分析、癌細胞識別等），目前廣泛應用于臨床診斷和治療的各種成像技術，如X光肺部圖像增強、超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等方面都廣泛應用了圖像處理技術。

在CT推出后，目前類似的設備已有多種，如核磁共振（nuclear magnetic resonance imaging, NMRI）、電阻抗斷層圖像技術（electrical impedance tomography, EIT）和阻抗成像（impedance imaging），這些都是利用人體組織的電特性（阻抗、導納、介電常數(shù)）形成人體內(nèi)部圖像的技術。由于不同組織和器官具有不同的電特性，因此這些電特性包含了解剖學信息。更重要的是人體組織的電特性隨器官功能的狀態(tài)而變化，因此EIT可望繪出反映與人體病理和生理狀態(tài)相應功能的圖像。目前，EIT的一些算法正在呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等方面進行臨床應用的探索。

4. 通信領域

早在1865年，法國在巴黎至里昂就成功試驗了傳真通信，雖然由于技術及經(jīng)濟原因，當時的圖像通信技術發(fā)展一直非常緩慢，但開創(chuàng)了人類影像通信的先河。按業(yè)務性能劃分，圖像通信可分為電視廣播（點對面通信）、傳真、可視電話（點對點通信）、會議電視（單點對多點）、圖文電視、可視圖文以及電纜電視等。

當前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結合的多媒體通信。具體地講是將電話、電視和計算機以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通信網(wǎng)上傳輸。其中以圖像通信最為復雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達100Mb/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實時傳送出去，必須采用編碼技術來壓縮信息的比特量。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術成敗的關鍵。除了已應用較廣泛的熵編碼、DPCM編碼、變換編碼外，國內(nèi)外正在大力開發(fā)研究新的編碼方法，如分行編碼、自適應網(wǎng)絡編碼、小波變換圖像壓縮編碼等。

20世紀70年代，由于微電子技術的突破和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，解決了圖像通信中的關鍵技術，有效推動了圖像通信的應用與發(fā)展，從此圖像通信逐漸成為了人們生活中常用的通信方式。1980年CCITT為三類傳真機和公共電話交換網(wǎng)上工作的數(shù)字傳真建立了國際標準，1984年CCITT提出了ISDN標準，以及當今基于IP的多媒體通信都意味著非語音通信業(yè)務在通信中所占據(jù)的重要位置。圖像通信主要包括如下幾種方式：

（1）傳真。傳真指將文字、圖表、照片等靜止圖像通過光電掃描的方式變成電信號加以傳送的設備。CCITT于1980年頒布了三類數(shù)字傳真國際標準：一類機不進行壓縮，4線／毫米，傳送一頁A4文件需6分鐘；二類機采用了頻帶壓縮技術（殘留邊帶傳輸），4線／毫米，傳送一頁A4文件需3分鐘；三類機在傳送前采用了去冗余技術，在電話線上傳送一頁A4文件需1分鐘。四類機是在三類機的基礎上發(fā)展起來的傳真設備，采用了去冗余、糾錯碼技術，連接Modem以后可以在公用電話網(wǎng)上使用。經(jīng)過多年發(fā)展，傳真技術不斷進步，目前的分辨率可達16點／毫米以上，傳送一幅A4文件僅需數(shù)秒。

（2）電視廣播。1925年英國實現(xiàn)了單色電視廣播，1936年英國BBC正式開始推出電視廣播。目前彩色電視主要有三種制式，即美國、日本等國所采用的NTSC制式，中國和西歐、非洲等地區(qū)所采用的PAL制式，以及法國、俄羅斯等國所采用的SECAM制式。

（3）圖文電視和可視圖文。圖文電視（teletext）和可視圖文（videotext）是提供可視圖形文字信息的通信方式。圖文電視是單向傳送信息，是在電視信號消隱期發(fā)送圖文信息，用戶可用電視機和專用終端收看該信息。可視圖文是基于雙向工作方式的，用戶可用電話向信息中心提出服務內(nèi)容或從數(shù)據(jù)庫中選擇信息。

（4）有線電視。有線電視即CATV，它是采用電纜或光纜傳送電視節(jié)目的電視技術。1949年，美國安裝了全球第一個有線電視系統(tǒng)，1977年采用光纜實現(xiàn)了有線電視。隨后，有線電視系統(tǒng)由于其信號穩(wěn)定性、信號質(zhì)量和頻道數(shù)量等方面的特點在全球得到迅速普及。

（5）可視電話和會議電視。自從1964年美國國際博覽會首次展出了帶寬為1MHz的picture-phone MOD-I可視電話系統(tǒng)以來，可視電話和會議電視系統(tǒng)由于其具有方便和高效等特點而得到廣泛應用。目前，可視電話和會議電視均采用數(shù)字壓縮技術，并采用H.261、H.263、H.230、H.323等相關圖像編碼和會議電視國際標準。

5. 遙感

1962年國際上才開始正式使用遙感（remote sensing）一詞。可以說數(shù)字信號處理技術對遙感遙測技術的發(fā)展與推動起了非常重要的作用，遙感技術發(fā)展的重要事件無不與數(shù)字圖像處理技術密切相關。1909年意大利人乘飛機拍攝世界上第一張航空照片、1957年蘇聯(lián)和1958年美國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星都采用了大量的數(shù)字圖像處理技術。此后，美國相繼發(fā)射多顆陸地資源探測Ⅱ衛(wèi)星。

在航空遙感和衛(wèi)星遙感技術中，某些軍事大國每天派出很多偵察飛機對地球上的敏感地區(qū)進行大量的空中拍攝，對拍攝的照片進行處理分析，以前需要雇用幾千人，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)省了人力，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。1982年，美國基于LANDSAT-N衛(wèi)星成功組網(wǎng)定位精度達到±10m級的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）。

2017年11月5日，中國第三代導航衛(wèi)星順利升空，標志著我國正式建成北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）。這是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具有短報文通信能力，已經(jīng)具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力，定位精度小于10m，測速精度為0.2m/s，授時精度為10ns。未來，基于圖像處理技術的遙感遙測技術效率及分辨率越來越高，應用越來越普及和深入，在土地測繪、資源勘探、軍事偵察、氣象監(jiān)測與預報、林業(yè)資源勘測、環(huán)境污染監(jiān)測、農(nóng)作物估產(chǎn)等方面將得到更廣泛的應用。

6. 安全與交通

目前，在安全領域已開始采用圖像處理技術與模式識別等方法實現(xiàn)重要場所、特定現(xiàn)場和敏感地點的監(jiān)控，可以通過采用足跡、指紋識別、人臉識別、虹膜識別等技術實現(xiàn)案件偵破，通過數(shù)字圖像技術和通信技術實現(xiàn)對交通的管理與調(diào)度等。

7. 軍事和公安

在軍事方面圖像處理和識別主要用于：導彈的精確末制導；各種偵察照片的判讀；具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)，飛機、坦克和軍艦模擬訓練系統(tǒng)等；公安業(yè)務圖片的判讀分析，指紋識別，人臉鑒別，不完整圖片的復原，以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別都是圖像處理技術成功應用的例子。

8. 金融與支付

21世紀是信息化時代，基于互聯(lián)網(wǎng)、電子商務、在線購物的應用日益普及，金融與電子支付已廣泛使用指紋密碼、在線身份認證、產(chǎn)品防偽、數(shù)字證書、人臉識別甚至虹膜識別等技術，這些無不與圖像處理技術密切相關。

9. 視頻和多媒體

目前，視頻和多媒體系統(tǒng)已廣泛應用于電影與電視制作中，許多電視制作人員都能熟練使用圖像處理、變形、合成等技術制作各種特技動作。多媒體系統(tǒng)離不開靜止圖像和動態(tài)圖像的采集、壓縮、處理、存儲和傳輸。

圖像處理技術的應用領域已非常廣泛，它在社會經(jīng)濟發(fā)展、國計民生、國防與國家安全以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1.4.2 數(shù)字圖像處理的發(fā)展

始于20世紀60年代現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術，隨著微電子技術發(fā)展、計算機運算和處理速度的提升、各種快速算法的出現(xiàn)，已經(jīng)從最初的航天探測等少數(shù)尖端領域向現(xiàn)代文明的各個方向滲透，圖像處理技術將向高速、高分辨率、多媒體、智能及標準化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1. 高速、高分辨率和高精度

數(shù)字圖像處理技術在進一步加強理論研究，逐步形成圖像處理學科體系的同時，應進一步提高硬件速度，這不僅要提高計算機的速度，以及A/D和D/A的速度和精度；而且應該提高分辨率，主要包括采集分辨率和顯示分辨率，著重解決圖像處理速度等核心問題，將圖像、圖形技術相結合，朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。例如，在航天遙感、氣象預報的云圖處理方面，巨大的數(shù)據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。

2. 新理論與新算法

近年來，數(shù)字圖像處理領域在理論上也有了更新的發(fā)展，新的理論和新的算法不斷涌現(xiàn)，如Wavelet算法、Morphology算法、Fractal算法、分形幾何（Fractal）、數(shù)學形態(tài)學神經(jīng)網(wǎng)絡算法、遺傳算法、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等。其中Fractal算法廣泛用于圖像處理、圖形處理、紋理分析，同時還可以用于數(shù)學、物理、生物、神經(jīng)和音樂等方面，這些理論及建立在其上的算法，將會成為今后圖像處理理論與技術的研究熱點，并將進一步推動圖像處理技術的發(fā)展。此外，圖像處理技術將加強新算法的研究與加強軟件研究相結合，開發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學科的技術和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法。

3. 與通信技術結合

數(shù)字圖像處理技術在理論、軟件、硬件技術不斷發(fā)展的同時，其另一個新的發(fā)展方向是圖像與通信技術的緊密結合。從1865年的傳真通信開始，到目前正開始進入應用的可視電話，圖像處理與通信技術的結合已經(jīng)歷了一百多年的歷程。隨著微電子技術、計算機技術，特別是VLSI制造技術、通信數(shù)字化技術的迅速發(fā)展，圖像與通信技術日益融合。會議電視、電視電話、圖文電視、可視圖文、傳真等圖像通信方式已應用到各行各業(yè)。20世紀90年代初，以H.261（活動圖像編碼國際標準）以及隨后一系列圖像編碼、圖像通信的國際標準先后獲得通過為標志，解決了可視技術在通信中的應用這一長期困擾人們的問題，極大地推動了會議電視、電視電話等圖像通信方式的國際化和產(chǎn)業(yè)化，圖像通信開始進入一個高速發(fā)展的新階段。

4. 圖像處理的硬件技術

在圖像處理技術方面，一個新的趨勢是更加重視圖像處理的專門硬件芯片的研究，把圖像處理的眾多功能固化在芯片上，使之更加便于應用。圍繞HDTV（高清晰度電視）的研制，開展實時圖像處理的理論及技術研究，向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標準化方向發(fā)展。20世紀80年代后期開始，圖像處理的硬件技術也得到了迅速發(fā)展，這時不僅能處理二維圖像，而且開始進行三維圖像的處理。目前，一些圖像處理硬件采用流水線結構，可以將JPEG集成到一個芯片上。進入21世紀以來，圖像處理技術已逐步滲透到人類生活和社會發(fā)展的各個方面。例如近年來蓬勃發(fā)展的醫(yī)學圖像處理、多媒體信息處理技術、圖像融合技術、虛擬現(xiàn)實技術等，圖像在其中均占據(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才能充分發(fā)揮它們的作用。

5. 圖像處理領域的標準化

圖像的信息量大、數(shù)據(jù)量大，因而圖像信息的建庫、檢索和交流是一個重要的問題。就現(xiàn)有的情況看，軟件與硬件種類繁多，交流和使用極為不便，成為資源共享的嚴重障礙。應建立圖像信息庫，統(tǒng)一存放格式，建立標準，統(tǒng)一檢索方法。此外，還應加強邊緣學科的研究工作，促進圖像處理技術的發(fā)展。如人的視覺特性、心理學特性等方面的研究，如果有所突破，將對圖像處理技術的發(fā)展起到極大的促進作用。

6. 新的應用領域

從JPL實驗室開拓性地引入數(shù)字圖像處理技術到我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及空間站的建立，都標志著數(shù)字圖像處理技術為人類的航空航天及軍事等尖端領域做出了持續(xù)的貢獻，與此同時，美國、日本和歐洲一些國家的科技人員又將圖像處理技術從空間技術推廣到了生物學、醫(yī)學、光學、陸地衛(wèi)星、多波段遙感圖像分析、人工智能、粒子物理、地質(zhì)勘探、工業(yè)檢測及印刷等多種應用領域。特別是進入21世紀以來，關于圖像處理方面的研究論著，在質(zhì)量和數(shù)量上都在迅速攀升，技術上的突破不斷促進數(shù)字圖像處理技術向深度和廣度發(fā)展，圖像水印、圖像檢索等各種新的應用方向不斷出現(xiàn)。

數(shù)字圖像處理理論和技術經(jīng)過了約50年的快速發(fā)展，已不再局限于航空、航天、通信和醫(yī)學等少數(shù)尖端領域，已迅速發(fā)展成一門獨立的具有強大生命力的學科，并滲透到了科學研究的各個領域、工業(yè)生產(chǎn)的眾多行業(yè)、人類生活的各個方面。隨著各種應用需求的不斷增加，數(shù)字圖像處理無論在理論上還是實踐上都存在著巨大的潛力，可以預料，數(shù)字圖像處理技術必將更加迅速地向廣度和深度發(fā)展。今天，隨著科技事業(yè)的進步以及人類需求的多樣化，多學科的交叉融合已是現(xiàn)代科學發(fā)展的突出特色和必然途徑，而圖像處理學科是一門既與尖端科學緊密相連，又與國計民生密切相關的應用科學，必將產(chǎn)生更多的應用領域和更新的成果。