1.3 數字圖像處理系統

計算機技術的快速發展推動了數字圖像處理技術的發展，反過來，數字圖像處理技術的廣泛應用又推動了計算機和微電子技術的發展。圖像處理的大數據量，既推動了大容量存儲器研發，也推動和培育了海量存儲市場的發展。數字圖像的高性能顯示和輸出，促進了高精度彩色顯示器和彩色打印機的誕生與發展，并推動了對掃描儀、數碼相機、攝像機等高精度數字圖像輸入設備的發展。

數字圖像處理技術的快速發展和廣泛應用推動了圖像處理系統硬件的研發，不同行業對數字圖像處理系統的性能提出了不同的要求。例如，醫學影像處理系統對系統的處理速度和精度方面的要求較高，而指紋識別系統則要求系統具有實時響應的性能。雖然不同的圖像處理系統在精度、速度、容量等方面的要求可能不盡相同，但數字圖像處理系統呈現出專業化的發展趨勢。

1.3.1 數字圖像處理硬件系統

一個經典的數字圖像處理系統如圖1-3所示，主要包括輸入設備、主機系統、輸出和存儲設備等三部分。

1. 圖像輸入設備

圖像輸入設備包括圖像采集與合成設備，以及輸入圖像存儲設備等。隨著技術的發展，圖像輸入設備的性能越來越高，但價格卻越來越低。常用的輸入設備主要包括圖像采集卡、工業攝像機、光電掃描儀、數字相機、遙感遙測等多種設備類型。

（1）圖像采集卡：圖像采集卡（image capture card），又稱為圖像捕捉卡，是一種可以獲取數字視頻信息，并將其存儲、播放、傳輸到計算機主機的硬件設備。采集卡是進行圖像處理必不可少的硬件設備，很多圖像采集卡能在捕捉視頻信息的同時獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數字化時同步保存、同步播放。

（2）光電掃描儀：包括平板式掃描儀和滾筒式掃描儀兩種主要類型。

（3）數字照相機：又稱為數碼相機，可以進行景物拍攝并以數字形式存儲所拍攝的圖像。數字照相機的核心部件是電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，目前主流型號相機的分辨率已超過2000萬像素，可以通過USB接口與計算機相連，將圖像數據傳入計算機并進行進一步處理。

（4）電子成像管攝像機：電子成像管攝像機的關鍵部件是攝像器件。攝像器件將輸入的二維物體信息（即光學圖像）轉換為適于處理和傳輸的電信號。

（5）固態攝像機：包括CCD陣列、電荷注入器件（CID）陣列和光電二極管陣列三種類型，其中CCD已得到廣泛應用，并已逐漸替代電子成像管攝像機。

2. 圖像算法系統

數字圖像處理的算法系統一般由臺式計算機、筆記本電腦、服務器以及其他各種高性能主機系統組成，包括硬件和軟件兩大部分。常見的圖像處理系統主要有計算機和蘋果機系統。

（1）計算機：計算機包括臺式計算機、筆記本電腦、服務器以及其他各種高性能主機。個人計算機（PC）通常以Windows或Linux作為操作系統，目前通用的圖像處理軟件一般都可以在PC上運行。隨著微型機速度和容量的提高，PC與小型機工作站的性能差異已經越來越小，包括ERDAS和PCI Works等許多遙感圖像處理軟件已經可以在PC上運行。隨著PC處理速度和存儲性能的提高，許多大型的專業化的圖像處理系統也逐漸向PC上發展，但20世紀70年代以前，遙感圖像處理系統一般只能在工作站上運行。

（2）蘋果機系統：蘋果機需使用專用的操作系統軟件，在諸如廣告、動畫制作等領域主要使用蘋果機等專業圖像處理系統。在圖像處理的早期，還有各種形式的圖形工作站，如Sun、SGI和HP等公司生產的工作站。工作站一般采用UNIX操作系統，適應于包括遙感圖像在內的大型圖像處理系統的開發與應用。現在，由于計算機運算速度的快速提升，專業的工作站已很少見。

3. 輸出與存儲

圖像處理系統的輸出設備主要有如下三種類型。

（1）CRT顯示器：圖像處理系統中應用最廣泛的輸出設備是基于光柵掃描的陰極攝像管所構成的CRT監視器。隨著技術的進步，液晶顯示器（LCD）、PDP顯示器等輸出設備也開始得到了廣泛的應用。

（2）打印機：顯示器一般用于圖像的暫時顯示，而打印機可用于將圖像永久地記錄在紙上。目前常用的圖像打印設備主要包括彩色噴墨打印機和激光彩色打印機等。

（3）其他設備：數字圖像還可以通過一些專門的記錄設備將圖像記錄在膠片（底片）上，然后通過傳統的洗像技術或打印機輸出。大幅面的遙感衛星圖像通常采用這種輸出形式。

由于數字圖像處理系統數據量非常龐大，因此圖像處理系統的存儲設備一般選用磁帶、光盤和大容量硬盤等存儲器。

1.3.2 數字圖像處理軟件系統

數字圖像處理系統不僅包含硬件設備，而且需要一定的軟件環境支持。以現階段的情況看，圖像處理軟件平臺一般在Windows下開發，圖像軟件開發的工具多種多樣，但主要包括以下幾種。

1. MATLAB圖像工具箱

MATLAB是由MathWorks公司推出的用于數值計算的綜合工具。它具有強大的矩陣運算和大數據處理功能，而數字圖像處理與矩陣運算具有密切的聯系，并且MATLAB圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數。熟練使用這些函數可以完成幾乎所有的圖像處理工作。不斷推出的MATLAB新版本其圖像處理功能越來越強大，應用它進行數字圖像處理可以節省大量編寫底層算法源代碼的時間，避免程序設計中的重復勞動，達到事半功倍的效果。MATLAB的不足之處是運行程序需要安裝有MATLAB系統，應用不方便，執行速度較慢。

2. Visual C++開發系統

由于Visual C++是一種具有強大綜合軟件開發能力的系統，而且所開發出來的應用程序運行速度快，并具有一定的可移植性能，因此，Visual C++在數字圖像處理、分析和識別等方面的應用較為廣泛。此外，各國的科學家和研究機構開發了不少專用的圖像處理軟件環境。

3. OpenCV

OpenCV的全稱是Open Source Computer Vision Library。OpenCV于1999年由Intel公司推出，現由Willow Garage提供支持。OpenCV是一個基于（開源）發行的跨平臺的計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows和Mac OS上。Open屬于輕量級且高效的開發工具，它由一系列C函數和少量C++類構成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。目前較新的版本是2.4.8。目前OpenCV擁有包括500多個C函數的跨平臺的中、高層API，它不依賴其他的外部庫（盡管也可以使用某些外部庫）。OpenCV為Intel Integrated Performance Primitives（IPP）提供了透明接口，這意味著如果有為特定處理器優化的IPP庫，OpenCV將在運行時自動加載這些庫。OpenCV提供的視覺處理算法非常豐富，又由C/C++開發，加上其開源的特性，可以無須添加新的外部支持就可以完整地編譯、連接生成執行程序，所以很多開發者用它進行算法移植，OpenCV的代碼經過適當改寫可以正常運行在DSP系統和單片機系統。

此外，國內外的一些研究機構還推出了許多其他數字圖像處理軟件，如AVS系統、SPIDER系統和IUE系統等。AVS的優點是具有對海量數據進行可視化處理的強大功能，在醫學、圖像顯示、資源探索等方面得到廣泛應用。SPIDER由日本通產省工業技術研究院開發和推出，包含了FFT、WHT等許多圖像處理領域的基本算法，受到了業界的廣泛好評。IUE是美國、歐洲、日本共同開發的圖像處理系統，該系統具有嚴密的幾何學描述，可用于各種類型的圖像處理。