數(shù) 字 圖 像 處 理 是 一 門 關(guān) 于 如 何 用計(jì) 算 機(jī) 對(duì) 圖 象 進(jìn) 行 處 理 的 學(xué) 科 。 本 課 程 既 講 解 基 本 原 理 和 方 法 ，也 強(qiáng) 調(diào) 編 程 實(shí) 踐 （ MATLAB實(shí) 現(xiàn) ） 。教 材 ： 數(shù) 字 圖 像 處 理 及 MATLAB實(shí) 現(xiàn) ， 余 成 波 編 著 ， 重 慶 大 學(xué) 出 版 社 ， 2003參 考 書 ：1. Digital Image Processing, R. C. G onzalez, Prentice H all, 2002. (中 文 版 ， 阮 秋 琦 譯 ， 電 子 工 業(yè) 出 版 社 )2. 數(shù) 字 圖 像 處 理 ， 許 錄 平 ， 科 學(xué) 出 版 社 ， 20073. Matlab 圖 像 處 理 與 應(yīng) 用 ， 董 長(zhǎng) 虹 等 ， 國(guó) 防 工 業(yè) 出 版 社 ， 20044. 數(shù) 字 圖 像 處 理 學(xué) Visual C+實(shí) 現(xiàn) ， 郎 銳 編 ， 北 京 希 望 電 子 出版 社 ， 2002 1.1.1 圖 像 圖 像 是 自 然 界 景 物 的 客 觀 反 映 ， 是 人 類 認(rèn) 識(shí) 世 界 和 人 類本 身 的 重 要 源 泉 。 “ 圖 ” 是 物 體 反 射 或 透 射 光 的 分 布 ，它 是 客 觀 存 在 的 ， 而 “ 像 ” 是 人 的 視 覺 系 統(tǒng) 所 接 收 的 圖 在人 腦 中 所 形 成 的 印 象 或 認(rèn) 識(shí) 。 總 之 ， 凡 是 人 類 視 覺 上 能 感受 到 的 信 息 ， 都 可 以 稱 為 圖 像 。 照 片 、 繪 畫 、 影 視 畫 面 是圖 像 ； 照 相 機(jī) 、 顯 微 鏡 的 光 學(xué) 成 像 也 是 圖 像 。 漢 字 也 可 以說 是 圖 像 的 一 種 ； 圖 形 也 屬 于 圖 像 的 范 疇 。 通 過 某 些 傳 感器 變 換 得 到 的 電 信 號(hào) 圖 ， 如 腦 電 圖 、 心 電 圖 等 也 可 看 做 是一 種 圖 像 。 視 頻 (Video)： 視 頻 圖 像 又 稱 為 動(dòng) 態(tài) 圖 像 、 活 動(dòng) 圖像 或 者 說 運(yùn) 動(dòng) 圖 像 。 它 是 一 組 圖 像 在 時(shí) 間 軸 上 的 有序 排 列 ， 是 二 維 圖 像 在 一 維 時(shí) 間 域 上 構(gòu) 成 的。 如 NTSC制 式 電 視 30幀 秒 ， PAL制 式 是 25幀 秒 ， 電 影 則 是 24幀 秒 。 圖 形 (Graphics)： 圖 形 是 圖 像 的 一 種 抽 象 ， 它 反映 圖 像 的 幾 何 特 征 ， 例 如 點(diǎn) 、 線 、 面 等 。 圖 形 是 描 述產(chǎn) 生 圖 像 中 的 點(diǎn) 的 過 程 和 方 法 。除 常 見 的 靜 態(tài) 圖 像 以 外 ， 圖 像 還 包 含 以 下 幾 個(gè) 重 要內(nèi) 容 ： 什么是數(shù)字圖象？ 數(shù) 字 圖 象 是 指 由 被 稱 作 象 素 的 小 塊 區(qū) 域 組 成 的 二 維矩 陣 。 對(duì) 于 單 色 即 灰 度 圖 象 而 言 ， 每 個(gè) 象 素 的 亮 度 用 一個(gè) 數(shù) 值 來(lái) 表 示 ， 通 常 數(shù) 值 范 圍 在 0到 255之 間 ， 即 可 用一 個(gè) 字 節(jié) 來(lái) 表 示 ， 0表 示 黑 、 255表 示 白 ， 而 其 它 表 示灰 度 。 如 下 圖 所 示 ： 125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49,111,114,114,123,126,121,116,110,107,116,116,129,135,134,131,120,126,121, 85, 32, 29, 43, 33, 37, 52, 32,105,114,117,118,123,122,116,113,118,112,104,108,111,105,113,126,123,107, 51, 27, 25, 34, 40, 35, 39, 36,灰 度 圖 象 (128x128)及 其 對(duì) 應(yīng) 的 數(shù) 值 矩 陣 （ 僅 列 出 一 部 分 (26x31)） 圖 像 是 一 種 空 間 信 息 ， 它 具 體 地 表 明 了 事 物 的 形 態(tài) 、位 置 和 色 彩 等 ， 以 便 人 們 進(jìn) 行 觀 察 、 測(cè) 量 和 識(shí) 別 。 圖 像 包含 了 豐 富 的 信 息 ， 它 直 觀 地 提 供 了 景 物 的 顏 色 、 亮 度 、 紋理 、 位 置 和 形 狀 等 。 上 述 信 息 成 為 人 們 理 解 該 圖 像 所 表 現(xiàn)的 事 物 的 基 礎(chǔ) 。 圖 像 在 人 類 接 收 和 傳 遞 信 息 中 都 起 著 重 要 的 作 用 。 因?yàn)?圖 像 比 起 聲 音 、 文 字 信 息 有 其 突 出 的 長(zhǎng) 處 ， 那 就 是 圖 像的 直 觀 性 、 客 觀 性 ， 它 能 原 封 不 動(dòng) 地 將 客 觀 事 物 的 原 形 展現(xiàn) 在 眼 前 。 而 聲 音 、 文 字 信 息 則 是 通 過 描 述 來(lái) 表 達(dá) 事 物 ，即 屬 于 描 述 性 的 信 息 。 會(huì) 受 到 描 述 者 的 許 多 因 素 的 影 響 ，諸 如 主 觀 、 片 面 、 專 業(yè) 、 情 緒 、 狀 態(tài) 等 都 會(huì) 使 描 述 偏 離 客觀 事 物 。 1.1.2 圖 像 信 息 的 重 要 性 圖 像 信 息 的 重 要 性 還 在 于 人 們 的 視 覺 系 統(tǒng) 有 著 瞬間 獲 取 圖 像 、 分 析 圖 像 、 識(shí) 別 圖 像 和 理 解 圖 像 的 能 力 。從 視 覺 接 受 信 息 的 角 度 看 ， 可 認(rèn) 為 圖 像 是 空 間 客 觀 景物 在 眼 球 視 網(wǎng) 膜 上 形 成 的 像 。 視 覺 系 統(tǒng) 和 大 腦 具 有 高 超 的 能 力 ， 能 區(qū) 分 圖 像 中的 物 體 與 背 景 ； 能 感 知 顏 色 、 亮 度 、 形 狀 、 方 向 、 位置 、 運(yùn) 動(dòng) 等 信 息 的 細(xì) 微 差 別 ； 能 將 有 意 義 的 信 息 綜 合成 一 體 ； 有 很 強(qiáng) 的 信 息 存 儲(chǔ) 能 力 ； 具 有 高 效 地 進(jìn) 行 平行 處 理 的 能 力 等 等 。 其 實(shí) ， 人 們 在 生 活 和 非 自 動(dòng) 化 生產(chǎn) 中 ， 都 離 不 開 用 視 覺 獲 取 圖 像 和 處 理 圖 像 。 人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取的。數(shù)字圖象處理是用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理所獲取視覺信息的技術(shù)。 圖 像 技 術(shù) 在 廣 義 上 是 各 種 與 圖 像 有 關(guān) 的 技 術(shù) 的 總稱 。 數(shù) 字 圖 像 ， 主 要 應(yīng) 用 的 是 計(jì) 算 機(jī) 圖 像 技 術(shù) 。 這 包括 利 用 計(jì) 算 機(jī) 和 其 他 電 子 設(shè) 備 進(jìn) 行 和 完 成 的 一 系 列 工作 。 例 如 : 圖 像 的 采 集 、 獲 取 、 編 碼 (壓 縮 )、 存 儲(chǔ) 和 傳 輸 。 圖 像 的 合 成 、 繪 制 和 生 成 、 圖 像 的 顯 示 和 輸 出 。 圖 像 的 變 換 、 增 強(qiáng) 、 恢 復(fù) (復(fù) 原 )和 重 建 、 分 割 、 目標(biāo) 的 檢 測(cè) 、 表 達(dá) 和 描 述 、 特 征 的 提 取 和 測(cè) 量 。1.2.1 圖 像 技 術(shù) 圖 像 處 理 是 比 較 低 層 的 操 作 ， 它 主 要 在 圖 像 像 素 級(jí) 上進(jìn) 行 處 理 ， 處 理 的 數(shù) 據(jù) 量 非 常 大 。 圖 像 分 析 則 進(jìn) 入 了 中 層 ，分 割 和 特 征 提 取 把 原 來(lái) 以 像 素 描 述 的 圖 像 轉(zhuǎn) 變 成 比 較 簡(jiǎn) 潔的 對(duì) 目 標(biāo) 的 描 述 。 圖 像 理 解 主 要 是 高 層 操 作 ， 操 作 對(duì) 象 基本 上 是 從 描 述 中 抽 象 出 來(lái) 的 符 號(hào) ， 其 處 理 過 程 和 方 法 與 人類 的 思 維 推 理 有 許 多 類 似 之 處 。 (1) 灰 度 分 類 按 灰 度 分 類 有 二 值 圖 像 (如 圖 文 傳 真 、 文 字 、 圖 表 、工 程 圖 紙 等 )和 多 灰 度 圖 像 。 多 層 次 灰 度 圖 像 按 應(yīng) 用 的不 同 ， 有 各 種 不 同 的 灰 度 層 次 。 如 計(jì) 算 機(jī) 打 印 機(jī) 中 有灰 度 層 次 的 圖 像 ， 一 般 為 16、 25灰 度 級(jí) ， 工 業(yè) 電 視 、可 視 電 話 為 64灰 度 級(jí) (6bit)， 氣 象 數(shù) 字 圖 像 為 7灰 度 級(jí) ，廣 播 電 視 圖 像 為 256灰 度 級(jí) (8bit)， 醫(yī) 學(xué) 圖 像 一 般 為1024灰 度 級(jí) (10bit)。 011 100 001I 灰度圖像 灰 度 圖 像 是 指 每 個(gè) 像 素 由 一 個(gè) 量 化 的 灰度 值 來(lái) 描 述 的 圖 像 。 它 不 包 含 彩 色 信 息 。 100220250 18050120 2001500I (2) 色 彩 分 類 按 照 色 彩 分 類 ， 可 分 為 單 色 圖 像 和 彩 色 圖 像 。 單 色圖 像 指 只 具 有 某 一 譜 段 的 圖 像 ， 一 般 為 黑 白 灰 度 圖 ； 彩色 圖 像 ， 包 括 真 彩 色 、 合 成 彩 色 、 偽 彩 色 等 。彩 色 圖 像 是 指 每 個(gè) 像 素 由 R、 G、 B三 原 色 像 素 構(gòu) 成 的 圖像 ， 其 中 R、 G 、 B是 由 不 同 的 灰 度 級(jí) 來(lái) 描 述 的 。 00255 800255 240240255R 02550 160255255 801600G 255255255 24000 160800B (3) 運(yùn) 動(dòng) 分 類 圖 像 可 分 為 靜 態(tài) 圖 像 和 動(dòng) 態(tài) 圖 像 。 靜 態(tài) 圖 像 包 括 靜 止圖 像 和 凝 固 圖 像 。 每 幅 圖 像 本 身 都 是 一 幅 靜 止 圖 像 。 凝 固圖 像 是 動(dòng) 態(tài) 圖 像 中 的 某 一 幀 。 動(dòng) 態(tài) 圖 像 的 快 慢 以 幀 率 量 度 ，幀 率 反 映 了 畫 面 運(yùn) 動(dòng) 的 連 續(xù) 性 。 可 以 看 出 ， 動(dòng) 態(tài) 圖 像 實(shí) 際上 是 由 一 幅 幅 靜 態(tài) 圖 像 按 時(shí) 間 排 列 組 成 的 。 (4) 按 時(shí) 空 分 布 分 類 圖 像 可 分 為 二 維 圖 像 和 三 維 圖 像 。 二 維 圖 像 即 平 面圖 像 ， 其 數(shù) 學(xué) 表 示 為 f(x,y) ， f為 光 強(qiáng) ， x,y為 二 維 空間 坐 標(biāo) 。 三 維 圖 像 即 立 體 圖 像 ， 其 數(shù) 學(xué) 表 示 為 f(x,y,z)，f為 光 強(qiáng) ， x， y， z為 三 維 空 間 坐 標(biāo) 。 1.3.1 圖 像 系 統(tǒng) 的 線 性 模 型 由 于 h(x,y)是 當(dāng) 系 統(tǒng) 的 輸 入 為 函 數(shù) 或 理 想 點(diǎn) 光 源時(shí) 系 統(tǒng) 的 輸 出 ， 是 對(duì) 點(diǎn) 光 源 的 響 應(yīng) ， 因 此 也 稱 為 點(diǎn) 擴(kuò) 展函 數(shù) 。 當(dāng) 輸 入 的 單 位 脈 沖 函 數(shù) 延 遲 了 ， 單 位 后 ， 若有 L (x- ， y- )=h(x- ， y- )成 立 ， 則 稱 此 系統(tǒng) 為 二 維 線 性 位 移 不 變 系 統(tǒng) 。 實(shí) 際 中 通 常 把 傳 輸 或 處 理 圖 像 信 號(hào) 的 系 統(tǒng) 近 似 為 二 維線 性 位 移 不 變 系 統(tǒng) 。 (x,y)時(shí) ， 輸 出 便 為 脈 沖 響 應(yīng) ),(),( yxhyxL 1) CCD圖 像 傳 感 器 CCD（ Charge Coupled Devices： 電 荷 耦 合 器 件 ）圖 像 傳 感 器 由 光 電 轉(zhuǎn) 換 單 元 構(gòu) 成 ， 光 電 傳 感 單 元 的 排 列分 為 線 陣 排 列 和 面 陣 排 列 兩 種 。 圖 像 傳 感 器 的 工 作 原 理是 把 光 能 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 荷 ， 并 且 具 有 將 轉(zhuǎn) 換 得 到 的 電 荷 進(jìn)行 存 儲(chǔ) 的 能 力 ， 以 及 使 電 荷 向 輸 出 電 極 移 動(dòng) 的 掃 描 能 力 。一 維 圖 像 傳 感 器 （ 線 陣 式 傳 感 器 ） 結(jié) 構(gòu) 模 型 圖 中 ， 光 電轉(zhuǎn) 換 部 分 是 由 PD1到 PDm的 m個(gè) 單 元 構(gòu) 成 ， 輸 出 經(jīng) 過 門 驅(qū) 動(dòng)開 關(guān) MOSFET與 CCD連 接 在 一 起 。 (b)所 示 為 二 維 CCD傳 感 器 ， 它 是 由 圖 (a)中 的 線 陣 傳 感 器單 元 從 CCD1到 CCDn n個(gè) 單 元 并 列 配 置 而 成 ， 并 經(jīng) 過 一 個(gè) 合成 其 輸 出 的 水 平 CCD移 位 寄 存 器 ， 再 經(jīng) 過 一 個(gè) 增 幅 放 大 器 ，得 到 圖 像 信 號(hào) 。 2) CCD彩 色 攝 像 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成 對(duì) 象 物 反 射 的 光 通 過 透 鏡 和 光 學(xué) 低 通 濾 波 器 之 后 由 三棱 鏡 把 光 分 為 RGB三 原 色 ， 再 由 3個(gè) CCD圖 像 傳 感 器 把 紅 R、綠 G、 藍(lán) B的 光 信 號(hào) 變 換 為 3個(gè) 電 信 號(hào) 。 (3) 圖 像 的 數(shù) 字 化 般 的 圖 像 都 是 模 擬 圖 像 ， 即 圖 像 上 的 信 息 是 連 續(xù) 變化 的 模 擬 量 。 對(duì) 于 模 擬 圖 像 只 能 采 用 模 擬 處 理 方 式 進(jìn) 行 處理 ， 例 如 按 光 學(xué) 原 理 用 透 鏡 將 照 片 放 大 。 只 有 將 連 續(xù) 的 模擬 信 號(hào) 變 為 離 散 的 數(shù) 字 信 號(hào) ， 或 者 說 將 模 擬 圖 像 變 換 為 數(shù)字 圖 像 計(jì) 算 機(jī) 方 能 接 受 。 為 此 ， 常 將 計(jì) 算 機(jī) 圖 像 處 理 稱 為數(shù) 字 圖 像 處 理 。 所 謂 采 樣 指 的 是 空 間 坐 標(biāo) 的 離 散 化 ， 即 將 圖 像 平 面 分割 成 離 散 點(diǎn) 的 集 合 ， 就 是 把 一 幅 連 續(xù) 圖 像 在 空 間 上 分 割 成M N 個(gè) 網(wǎng) 格 。圖 像 的 數(shù) 字 化 方 法 ， 包 括 兩 個(gè) 方 面 ： 采 樣 和 量 化 。 采 樣 使 連 續(xù) 圖 像 在 空 間 上 離 散 化 ， 但 采 樣 點(diǎn) 上 圖 像的 亮 度 值 還 是 某 個(gè) 幅 度 區(qū) 間 內(nèi) 的 連 續(xù) 分 布 。 把 采 樣 點(diǎn) 上對(duì) 應(yīng) 的 亮 度 連 續(xù) 變 化 區(qū) 間 轉(zhuǎn) 換 為 單 個(gè) 特 定 數(shù) 碼 的 過 程 ，稱 為 量 化 ， 即 樣 點(diǎn) 亮 度 的 離 散 化 ， 或 者 叫 做 像 素 的 灰 度離 散 化 。但 是 ， 用 有 限 個(gè) 離 散 灰 度 值 來(lái) 表 示 無(wú) 窮 多 個(gè) 連 續(xù) 灰度 的 量 時(shí) ， 必 然 產(chǎn) 生 誤 差 ， 這 種 誤 差 稱 為 量 化 誤 差 （ 也稱 為 量 化 噪 聲 ） 圖 像 質(zhì) 量 的 評(píng) 價(jià) 視 覺 所 感 受 到 的 圖 像 可 看 做 是 三 維 光 輻 射 場(chǎng) 對(duì) 人眼 的 影 響 。 目 前 ， 在 語(yǔ) 音 、 數(shù) 據(jù) 、 圖 像 三 種 主 要 的 通信 方 式 中 ， 圖 像 通 信 起 到 主 要 作 用 。 聽 覺 獲 取 的 是 時(shí)間 信 息 ， 視 覺 獲 取 的 是 時(shí) 空 信 息 ； 在 相 同 條 件 下 ， 常規(guī) 的 視 頻 圖 像 的 數(shù) 據(jù) 量 比 語(yǔ) 音 的 數(shù) 據(jù) 量 大 600-2500倍 。視 覺 信 息 是 人 類 從 外 界 獲 取 信 息 的 主 要 方 式 。 人 的 視 覺 系 統(tǒng) 可 看 成 是 一 種 神 奇 的 、 高 度 自 動(dòng) 化 的生 物 圖 像 處 理 系 統(tǒng) ， 但 是 ， 還 存 在 許 多 不 足 之 處 。 3) 缺 乏 持 久 性 ： 長(zhǎng) 時(shí) 間 、 連 續(xù) 進(jìn) 行 相 同 的 視 覺 處 理 ，人 們 就 會(huì) 感 到 單 調(diào) 、 疲 勞 、 厭 倦 、 甚 至 遺 忘 ， 以 致 效率 降 低 或 者 判 別 錯(cuò) 誤 。2) 局 限 性 ： 人 的 視 覺 系 統(tǒng) 也 有 它 的 局 限 性 。 因 為 只 能看 到 物 體 表 面 ， 不 能 看 到 物 體 內(nèi) 部 的 結(jié) 構(gòu) 。1) 主 觀 性 ： 人 類 屬 于 主 觀 動(dòng) 物 ， 在 大 腦 處 理 圖 像 過 程中 難 免 帶 有 主 觀 片 面 性 。4) 模 糊 性 ： 視 覺 系 統(tǒng) 的 圖 像 處 理 是 一 種 模 糊 處 理 ， 對(duì)處 理 結(jié) 果 很 少 能 進(jìn) 行 定 量 描 述 。 計(jì) 算 機(jī) 圖 像 處 理 是 一 種 能 夠 部 分 模 擬 人 的 視 覺 系 統(tǒng) ，而 又 能 部 分 超 越 它 的 性 能 的 新 興 技 術(shù) 。 對(duì) 于 圖 像 處 理 系 統(tǒng) ， 衡 量 它 的 重 要 指 標(biāo) 就 是 圖 像 的質(zhì) 量 。 圖 像 質(zhì) 量 的 含 義 包 括 兩 方 面 內(nèi) 容 ： 一 是 圖 像 的 逼真 度 (被 評(píng) 價(jià) 圖 像 與 原 標(biāo) 準(zhǔn) 圖 像 的 偏 離 程 度 )； 一 是 圖 像的 可 懂 度 (指 圖 像 能 向 人 或 機(jī) 器 提 供 信 息 的 能 力 )。 主 要的 評(píng) 價(jià) 方 法 有 ： (1) 圖 像 的 主 觀 評(píng) 價(jià) 這 種 方 法 就 是 通 過 人 來(lái) 觀 察 圖 像 ， 對(duì) 圖 像 的 優(yōu) 劣 做出 主 觀 評(píng) 定 ， 然 后 對(duì) 評(píng) 分 進(jìn) 行 統(tǒng) 計(jì) 平 均 得 出 評(píng) 價(jià) 結(jié) 果 。這 種 評(píng) 價(jià) 出 的 圖 像 質(zhì) 量 與 觀 察 者 的 特 性 及 觀 察 條 件 等 因素 有 關(guān) 。 (2) 圖 像 的 客 觀 評(píng) 價(jià) )(log10 10 PMSEPSNR 1 5 1 基 本 處 理 過 程 數(shù) 字 圖 像 信 息 可 看 成 是 一 個(gè) 二 維 數(shù) 組 f(i， j)， 對(duì)它 處 理 的 基 本 過 程 按 照 由 左 到 右 ， 由 上 到 下 的 順 序 進(jìn) 行并 在 掃 描 過 程 中 逐 點(diǎn) 對(duì) 各 像 素 進(jìn) 行 幀 處 理 。 這 樣 的 掃 描過 程 稱 為 順 向 掃 描 。 與 此 相 對(duì) 的 就 是 由 下 到 上 ， 由 右 到左 的 逆 向 掃 描 。 (1) 點(diǎn) 運(yùn) 算 在 對(duì) 圖 像 各 像 素 進(jìn) 行 處 理 時(shí) ， 只 輸 入 該 像 素 本 身 灰度 的 運(yùn) 算 方 式 稱 為 點(diǎn) 運(yùn) 算 。 輸 入 圖 像 F上 某 像 素 的 灰 度為 f(i,j)， 現(xiàn) 采 用 點(diǎn) 運(yùn) 算 方 式 作 某 種 p處 理 ， 得 到 輸 出圖 像 G上 該 像 素 的 灰 度 為 g(i,j)， 即 g(i,j) = p(f(i,j) 對(duì) 圖 像 作 點(diǎn) 運(yùn) 算 處 理 時(shí) 各 象 素 間 不 發(fā) 生 關(guān) 系 ， 各 象素 的 處 理 是 獨(dú) 立 進(jìn) 行 的 。 領(lǐng) 域 運(yùn) 算 有 ： 平 滑 、 濾 波 、 邊 緣 檢 測(cè) 、 細(xì) 化 等Lena： edge：如 ： 邊 緣 檢 測(cè) 另 一 種 情 況 如 圖 1 11所 示 ， 圖 中 f， g分 別 代 表 輸入 、 輸 出 圖 像 的 灰 度 ， 對(duì) 輸 入 圖 像 像 素 f0 進(jìn) 行 領(lǐng) 域 運(yùn)算 的 d處 理 ， 得 到 輸 出 結(jié) 果 g0。 d處 理 的 特 點(diǎn) 是 運(yùn) 算 中采 用 了 領(lǐng) 域 中 像 素 的 灰 度 輸 出 值 ， 如 圖 1 11(a)中 的g1, g2, g3, g4 (順 向 掃 描 )或 圖 1 11(b)中 的 g5, g6, g7, g8(逆 向 掃 描 )， 而 不 是 原 灰 度 。這 里 對(duì) 各 像 素 進(jìn) 行 處 理 是 在 領(lǐng) 域 中 的 部 分 像 素 已 經(jīng) 被處 理 的 基 礎(chǔ) 上 進(jìn) 行 的 ， 不 同 的 處 理 順 序 將 會(huì) 得 到 不 同的 處 理 結(jié) 果 。 顯 然 ， 這 類 領(lǐng) 域 處 理 不 能 采 用 并 行 運(yùn) 算形 式 。 (4) 串 行 運(yùn) 算 串 行 運(yùn) 算 是 相 對(duì) 于 并 行 運(yùn) 算 而 言 的 ， 指 的 是 在 圖 像上 按 照 規(guī) 定 的 順 序 逐 個(gè) 對(duì) 像 素 進(jìn) 行 處 理 的 運(yùn) 算 形 式 。 圖1.11所 示 的 領(lǐng) 域 運(yùn) 算 形 式 就 是 串 行 運(yùn) 算 的 典 型 實(shí) 例 ， 若d處 理 內(nèi) 容 為 將 該 像 素 領(lǐng) 域 中 已 處 理 的 4個(gè) 像 素 的 灰 度 輸出 值 分 別 加 1后 ， 取 最 小 值 作 為 該 像 素 的 輸 出 值 ， 那 么 ，當(dāng) 采 用 順 向 掃 描 時(shí) (圖 1.11(a)， d處 理 運(yùn) 算 式 為 ： 當(dāng) 采 用 逆 向 掃 描 時(shí) (圖 l.11(b)， d處 理 運(yùn) 算 式 為 ： 可 以 說 ， 凡 是 對(duì) 像 素 的 處 理 在 領(lǐng) 域 像 素 處 理 的 基 礎(chǔ)上 進(jìn) 行 的 處 理 方 法 ， 都 必 須 采 用 串 行 運(yùn) 算 形 式 ， 并 同 時(shí)規(guī) 定 處 理 順 序 。 (5) 迭 代 運(yùn) 算 反 復(fù) 多 次 進(jìn) 行 相 同 處 理 的 運(yùn) 算 ， 稱 為 迭 代 運(yùn) 算 。 迭代 運(yùn) 算 常 用 于 一 次 運(yùn) 算 不 能 達(dá) 到 處 理 目 的 的 情 況 。 迭 代 運(yùn) 算 的 反 復(fù) 次 數(shù) 可 以 在 處 理 前 設(shè) 定 ， 也 可 在 處理 過 程 中 根 據(jù) 是 否 達(dá) 到 處 理 目 的 由 計(jì) 算 機(jī) 自 動(dòng) 判 別 后 確定 。 (6) 窗 口 運(yùn) 算 圖 像 的 信 息 量 很 大 ， 為 減少 處 理 時(shí) 間 ， 在 可 能 的 情 況 下 ，常 常 采 用 窗 口 運(yùn) 算 來(lái) 替 代 全 圖像 運(yùn) 算 。 所 謂 窗 口 運(yùn) 算 是 指 對(duì)圖 像 特 定 的 矩 形 區(qū) 域 進(jìn) 行 某 種運(yùn) 算 的 形 式 。 一 般 ， 矩 形 區(qū) 域由 矩 形 左 上 角 S點(diǎn) 的 坐 標(biāo) (a， b)和 矩 形 所 包 含 的 行 數(shù) m和 列 數(shù) n確 定 。 矩 形 區(qū) 域 可 以 是 圖 像 中存 在 某 對(duì) 象 物 的 位 置 ， 也 可 以是 圖 像 中 具 有 代 表 性 特 征 的 區(qū)域 。 (7) 模 板 運(yùn) 算 對(duì) 圖 像 中 特 定 形 狀 的 區(qū) 域 進(jìn) 行 某 種 運(yùn) 算 的 方 式 稱為 模 板 運(yùn) 算 。 這 里 的 模 板 就 是 指 特 定 形 狀 的 區(qū) 域 ， 它 常常 是 與 圖 像 中 存 在 的 對(duì) 象 物 有 相 同 特 征 的 一 個(gè) 局 部 的 子圖 像 。 圖 1.13(a)中 是 一 幅 對(duì) 象 物 為 洋 蔥 的 圖 像 ， 而 模板 (圖 1.13(b)就 是 一 個(gè) 與 對(duì) 象 物 完 全 一 樣 的 子 圖 像 。通 過 對(duì) 圖 像 上 各 像 素 的 模 板 運(yùn) 算 ， 可 以 找 到 圖 像 上 與 模板 特 征 相 同 的 對(duì) 象 物 的 存 在 位 置 。 (8) 幀 運(yùn) 算 通 常 一 幅 完 整 的 圖 像 被 稱 為 一 幀 ， 在 兩 幅 或 多 幅 圖像 之 間 進(jìn) 行 運(yùn) 算 產(chǎn) 生 一 幅 新 圖 像 的 處 理 稱 之 為 幀 運(yùn) 算 。幀 運(yùn) 算 可 看 成 是 一 種 圖 像 合 成 處 理 。 運(yùn) 算 時(shí) ， 將 兩 幅 或多 幅 圖 像 中 的 對(duì) 應(yīng) 點(diǎn) 用 位 邏 輯 運(yùn) 算 或 算 術(shù) 運(yùn) 算 方 法 進(jìn) 行合 成 。 合 成 函 數(shù) 的 種 類 很 多 ， 圖 1.14是 用 算 術(shù) 減(Subtract)將 含 有 米 粒 的 攝 影 和 米 粒 兩 幅 圖 像 的 幀 運(yùn) 算的 實(shí) 例 。 將 圖 1.14(a)圖 像 與 圖 1.14(b)圖 像 中 對(duì) 應(yīng) 像 素的 灰 度 相 減 ， 得 到 圖 1.14(c)圖 像 ， 即 得 到 攝 像 圖 像 。 圖 1.15是 用 邏 輯 運(yùn) 算 “ 異 或 ” (XOR)進(jìn) 行 微 小 結(jié)構(gòu) 的 測(cè) 試 實(shí) 例 。 所 謂 “ 異 或 ” 運(yùn) 算 ， 其 數(shù) 學(xué) 含 意 是 當(dāng)兩 個(gè) 二 進(jìn) 制 數(shù) 對(duì) 應(yīng) 位 上 的 值 相 同 時(shí) ， 該 位 的 運(yùn) 算 結(jié) 果為 0， 不 同 時(shí) 為 1。 本 例 中 的 圖 像 是 二 值 圖 像 ， 像 素 的灰 度 只 是 一 位 二 進(jìn) 制 數(shù) ， 即 白 色 的 灰 度 為 1， 黑 色 的 為0。 當(dāng) 兩 幅 圖 像 進(jìn) 行 “ 異 或 ” 運(yùn) 算 后 ， 可 得 到 兩 幅 圖 像中 灰 度 不 同 的 像 素 的 集 合 ， 即 圖 像 的 微 小 結(jié) 構(gòu) (圖1.15(c)。 圖 像 處 理 中 的 幀 運(yùn) 算 還 有 算 術(shù) 加 、 邏 輯 “ 或 ” 、邏 輯 “ 與 ” 等 多 種 。 (1) 圖 像 輸 入 圖 像 處 理 的 第 一 步 ， 是 獲 取 處 理 對(duì) 象 的 可 見 模擬 圖 像 ， 并 將 其 轉(zhuǎn) 換 為 計(jì) 算 機(jī) 能 接 受 的 數(shù) 字 圖 像 ，再 輸 入 計(jì) 算 機(jī) 。 (2) 圖 像 存 儲(chǔ) 與 檢 索 為 了 保 存 、 處 理 或 者 傳 遞 圖 像 信 息 ， 需 要 將 原圖 像 或 經(jīng) 過 處 理 的 圖 像 信 息 在 計(jì) 算 機(jī) 中 按 某 種 規(guī) 律存 儲(chǔ) ， 必 要 時(shí) 可 以 方 便 地 找 到 它 們 ， 即 進(jìn) 行 圖 像 的檢 索 。 1.6.1 基 本 內(nèi) 容1.6 數(shù) 字 圖 像 處 理 的 基 本 內(nèi) 容 和 特 點(diǎn) (3) 圖 像 增 強(qiáng) 圖 像 增 強(qiáng) 是 一 種 將 輸 入 圖 像 變 換 成 便 于 獲 取 所 需信 息 的 狀 態(tài) 的 各 種 處 理 的 總 稱 ， 也 可 理 解 為 一 種 改 善圖 像 品 質(zhì) 的 處 理 內(nèi) 容 。 例 如 噪 聲 (即 各 種 干 擾 信 號(hào) )減弱 、 對(duì) 比 度 改 善 、 變 形 修 正 、 模 糊 消 除 等 都 屬 于 圖 像增 強(qiáng) 的 內(nèi) 容 。 由 于 種 種 原 因 ， 圖 像 的 品 質(zhì) 常 常 是 不 理想 的 ， 因 此 圖 像 增 強(qiáng) 成 為 圖 像 處 理 中 的 重 要 環(huán) 節(jié) 。 (4) 圖 像 特 征 提 取 通 過 圖 像 信 息 去 測(cè) 量 、 識(shí) 別 或 理 解 其 中 的 對(duì) 象 物 ，依 賴 于 一 些 能 表 征 對(duì) 象 物 的 圖 像 物 征 ， 如 線 、 邊 緣 、區(qū) 域 、 形 狀 、 顏 色 、 紋 理 等 等 。 通 過 各 種 處 理 方 法 ，將 包 含 圖 像 信 息 中 的 必 要 的 特 征 顯 露 出 來(lái) ， 并 加 以 量化 的 處 理 稱 之 為 圖 像 的 特 征 提 取 。 (5) 圖 像 識(shí) 別 與 理 解 圖 像 識(shí) 別 可 以 理 解 為 利 用 提 取 的 圖 像 物 特 征 對(duì) 事物 進(jìn) 行 分 類 處 理 。 所 謂 圖 像 理 解 是 利 用 圖 像 信 息 實(shí) 現(xiàn)模 擬 人 的 視 覺 系 統(tǒng) 理 解 客 觀 事 物 。 圖 像 識(shí) 別 實(shí) 際 上 可看 做 是 一 種 簡(jiǎn) 單 的 、 僅 僅 涉 及 分 類 的 圖 像 理 解 ， 而 圖像 理 解 則 是 包 含 更 高 層 次 的 、 達(dá) 到 某 些 智 能 化 程 度 的處 理 。 兩 者 間 的 關(guān) 系 密 切 ， 有 時(shí) 也 很 難 嚴(yán) 格 區(qū) 分 。 已成 為 在 圖 像 處 理 的 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 門 新 興 學(xué) 科 。但 從 廣 義 角 度 來(lái) 看 ， 它 們 仍 然 屬 于 圖 像 處 理 的 范 疇 。 (6) 圖 像 輸 出 用 計(jì) 算 機(jī) 再 現(xiàn) 輸 入 的 、 輸 出 的 以 及 中 間 處 理 結(jié) 果的 圖 像 內(nèi) 容 即 稱 為 圖 像 輸 出 。 圖 像 處 理 還 有 圖 像 復(fù) 原 、 圖 像 編 碼 、 圖 像 重 構(gòu) 、圖 像 傳 送 等 等 。 1.6.2 數(shù) 字 圖 像 處 理 的 特 點(diǎn) (1) 再 現(xiàn) 性 只 要 輸 入 圖 像 和 處 理 方 法 不 變 ， 數(shù) 字 圖 像 的 處 理 結(jié)果 是 不 會(huì) 變 的 ， 能 很 好 地 再 現(xiàn) ， 即 重 復(fù) 性 好 。 不 存 在 人們 視 覺 處 理 的 隨 意 性 ， 也 不 存 在 模 擬 圖 像 (如 照 片 )處 理中 圖 像 質(zhì) 量 的 不 一 致 。 （ 數(shù) 字 圖 像 更 易 長(zhǎng) 期 保 存 ， 見 下 頁(yè) ） (2) 定 量 性 數(shù) 字 圖 像 處 理 很 容 易 得 到 定 量 的 結(jié) 果 ， 這 是 其 他 處理 方 式 無(wú) 法 比 擬 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 (3) 適 應(yīng) 性 數(shù) 字 圖 像 處 理 既 適 用 于 可 見 光 圖 像 ， 又 適 用 于 其 他波 譜 圖 像 ； 既 可 處 理 靜 態(tài) 圖 像 又 可 處 理 動(dòng) 態(tài) 圖 像 ； 處 理對(duì) 象 可 小 到 顯 微 圖 像 ， 大 到 航 空 乃 至 衛(wèi) 星 照 片 ， 涉 及 各行 各 業(yè) 。 (4) 靈 活 性 對(duì) 同 一 幅 圖 像 ， 只 要 處 理 程 序 稍 作 改 變 ， 就 可 得到 不 同 的 處 理 結(jié) 果 。 (5) 精 度 高 數(shù) 字 圖 像 處 理 的 精 度 隨 著 圖 像 像 素 數(shù) 和 量 化 數(shù) 的增 加 而 提 高 。 (6) 處 理 速 度 較 慢 一 般 來(lái) 說 ， 與 人 的 視 覺 處 理 速 度 相 比 ， 數(shù) 字 圖 像處 理 的 速 度 還 比 較 慢 ， 而 且 隨 著 處 理 精 度 的 提 高 ， 處理 所 需 的 時(shí) 間 更 長(zhǎng) 。 這 一 點(diǎn) 已 成 為 數(shù) 字 圖 像 處 理 實(shí) 用化 的 關(guān) 鍵 問 題 。 但 是 ， 圖 像 處 理 軟 件 技 術(shù) 和 計(jì) 算 機(jī) 硬件 以 及 圖 像 專 用 硬 件 的 發(fā) 展 ， 將 使 處 理 速 度 不 斷 提 高 。 (7) 存 儲(chǔ) 容 量 大 數(shù) 字 圖 像 處 理 需 要 計(jì) 算 機(jī) 配 有 足 夠 的 內(nèi) 、 外 存儲(chǔ) 空 間 ， 而 且 處 理 精 度 越 高 ， 所 需 存 儲(chǔ) 空 間 越 大 ，這 也 是 一 個(gè) 不 容 忽 視 的 問 題 ， 不 過 ， 隨 著 新 型 存 儲(chǔ)器 的 不 斷 推 出 ， 存 儲(chǔ) 容 量 可 望 得 到 迅 速 提 高 ， 或 者說 ， 處 理 的 精 度 得 以 進(jìn) 一 步 提 高 。