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数字图像与数字图像处理

前言

人类通过眼 , 耳, 鼻, 舌, 身接受信息, 感知世界. 约有75%的信息是通过视觉信息获取的. 数字图像处理就是利用数字计算机处理所获取的视觉信息的技术.

数字图像与数字图像处理

1. 基本概念

图: 是物体反射或者透射电磁波的分布
像: 是人的视觉系统接收的图的信息在大脑中形成的印象
图像(image): 是"图"和"像"的结合. 具体来说, 就是各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获取的, 可以直接或间接作用于人的视觉系统而产生的视知觉实体.
图像处理(image processing): 是对图像信息进行加工以满足人的视觉或应用需求的行为.
处理方法通常有:
- 模拟图像处理(analogue image processing): 也称光学图像处理,它是利用光学透镜或者光学照相的方法对模拟图像进行处理, 其实时性强, 速度快, 处理信息大, 分辨率高, 但处理精度差, 难有判断功能.
- 数字图像处理(digital image processing):就是利用计算机技术或其他数字技术, 对图像信息进行某些数学运算和各种加工处理,以改善图像的视觉效果和提高图像实用性的技术.
- 光电结合处理(optoelectronic processing): 用光学方法完成运算量巨大的处理(如频谱变换等), 而用计算机对光学处理结果(如频谱)进行分析判断等处理. 该方法是前两种方法的有机结合, 它集结了二者的有点.
  图像处理的基本特征: 系统的输入和输出都是图像.显然这是一种比较严格的图像处理定义, 因此也呈现出了某种狭义性.
图像分析: 通过对图像中的不同对象进行分割来对图像中的目标进行分类和识别的技术
- 图像分析是比图像处理更高一级别的计算处理过程.
- 图像分析的目的: 是缩减对图像的描述, 以使其更适合于计算机的处理及对不同目标的分类.
- 图像分析的基本特征: 输入是图像, 输出是对图像的描述信息.

通过图像分割技术, 获得肾小球区域的边界(闭合), 最终对所提取的肾小球内部的细胞核进行定性与定量分析

图像处理与图像分析的关系

数字图像处理的优点

精度高: 对于一幅图像而言, 数字化时不管是4比特, 8比特还是其他比特表示, 只需改变计算机程序的参数, 处理方法不变. 所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能的. 而在模拟图像处理中, 要使精度提高一个数量级, 就必须对装置进行大幅度改进.
再现性好: 不管是什么数字图像, 均是用数组或数组集合表示. 在传送和复制图像时, 只在计算机内部进行处理, 这样数据就不会丢失或者遭到破坏, 保持了完好的再现性. 而在模拟图像处理过程中, 就会因为各种干扰因素而无法保证图像的再现性.
通用性, 灵活性强: 对可见光图像和不可见光图像(如X光图像, 热红外图像, 超声波图像等), 尽管这些图像生成所使用的设备规模和精度各不相同,但当把这些图像数字化后, 对于计算机来说, 都可同样进行处理, 这就是数字图像处理的通用性. 另外, 改变处理图像的计算机程序, 可对图像进行各种各样的处理, 如上下滚动, 漫游, 拼接, 合成, 放大, 缩小和各种逻辑运算等, 所以灵活性很高.

数字图像处理的系统组成和研究内容

1. 数字图像处理的系统组成

图像处理的基本结构

2. 图像输入设备

分辨率:单位长度上采样的像素个数DPI(dot/inch)

3. 图像输出设备

喷墨打印机
激光打印机
数字打印机

图像处理技术的研究内容

图像变换(image transform)

是最简化图像处理过程和提高图像处理效果的基本技术, 最典型的图像变换主要有傅里叶变换, 离散余弦变换, 小波变换等.

图像增强(image enhancement)

是或简单地增强图像中感兴趣的特征, 或想显现图像中那些模糊了的细节, 以使图像更清晰地被显示或更适合于人或机器的处理与分析的一种技术.

图像恢复(image restoration)

是一种从图像退化的数学或者概率模型出发, 研究改进图像外观, 从而使恢复以后的图像尽可能地反映原始图像本来面目的一种技术, 其目的是获得与景物真实面貌相像的图像

图像压缩编码(image compression)

是在不损失图像质量或少许损失图像质量的前提下, 尽可能的减少图像的存储量, 以满足图像存储和实时传输的应用需求的已经技术

图像彩色处理(color image processing)

颜色是一个强有力的描绘子, 它常常可简化目标物的识别和提取. 人可以辨别几千种不同的颜色, 但只能区分出几十种灰度级, 这使得颜色在人工图像分析中显得十分重要.

图像的三维重建(Three-dimensional reconstruction)

由物体截面投影来重建截面图像的一种图像处理技术. 最典型的应用是医学上的计算机断层摄影技术(CT). 它用于人体头部, 腹部等内部器官的无损伤诊断, 其基本方法就是根据人体截面投影, 经过计算机处理来重建截面图像.

图像分割(image segmentation)

是图像处理技术中最为困难的任务之一, 其基本思路是把一幅图像划分成背景和目标, 从而提取出感兴趣的目标来.

图像的表示和描述(representation and description)

基本思路是通过对图像中感兴趣的特征的定性和定量描述, 从而赋予识别出的目标以符号标识和解释.

数字图像处理技术的应用领域

图像处理技术的主要应用领域有:
生物医学, 遥感技术, 工业生产, 军事技术, 通信技术, 侦缉破案, 气象预报, 宇宙探索, 考古等, 已经遍布国民经济的各个领域.

发展历史

20世纪20年代: 报纸业
- Bartlane 电缆图片输出系统
- 大幅提高传输速度
- 色调质量和分辨率改善
1964年: 航天技术
- 图像增强和复原技术: 美国JPL(喷气推进)实验室处理微星发射回来的月球便面的照片(图像畸变的校正, 灰度变换, 去除噪声)
20世纪10年代: 遥感卫星和医学
- 图像增强和图像识别
- 利用遥感图片, 进行地质资源探测, 农作物估产, 水文气象监测等
- 图像重构
- X光断层图像重构技术, 英国G.N.Hounsfield第一台脑断层摄像仪应用
80年代末到90年代: 多媒体技术
- 高速计算机和大规模集成电路的发展: 图像压缩和多媒体技术; 文本图像的分析和理解, 文字的识别取得重大的进展; 图像通信和传输的广泛应用.