数字图像处理应用

数字图像处理应用

“数字图像处理”这一术语通常是指由数字计算机进行的二维图像处理。更广义地理解，它是指任意二维数据的数字化处理。一幅数字图像是一个用有限比特表示的实数或复数构成的数组。图1.1是一个用于数字图像处理的计算机实验室（属于加州大学戴维斯分校）。幻灯片、照片或图表形式的图像首先要进行数字化，然后以二进制数字矩阵的形式存储在计算机的存储器中。此后，就可以对这一数字化后的图像进行处理和（或）在一个高分辨率的显示器上显示。为了便于显示，图像存储在一个可快速存取的缓冲区中，使用户可以用每秒30帧的频率刷新显示器，从而获得视觉上连续显示的效果。计算机通过网络（例如以太网）进行信息交换和控制所有的数字化、存储、处理和显示操作。程序通过终端输入计算机，而输出可在终端、显示器或者打印机/绘图仪上获得。图1.2所示为典型的图像处理过程。

图1.1 数字图像处理系统（信号与图像处理实验室，加州大学戴维斯分校）

图1.2 典型的数字图像处理顺序

数字图像处理是交叉学科。是未来技术向智能化发展的最富有前景，也最富有挑战的领域。其研究的领域博大精深，应用领域十分广泛，每个领域都可以让人安身立命一辈子。

（1）数字图像处理的典型应用：图像压缩和传输（或者叫着图像通信也可以），如：静态图像JPEG压缩标准、动态MPEG标准，电信上类似的标准是H.264，娱乐上的MP4也属于这方面，主要研究内容是研发更有效的图像的编解码算法（现在已经有很多硬件实现的编解码芯片了，具体性能指标和适用的标准不同）。

（2）数字图像处理在【信息安全】领域的应用，像生物识别中的指纹识别、虹膜识别、人脸识别等，就运用到了数字图像处理。当然交通系统中使用的车牌识别也是类似的技术。通用模式是：图像预处理（如去噪、增强等）＋不变特征提取＋与特征库中特征进行匹配＝>识别。

（3）数字图像处理在【生物医学工程】领域的应用十分广泛，而且很有成效。除了CT技术之外，还有一类是对医用显微图像的处理分析，如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别等。此外，在X光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都广泛地应用图像处理技术。比如，医疗影像处理（CT成像，核磁共振MRI，超声，X线成像）主要研究内容：图像去噪，图像增强，图像识别，3维可视化等等。

（4）真正集中了最先进软硬件数字图像处理的应用领域是： 【军事】：首先图像数据类型上包含所有的成像频段能获取的影像，如：无线电（雷达成像）、红外、可见光、紫外、X线等等。用声音回波来成像也可以，如：声纳。为此，千万不要片面地理解图像就是可见光成像，那是人眼的局限。

军事公安方面的应用。在军事方面，图像处理和识别主要用于导弹的精确末制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；在公安方面，公安业务图片的判读分析，指纹识别，人脸鉴别，不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别都是图像处理技术成功应用的例子。主要包含这些研究内容：目标捕获 目标锁定 目标跟踪

【机器人视觉】：使机器人具有视觉感知功能的系统。机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置。机器人视觉广义上称为机器视觉，其基本原理与计算机视觉类似。计算机视觉研究视觉感知的通用理论，研究视觉过程的分层信息表示和视觉处理各功能模块的计算方法。而机器视觉侧重于研究以应用为背景的专用视觉系统，只提供对执行某一特定任务相关的景物描述。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟－数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。

（5）飞机遥感和卫星遥感技术中。许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的地区进行大量的空中摄影。对由此得来的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省人力，又加快了速度，还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。

从60年代末以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星（如LANDSAT系列）和天空实验室（如SKYLAB），由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总不是很高。因此，以如此昂贵的代价进行简单直观的判读来获取图像是不合算的，而必须采用数字图像处理技术。如LANDSAT系列陆地卫星，采用多波段扫描器（MSS），在900km高空对地球每一个地区以18天为一周期进行扫描成像，其图像分辨率大致相当于地面上十几米或100米左右（如1983年发射的LANDSAT-4，分辨率为30m）。这些图像在空中先处理（数字化，编码）成数字信号存入磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。现在世界各国都在利用陆地卫星所获取的图像进行资源调查（如森林调查、海洋泥沙和渔业调查、水资源调查等），灾害检测（如病虫害检测、水火检测、环境污染检测等），资源勘察（如石油勘查、矿产量探测、大型工程地理位置勘探分析等），农业规划（如土壤营养、水份和农作物生长、产量的估算等），城市规划（如地质结构、水源及环境分析等）。我国也陆续开展了以上诸方面的一些实际应用，并获得了良好的效果。在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。

（6）通信工程方面的应用当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的多媒体通信。具体地讲是将电话、电视和计算机以三网合一的方式在数字通信网上传输。其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100Mbit/s以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技术来压缩信息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键。除了已应用较广泛的熵编码、DPCM编码、变换编码外，目前国内外正在大力开发研究新的编码方法，如分行编码、自适应网络编码、小波变换图像压缩编码等。 （7）工业和工程方面的应用在工业和工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，如自动装配线中检测零件的质量、并对零件进行分类，印刷电路板疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进的设计和制造技术中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的激励，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。

（8）文化艺术方面的应用目前这类应用有电视画面的数字编辑，动画的制作，电子图像游戏，纺织工艺品设计，服装设计与制作，发型设计，文物资料照片的复制和修复，运动员动作分析和评分等等，现在已逐渐形成一门新的艺术--计算机美术。

既然是交叉前沿学科，需要掌握的基础知识很多。

数学知识是必备的，比如傅里叶变换、余弦变换、沃尔什-哈达玛变换等等，主要用于图像的变换。计算机方面也是很必要的，涉及到的编程有c++、matlab、labview等等。 1）【数理基础】：本科中的高等数学、线性代数、概率统计是最基本的；研究生（硕博）数理课程：矩阵理论、随机过程、泛函分析。数学方面要精通线性代数那一块，计算机要会编程，最好是C++编程。 2）【专业课程】：信号系统、数字信号处理、（研究生课程）现代数字信号处

理、小波变换理（这个需要很好的泛函数理基础）、人工智能与神经网络。 3）【英语】：在数字图像处理方面，西方是走在前面的，因此相关的资料多半是英文的，如果要深入研究，就不可避免去接触这些资料文档。再就是，英语的学习有助于在这方面的国际学术的交流。 4）【计算机】：数据结构与算法分析，C/C++、MATLAB、LABVIEW。

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