1.2 圖像工程概述

對圖像的利用由來已久，用計算機處理和分析數字圖像的歷史可追溯到1946年世界上第一臺電子計算機的誕生。雖然20世紀50年代的計算機還滿足不了處理大量圖像的要求，但20世紀60年代研制成功的第3代計算機，以及快速傅里葉變換算法的發現和應用使得對圖像的某些計算已可實際實現。從20世紀70年代開始，利用計算機對圖像進行加工利用逐漸推廣。到20世紀80年代，許多能獲取3-D圖像的設備和處理分析3-D圖像的系統研制成功。在20世紀90年代，圖像技術已逐步涉及人類生活和社會發展的各個方面。以當時得到廣為宣傳和應用的多媒體為例，圖像在其中已占據了最主要的地位。進入21世紀，圖像技術得到了進一步的發展和應用，在改變人們的生活方式以及社會結構等方面都起到了重要作用。

圖像技術在廣義上是各種與圖像有關的技術的總稱。目前人們主要研究的是數字圖像，主要應用的是計算機圖像技術。這包括利用計算機和其他電子設備進行和完成的一系列工作、基于它們的結果所做的判斷決策和行為規劃，以及為完成上述功能而進行的硬件設計及制作等。

圖像技術的種類很多，且與多門學科相關，下面先給出一個全景介紹。

1.2.1 圖像工程的三個層次

所有圖像技術可根據其特點分為三個既有聯系又有區別的層次（見圖1.2.1）：圖像處理、圖像分析和圖像理解。這三者的有機結合稱為圖像工程，是一門內容非常豐富的學科。換句話說，圖像工程是既有聯系又有區別的圖像處理、圖像分析及圖像理解三者的有機結合，另外還包括對它們的工程應用。

圖像處理著重強調在圖像之間進行的轉換。雖然人們常用圖像處理泛指各種圖像技術，但比較狹義的圖像處理主要關注的是輸出圖像的視覺觀察效果，這包括對圖像進行各種加工調整以改善圖像的視覺效果并有利于后續高層加工的進行；或對圖像進行壓縮編碼，在保證所需視覺感受的基礎上減少所需存儲空間或傳輸時間，滿足給定傳輸通路的要求；或給圖像增加一些附加信息但又不影響原始圖像的外貌等。

圖像分析主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量，以獲得它們的客觀信息從而建立對圖像中目標的描述。如果說圖像處理是一個從圖像到圖像的過程，則圖像分析是一個從圖像到數據的過程。這里數據可以是對目標特征測量的結果，或是基于測量的符號表示。它們描述了圖像中目標的特點和性質。

圖像理解的重點是在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目標的性質和它們之間的相互聯系，并得出對整幅圖像內容含義的理解以及對原來成像客觀場景的解釋，從而可以讓人們做出判斷，并指導和規劃行動。如果說圖像分析主要是以觀察者為中心研究客觀世界（主要研究可觀察到的事物），那么圖像理解在一定程度上則是以客觀世界為中心，并借助知識、經驗等來把握和解釋整個客觀世界（包括沒有直接觀察到的事物）。

由上所述，圖像處理、圖像分析和圖像理解在抽象程度和數據量上各有特點，操作對象和語義層次各不相同。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像的像素層次上進行處理，處理的數據量非常大。圖像分析則進入了中層，分割和特征提取把原來以像素描述的圖像轉變成比較簡潔的對目標的描述。圖像理解主要是高層操作，操作對象基本上是從描述中抽象出來的符號，其處理過程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。另外，由圖1.2.1可見，隨著抽象程度的提高數據量是逐漸減少的。具體說來，原始圖像數據經過一系列的處理過程逐步轉化得更有組織并被更抽象地表達。在這個過程中，語義不斷引入，操作對象發生變化，數據量得到了壓縮。另一方面，高層操作對低層操作有指導作用，能提高低層操作的效能。

1.2.2 相關學科

圖像工程是一門系統地研究各種圖像理論、技術和應用的新的交叉學科。從它的研究方法來看，它與數學、物理學、生理學、心理學、電子學、計算機科學等許多學科可以相互借鑒；從它的研究范圍來看，它與模式識別、計算機視覺、計算機圖形學等多個專業又互相交叉。另外，圖像工程的研究進展與人工智能、神經網絡、遺傳算法、模糊邏輯等理論和技術都有密切的聯系，同時它的發展應用與醫學、遙感、通信、文檔處理和工業自動化等許多領域也是不可分割的。

圖1.2.2所示是圖像工程與幾個密切相關學科和領域的聯系和區別，從圖中可以看到圖像工程三個層次各自不同的輸入/輸出內容以及它們與計算機圖形學、模式識別、計算機視覺等學科的關系。圖形學原本指用圖形、圖表、繪圖等形式表達數據信息的科學，而計算機圖形學研究的就是如何利用計算機技術來產生這些形式。如果將其與圖像分析對比，兩者的輸入對象和輸出結果正好對調。計算機圖形學試圖根據非圖像形式的數據描述來生成（逼真的）圖像。另一方面，（圖像）模式識別與圖像分析則比較相似，只是前者試圖把圖像分解成可用符號較抽象地描述的類別。它們有相同的輸入，而不同的輸出結果可以比較方便地進行轉換。至于計算機視覺，則主要強調用計算機實現人的視覺功能，這中間實際上用到圖像工程三個層次的許多技術，但目前的研究內容主要與圖像理解相結合。

1.2.3 圖像處理分析系統的組成

一個基本的圖像處理分析系統的構成可由圖1.2.3來表示。圖中各模塊都有特定的功能，分別是采集（成像）、合成、處理分析、顯示、打印、通信和存儲。其中采集和合成構成了系統的輸入，而系統的輸出包括顯示和打印。需要指出的是，并不是每一個實際的圖像處理分析系統都包括所有這些模塊。另外，對一些特殊的圖像處理分析系統，還可能包括其他模塊。

在圖1.2.3中，虛線框表示的模塊與圖像處理分析系統相關，但對它們的介紹主要是其他一些書籍的內容（如本章末的總結與復習中所介紹的），本書就不考慮了。在實線框表示的模塊中，處理分析模塊是本書的中心內容，將在其后各章詳細地進行介紹。下面兩節先對其他幾個實線框模塊，特別是對每個模塊完成各自功能所需的一些特定設備分別給予簡單介紹，而后面章節中就不再解釋了。