1.5　数字图像处理发展及应用简介

1.5.1　数字图像处理的发展

数字图像处理最早的应用之一是在报纸业。当时，图像第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约。早在20世纪20年代，曾引入Bartlane电缆图片传输系统，把横跨大西洋传送一幅图片所需的时间从一个多星期减少到了3h。为了用电缆传输图片，首先要进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重构该图片。而早期的Bartlane电缆图片传输系统可以用5个灰度级对图像进行编码，到1929年已增加到15个等级，明显地改善了图像表达的效果。

电子计算机的发明促进了真正意义上的数字图像处理的诞生与应用。而现代意义上的数字图像处理技术是建立在计算机软硬件快速发展及性能价格比急速提高的基础之上的，它开始于20世纪60年代初期，第三代计算机的研制成功、快速傅里叶变换的出现，使得某些图像处理算法可以在计算机上得以实现。其中具有代表性的是美国加利福尼亚州喷气推进实验室（JPL，Jet Propulsion Laboratory）在图像处理方面的研究和应用。该实验室对航天探测器“徘徊者7号”在1964年发回的几千张月球照片，使用IBM7094计算机以及其他设备，采用几何校正、灰度变换、去噪声、傅里叶变换以及二维线性滤波等方法进行处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，成功地绘制了月球表面地图。随后，又对1965年“徘徊者8号”发回地球的几万张照片进行了较为复杂的数字图像处理（解卷积、去运动模糊等），使图像质量进一步提高。这些进展引起世界许多有关方面的注意。JPL本身也更加重视对数字图像处理技术的研究，改进设备（使用更先进的IBM360/65计算机和研制专用设备），成立专用图像处理实验室IPL。对后来的探测飞船发回的几十万张照片进行了更为复杂的图像处理，以致可以获得月球的地形图、彩色图以及全景镶嵌图。从此，JPL以很大的力量投入图像处理技术的开发和研究，取得了许多非凡的成果。例如，1971年“水手号”发回的几千张火星照片，由于火星表面覆盖尘爆等，导致这些照片成像条件很差，畸变和干扰因素又很复杂，未经处理，几乎看不出什么内容。因此数字图像处理变得必不可少，这又促进了这门技术的发展。与此同时，JPL以及各国有关部门已把数字图像处理技术从空间技术中开发到生物学、X射线图像增强、光学显微图像的分析、陆地卫星、多波段遥感图像的分析、粒子物理、地质勘探、人工智能、工业检测等等方面。

到20世纪80年代，计算机及图像处理各种硬件的发展，使得人们不仅能够处理二维图像，而且开始处理三维图像。许多能获取三维图像的设备和分析处理三维图像的系统研制成功，图像处理技术得到了更加广泛的应用。20世纪90年代直至现在的20余年，图像处理技术已逐步涉及人类生活和社会发展的各个方面。例如近年来蓬勃发展的大数据医学图像处理、图像融合技术、多媒体语音识别、虚拟现实技术等，图像在其中占据了主要地位，文本、图形、动画、视频都要借助于图像处理技术才能充分发挥作用。

数字图像处理在不长的时间里，迅速发展成一门独立的、有强大生命力的学科，随着计算机技术和信息技术的发展，以及各种实际应用的需求，可以预料，数字图像处理技术必将更加迅速地向广度和深度发展。

1.5.2　数字图像处理的应用

数字图像处理已成功应用于许多领域，渗透到人类生活的方方面面，并给人们的生活带来了巨大的社会和经济效益。

（1）航空、航天遥感方面的应用

数字图像处理技术在航空和航天技术方面的应用，除了上面介绍的JPL对月球、火星相片的处理外，其主要应用是在航空和航天遥感技术中。不计其数的侦察机和卫星搭载各种传感器对地球上的感兴趣部分进行大量的空中摄影，对由此得来的照片进行判读分析，以前需要雇佣几千人，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。图1.5是通过遥感的方式获取的某城市的局部遥感图像。

20世纪60年代末以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星并建立了太空实验室，由于成像条件受飞行器的位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总是不尽人意。因此，简单地直观判读以如此昂贵的代价所获取的图像是不合算的，而必须采用数字图像处理技术。如LANDSAT系列卫星，采用多波段扫描器，在高空对地球的每一地区以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的十几米或100m左右（如1983年发射的LANDSAT-4，分辨率为30m。目前的卫星如高分2号等的空间分辨率可达亚米级）。这些图像在空中先处理（数字化、编码）成数字信号存入存储介质中，在卫星经过地面站上空时再高速传下来，然后由地面处理中心进行管理、分析、判读和分发。这些图像无论在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须借助数字图像处理的方法。特别是对图像的判读分析中，目前世界各国都在利用遥感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）、农业规划（如土壤养分、水分和农作物生长、产量的估算等）、城市规划（如地质结构、水源及环境分析等）。我国也开展了以上诸方面的一些实际应用（如国土资源调查、城市管理，以及在汶川地震及舟曲泥石流的抗震救灾中各种卫星及无人机的应用），均取得了良好的应用效果。

除可见光影像以外，红外波段具有独特的功能，可借助各种红外遥感方式，来观察地球表面微弱的接近可见光范围的近红外光的发射源，包括城市、小镇、村庄、气体火焰及火光。而在许多情况下，雷达是探测地球表面不可接近地区的唯一方法。通过这些方式获取的图像，也需要利用图像处理的方法进行处理、分析和理解。

在气象学方面，大量数据的计算和对计算结果的分析更希望以一种直观的图像形式来表示。首先将大量的数据转换为数字图像，通过数字图像处理技术，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、云层的位置及其运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等，从而使预报人员能对未来的天气做出准确的分析和预测；同时根据全球的气象检测数据和计算结果，也可将不同时期全球的气温分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以数字图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。图1.6是一幅关于某地区受到云覆盖影响的卫星图像；图1.7所示为利用一幅卫星云图监视台风的形成及其运动趋势。

对太空其他星球的研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。

（2）生物医学工程方面的应用

数字图像处理在生物医学工程方面的应用开展得较早，其中一类是对生物医学的显微光学图像的处理和分析方面。如对红白细胞、细菌、虫卵的分类计数、染色体分析等。

图像处理技术在生物医学应用中最为成功的是计算机断层成像，也称CT技术。它是由英国的Hounsfield和美国的Cormack发明的，并由英国的EMI公司在1973年制造出第一台X射线断层成像装置。通过CT，可以获取人体剖面图，使得肌体病变特别是肿瘤诊断发生了革命性的变化。两位发明者因此获得了1979年的诺贝尔生理学或医学奖。X射线CT主要应用肌体不同的组织对X射线的吸收率不同来成像，但人体的某些组织，如心脏、乳腺等软组织，正常的和病变的部分对X射线的衰减变化不大，图像灵敏度不够，后来又发展了γ射线、质子、正电子等射线的CT，以及超声CT，最近又出现了核磁共振CT，使人体免受各种硬射线的伤害，并且图像也更为清晰。

根据CT所获得的一系列二维图像通过三维重建可在计算机屏幕上显示出来。在此基础上可以实现矫形手术、放射治疗等计算机模拟及手术规划。例如，髋关节发育不正常在儿童中并不少见，在做矫形手术时，需要对髋关节进行切割、移位、固定等操作。首先通过三维图像处理系统在计算机上构造出髋关节的三维图像；然后对切割部位、切割形状、移位多少及固定方式等的多种方案在计算机上进行预先模拟，并从各个不同角度观察其效果；最后由医生确定最佳实施方案，从而大大提高矫形手术的质量。总之，图像处理技术在人类医学、生物医学等领域中得到了最为广泛的应用。图1.8为两幅医学图像。

（3）工业和工程方面的应用

这是近期极其活跃的图像处理应用领域。工业和工程方面存在许多无损探伤和自动控制问题，如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；机械零部件的检查和识别，如印刷电路板疵病检测等。其中最值得肯定的是“计算机视觉”的应用，利用能够时时获取场景图像的机器人，可以确定物体的位置、方向、属性以及其他状态等，它不但可以完成普通的材料搬运、产品集装、部件装配、生产过程自动监控，还可以在不宜进入的环境里进行喷漆、焊接、自动检测等。目前已发展到视觉、听觉和触觉自动反馈的智能机器人。

在生产线中对生产的产品及部件进行无损检测也是数字图像处理技术的一个应用领域。如食品包装出厂前的质量检查、工件尺寸测量、集成芯片内部电路的检测等都需要采用图像处理技术加以自动实现。目前已使用的自动外观检查装置有很多，如漆包线自动外观检查装置、彩色显像管的自动外观检查装置、电话交换机继电器接点检查以及印刷板自动外观检查等。图1.9为一幅水库堤坝图像，可用来观察大坝的形变。图1.10为一幅电路板图像，可用来检查电子器件的外观等。

（4）军事公安业务方面的应用

这方面主要是各种观察图像的判读，运动目标的图像自动跟踪技术，如景象跟踪技术已装配到无人机、军舰和导弹，并在军事演习和实战中取得了很好的效果。还包括图像传输、存储和显示的自动化指挥系统，飞机、军舰和坦克的模拟训练器等。公安视频监视图像的判读分析、跟踪、监视、交通控制、事故分析（如车辆船只的识别等）都已在不同的程度上投入正常业务使用。图1.11是利用CCD监视器获取的同一地点不同时间的监控录像经过截频得到的两幅监控图像。左边图像是可见光监视器获取的某一区域上午的监控图像；右边图像是晚上红外监视器所获取的同一区域的监控录像，其右下方是一嫌犯正在准备进入厂区进行偷窃。

在公共安全领域中，目前得到广泛应用的还有身份认证、指纹识别、不完整图片的复原、电子地图绘制、人脸合成和识别等。在公安侦察和人口管理中，常用的指纹识别技术和身份认证对应技术都离不开数字图像处理。指纹具有两大特征，第一是没有两个人的指纹是完全相同的；第二是指纹不受损伤时终生不变。所以它是识别人最有力的手段之一。指纹本身是一个无穷类问题，在应用中有不同的情况，主要是对指纹根据匹配特征进行核对查找。

（5）通信工程方面的应用

21世纪的通信已不再是模拟时代下的模拟信号，通信传输的信息将是声音、图像等多种数据的结合。特别是数字化的图像、数字化的视频和其他种数据等多媒体数据信息。为此国际标准化组织提出了一系列图像通信的国际标准，均要求采用数字图像处理技术，包括图像的采集、图像压缩、图像存储、图像传输和图像显示等众多环节。众多新型手机的功能需要图像处理技术的支持。图1.12是目前流行的华为手机的待机界面。

（6）其他领域中的应用

在文化艺术方面，目前较为成熟的有电视画面的数字编辑、电视场景的数字生成与实景布置、电影电视动画制作、计算机动画和电子竞技游戏、服装纺织品的花纹设计和制作、古文物资料和古建筑照片的复制和修复、运动员动作分析和评分等。图1.13～图1.15是图像处理在电视转播、店面广告设计及数字电影方面应用的图片。可以说，作品艺术性的表现只受设计者的想象空间的限制。

在教学和科研领域中也大量使用数字图像处理技术。特别在近似科学可视化方面更是如此，它是发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具，加快数据处理速度，并运用计算机图形学和重建技术将计算过程中的数据以及计算结果的数据转换为图像，在屏幕上显示出来并进行交互处理。如Matlab科学计算工具就包括了很多成熟的图像处理软件包和具备了比较完美的图像表达能力。

在当前的电子商务、电子政务和信息化建设中，数字图像处理技术也大有可为。如身份认证中的印章真伪识别、产品防伪中相似商标的检测、数字水印技术等。

表1.2对目前数字图像处理的应用进行了简要的总结。

随着计算机技术、网络技术的发展与成熟，彩色显示终端和大容量存储介质的应用，数字图像处理技术将发生巨大的变化，并日益为人们所重视，在科学研究、工农业生产、军事侦察测绘技术、医疗卫生、资源勘探、气象预报、大气污染研究、政府决策部门等许多领域中发挥着越来越重要的作用。