1.绪论

1.1 图像基本概念
1.1.1图像和数字图像
图像是用各种观测系统以不同的形式和手段观测客观实体而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进行视知觉的实体。
客观世界在空间上是三维（3-D）的，但一般从客观事物得到的图像是二维（2-D）的。
一幅图像可以用一个2-D的数组f(x,y)来表示，这里x和y表示2-D空间内一个坐标点的位置，而f则代表图像在点(x,y)的某种性质F的值。例如一幅彩色图像在每一个图像点同时具有红绿蓝三个值，可记为 [fr(x,y),fg(x,y),fb(x,y)] 。需要指出，我们总是根据图像内不同位置不同性质来利用图像的。
例如，图像可表示一种辐射能量的空间分布，这种分布可以是5个变量的函数，T(x,y,z,t,λ)，x,y,z是空间上的点，t代表时间变量，λ代表着频谱变量（波长）。
为了能使计算机对图像进行加工，需要把连续的图像在坐标空间XY和性质空间F都离散化，成为客观事物的可视数字化表达。数字图像可以用I(r,c)来表示，I代表着离散化后的f,(r,c)代表着离散化后的(x,y),f,x,y都在整数集合中取值。
1.1.2 图像的表达
一副2-D图像可以用一个2-D的MxN矩阵表示

F=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢f11f21⋮fM1f12f22⋮fM2⋯⋯⋱⋯f1Nf2N⋮fMN⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥

也可以用矢量表示 F=[f1→f2→⋯fN→] 表示，其中：
fi→=[f1if2i⋯fMi]T，i=1,2,⋯,N
上述两种方式可以互相转换。
1.2 图像工程简介
图像工程的三个层次：图像处理、图像分析和图像理解。
1.3 图像处理系统
1.3.1 系统构成框图
图像处理系统比较常见的模块：采集（成像）、合成、处理、显示、打印、通信或存储。其中采集和合成构成系统的输入，显示和打印构成系统的输出。
1.3.2 图像采集
采集数据图像所需两种装置：
（1）对某个电磁能量谱波段敏感的物理器件，从而产生电信号；
（2）数字化器，将电信号转化成数字的形式。
1.3.3 图像显示打印
（1）半调输出：
多数打印设备只能输出二值图像，比如激光打印机（打印时输出黑，不打印输出白）。为了在这些设备上输出灰度图像并且保持其原有的灰度级，常采用半调输出。
半调输出可看做将灰度或彩色图像转化成二值图像的技术。它将拟输出图像中的各种灰度转化为二值点的模式，从而可以由仅能直接输出二值点的打印设备进行输出。但他同时利用人眼的集成特性，让人在视觉上获得多个灰度的视觉。
半调技术主要分为幅度调制技术和频率调制技术。
（a）幅度（AM）调制：通过调整输出黑点的尺寸来显示不同的灰度。在幅度调制中，二值点是规则的排成网格的点。这些点的尺寸根据需要的灰度而变化。在实际使用幅度调制技术时，其输出的二值点模式的效果不仅取决于每个点的尺寸，而且也与网格的间隔大小有关。间隔越小，输出的分辨率就越高。
（b）频率（FM）调制：输出的黑点尺寸是固定的，但是其在空间的分布却取决于表示的灰度。若分布较密，则灰度较暗；分布较稀，则灰度较亮。
FM半调技术的优势：可较好的消除由于AM半调技术中两个或多个规则模式叠加而产生的摩尔模式问题。
FM半调技术的缺点：缺点与点增益的增加有关。点增益是打印单元尺寸相对于原始单元尺寸的增加量，它导致打印图灰度范围的减少或压缩，这样就会减少细节和反差。
近年来人们开始研究结合AM半调技术和FM半调技术以获得根据灰度变化而尺寸和间隔都变化的集合。
（2）调制模板：举例：设一个2x2的矩阵中每个像素可以是白的或是黑的，每个像素需要一个bit，将这个2x2矩阵作为一个半调输出单元，则这个单元需要4bits，可以输出5种灰度（16种模式），分别为0/4,1/4,2/4,3/4。但如果一个像素用4bits表示，则该像素有16种灰度。由此看来，半调输出在使用相同的存储单元时，其输出级数减少，输出尺寸增加。
（3）抖动输出技术：半调输出技术通过减少图像空间分辨率而改善图像幅度分辨率，或者说牺牲图像的空间点数而增加空间的灰度级数。如果要输出灰度级比较多的图像，图像的空间分辨率会大大减少。若要保持一定的空间分辨率，则输出灰度级会比较少，图像的质量会比较差，例如出现虚假轮廓的现象。为改善图片的质量，常使用抖动技术（dithering），通过调节或变动图像的幅度值来改善量化过粗图像的显示质量。抖动可通过对原始图像f(x,y)加一个随机的小噪声d(x,y)来实现，即显示二者的和。比如设b为图像显示的比特数，则d(x,y)的值可以从以下五个值中以均匀概率获得： −2(6−b),−2(5−b),0,2(5−b),2(6−b) .将f(x,y)加上这样一个随机小噪声d(x,y)的b个最高有效比特作为最终输出像素的值。
1.3.4 图像存储
1.图像存储器：可分为如下三类：
(1)处理过程中使用的快速存储器
(2)用于比较快地重新调用的在线的或联机的存储器
(3)不经常使用的数据库（档案库）存储器
2.图像文件格式：BMP格式、GIF格式、TIFF格式、JPEG格式。
1.3.5 图像处理
处理模块是图像处理系统的中心模块，根据对图像处理的目的和要求不同，对图像的加工要采取不同的技术。主要目的和技术包括对图像的增强以改善图像视觉质量，对退化图像的恢复以消除各种干扰的影响，根据对场景的不同的投影来重建场景的图像，对图像进行编码以减少表达图像的数据量从而有利于存储和传输，给图像加入数字水印以保护图像的所有权等等。