1.1 數字圖像處理的產生

21世紀是一個智能信息的時代，大數據研究表明，人們日常生活中所接收的信息總量，80%左右來源于圖像信息，從這一角度看，“百聞不如一見”正是圖像處理重要性的形象表達和經驗總結。因此，圖像是人類獲取信息、表達信息和傳遞信息的重要手段，是人類感知和認識世界的基礎。

圖像處理技術的早期應用較為單一，圖像處理的目的是改善和提高圖像質量，即主要考慮以人為對象，以改善人的視覺效果為目的。在圖像處理中，輸入的是質量低的圖像，輸出的是改善質量后的圖像。常用的圖像處理方法有圖像增強、復原、編碼、壓縮等。現代數字圖像處理技術始于20世紀60年代，它受益于微電子技術的快速發展、計算機運算速度的迅速提升和快速算法的出現，從而使得圖像處理算法可以在計算機上真正實現。這一時期，美國NASA開始處理飛船從月球發回的照片，標志著數字圖像處理技術開始在軍事和尖端科技行業得到實際應用。

首次大規模成功應用圖像處理技術的是美國噴氣推進實驗室（JPL）。1964年，美國JPL實驗室在圖像處理的研究和應用方面進行了開拓性的工作。圖像處理工程師利用“徘徊者7號”發回的數千張月球照片，使用計算機及圖像處理設備，在充分考慮了太陽位置和月球環境對照片影響的基礎上，采用灰度變換、去噪聲、幾何校正、傅里葉變換以及二維線性濾波等方法對圖片進行處理，由計算機第一次繪制了月球表面地圖。隨后，1965年又對“徘徊者8號”發回的幾萬張照片進行解卷積和消除運動模糊等較為復雜的處理，使圖像質量進一步提高，由計算機成功地繪制出月球表面地圖。后來又對探測飛船發回的近十萬張照片進行更為復雜的圖像處理，獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，為人類登月創舉奠定了堅實的基礎，也推動了數字圖像處理這門學科的誕生。從此，數字圖像處理被廣泛應用于航空、航天以及遙感遙測等尖端領域并發揮著越來越重要的作用。

在我國，圖像處理技術給人們帶來巨大的震撼也常發生在航天領域。雖然我國航天技術一直走在世界前列，但一直在低調中奮進，2013年6月11日“神舟十號”飛船成功發射，2017年4月20日“天舟一號”貨運飛船在文昌航天發射中心由長征七號遙二運載火箭成功發射升空。正是數字圖像處理技術，使人們近距離感觸到了我國航天技術的先進水平，即便人們足不出戶，也可以詳細地觀看到航天員楊利偉、聶海勝、張曉光、王亞平、劉洋在“神舟”系列、“天舟”系列飛船上進行太空探索和科學試驗活動。

數字圖像處理技術的另一個重要應用是醫學領域。1972年，英國EMI的工程師Housfield發明了用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影裝置，即通常所說的CT（computer tomograph）。CT的基礎方法是根據人的頭部截面的投影，經計算機處理來重建截面圖像，稱為圖像重建。1975年，EMI又成功研制出全身用的CT裝置，可獲得人體各個部位清晰的斷層圖像。由于圖像處理技術這一應用的重大意義，這一無損傷診斷技術的英國研究者Housfield和美國研究人員Commack獲得了1979年諾貝爾獎，這說明圖像處理技術對人類做出了劃時代的貢獻。

美國在衛星遙感、軍事、氣象等領域開始廣泛應用數字圖像處理技術，快速推動了數字圖像處理技術的發展，而這一時期，也正是全球微電子技術走上快速發展的初期，包括CPU處理器、海量存儲器、圖像數字化和圖像顯示以及計算機硬件設備不斷降價，客觀上推動了該技術的發展和深入應用。也正是這一時期，美國開始將圖像處理技術從軍事領域擴展應用到了工業和民用領域，開始利用衛星云圖進行天氣預報，并利用衛星遙感監測全球氣候，在公眾安全領域開始使用指紋識別、人臉識別技術，數字圖像處理技術為美國社會帶來了巨大的經濟和社會效益。

借助于信息技術和圖像處理技術的領先優勢，20世紀90年代，美國提出了“數字地球”的概念。顯然，圖像是構成“數字地球”的信息基礎，不同的遙感平臺提供的多源遙感圖像為數字地球這一概念提供了基礎信息支撐。今天，數字圖像處理技術已經應用到科學研究的眾多領域，數字圖像處理技術對科學研究、國民經濟甚至人類社會的發展具有深遠的意義。

首先，圖像處理技術是人類視覺延伸的重要手段。數字圖像處理技術從宏觀上擴展了人類視覺可觸及的距離。2017年4月27日，我國“天舟一號”貨運飛船實現了與“天宮二號”的首次推進劑在軌補加試驗，借助于圖像處理與通信技術，人們坐在家中就能觀看到這一尖端科技壯舉，看到了我國航天事業的巨大成就。

其次，數字圖像處理技術拓寬了人類獲取信息的渠道和窗口。對于人眼來說是模糊的或者不可見的圖像，通過圖像增強技術或其他處理方法，可以使模糊圖像變得清晰明亮，使不可見圖像變為視覺可見圖像。人類視覺系統只能看到電磁波譜中很窄范圍的可見光部分，紫外波段、紅外波段和微波等波段對人眼都是不可見的，但以現階段的科技水平，卻可以利用紅外、微波等波段的信息進行數字成像，通過數字圖像處理技術將不可見的波譜信息變為可見圖像信息。現代醫學也正是利用了數字圖像處理技術，將不可見的X射線進行成像。遙感遙測技術也是非常典型的例子，陸地衛星的TM多光譜圖像就充分利用了波長為0.78～0.94μm的近紅外波段來探測植被信息和生長情況，獲取植被宏觀信息；利用波長為10.4～12.5μm的熱紅外波段可監測地表大氣層的熱源污染情況，無論是近紅外波段還是熱紅外波段，都是不可見波譜信息。

數字圖像處理技術可以提高人類對信息的識別精度和識別能力。通過數字圖像處理技術，可以將人眼無法識別的圖像進行識別和分類處理。指紋識別是一個典型的例子，人眼很難區分識別不同個體的指紋，而計算機通過圖像識別技術卻可以快速準確地檢索、匹配和識別數十億級別的不同個體的指紋。

此外，數字圖像處理技術可以幫助人們更加客觀、準確、快速地了解世界和認識世界。人類的視覺系統可以幫助人類從外界獲得80%左右的信息，而圖像、圖形是表示和傳遞信息的最佳載體。現階段，絕大多數人都沒有登上過月球，但通過“嫦娥三號”月球探測器以及“玉兔號”月球車從月球傳回的高清晰月球圖像，人們能準確地了解了月球的概貌。

今天，數字圖像處理技術已經廣泛、深入地應用于國民經濟的各個領域。在醫學和生物工程領域，X射線、CT、核磁共振等技術已經廣泛用于臨床診斷；在軍事、航天和國土資源監測領域，衛星遙感圖像技術已廣泛應用于情報獲取以及所有與地球資源相關的礦產勘探、資源監測、水土流失等方面的監測；在公共安全領域，指紋識別、人臉識別、虹膜識別技術已得到廣泛的應用，數字安保系統已經在聯合國及奧運會等各種重要場所發揮著不可替代的重要作用。