数字图像处理学习笔记一 绪论
目录
一、 图像与数字图像处理的概念
二、 数字图像处理的特点
三、数字图像处理的主要方法
四、数字图像处理的主要内容
五、数字图像处理的起源与应用
六、数字图像处理领域的发展动向
一、 图像与数字图像处理的概念
- 图像(Image)： 使用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视觉的实体。
- 数字图像(Digital Image)：为了能用计算机对图像进行加工，需要把连续图像在坐标空间和性质空间都离散化，这种离散化了的图像是数字图像。一幅图像可以定义为一个二维函数f(x,y),对任何一对空间坐标(x,y)处的幅值f称为为图像在该点处的强度或灰度。数字图像由有限数量的元素组成，每个元素有特定的位置和幅度，元素又称为像素。每个像素的灰度级至少要8bit（灰度图像，单通道）来表示，一般采用24bit（彩色图像，三通道）。
- 图像中每个基本单元叫做图像的元素，简称像素（Pixel）。
- 数字图像处理（Digital Image Processing）：是指应用计算机来合成、变换已有的数字图像，从而产生一种新的效果，并把加工处理(去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理)后的图像重新输出，这个过程称为数字图像处理。也称之为计算机图像处理（Computer Image Processing）
二、 数字图像处理的特点
1. 图像信息量大
每个像素的灰度级至少要用6bit（单色图像）来表示，一般采用8bit（彩色图像），高精度的可用12bit或16bit。
一般分辨率的图像像素为256×256、 512×512 256×256×8=64kB 512×512×8=256kB
高分辨率图像像素可达1024×1024、2048×2048
1024×1024×8＝1MB 2048×2048×8＝4MB
如：X射线照片一般用64到256kB的数据量 一幅遥感图像3240×2340×4≈30Mb
2. 图像处理技术综合性强
一般来说涉及通信技术、计算机技术、电视技术、电子技术，至于涉及到的数学、物理学等方面的基础知识就更多。
3.图像信息理论与通信理论密切相关
图像理论是把通信中的一维问题推广到二维空间上来研究的。
通信研究的是一维时间信息，时间域和频率域的问题。任何一个随时间变化的波形都是由许多频率不同、振幅不同的正弦波组合而成的。
图像研究的是二维空间信息，研究的是空间域和空间频率域（或变换域）之间的关系。任何一幅平面图像是由许多频率、振幅不同的X-Y方向的空间频率波相叠加而成。
三、数字图像处理的主要方法
1.空间域法：把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。
1. 邻域处理法
梯度运算
拉普拉斯算子运算
平滑算子运算
卷积运算
2.点处理法
灰度处理
面积、周长、体积、重心运算
2. 变换域法：通过正交变换将图像变换到另一个域，对变换域的系数阵列进行各种处理，然后再通过反变换，得到空间域处理结果。
正交变换：DCT，DFT，DWT，KLT……
处理包括：滤波，压缩，特征提取
四、数字图像处理的主要内容
完整的数字图像处理系统大体上可分为如下几个方面：
1.图像的信息的获取（Image information acquisition）
把一幅图像转换成适合输入计算机和数字设备的数字信号。需要两个部件以获取数字图像：
(1)物理设备，该设备对我们希望成像的物体发射的能量很敏感。
(2)数字化器，是一种把物理感知装置的输出转化为数字形式的设备。
常见的图像输入设备有：扫描仪、摄像机、数码相机、图像采集卡等
2.图像信息的存储（Image information storage）
主要有三类：
（1）处理过程中使用的快速存储器；
- ·计算机内存。
- ·帧缓存，通常可存储多幅图像并可以视频速度读取。允许对图像进行放大、缩小，以及垂直翻转和水平翻转。
（2）用于比较快的重新调用的在线或联机存储器；
- ·磁盘，可存储几个G byte的数据；
- ·磁光存储器，可在51／4英寸的光片上存储上G byte的数据；
- ·光盘塔，一个光盘塔可放几十个到几百个光盘，利用机械装置插入或从光盘驱动器中抽取光盘。
（3）不经常使用的数据库（档案库）存储器。
- ·磁带。长13英尺的磁带可存储近1G byte的数据，但储藏寿命较短。
- ·一次写多次读（WORM）光盘。可在12英寸的光盘上存储6G byte数据，在14英寸的光盘上存储10G byte数据，并易于储藏。
3.图像信息的传送（Image information transmission）
可分为系统内部传送与远距离传送：
（1）内部传送：
指在不同设备间交换图像数据。现在有许多用于局域通信的软件和硬件以及各种标准协议。多采用DMA(Direct Memory Access)技术以解决速度问题。
（2）外部远距离传送：
主要问题是图像数据量大而传输通道比较窄。
这一状况由于光纤和其他宽带技术的发展，正在迅速得到改进。另一方面，解决这个问题需要依靠对图像数据压缩。
4.图像的输出与显示
图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解释和识别的图像。因此图像的输出也是图像处理的重要内容之一。
主要分两类：（1）硬拷贝（记录图像）。如激光打印机、胶片照相机、热敏装置、喷墨装置和数字单元（如CD-ROM）等。
（2）软拷贝。如CRT (Cathode Ray Tube)显示、液晶显示器（LCD）、场致发光显示（FED）。
5.数字图像处理（Digital image processing）
主要包括以下几项内容：
（1）几何处理（Geometrical Image Processing）
主要包括坐标变换，图像的放大、缩小、旋转、移动，多个图像配准，全景畸变校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。
（2）算术处理（Arithmetic Processing）
主要对图像施以＋、－、×、÷等运算，虽然该处理主要针对像素点的处理，但非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的效果。
(3）图像增强（Image Enhancement）
就是突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强。
·改善图像的视觉效果，提高图像成分的清晰度；
·使图像变得更有利于计算机处理，便于进一步进行区分或解释。
（4）图像复原（或恢复）（Image Restoration）
就是尽可能地减少或者去除图像在获取过程中的降质（干扰和模糊），恢复被退化图像的本来面貌，从而改善图像质量。
关键是对每种退化（图像品质下降）建立一个合理的模型。
(5）图像重建（Image Reconstruction）
是从数据到图像的处理。即输入的是某种数据,而处理结果得到的是图像。典型应用有CT技术和三维重建技术。
（6）图像编码（Image Encoding）
主要是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特征对图像信号进行高效编码，其目的是压缩数据量，以解决数据量大的矛盾。
（7）图像识别（Image Recognition）
利用计算机识别出图像中的目标并分类、用机器的智能代替人的智能。它所研究的领域十分广泛，如，机械加工中零部件的识别、分类；从遥感图片中分辨农作物、森林、湖泊和军事设施；从气象观测数据或气象卫星照片准确预报天气；从X光照片判断是否发生肿瘤；从心电图的波形判断被检查者是否患有心脏病；在交通中心实现交通管制、识别违章行驶的汽车及司机，等等。
五、数字图像处理的起源与应用
图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作的方方面面。随着人类活 动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大。
数字图像处理主要应用于下面的几个领域:
数字图像处理的应用
六、数字图像处理领域的发展动向
需进一步研究的问题：
（1）在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。
（2）加强软件研究、开发新的处理方法。
（3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。
（4）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系。
（5）图像处理领域的标准化。
未来发展动向大致可归纳为：
（1）图像处理的发展将围绕HDTV的研制，开展实时图像处理的理论及技术研究，向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。
（2）图像、图形相结合，朝着三维成像或多维成像的方向发展。
（3）硬件芯片研究。
（4）新理论与新算法研究。