1.1 圖像概述

這里先給出一些圖像的基本概念和術語的簡短定義（詳細解釋見后），然后展示一些各種類型的圖像范例，最后羅列一些圖像應用的領域。

1.1.1 基本概念和術語

1. 圖像

圖像是用各種觀測系統以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進而產生視知覺的實體。圖像帶有大量的信息，如百聞不如一見、一圖值千字都說明了這個事實。在實際中，圖像這個概念是比較廣義的，如照片、繪畫、草圖、動畫、視像等都是圖像的形式。可見，所有人的視覺對象都是圖像，更準確地說是連續圖像。

2. 連續圖像

連續圖像源自客觀世界中景物的影像，是人眼直接感受到的圖像（視覺對象），也稱模擬圖像。

3. 視覺

視覺是人用眼睛觀測世界，并用人腦感知世界的一種能力，也是人類觀察世界、認知世界的重要功能手段。視覺是人類從外界獲得信息的主要源泉。據統計，人類從外界獲得的信息約有75%來自視覺系統，這既說明視覺信息量巨大，也表明人類對視覺信息有較高的利用率。

4. 視覺系統

視覺系統是通過觀測世界獲得圖像，并進而實現視覺功能的系統。人的視覺系統包括眼睛、神經、腦皮層等器官。隨著科技的進步，由計算機和電子設備構成的人造視覺系統也越來越多，它們試圖實現并改善人工視覺系統。人造視覺系統主要使用數字圖像作為計算機的輸入。

5. 數字圖像

數字圖像是對連續圖像數字化或離散化的結果，也稱離散圖像。早期英文書籍里一般用picture代表圖像。隨著數字技術的發展，現都用image代表離散化了的數字圖像（所以中文用“圖象”這個詞應更合理）。本書討論的基本都是用電子設備獲得的且用計算機技術來加工的數字圖像，在不引起歧義的時候，均只寫圖像。

6. 圖像技術

圖像技術指利用計算機和電子設備對圖像進行各種加工的技術。這里被加工的都是數字圖像，所以也有人稱為數字圖像技術。但正如上所述，本書均用圖像技術來代表。兩類比較基本和應用廣泛的圖像技術是圖像處理技術和圖像分析技術，將在后面各章節展開講述。

7. 圖像處理技術

圖像處理技術主要關注的是通過對圖像的加工獲得更好的視覺觀察效果，或在保證一定的視覺觀察效果的基礎上減少圖像存儲所需的空間或傳輸所需的時間。

8. 圖像分析技術

圖像分析技術主要關注的是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量，以獲得各種描述目標特點和性質的客觀數據和信息。

1.1.2 不同波段的圖像示例

圖像反映了客觀世界中景物的映像，呈現出亮度模式的空間分布。圖像成像可借助各種電磁波輻射（包括可見光）來實現。電磁波譜很寬，各種電磁波的波長從短到長依次為：宇宙γ射線（伽瑪射線及宇宙射線）、X射線（倫琴射線）、紫外線、可見光、紅外線、無線電波（包括微波）、交流電。由不同波長的電磁波所獲得的圖像有不同的特點，下面依次介紹。

1. 宇宙γ射線圖像

γ射線是原子核受激后產生的電磁波，其波長非常短（常達約0.001 nm，更短的電磁波常稱宇宙射線，也有人把γ射線看作宇宙射線一部分的），但能量非常高（甚至高于1011eV）。圖1.1.1所示是幾幅天文方面所獲得的γ射線圖像。

2. X射線圖像

X射線是原子受激后產生的電磁波，其波長在0.001~10 nm。它具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如墨紙、木料等，所以常用于醫學診斷和治療，也常用于晶體結構分析等。圖1.1.2所示是幾幅對人體不同部位獲取的X射線圖像，展示了肉眼不能直接觀察到的人體內部的結構信息。

圖1.1.3所示是一幅利用反向散射Х射線成像獲得的人體輪廓圖像，從中可檢測出被隱藏槍支的輪廓和位置。這在安全監測等領域很有用。

3. 紫外線圖像

紫外線是物質外層電子受激發后產生的電磁波，其波長約在10~400 nm，比可見紫色光還短。紫外線還可進一步分為真空紫外線（10~200 nm）、短波紫外線（200~290 nm）、中波紫外線（290~320 nm）、長波紫外線（320~400 nm）。圖1.1.4所示是兩幅天文方面的紫外線圖像。由于宇宙正在膨脹，遠處星系輻射來的紫外線的波長變長而成為可見光。在圖1.1.4里，左圖對應旋渦狀星系的星暴區，而右圖則展示了兩個星系之間的沖撞。

4. 可見光圖像

可見光是人眼能直接感受到的電磁波，其波長約在400~800 nm。其中不同的波長對應不同的顏色：紫光（400~430 nm）、藍光（430~460 nm）、青光（460~490 nm）、綠光（490~570 nm）、黃光（570~600 nm）、橙光（600~630 nm）、紅光（630~750 nm）。這些從紅色到紫色的不同顏色的光可從日常的白光中借助三棱鏡分離出來，如圖1.1.5所示。本書中討論的圖像處理和分析技術主要用可見光圖像轉化來的灰度圖像進行介紹，有關彩色圖像的更多介紹見第13章。

人們日常觀察到的圖像主要是借助可見光獲得的，可見光圖像使用得也最廣泛。需要指出，雖然利用同一光源的光譜（一定的波長范圍，如日光）來成像，但由于照射條件（光源的照度、角度或光源與成像物間的方位等）的不同，所獲得的圖像及反映的細節也會不同。例如，圖1.1.6所示是一組不同光照角度下的人臉樣本圖像。

5. 紅外線圖像

所有高于絕對零度（–273℃）的物質都可以產生紅外線。紅外線的波長比可見紅色光還長，約在0.78~1000 μm，有比較強的穿透濃霧的能力。紅外線還可進一步分為近紅外（0.78~1.5 μm）、中紅外（1.5~6 μm）、遠紅外（6~1000 μm）。

圖1.1.7所示是幾幅紅外線圖像（常稱紅外圖像）。左圖是對一個讀報人拍攝的圖片，反映了人體不同部位熱度的分布。中圖是有大火和濃煙時拍攝的圖片，紅外線穿透濃煙給出了人的位置。右圖是飛機航拍得到的圖片，不同的亮度指示了地面不同植被的分布情況。

6. 無線電波圖像

無線電波廣泛使用在無線電廣播、電視、雷達、手機、通信等領域，其波長范圍比較大，包括微波（1~10.000 mm）、短波（10~50 m）、中波（50~3000 m）、長波（3~50 km）。其中，微波又可細分為毫米波（它對金屬比較敏感）、厘米波和分米波。無線電波圖像是借助各種無線電波得到的。圖1.1.8所示是兩幅毫米波全身掃描成像系統的圖像，左圖（可見光圖）反映了乘客通過安全門接受檢查的情況，右圖對應系統的屏幕顯示，其中左列兩圖是借助毫米波成像獲得的。

7. 交流電波圖像

交流電波的波長常在上千km，如頻率為50 Hz的家用交流電的波長達6.000 km。交流電波圖像與交流電場有密切聯系。電阻抗斷層成像就是一種利用交流電場和第6章介紹的從投影重建圖像技術原理工作的一種成像方式。圖1.1.9所示是利用電阻抗斷層成像得到的兩幅圖像。

1.1.3 不同類型的圖像示例

圖像的概念近年有許多擴展。雖然以前一般談到的圖像常指2-D圖像，但3-D圖像、彩色圖像、多光譜圖像、立體圖像和多視圖像等也越來越多見。雖然以前一般談到的圖像常指靜止的單幅圖像，但運動的圖像序列（如電視和視頻）等也逐步得到了廣泛的應用。雖然圖像常用對應輻射量強度的灰度點陣（彩色圖像可結合使用3個灰度點陣）的形式顯示，但圖像灰度代表的也可能是景物的深度值（如深度圖像）、景物表面的紋理變化（如紋理圖像）、景物的物質吸收值（如投影重建圖像）等。下面對這些類型的圖像各舉幾個例子。

1. 彩色圖像

彩色圖像是用三個性質空間（如R、G、B）的數值來表示的，能給人以彩色感覺的圖像。彩色圖像在空間上（類似于灰度圖像）可以是2-D的，但在2-D空間每個點同時有三個值（表示三種性質）。圖1.1.10所示是幾幅典型的彩色圖像，色彩都比較鮮艷。

每幅彩色圖像可看作由三幅代表R、G、B強度的無彩色圖像結合而成。圖1.1.11（a）所示的一幅彩色圖像是由圖1.1.11（b）所示的R分量、圖1.1.11（c）所示的G分量和圖1.1.11（d）所示的B分量結合而成。更多關于彩色圖像的介紹見第13章。

2. 多光譜圖像

多光譜圖像也稱多波段圖像，是包含多個（幾個到幾十個）頻譜段的一組圖像。每幅圖像對應一個頻譜段。遙感圖像一般均為多光譜圖像，它是對同一個場景以不同波段的輻射進行成像而得到的。圖1.1.12（a）所示的兩幅圖像分別是用不同波長的輻射對同一個場景獲得的，很明顯它們反映了場景的不同特性。圖1.1.12（b）所示的兩幅圖像分別為Landsat地球資源衛星所獲得的TM（thematic mapper）多光譜圖像和SPOT遙感衛星所獲得的SPOT全色圖像，它們在光譜特性方面也有不同。

3. 紋理圖像

紋理圖像側重反映物體表面的特性，因為紋理是物體表面的固有特征之一。例如，圖1.1.13所示是三幅不同的紋理圖像，其中圖1.1.13（a）是磚墻的圖像，含有全局有序（常由一些類似的單元按一定規律排列而成）的紋理；圖1.1.13（b）是一塊木疤的圖像，含有局部有序（在圖中局部區域的每個點存在某種相對一致的方向性）的紋理；圖1.1.13（c）是軟木的圖像，紋理是無序的（既無單元的重復性也無明顯的方向性）。對紋理有不同的表達和分類方法，第12章還有更多的介紹。

4. 立體圖像

為獲得場景中的深度信息，可以仿照人類視覺系統，利用雙目立體視覺技術，即借助（多圖像）成像技術從而獲取場景中物體的距離（深度）信息。

立體圖像最常用的是雙目圖像（也稱立體圖像對），近年也有許多方法采集和利用多目圖像（有時也稱多視圖像）。一般雙目圖像是將相機左右并排放置獲得的，兩幅圖像根據相機位置分別稱為左圖和右圖。有時雙目圖像也可將相機上下并列放置而獲得，此時兩幅圖像根據相機位置分別稱為上圖和下圖。圖1.1.14所示是相關的兩對立體圖像，其中圖1.1.14（a）和圖1.1.14（b）構成一對水平立體圖像的左圖和右圖，圖1.1.14（b）和圖1.1.14（c）構成一對垂直立體圖像的下圖和上圖。

5. 深度圖像

深度圖像是指其灰度反映場景中景物與攝像機之間距離信息的圖像。從深度圖像可獲得的信息并不是景物的亮度而是景物的3-D結構信息。例如，由圖1.1.14（a）和圖1.1.14（b）的一對立體圖像計算得到的深度圖像如圖1.1.15（a）所示，由圖1.1.14的三幅立體圖像計算得到的深度圖像如圖1.1.15（b）所示（效果更好一些）。圖中淺色表示較近的距離值，深色對應較遠的距離值。

6. 3-D圖像

3-D圖像一般是指其坐標空間為三維，需要用三元函數f(x, y, z)來表示的圖像。3-D圖像可看作由一系列2-D圖像疊加而成。例如，圖1.1.16所示是一組2-D細胞切片圖像。這些2-D圖像依次對應3-D圖像的不同層，將它們結合起來就可以獲得3-D圖像，完整地表示整個細胞的全貌。另一方面，視頻圖像也可看作3-D圖像，用f(x, y, t)來表示，這將在第14章專門進行介紹。

7. 序列圖像

序列圖像是指時間上有一定順序和間隔、內容上相關的一組圖像，也稱圖像序列或運動圖像，可如上所述用f(x, y, t)來表示。視頻圖像是一種特殊的序列圖像，其中的每幅圖像稱為幀圖像，幀圖像之間的時間間隔常是固定的。圖1.1.17所示是一個由8幅幀圖像構成的一個圖像序列，描述了一段乒乓球比賽中的場景。更多關于視頻圖像的介紹見第14章。

另外，也有一些圖像序列中各圖像采集的時間間隔并不一致，這些圖像只是反映了事件進程中不同的幾個狀態或時刻。圖1.1.18所示是反映眨眼過程的幾幅圖像。

8. 投影重建圖像

投影重建圖像是指利用計算機從景物的投影出發重構復原出來的圖像（詳見第6章）。投影重建的方法很多，最常見的是利用計算機斷層掃描，所得到的圖像又可分為發射斷層（CT）圖像，正電子發射（PET）圖像和單光子發射（SPECT）圖像。圖1.1.19（a）、圖1.1.19（b）和圖1.1.19（c）所示的分別是一幅示例圖像。

磁共振（MRI）圖像也是利用投影重建原理獲得的（參見第6章）。圖1.1.20所示是幾幅MRI圖像。

另外，雷達圖像也是利用投影重建原理獲得的。圖1.1.21所示是兩幅合成孔徑雷達（SAR）圖像。

9. 合成圖像

真實圖像是從客觀世界獲得的，但在對圖像技術的研究中，有時為了保證研究的客觀性和通用性，或集中考慮特定的技術特性，也常根據需要構建合成圖像以作為參考圖來測試技術的性能。這樣做的好處是研究結果不受限于具體的應用，可重復性強。這樣構建的圖像應能反映客觀世界，除把應用領域的知識結合進去外，還應適應諸如圖像內容的變化、各種獲取圖像的條件等實際情況。

圖1.1.22所示是一組合成的用于分割評價的試驗圖。這些圖均為256像素×256像素、256級灰度圖。基本圖是將亮的圓形目標放在暗背景正中而得到的。圖中目標與背景間的灰度對比度均為32，疊加的噪聲均為零均值高斯隨機噪聲。從左至右8列圖中的目標面積分別為全圖的20%、15%、10%、5%、3%、2%、1%、0.5%，從上至下4行圖的信噪比分別為1、4、16、64。

1.1.4 圖像應用領域

圖像已在許多領域得到了廣泛應用，下面是一些典型的例子。

（1）視頻通信。如：可視電話、電視會議、按需電視（VOD）、遠程教育。

（2）文字檔案。如：文字識別、過期檔案復原、郵件分撿、辦公自動化、支票、簽名辨偽。

（3）生物醫學。如：紅白血球計數、染色體分析、X射線、CT、MRI、PET圖像分析、顯微醫學操作、對放射圖像和顯微圖像的自動判讀理解、人腦心理和生理的研究、醫學手術模擬規劃、遠程醫療、遠程手術。

（4）遙感測繪。如：礦藏勘探、資源探測、城市規劃、氣象預報、自然災害監測監控。

（5）工業生產。如：工業檢測、工業探傷、自動生產流水線監控、郵政自動化、移動機器人，以及各種危險場合工作的機器人、無損探測、金相分析、印制板質量檢驗、精細印刷品缺陷檢測。

（6）軍事。如：軍事偵察、合成孔徑雷達圖像分析、巡航導彈路徑規劃、精確制導、地形識別、無人駕駛飛機飛行、戰場環境/場景建模表示。

（7）智能交通。如：太空探測、航天飛行、公路交通管理、自動行駛車輛。

（8）公安安全。如：突發事件監測，罪犯臉形合成、識別、查詢，指紋、印章的鑒定識別。圖1.1.23所示是一個監控場景的畫面。