1.1.1 了解数字图像处理的起源
数字图像最早应用于报纸业。1922年，图像第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约。20世纪20年代，人类应用巴特兰（Bartlane）电缆传输系统，把横跨大西洋传送一幅图像所需的时间从一个多星期减少到了3h。为了用电缆传输图像，最初使用特殊的打印设备对图像进行编码，然后在接收端重构图像。使用这种方法传送的图像，需要利用装有特殊打印机字体的电报打印机模拟中间色调进行还原。1921年由电报打印机采用特殊字体在编码纸带上产生的数字图像如图1-1所示。
图1-1 1921年由电报打印机采用特殊字体在编码纸带上产生的数字图像（灰度级：5）
在改善早期数字图像视觉质量的过程中遇到了很多问题，其首要问题涉及打印方法的选择和亮度等级的分布，图1-1中所使用的图像打印方法到1921年年底就被彻底淘汰，取而代之的是一种在电报接收端使用穿孔纸带的照相还原技术。1929年使用穿孔纸带的照相还原技术得到的数字图像如图1-2所示，与图1-1所示的图像相比，它在色调质量和分辨率方面的改善都很明显。
图1-2 1929年使用穿孔纸带的照相还原技术得到的数字图像（灰度级：15）
虽然图1-1和图1-2的例子中涉及数字图像，但是并不能认为得到这些图像的过程就是通常定义的数字图像处理（Digital Image Processing），因为创建这些图像时并未涉及计算。数字图像处理的历史与数字计算机的发展密切相关。事实上，数字图像处理需要有非常好的存储和计算能力，因此数字图像处理领域的发展必须依靠数字计算机及数据存储、显示和传输等相关支撑技术的发展。
计算机的概念可追溯到古代“算盘”的发明。现代计算机的基础可以追溯到20世纪40年代由冯·诺依曼提出的两个重要概念：（1）保存程序和数据的存储器；（2）条件分支。这两个概念是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的基础。现今，中央处理器已是计算机的“心脏”。从冯·诺依曼开始，一系列重要的进展使得计算机强大到足以用于数字图像处理。
简单而言，计算机相关的重要进展可归纳为如下7点。
（1）晶体管的出现。1947年美国贝尔实验室发明了晶体管。
（2）高级编程语言的出现。20世纪50年代高级编程语言COBOL（COmmon Business-Oriented Language）及FORTRAN（Formula Translation）的开发。
（3）集成电路的发明。1958年美国德州仪器公司发明了集成电路（Integrated Circuit，IC）。
（4）操作系统的出现。20世纪60年代早期，操作系统被开发出来。
（5）微处理器的出现。20世纪70年代早期，英特尔（Intel）公司开发了微处理器（由中央处理器、存储器和输入输出控制组成的单一芯片）。
（6）个人计算机（Personal Computer，PC）的推出。1981年IBM公司推出了PC。
（7）元件的逐步小型化。随着20世纪70年代大规模集成电路（Large Scale Integrated Circuit，LSI）的出现，20世纪80年代出现了超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuit，VLSI），20世纪90年代出现了特大规模集成电路（Ultra Large Scale Integration，ULSI）。
伴随着这7个重要进展，数字图像处理的两个基本需求，即大容量存储和显示技术也快速发展。
第一台功能强大到足以执行有意义的数字图像处理任务的大型计算机出现在20世纪60年代初。数字图像处理的诞生可追溯至该时期针对这些大型计算机的应用和空间探索项目的开发，这些项目的开发将人们的注意力集中到数字图像处理技术的潜能上。利用计算机技术改善空间探测器发回的图像，始于1964年美国加利福尼亚的喷气推进实验室。当时由“徘徊者7号”月球探测器在撞击月球表面前拍摄的图像，如图1-3所示，经由一台计算机进行处理，以校正航天器上电视摄像机所拍摄图像中存在的各种类型的图像畸变。
图1-3 “徘徊者7号”月球探测器在撞击月球表面前拍摄的图像
除了在空间探索领域的应用，数字图像处理技术在20世纪60年代末至20世纪70年代初也开始用于医学成像、地球资源遥感监测和天文学等领域。在20世纪70年代发明的计算机断层成像（Computed Tomography，CT），是数字图像处理在医学诊断领域最重要的应用之一。CT是由戈弗雷·豪恩斯菲尔德（Godfrey N. Hounsfield）先生和艾伦·科马克（Allan M. Cormack）教授分别发明的。由于这项发明，他们共同获得了1979年的诺贝尔生理学或医学奖。X射线是1895年由威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Roentgen）发现的，由于这一发现，他获得了1901年的诺贝尔物理学奖。今天，这两个在时间上相差近100年的成果引领着数字图像处理在医学诊断领域的最重要的应用之一——CT。CT的主要过程是：计算机断层检测器环围绕着一个物体（或病人），一个与该环同心的X射线源绕该物体旋转；X射线穿过该物体并被环中X射线源对面的检测器收集；在X射线源旋转期间，不断重复这一过程。CT由一些算法组成，这些算法使用检测器感知的数据来重建物体的“切片”图像。当物体沿垂直于检测器环的方向运动时，就会产生一系列这样的“切片”，这些切片组成该物体内部的三维再现。
从20世纪60年代至今，数字图像处理领域一直在生机勃勃地发展。除在医学和空间探索项目中的应用外，数字图像处理技术现在已被应用于更广的范围。例如，在地理学领域，可使用数字图像处理技术，通过航空和卫星拍摄的图像来研究污染模式；在考古学领域，可使用数字图像处理技术复原模糊的历史图像，这些图像是研究已丢失或损坏的稀有物品唯一的现有记录；在物理学领域，数字图像处理技术通常用于增强高能等离子体和电子显微镜等领域的实验图像的效果。