第一章概論1.1數字圖像處理及其特點1.2數字圖像處理的目的和主要內容1.3圖像工程與相關學科1.4數字圖像處理系統1.5數字圖像處理的應用1.6數字圖像處理的發展動向1.1數字圖像處理及其特點1.1.1數字圖像與數字圖像處理1.數字圖像在計算機中，圖像是以數字格式存儲的，把圖像按行與列分割成M×N個網格，每個網格為一個像素，即用一個M×N的像素矩陣來表示一幅圖像，M與N稱為圖像的分辨率。（1）分辨率越高，圖像失真越小。（2）計算機中只能用有限長度的二進制位來表示顏色，用以表示顏色的位數越多，顏色數越多，圖像顏色就越逼真。圖1-1數字圖像模擬圖像數字圖像圖像的空間分辨率

一幅M×N個像素的數字圖像，其像素灰度值（整數）可以用M行、N列的矩陣G表示：2.數字圖像處理把利用計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等的理論、方法和技術稱為數字圖像處理（DigitalImageProcessing）。

數字圖像處理的產生和迅速發展主要受如下三方面影響：一是計算機的發展。計算速度和存儲容量。二是數學的發展，特別是離散數學理論的創立和完善，為數字圖像處理奠定了理論基礎。三是軍事、醫學和工業等方面應用需求的不斷增長。噪聲平滑實驗圖像（a）Lena原圖；（b）高斯噪聲；（c）椒鹽噪聲；(d)對(b)平均平滑；(e)對(c)平均平滑；(f)對(b)5×5中值濾波；(g)對(c)5×5中值濾波abcdefg逆濾波法復原圖像(a)原始圖像；(b)退化圖像；(c)復原圖像(a)(b)(c)1.1.2數字圖像處理的特點（1）圖像數據量龐大。

一幅數字圖像是由圖像矩陣中的像素（Pixel）組成的，通常每個像素用紅、綠、藍三種顏色表示，每種顏色用8bit表示灰度級。一幅1024×1024不經壓縮的真彩色圖像，數據量達24MB（即1024×1024×8bit×3=24Mb）。（2）處理費時。（3）圖像處理技術綜合性強。1.1.2數字圖像處理的特點（4）數字圖像中各個像素是不獨立的，其相關性大。

在圖像畫面上，經常有很多像素有相同或接近的灰度。就電視畫面而言，同一行中相鄰兩個像素或相鄰兩行間的像素，其相關系數可達0.9以上，而相鄰兩幀之間的相關性比幀內相關性一般說還要大些。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。1.1.2數字圖像處理的特點（5）數字圖像處理后的圖像一般是給人觀察和評價的，因此受人的因素影響較大。

由于人的視覺系統很復雜，受環境條件、視覺性能、人的情緒愛好以及知識狀況影響很大，圖像質量的評價還有待進一步深入的研究。（6）由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖象本身不具備復現三維景物的全部幾何信息的能力，很顯然三維景物背后部分信息在二維圖像畫面上是反映不出來的。在理解三維景物時需要知識導引，這也是人工智能中正在致力解決的知識工程問題。1.1.3數字圖像處理的優點（1）處理精度高，再現性好。（2）易于控制處理效果。（3）處理的多樣性。1.2數字圖像處理的目的和主要內容1.2.1數字圖像處理的目的（1）提高圖像的視感質量，以達到賞心悅目的目的。

（2）提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計算機分析。（3）對圖像數據進行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲和傳輸。1.2.2數字圖像處理的主要內容

1.圖像獲取、表示和表現（ImageAcquisition，RepresentationandPresentation）該過程主要是把模擬圖像信號轉化為計算機所能接受的數字形式，以及把數字圖像顯示和表現出來（如打印）。

2.圖像復原（ImageRestoration）當造成圖像退化（圖像品質下降）的原因已知時，復原技術可以對圖像進行校正。圖像復原最關鍵的是對每種退化都需要有一個合理的模型，退化模型和特定數據一起描述了圖像的退化。因此，復原技術是基于模型和數據的圖像恢復，其目的是消除退化的影響，從而產生一個等價于理想成像系統所獲得的圖像。

a)被正弦噪聲干擾的圖像b)濾波效果圖用巴特沃思帶阻濾波器復原受正弦噪聲干擾的圖像

a)受大氣湍流的嚴重影響的圖像b)用維納濾波器恢復出來的圖像維納濾波器應用3.圖像增強（ImageEnhancement）當無法知道圖像退化有關的定量信息時，可以使用圖像增強技術較為主觀地改善圖像的質量。所以，圖像增強技術是用于改善圖像視感質量所采取的一種方法。

4.圖像分割（ImageSegmentation）把圖像分成區域的過程就是圖像分割。圖像處理為達到識別和理解的目的，幾乎都必須按照一定的規則將圖像分割成區域，每個區域代表被成像的一個物體（或部分）。(a)原始圖像；(b)閾值化處理，分割目標和背景(a)(b)

5.圖像分析圖像分析主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對圖像的描述。在工業產品零件無缺陷且正確裝配檢測中，圖像分析是對圖像中的像素轉化成一個“合格”或“不合格"的判定。醫學圖像處理中，不僅要檢測出物體（如腫瘤）的存在，而且還要檢查物體的大小。

6.圖像重建圖像增強、圖像復原的輸入是圖像，處理后輸出的結果也是圖像，而圖像重建是指從數據到圖像的處理，即輸入的是某種數據，而經過處理后得到的結果是圖像，CT就是圖像重建處理的典型應用實例。

7.圖像壓縮編碼數字圖像的特點之一是數據量龐大，在實際應用中圖像壓縮是必需的。如果數據不壓縮，則在存儲和傳輸中就需要占很大的容量和帶寬，因而增加了成本。圖像壓縮的目的就是壓縮數據量。1.4數字圖像處理系統1.4.1數字圖像處理系統硬件圖1-4圖像處理系統示意圖1.4.2圖像處理系統軟件目前，圖像處理系統平臺多為MicrosoftWindows，開發的主流工具為Microsoft公司的VC++。MATLAB是由美國MathWorks公司推出的用于數值計算的有力工具，它具有相當強大的矩陣運算和操作功能，并且MATLAB圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數。1.5數字圖像處理的應用1）通訊通訊包括圖像傳輸、電視電話、電視會議等，主要是進行圖像壓縮。2）航空、航天遙感航空遙感和衛星遙感圖像需要用數字技術加工處理，并提取有用的信息。主要用于地形地質，礦藏探查，森林、水利、海洋、農業等資源調查，自然災害預測預報，環境污染監測，氣象衛星云圖處理以及地面軍事目標的識別。3）生物醫學領域中的應用圖像處理在醫學界的應用非常廣泛，無論是臨床診斷還是病理研究都大量采用圖像處理技術。圖像處理首先應用于細胞分類、染色體分類和放射圖像等。4）工業生產中的應用在生產線中對產品及部件進行無損檢測是圖像處理技術的重要應用領域。5）軍事、公安等方面的應用軍事目標的偵察、制導和警戒系統、自動滅火器的控制及反偽裝；公安部門的現場照片、指紋、手跡、印章、人像等的處理和辨識；歷史文字和圖片檔案的修復和管理等。1.6數字圖像處理的發展動向

（1）在進一步提高精度的同時著重解決處理速度問題。（2）加強軟件研究、開發新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學科的技術和研究成果，創造新的處理方法。（3）加強邊緣學科的研究工作，促進圖像處理技術的發展。（4）加強理論研究，逐步形成圖像處理科學自身的理論體系。（5）圖像處理領域的標準化。

圖像處理技術未來發展大致可歸納為：