数字图像处理——第一章（绪论）

一、 数字图像处理的主要目的

• 改善图示信息以便人们解释
• 为存储、传输和表示而对图像进行处理，便于机器自动理解

二、数字图像及其处理

2.1 数字图像定义

一幅图像可定义为一个二维函数f(x,y)，其中x，y为坐标，f为任一坐标处的幅值，用来表示图像在该坐标点处的强度或灰度。当x，y和灰度值f是有限的离散数值时，称图像为数字图像。
借助数字计算机来处理数字图像称为数字图像处理。

2.2 数字图像分类

• 二值图像：每个像素的灰度用一个数值来表示，数值为0或255，0表示黑，255表示白
• 灰度图像：每个像素的灰度用一个数值来表示，数值的取值范围为0~255之间，0表示纯黑，255表示纯白，其他值表示介于纯黑和纯白之间的灰度
• 彩色图像：用红绿蓝三元组的二维矩阵表示，三元组的每个数值也是介于0~255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，255表示相应的基色在该像素中取得最大值。

2.3 处理分类

主要分为低级（图像处理）、中级（图像分析）、高级（图像理解）处理。

• 低级处理：输入输出都是图像。涉及初级操作，如降噪、对比度增强、图像锐化等。
• 中级处理：输入为图像，输出是从输入图像中提取的特征（边缘、轮廓及各物体的标识等）。如图像分割，减少目标物的描述，以使其更适合计算机处理及对不同目标物的分类（识别）。
• 高级处理：涉及“理解”已识别目标的总体，执行与视觉相关的认知功能。

三、使用数字图像处理领域的实例

3.1 伽马射线成像

伽马射线成像主要用于核医学和天文观测。
在核医学中，是将放射性同位素注射到人体内，当这种物质衰变时就会放射出伽马射线，然后用伽马射线检测仪收集到的放射线来产生图像。

3.2 X射线成像

最熟悉的X射线应用是医学诊断。用于医学和工业成像的X射线是由X射线管产生的，X射线管是带有阴极和阳极的真空管。阴极加热释放自由电子，这些电子以很高的速度向阳极流动，当电子撞击一个原子核时，能量被释放并形成X射线辐射。X射线的能量由另一边的阳极电压控制，而X射线的数量由施加于阴极灯丝的电流控制。

数字射线照相术中，数字图像可用两种方法得到：1）数字化的X射线胶片；2）X射线穿过病人身体后直接落到某个装置上（如荧光屏），该装置把X射线转换为光信号，然后，转换而来的光信号由高灵敏度的数字系统捕获。

血管照相术是对比度增强辐射成像领域的一个主要应用。其原理是：一根导管（柔软且中空的小管）插入动脉或静脉，导管穿过血管并被引导到要研究的区域。当导管到达所研究的部位时，将X射线造影剂注入血管。这会增强血管的对比度，并可以让放射线学者观察到任何病变或阻塞。

X射线成像的另一个重要应用是计算机轴向断层（CAT）。检测器环绕一个物体（或病人），一个与该环同心的X射线源（与检测器环同心）绕物体旋转。X射线穿过物体并由环中对面的检测器进行收集。每幅CAT图像都是垂直穿过病人的一个“切片”，当病人纵向移动时可产生大量“切片”，这些图像组合在一起就构成了人体内部的三维描绘图像，其纵向分辨率与切片的数量成正比。

3.3 紫外波段成像

应用较广泛。包括平板印刷术、工业检测、显微方法、激光、生物成像和天文观测等。
紫外光用于荧光显微方法，是显微方法中发展最快的领域之一。荧光显微方法的基本任务是用激发光照射一个样品，然后从较强的激发光中分离出较弱的荧光，这样，仅有辐射光到达人眼或其他检测器，以允许检测足够的对比度而得到照射在暗背景上的荧光区。非荧光材料的背景越暗，设备越有效。

3.4 可见光及红外波段成像

红外波段常用于与可见光结合成像
遥感。遥感通常包括可见光和红外波谱范围的一些波段。
天气观测与预报。
生产产品的自动视觉检测。

3.5 微波波段成像

典型应用是雷达。成像雷达的独特之处是在任何范围和任何时间内，不考虑气候、周围光照条件都可收集数据的能力。某些雷达波可以穿透云层，在一定条件下还可以穿透植被、冰层和极干燥的沙漠。在许多情况下，雷达是探测地球表面不可接近地区的唯一方法。工作原理像一台闪光照相机，它自己提供照明（微波脉冲）去照亮地面上的一个区域，并得到一幅快照图像。

3.6 无线电波段成像

主要应用于医学和天文学。
医学中，无线电波用于核磁共振成像（MRI）。该技术是把病人放在强磁场中，并让无线电波短脉冲通过病人的身体，每个脉冲将导致由病人的组织发射的无线电响应脉冲，这些信号发生的位置和强度由计算机确定，从而产生病人的一幅二维剖面图像。MRI可以在任何平面产生图像。

3.7 其他成像方式

3.7.1 声波成像

地质应用中采用的是声谱中的低端声波（几百赫兹），其他应用领域的成像使用超声波（百万赫兹）。

• 图像处理在地质中的最重要商业应用是矿产和石油勘探。
• 超声波最为熟知的应用是医学领域，特别是妇产科。医生对未出生的胎儿成像，以确定其发育的健康状况，检测的副产品是确定胎儿的性别。超声波图像的生成如下：
  1）超声波系统（一台计算机、由超声波源和接收器组成的超声波探头和一台显示器）向人体发射高频（1~5MHz）声波脉冲。
  2）声波传入人体内并碰撞组织间的边界（如，流体和软组织的边界，软组织和骨骼的边界）。一部分声波反射回探头；一部分声波则继续传播，直到它们到达另一个边界并被反射。
  3）反射波被探头拾取并传给计算机。
  4）计算机根据声波在组织中的传播速度（1540m/s）和每个回波的返回时间，计算从探头到组织或器官边界的距离
  5）系统在屏幕上显示回波的距离和亮度，形成一幅二维图像。

3.7.2 电子显微方法成像

• 投射电子显微镜（TEM）。其工作原理像幻灯片投影仪。
  投影仪发射出一束透过幻灯片的光；当光通过幻灯片时，它由幻灯片的内容调节。这一发射的光束然后被投射到观察屏上，形成幻灯片的放大图像。除了发射的是通过样本（相当于幻灯片）的电子束外，其余的均相同。
• 扫描电子显微镜（SEM）。
  扫描电子束并记录每一位置上电子束与样本的相互作用，这会在荧光屏上产生一个点。一幅完整的图像由通过样本的电子束光栅扫描形成。

SEM适合于“大块”样品，TEM要求非常薄的样品。
电子显微镜有非常高的放大能力。光学显微镜的放大倍数限制在1000左右，电子显微镜的放大倍数可达10000或更大。

3.7.3 分形图像

由具有某种规则的子图像元素生长的数学公式表示，并朝艺术性方向发展。