数字图像处理

1、 数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。 数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响： 一是计算机的发展； 二是数学的发展（特别是离散数学理论的创立和完善）; 三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。图像编码压缩：图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高

2、图像的清晰度等。图像分割：图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。图像描述：图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。图像分类（识别）：图像分类（识别）属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。 数字图像处理的应用领域：航天和航空方航天和航空方面、生物医学工程方面、生物医学工程方面、通信

3、工程方面、面、通信工程方面、工业和工程方面、军工业和工程方面、军事公安方面、文化艺事公安方面、文化艺术方面、机器人视觉术方面、机器人视觉、视频和多媒体系统、视频和多媒体系统、科学可视化科学可视化、电子商电子商务。务。 数字图像处理基本特点：处理信息量很大、处理信息量很大、占用频带较宽、各像占用频带较宽、各像素相关性大、无法复素相关性大、无法复现全部信息、受人的现全部信息、受人的因素影响较大。因素影响较大。 数字图像处理优点： 再现性好数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过

4、程始终能保持图像的再现。 数组这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。对计算机而言，不论数组大小，也不论每个像素的位数多少，其处理程序几乎是一样的。换言之，从原理上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组参数就可以了。回想一下图像的模拟处理，为了要把处理精度提高一个数量级，就要大幅度地改进处理装置，这在经济上是极不合算的。 适用面宽图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像（例如X射线图像、射线图像、超声波图像或红外图像等）。从图像反映的

5、客观实体尺度看，可以小到电子显微镜图像，大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像（彩色图像也是由灰度图像组合成的，例如RGB图像由红、绿、蓝三个灰度图像组合而成）组合而成，因而均可用计算机来处理。即只要针对不同的图像信息源，采取相应的图像信息采集措施，图像的数字处理方法适用于任何一种图像。 灵活性高图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，这极大地限制了光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实

6、现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。在1964年的第一次成功尝试中，美国喷气推进实验室（JPL）对航天探测器徘徊者7号发回的几千张月球照片使用了图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声，后来成功地绘制出了月球表面地图。随后，他们加大了尝试力度，又对近十万张照片进行更为复杂的图像处理，并最终获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，这无疑是人类航天史上的里程碑。 “卡西尼”号飞船进入土星轨道后传回地球的第一批土星环照片，“火星快车”拍摄到的火星山体滑坡照片，“深度撞击”中的珍贵图片，还有我国嫦娥探测器拍摄的月球表面照片，这些图像最终能展示在我们面

7、前，都是数字图像处理技术的功劳。假如航空航天方面缺乏了这项技术，那我们或许只能在一长串乱码中寻找外星球真正的模样，这样无疑是我们技术发展的一个真正的瓶颈！ 数字图像处理技术在航天和航空技术方面的应用，除了上面介绍的JPL对月球、火星照片的处理之外，另一方面的应用是在飞机遥感和卫飞机遥感和卫星遥感技术星遥感技术中。 从60年代末以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星（如LANDSAT系列）和天空实验室（如SKYLAB），由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总不是很高。因此，以如此昂贵的代价进行简单直观的判读来获取图像是不合算的，而必须采用数字图像处理技术。 如LANDSA

8、T系列陆地卫星，采用多波段扫描器（MSS），在900km高空对地球每一个地区以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十几米或100米左右（如1983年发射的LANDSAT-4，分辨率为30m）。这些图像在空中先处理（数字化，编码）成数字信号存入磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。 世界各国都在利用陆地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），灾害检测（如病虫害检测、水火检测、环境污染检测等），资源勘察（如石油勘查、矿产量探测、大型工程地理位置勘探分析等），农业规划（如土壤营养、水份和农作物生长、产量的估算

9、等），城市规划（如地质结构、水源及环境分析等）。在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。 航空遥感因其机动灵活、空间分辨率高、平台可装载多种遥感器，在波段、空间和时相的选择航空像片是最早也是最广泛应用的遥感信息源之一，经过几十年来的实践已形成了一门完整的科学，建立了坚实的理论基础和实用的工艺流程，在大地测量、国土规划、工程建设等方面显示了它的巨大应用能力。 1986年2月法国发射的SPOT卫星装备有两台6000元线阵的CCD相机，标志着光学遥感进入了崭新时代，如大型工程设计、水利工程、交通运输网设计、城市规划与管理、环境监测、土地利用、农业资源调查、土壤制图、

10、作物管理、林业资源调查与管理、农林病虫害调查、洪水、林火动态监测、特别对突发性地震灾害的震情、烈度、范围快速调查更具有极高的实用意义。应用CCD数字图像可以确切分类房屋类型、房倒屋塌状况 城市生命线及交通、桥梁损毁程度，从而为实施有效救援提供直观的现场资料，采取应急措施减少生命财产损失。 投资 在市场经济法则作用下，任何一项新技术是否具有生命力和持续发展的前途其性能价格比是重要的评价指标之一，特别对经济实力薄弱的地区和国家更具指导意义。投资包括相机本身价格和记录器与介质价格，如瑞士Wild AviophoT Rci0，RC一20，德国0PTON的RMK系列，ZEISS的MRB系列相机其价格约为

11、3o万美元，而CCD相机价格只有它的十分之一。 航摄相机用胶片记录，以片长60m计约可摄200帧相片。黑白片每筒约700元，彩红外片约2500元筒；冲洗费：黑白片1500元筒，彩红外片4000元筒；洗印费彩红外片每张约16元；据此每张彩红外航片费用应为485元。而CCD相机用8ram磁带机记录 相近的分辨率36线mm计算便于对比，则一盘l12m 的8ram磁带约可记录156帧航片，每盘8mm磁带约100元，以可重复使用10次计算，每帧费用为0064元，另一项费用为磁带机折旧费，以XYBYTE 8505磁带机为倒，价格约3万元，而无故障运行小时可高达8万小时即每小时折旧费约为0375元，以CCD

12、相机扫描速率每秒100行计算则每一帧(对应航片)费用为00053元，二者总计为00693元即不到7分钱帧。 航摄相机光学及机械结构精密，大多采用机械快门及机械输片，体积大、重量重，有一定使用寿命，维护比较复杂；CCD数字机相采用电路扫描，无机械运动机构，寿命长、可靠性高，体积及重量仅及航摄相机的至 ，因而可装载在轻型、超轻型飞机上。 图像空间分辨率 航片的空间分辨率目前仍是最高的，大约为30 80线对mm，目前CCD图像以4096像元推算，相当于18线对mm，已出现800012000像元的CCD线阵，它们对应3654线对ram，已与航片分辨率相当。 图像几何精度 航片已有一系列光学仪器可确保摄

13、影及纠正精度在05ram 以内；扫描数字图像(如光机多光谱红外扫描)因飞机平台受大气气流影响而产生较大的几何畸变，以及扫描镜旋转速度不均匀，扫描非线性等影响图像质量，采用地面控制点多项式拟合纠正取得了较好效果，CCD相机除本身有较高精度外又采取同步数字记录飞机平台惯性导航系统输出的平台姿态数据，每秒可输出S至1O组平台滚动、俯仰、偏流、速高比等数据以及同步采集全球定位系统(GPS)获取的高精度平台空间位置数据(经度、纬度)经计算机进行数字校正，其误差一般可达一个像元，以4096像元图像为恻，对应误差约为0OSmm，远高于航片校正的精度。 图像光谱特性 鉴于航片感光涂层的光谱响应有限，目前一般约达09um，而地物在红外波段具有丰富的信息，例如石油、天然气、贵金属等在短波红外区均有明显的吸收峰，而当今CCD 器件的光谱响应已可达波红外25,um 区域，因而CCD相机可获更宽的光谱图像，因而可以有更多的波段，而航摄相机如多波段相机因结构所限一般也只有四个波段。至于数字图像的量化可以16二进位表征，相应为65536灰