数字图像处理第一章概述

绪论

1.1 图像和图像处理

1.1.1 图像

“图”是物体透射或反射光的分布,是客观存在的。“像”是人的视觉系统对图在大脑中形成的印象或认识，是人的感觉。图像是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的心理因素;图像也是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿或描述。或者说图像是客观对象的一种可视表示,它包含了被描述对象的有关信息。人们在工作或日常生活中会经常见到图像,比如红外图像、雷达图像、医学图像、照片、绘画、动画、电视画面等都是图像的最直接的例子,它是人们最主要的信息源。据统计,人类从外界获取的信息中约有75%来自视觉，即以图像的形式获取。人们常说“百闻不如一见”“一目了然”都说明了这个事实。人们可以通过各种观测系统从被观察的场景获得图像。观测系统有照相机和摄像机、显微图像摄像系统、卫星多光谱扫描成像系统、合成孔径雷达成像系统、医学成像系统(超声成像系统、磁共振成像系统等)等。从观测系统所获取的图像可以是静止的,如照片、绘画、医学显微图片等;也可以是运动的，如飞行物、心脏图像等视频图像;还可以是三维(3D)的，大部分装置都将3D客观场景投影到二维(2D)像平面,所得图像是2D的;图像可以是黑白的，也可以是彩色的。根据图像空间坐标和幅度(亮度或色彩)的连续性可分为模拟(连续)图像和数字图像。模拟图像是空间坐标和幅度都连续变化的图像,而数字图像是空间坐标和幅度均用离散的数字(一般是整数)表示的图像。

1.1.2 图像处理

图像处理就是对图像信息进行加工处理和分析，以满足人的视觉心理需要和实际应用或某种目的（如压缩编码或机器识别）的要求，图像处理可分为以下三类。

1.模拟图像处理

模拟图像处理也称光学图像处理,它是利用光学透镜或光学照相方法对模拟图像进行的处理。光学图像处理方法历史已久,并在20世纪60年代激光全息技术出现后,得到了进一步的发展。该方法具有实时性强、速度快、处理信息量大、分辨率高等优点。但是处理精度低，灵活度差，难有判断功能。从60年代起,随着计算机技术的发展和广泛应用，数字图像处理诞生并得到了迅速的发展。

2.数字图像处理

数字图像处理就是利用计算机对数字图像进行处理。随着计算机和多媒体技术的迅速发展和普及，数字图像处理技术受到了空前广泛的重视，出现了许多新的应用领域和新的处理方法。它具有精度高、处理内容丰富、方法易变、灵活度高等优点。但是它的处理速度受到计算机和数字器件的限制, -般也是串行处理,因此处理速度较慢。

3.光电结合处理

光电结合处理是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。该方法是前两种方法的有机结合,它集结了二者的优点。光电结合处理是今后图像处理的发展方向，也是一个值得关注的研究方向。随着集成光学的发展和光电结合的应用，在光学计算机出现以后,图像处理技术将会有全新的巨大突破。

1.1.3 图像的表示

1.图像的数学表示

任何一幅图像都可看作是由无数个很小的光点组成的光强度集合,因此用数学方法描述一幅图像时,常考虑它的点的性质。一幅图像所包含的信息首先表现为光的强度(intensity),即一幅图像可看成是空间各个坐标点上的光强度I的集合。
空间坐标、波长、时间

平面上静止的灰度图像，I=f(x,y)，运动图像可用（静止）图像序列表示，彩色图像可分解为三基色图像，三维图像可由二维重建。

2.图像的特点

空间有界

幅度（强度）有限

1.2 数字图像处理的步骤和方法

1.2.1 数字图像处理的基本步骤

1.图像信息的获取

2.图像信息的存储

3.图像信息的处理

4.图像信息的传输

5.图像的输出和显示

1.2.2 数字图像处理的内容和方法

1.图像数字化

数字图像处理的基础，包括采样和量化

2.图像变换

为了便于在频域对图像进行更有效的处理，需要对图像信息进行变换。根据图像的特点,一般采用正交变换,诸如傅里叶变换、沃尔什-哈达码变换、离散余弦变换、KL变换、小波变换等,以改变图像的表示域和图像数据的排列形式,有利于图像增强或压缩编码。

3.图像增强

图像增强是增强图像中的有用信息,削弱干扰和噪声,提高图像的清晰度,突出图像中所感兴趣的部分。一方面用以改善人们的视觉效果,另一方面便于人或机器分析、理解图像内容。它主要包括灰度增强、图像平滑、锐化、同态增晰、彩色增强等。

4.图像恢复（复原）

图像恢复(复原)是对退化的图像进行处理,使处理后的图像尽可能地接近原始的图像。所谓退化图像是指由于各种原因(设备问题、周围环境、干扰等)使原清晰图像变模糊或使原图像未达到应有质量而形成的降质图像。它主要包括退化模型的表示、退化系统的模型及参数的确定、无约束恢复、有约束最小二乘恢复、频域恢复方法、图像的几何畸变校正、超分辨率图像复原方法等。

5.图像压缩编码

由于图像中通常存在冗余,数据量大,不利于传输、处理和存储,所以需要对待处理图像进行压缩编码,以减少描述图像的数据量。压缩可以在不失真的前提下进行,也可以在允许的失真条件下进行。前者解压后可无失真地得到原图像信息, 称为无损压缩编码;而后者只能得到原图像的近似，称为有损压缩编码。

6.图像分割

7.图像分析与描述

8.图像识别分类