数字图象处理技术的现状与发展方向 精品.docx

1、数字图象处理技术的现状与发展方向 精品学士学位论文数字图像处理技术的现 状及其发展方向学生姓名： 张芳芳 学 号： 20071002035 系 部： 信息工程技术系 专 业： 计算机科学与技术 年 级： 07级 指导教师： 刘文辉 完成日期： 2011 年 5 月 8 日目录中文摘要 1Abstract 21.引言 51.1数字图象处理的起源51.2数字图象处理的现状71.3数字图象处理的意义81.3.1图像处理技术的优点81.3.2图像处理技术的意义92数字图像处理技术的步骤及处理过程132.1数字图象处理技术的步骤142.2数字图象处理技术的处理过程152.2.1图像数字化152.2.2图

2、像的编码15 2.2.3图像增强16 2.2.4图像恢复17 2.2.5图像分割18 2.2.6图像分析193数字图象处理的主要研究内容19 3.1数字图像的采集与数字化20 3.2图像压缩编码31 3.3图像增强与恢复32 3.4图像分割33 3.5图像分析344、存在的问题和未来的方向39参考文献 42附录 42致谢 43 【摘要】：数字图像处理与识别技术是20世纪60年代出现的新兴技术，它的发展主要依赖于计算机、多媒体以及通信技术的飞速发展。如今，图像处理与识别技术已经跨越计算机领域，本文综述了数字图像处理技术的主要特点和优点,阐述了包括图像采集与数字化、图像的压缩、图像的增强与复原、图

3、像的分割和图像分析等主要内容的产生及其发展历程,并根据该领域的最新进展,简述了数字图像处理技术5个主要研究方面的最新热点,第一章简介了数字图象处理技术的含义以及发展背景；第二章介绍了数字图象处理技术的现状；第三章主要讲述了数字图象处理技术的特点、优点以及处理图片的处理过程；第四章介绍了数字图象处理技术主要的研究进展；第五章总结了数字图像处理技术领域中面临的主要挑战和未来发展方向.【关键词】：图像压缩编码 图像分割 图像增强与恢复 小波变换 图像恢复【 abstract 】 : digital image processing and recognition technology in the

4、1960s, it appears the development of new technology depends on the computer, multimedia and communication technology rapid development. Nowadays, image processing and recognition technology has already crossed over computer fields, this paper summarized the main digital image processing technology,

5、and expounds the characteristics and advantages include image acquisition and digital, image compression, image enhancement and restoration, image segmentation and image analysis, the main contents of the emergence and the development course, and according to the latest progress in the field, and ex

6、pounds the digital image processing technology of five main research aspects of the latest hot, the first chapter introduces the digital image processing technology meaning and development background; The second chapter presents a digital image processing technology present situation; The third chap

7、ter basically tells the digital image processing technology characteristics, advantages and dealing with pictures processing; The fourth chapter presents a digital image processing technology major research progress; The fifth chapter summarizes the digital image processing technology in the fields

8、facing the main challenges and the future development direction. 【 key words 】 : image compression ；image segmentation ；image enhancement and recovery ；wavelet transform ；image restoration 1引 言1.1数字图象处理的起源图像的应用已有数千年历史。最初是用于像形文字和绘画。17世纪出现显微镜图，在医学上有很大的贡献。20世纪30年代出现电视，对新闻传播和文化娱乐起了很大作用。1858年出现的黑白照片和1924

9、年制出的彩色照片，对人类文化、艺术和生活带来很大影响。1972年出现了卫星遥感图和医学上的CT图，这些图像采用了计算机技术，对军事、科研和医学具有极为重要的意义。数字图像处理的早期应用是对宇宙飞船发回的图像所进行的各种处理。到了70年代，图像处理技术的应用迅速从宇航领域扩展到生物医学、信息科学、资源环境科学、天文学、物理学、工业、农业、国防、教育、艺术等各个领域与行业，对经济、军事、文化及人们的日常生活产生重大的影响。数字图像处理技术发展速度快、应用范围广的主要原因有两个。最初由于数字图像处理的数据量非常庞大，而计算机运行处理速度相对较慢，这就限制了数字图像处理的发展，现在计算机的计算能力迅速

10、提高，运行速度大大提高，价格迅速下降，图像处理设备从中、小型计算机迅速过渡到个人计算机，为图像处理在各个领域的应用准备了条件。第二个原因是由于视觉是人类感知外部世界最重要的手段，据统计，在人类获取的信息中，视觉信息占60，而图像正是人类获取信息的主要途径，因此，和视觉紧密相关的数字图像处理技术的潜在应用范围自然十分广阔。数字图像处理作为一门学科形成于20 世纪60年代初期,早期的图像处理的目的是改善图像的质量,以人为对象,以改善人的视觉效果为目的,首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(J PL) ,并对航天探测器徘徊者7 号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术,并考虑了太阳

11、位置和月球环境的影响,由计算机成功地绘制出月球表面地图,随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行了更为复杂的图像处理,以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图,为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的诞生. 数字图像处理的起源1921年的图象1922年的图象1929年的图像60年代末数字图像处理出现1.2数字图象处理的现状 图像是指物体的描述信息。数字图像处理技术从广义上可看作是各种图像加工技术的总称。它包括利用计算机和其他电子设备完成的一系列工作，如图像采集、获取、编码、存储和传输，图像的合成和产生，图像的显示、绘制和输出，图像变换、增强、恢复和重建，特征的提取和测量，

12、目标的检测、表达和描述，序列图像的校正，图像的分类、表示和识别等等。数字图像是一个物体的数字表示。图像处理则是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理和应用需求的行为。数字图像处理是指利用计算机或其他数字设备对图像信息进行各种加工和处理，它是一门新兴的应用学科，其发展速度异常迅速，应用领域极为广泛目前已广泛地应用于科学研究、工农业生产、生物医学工程、航空航天、军事、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等,已成为一门引人注目、前景远大的新型学科,发挥着越来越大的作用.数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果,1972 年英国EMI 公司工程师Housfield 发明了用于头

13、颅诊断的X射线计算机断层摄影装置即CT(Computer Tomograph) . 1975 年EMI 公司又成功研制出全身用的CT装置,获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像. 1979 年这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖,说明它对人类作出了划时代的贡献.随着图像处理技术的深入发展.从70 年代中期开始,随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展,数字图像处理向更高、更深层次发展. 人们已开始研究如何用计算机系统解释图像,实现类似人类视觉系统理解外部世界. 很多国家,特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究,取得了不少重要的研究成果. 其中代表性的成果是70 年代末MIT 的Marr

14、 提出的视觉计算理论,这个理论成为计算机视觉领域其后多年的主导思想. 图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展,但它本身是一个比较难的研究领域,存在不少困难,因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少,因此计算机视觉是一个有待人们进一步探索的新领域. 正因为如此,图像处理理论和技术受到各界的广泛重视,当前图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法,构造新的处理系统,开拓更广泛的应用领域.1.3数字图象处理的意义1.3.1数字图像处理的优点是：(1) 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

15、了原稿,则数字图像处理过程始终能保持图像的再现. (2) 处理精度高. 按目前的技术,几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组,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. (3) 适用面宽. 图像可以来自多种信息源,从图像反映的客观实体尺度看,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组合而成,因而均可用计算机来处理. (4) 灵活性高. 数字图像处理不仅能完成线性运算,而且能实现非线性处理,即凡是可以用数学公式或逻辑

16、关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现.1.3.2图像处理技术的意义现在人们充分认识到数字图像处理是认识世界，改造世界的重要手段。图像处理和识别技术已应用于许多领域，成为21世纪信息时代的一门重要的高新科学技术。数字图像处理是交叉学科。是未来技术向智能化发展的最富有前景，也最富有挑战的领域。其研究的领域博大精深，应用领域十分广泛，每个领域都可以让人安身立命一辈子。20 世纪 20 年代，人们通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，采用了数字压缩技术。当时就有了数字图像的概念。1964 年美国的 JPL(喷气推进)实验室处理了太空船“徘徊者七号”发回的月球照片，标志着第三代计算机问世

17、后数字图像处理技术开始得到实际应用。其后，卫星遥感、军事、气象等学科的发展推动了数字图像处理技术的快速发展。由于数字图像处理技术，一般都用计算机对图像进行处理，因此也称之为计算机图像处理。 数字图像处理技术的迅速发展为人类带来了巨大的社会经济效益，从应用卫星遥感进行的全球环境气候监测，到指纹识别技术在安全领域的应用，数字图像处理技术已经融入到科学研究的各个领域。可以预见，数字图像处理技术对自然科学甚至人类社会的发展具有深远的意义。 20世纪90年代，随着信息社会的到来，图像处理技术进入一个更加迅猛发展的阶段。特别是多媒体技、通信技术、信息存储技术和国际因特网（Internet）为代表的计算机网

18、络技术的加速发展和广泛普及以及高清晰度电视（HDTV）的深入应用研究，更加推广了图像处理技术的研究与发展。首先，数字图像处理技术可以帮助人们更加客观、准确地认识世界，人的视觉系统可以帮助人类从外界获得 34 以上的信息，而图像、图形又是所有视觉信息的载体。尽管人眼的鉴别力很高，可以识别上千种颜色，但在许多情况下，图像对于人眼来说是模糊的甚至是不可见的，通过图像增强技术，可以使模糊甚至不可见的图像(如一幅褪色发虚的照片) 变得清晰明亮。其次，数字图像处理技术可以拓宽人类获取信息的视野范围。人眼只能看到电磁波谱中的可见光部分(0.38m0.76m)，其余的紫外波段、红外波段和微波波段等波谱对人眼都

19、是不可见的。然而，通过数字图像处理技术却可以利用红外、微波等波段的信息进行数字成像，将不可见的信息变为可见信息图像。比如，陆地卫星的多光谱图像就充分利用了近红外波段(0.76pm0.94pm)和热红外波段(10.4pm125pm)的不可见波谱信息，近红外波段可用来探测植被的生长情况，热红外波段可以监测地表大气层的热源污染情况。 此外，相对模拟图像处理来说，数字图像处理有精度高、再现性好、通用性、灵活性高的优点。数字图像处理技术已经渗透到各个领域，下面列举数字图像处理技术的一些典型传统应用实例。 1. 真正集中了最先进软硬件数字图像处理的应用领域是： 【军事】：首先图像数据类型上包含所有的成像频

20、段能获取的影像（如无线电（雷达成像）、红外、可见光、紫外、X线。你把电磁光谱拉开看就明白），用声音回波来成像也可以，如声纳。千万不要片面地理解图像就是可见光成像，那是人眼的局限。 军事公安方面的应用在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确末制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；公安业务图片的判读分析，指纹识别，人脸鉴别，不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别都是图像处理技术成功应用的例子。2.遥感中的应用遥感图像处理的用处越来越大，并且其效率和分辨率也越来

21、越高。它被广泛应用于土地测绘、资源调查、气象监测、环境污染监督、农作物估产、军事侦察等领域。目前遥感技术已经比较成熟，但是还必须解决其数据量庞大、处理速度慢的缺点。现在主要在飞机遥感和卫星遥感技术方面。许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的地区进行大量的空中摄影。对由此得来的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省人力，又加快了速度，还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。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

22、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LANDSAT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。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。现在世界各国都在利用陆地卫星所获取的图像进行资源

23、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、产量的估算等），城市规划（如地质结构、水源及环境分析等）。我国也陆续开展了以上诸方面的一些实际应用，并获得了良好的效果。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。3.通信工程方面的应用当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的多媒体通信。具体地讲是将电话、电视和计算机以三网合一的方式在数字通信网上传输。其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量

24、十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100Mbit/s以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技术来压缩信息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键。除了已应用较广泛的熵编码、DPCM编码、变换编码外，目前国内外正在大力开发研究新的编码方法，如分行编码、自适应网络编码、小波变换图像压缩编码等。4.医学中的应用在医学领域利用图像处理技术可以实现无痈、安全方便的诊断和治疗。其中最突出的临床应用就是超声、核磁共振、CT技术等。比如，可以采用模式识别技术进行染色体数量的统计与识别，其步骤：a.先通过低通滤波去噪音；b. 取边缘；c. 通过腐蚀去粘连；d. 统计连通区域的个数，

25、得到染色体的数量5.交通中的应用现今，交通管理越来越趋向于自动化，智能化，而一辆汽车的车型是它的最基本的特征，提取车型在交通信息系统的很多方面都有应用。比如：事故多发路段的车速检测系统，道路收费站收费系统，以及某路段的汽车流量信息统计系统等等。这里介绍一种利用图象模式识别技术进行汽车牌照的定位,其步骤如下：a.通过高通滤波得到所有的边缘；b.对边缘细化（但要保持连通关系），找出所有封闭的边缘；c.对封闭边缘求多边形逼近，在逼近后的所有4边形中，找出尺寸与牌照大小相同的四边形，牌照被定位。6.安全领域中应用利用图像处理的模式识别等技术，可以应用在监控、指纹识别、脚印识别，运动目标的图像自动跟踪等

26、。7.工业生产中应用工业和工程方面的应用在工业和工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，如自动装配线中检测零件的质量、并对零件进行分类，印刷电路板疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进的设计和制造技术中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的激励，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。数字图像处理技术未来应用领域:1.航天航空技术方面 数字图像处理技术在航天航空技术方面的应用，除JPL对月球、火星照片的处理之外，另一

27、方面是在飞机遥感和卫星遥感技术中。图像在空中先处理（数字化编码）成数字信号存人磁带中，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。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。现在世界各国都在利用各类卫星所获取的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘察、农业规划、城市规划。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。2.生物医学工程方面数字图像处理技术在生物医学工程方面的应用十分广泛，且很有成效。除了CT技术之外，还有一类是对医用显微技术的处理分析，如染色体分析、癌细胞识别等。此外，在X光肺部图像增晰、超

28、声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都广泛地应用图像处理技术。3.通信工程方面当面通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的流媒体通信。其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100M/s以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技术来压缩信息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键5。4.工业工程方面在工业工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，它大大提高了工作效率，如自动装配线中质量检测，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些恶性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进设计和制造技术

29、中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的面貌，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。5.军事公安方面在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统和模拟训练系统等；公安方面主要用于指纹识别、人脸鉴别、不完整图片的复原以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别就是图像处理技术成功应用的例子。6.文化艺术方面的应用 目前这类应用有电视画面的数字编辑、动画的制作、电子图像游戏、纺织工艺品设计、服装设计与制作、

30、发型设计、文物资料照片的复制和修复、运动员动作分析和评分等等。目前正在形成一门新的艺术计算机美术。7.其它方面的应用 数字图像处理技术已经渗透到社会生活的各个领域，如地理信息系统中二维、三维电子地图的自动生成、修复等；教育领域各种辅助教学系统研究、制作中；流媒体技术领域等等。2.数字图像的处理步骤及过程2.1数字图像处理的一般步骤1. 图像信息的获取：采用图像扫描仪等将图像数字化。 2.图像信息的存储： 对获取的数字图像、处理过程中的图像 信息以及处理结果存储在计算机等数字系统中。 3.图像信息的处理： 即数字图像处理，它是指用数字计算机 或数字系统对数字图像进行的各种处理 4.图像信息的传输：