教学课件第1章 绪论（第1－1讲）（研究生学位课）.ppt

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1、教学课件第1章 绪论（第11讲）（研究生学位课）数字图像处理学数字图像处理学第第1章章绪论绪论（第（第1讲）讲）阮秋琦教授阮秋琦教授教材教材数字图像处理学（第四版）数字图像处理学（第四版）阮秋琦阮秋琦电子工业出版社电子工业出版社参考参考书书1、DigitalImageProcessing(FourthEdition)，R.C.Gonzalez，R.E.Woods。2、数字数字图图像像处处理（第四版），理（第四版），电电子工子工业业出版社出版社北京交大，阮秋琦北京交大，阮秋琦译译（中（中译译本）。本）。3、ComputerImageProcessingandPatternRecognition，

2、E.L.HallUniversityofTennessee。4、图像处理学，图像处理学，W.K.Pratt5、数字图像处理（数字图像处理（DigitalPictureProcessing）A.Rosenfeld，中译本中译本余英林等。余英林等。6、DigitalImageprocessingusingMATLAB.（SecondEdition）RafaelC.Gonzalez.RichardE.Woods.StevenL.Eddins,电子工业出版社，电子工业出版社，7、“数字图像处理数字图像处理MATLAB版，第二版，中译本版，第二版，中译本电子工业出版社，阮秋琦电子工业出版社，阮秋琦8、P

3、atternRecognitionPrinciple，R.C.Gonzalez，J.Tou。9、数字图像处理（、数字图像处理（DigitalImageprocessing）Kenneth.R.castleman著著清华大学清华大学林学訚等译林学訚等译10、DigitalImageProcessingUsingMATLAB。RafaelC.Gonzalez,RichardE.WoodsStevenL.Eddins 前言前言 人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据统计，在人类接受的信息中，听觉信息占统计，在人类接受的信息中，听觉信息占2020，视觉信息占视觉信

4、息占6060，其他如味觉、触觉、嗅觉总，其他如味觉、触觉、嗅觉总起来不过占起来不过占2020。所以，作为传递信息的重要。所以，作为传递信息的重要媒体和手段媒体和手段-图像信息是十分重要的，俗话图像信息是十分重要的，俗话说说“百闻不如一见百闻不如一见”。公认的世界上第一幅照片是法国人尼埃普斯於公认的世界上第一幅照片是法国人尼埃普斯於18271827年拍摄出来年拍摄出来,1839,1839年法国科学与艺术学院宣佈达盖年法国科学与艺术学院宣佈达盖尔获得摄影术专利。尔获得摄影术专利。一、数字图像处理的起源一、数字图像处理的起源图1-1 世界上的第一张照片图 1-2 摄影专利获得者达盖尔图像处理技术的最

5、早应用当属遥感与医学领域。图像处理技术的最早应用当属遥感与医学领域。从世界上出现第一幅照片（从世界上出现第一幅照片（18391839年）及意大利人年）及意大利人乘飞机拍摄了第一张照片（乘飞机拍摄了第一张照片（19091909年）通常被认为年）通常被认为是遥感技术的起源，也是图像处理技术的兴起。是遥感技术的起源，也是图像处理技术的兴起。在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至18951895年年X X射线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼物射线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（理研究所所长伦琴教授（1845184519231923年），在他

6、年），在他从事阴极射线的研究时，发现了从事阴极射线的研究时，发现了X X射线。射线。他偶然发现他偶然发现X X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，他射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，他为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意义的为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意义的图像。后来在医学领域发挥了巨大作用，同时也图像。后来在医学领域发挥了巨大作用，同时也促进了图像技术的发展。促进了图像技术的发展。图 1-3 德国科学家伦琴图 1-4 世界第一张X光图像图1-5 伦琴教授的夫人 数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年代。最早应用之一是在报纸业，当时，引入巴代。最早应用

7、之一是在报纸业，当时，引入巴特兰电缆图片传输系统，图像第一次通过海底特兰电缆图片传输系统，图像第一次通过海底电缆横跨大西洋从伦敦送往纽约传送一幅图片。电缆横跨大西洋从伦敦送往纽约传送一幅图片。为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照端用特殊的打印设备重现该图片。按照1921921 1年的技年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压缩后传术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压缩后传输时间减少到输时间减少到3 3个小时。个小时。1929年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片

8、1921年经编码后用电报打印机打印的图像年经编码后用电报打印机打印的图像1922年两次通过大西洋后打印的数字图像年两次通过大西洋后打印的数字图像 数字图像处理的历史与数字计算机的发展紧密数字图像处理的历史与数字计算机的发展紧密相连。事实上，数字图像要求如此之大的存储相连。事实上，数字图像要求如此之大的存储和计算能力，以致于在图像处理中必须依靠数和计算能力，以致于在图像处理中必须依靠数字计算机及包括数据存储及传输方面的支撑技字计算机及包括数据存储及传输方面的支撑技术的发展。术的发展。第一台能够进行图像处理的大型计算机出现在第一台能够进行图像处理的大型计算机出现在2020世纪世纪6060年代。数字

9、图像处理的起源可追溯至年代。数字图像处理的起源可追溯至利用这些大型机开始的空间研究项目，可以说利用这些大型机开始的空间研究项目，可以说大型计算机与空间研究项目是数字图像处理发大型计算机与空间研究项目是数字图像处理发展的原动力。展的原动力。利用计算机技术改善空间探测器拍摄的图像的工利用计算机技术改善空间探测器拍摄的图像的工作开始于作开始于19641964年，美国加利福尼亚的喷气推进实年，美国加利福尼亚的喷气推进实验室（帕薩迪那，加里福尼亚）对太空船验室（帕薩迪那，加里福尼亚）对太空船“徘徊徘徊者者7 7号号”传送的月球图像进行了处理，以校正飞传送的月球图像进行了处理，以校正飞行器上电视摄像机中各

10、种类型的图像畸变。行器上电视摄像机中各种类型的图像畸变。下图示出了由徘徊者下图示出了由徘徊者7 7号在号在19641964年年7 7月月3131日上午日上午（东部白天时间）（东部白天时间）9 9点点0909分在光线影响月球表分在光线影响月球表面前约面前约1717分钟时摄取的第一张月球图像。这也分钟时摄取的第一张月球图像。这也是美国航天器取得的第一幅月球图像。是美国航天器取得的第一幅月球图像。与空间应用同时，数字图像处理技术在与空间应用同时，数字图像处理技术在2020世纪世纪6060年代末和年代末和7070年代初开始用于医学图像、地球年代初开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学领域。遥感监测和天

11、文学领域。早在早在2020世纪世纪7070年代计算机轴向断层年代计算机轴向断层(CAT)CAT)、简称计算机断层简称计算机断层(CT)CT)是图像处理在医学诊断应是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件之一。用中最重要的事件之一。计算机断层是一种处理方法，在这种处理中，计算机断层是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着一个物体一个检测器环围绕着一个物体(或病人或病人)，一个，一个X X射线源，带有检测器的同心圆绕着物体旋转，射线源，带有检测器的同心圆绕着物体旋转，X X射线通过物体并由位于环上对面的相应的检射线通过物体并由位于环上对面的相应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通测器

12、收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体的过物体的“切片切片”的图像，的图像，红外图象MRI成像成像正电子发射计算机断层扫描PETPET-CT图示PETPET-CT图示PETPET-CT图示PETPET-CT图示PET 这些切片组成了物体内部的再现图像。这些切片组成了物体内部的再现图像。断层技术是断层技术是Godfrey N.HounsfielaGodfrey N.Hounsfiela和和Allan Allan M.CormackM.Cormack教授分别发明的，他们共同获得教授分别发明的，他们共同获得19791979年诺贝尔医学奖。年诺贝尔医学奖。X X射线在射线在18951895年由威尔

13、霍姆年由威尔霍姆康瑞德康瑞德伦琴发伦琴发现的，由于他的发现，他获得了现的，由于他的发现，他获得了19011901年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。这两项发明相差近物理学奖。这两项发明相差近100100年。今天，年。今天，他们引领着图像处理某些最活跃的应用领域。他们引领着图像处理某些最活跃的应用领域。从从2020世纪世纪6060年代至今，数字图像处理技术发展年代至今，数字图像处理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理、化学、生物学、医学甚科学、统计学、物理、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科之间学习和研究的至社会科学等领域中各

14、学科之间学习和研究的对象。对象。如今图像处理技术已给人类带来了巨大的经济和社如今图像处理技术已给人类带来了巨大的经济和社会效益。不久地将来它不仅在理论上会有更深入会效益。不久地将来它不仅在理论上会有更深入的发展，在应用上亦是科学研究、社会生产乃至的发展，在应用上亦是科学研究、社会生产乃至人类生活中不可缺少的强有力的工具。人类生活中不可缺少的强有力的工具。二、图像处理科学对人类具有重要意义二、图像处理科学对人类具有重要意义 (1)(1)、图像是人们从客观世界获取信息的重要、图像是人们从客观世界获取信息的重要来源：人类是通过感觉器官从客观世界获取信来源：人类是通过感觉器官从客观世界获取信息，即通过

15、耳、目、口、鼻、手通过听、看、息，即通过耳、目、口、鼻、手通过听、看、味、嗅和触摸的方式获取信息。在这些信息中，味、嗅和触摸的方式获取信息。在这些信息中，视觉信息占视觉信息占60607070。视觉信息的特点是信息量大，传播速度快，作视觉信息的特点是信息量大，传播速度快，作用距离远，有心理和生理作用，加上大脑的思用距离远，有心理和生理作用，加上大脑的思维和联想，具有很强的判断能力。其次是人的维和联想，具有很强的判断能力。其次是人的视觉十分完善，人眼灵敏度高，鉴别能力强，视觉十分完善，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪，由此不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪，由此可见，图

16、像信息对人类来说是十分重要的。可见，图像信息对人类来说是十分重要的。(3)(3)、图像处理技术对国计民生有重要意义、图像处理技术对国计民生有重要意义 图图像像处处理理技技术术发发展展到到今今天天，许许多多技技术术已已日日趋趋成成熟熟。在在各各个个领领域域的的应应用用取取得得了了巨巨大大的的成成功功和和显显著著的的经经济济效效益益。如如在在工工程程领领域域、工工业业生生产产、军事、医学以及科学研究中的应用已十分普遍。军事、医学以及科学研究中的应用已十分普遍。如：通过分析资源卫星得到的照片可以获得地如：通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及埋藏量；利用红外线、微下矿藏资源的分布及埋

17、藏量；利用红外线、微波遥感技术可侦查到隐蔽的军事设施；波遥感技术可侦查到隐蔽的军事设施；X-ray X-ray CTCT已广泛应用于临床诊断，由于它可得到的人已广泛应用于临床诊断，由于它可得到的人体内部器官的断层图像，为诊断和治疗疾病带体内部器官的断层图像，为诊断和治疗疾病带来了极大的方便。来了极大的方便。在工业生产中的设计自动化及产品质量检验中在工业生产中的设计自动化及产品质量检验中更是大有可为。在安全保障及监控方面图像处更是大有可为。在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技术；至于在通信理技术更是不可缺少的基本技术；至于在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键技术。及多媒体技

18、术中图像处理更是重要的关键技术。因此，图像处理技术在国计民生中的重要意义因此，图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的。是显而易见的。1.21.2 图像处理技术的分类图像处理技术的分类 模拟图像处理模拟图像处理 数字图像处理。数字图像处理。（1）模模拟图拟图像像处处理理(Analogimageprocessing)；模模拟处拟处理包括：光学理包括：光学处处理（利用透理（利用透镜镜）和）和电电子子处处理，如：照相、遥感理，如：照相、遥感图图像像处处理、理、电视电视信号信号处处理等，理等，电视图电视图像是模像是模拟拟信号信号处处理的典型例子，理的典型例子，它它处处理的是活理的是活动图动图像，

19、像，25帧帧/秒。秒。优点：优点：模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理，模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理，理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。理论上讲可达到光的速度，并可同时并行处理。缺点：缺点：模拟图像处理的缺点是精度较差，灵活性差，很模拟图像处理的缺点是精度较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。难有判断能力和非线性处理能力。（2）数数字字图图像像处处理理(DigitalImageprocessing)：数数字字图图像像处处理理一一般般都都用用计计算算机机处处理理，因因此此也也称称之之 谓谓 计计 算算 机机 图图 像像 处处 理理（Computer Imag

20、eprocessing）。）。优点：优点：处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。改变软件就可以改变处理内容。缺点：缺点：处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像需要具有如果实时处理一般精度的数字图像需要具有100100MipsMips的处理能力；的处理能力；其次是分辨率及精度尚有一定限制，如一般精其

21、次是分辨率及精度尚有一定限制，如一般精度图像是度图像是5125128bits，分辨率高的可分辨率高的可2048204812bits，如精度及分辨率再高，所如精度及分辨率再高，所需处理时间将显著的增加。需处理时间将显著的增加。1.3数字数字图图像像处处理的特点理的特点（1）图图像信息量大、数据量也大；像信息量大、数据量也大；（2）图图像像处处理技理技术综术综合性合性强强；（3）图图像信息理像信息理论论与通信理与通信理论论密切相关。密切相关。（1 1）图像信息量大、数据量也大；）图像信息量大、数据量也大；在数字图像处理中，一幅图像可看成是由图像在数字图像处理中，一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素（

22、矩阵中的像素（pixelpixel）组成的，每个像素的组成的，每个像素的灰度级至少要灰度级至少要6 6bitbit（单色图像）来表示，一般单色图像）来表示，一般采用采用8 8bitbit（彩色图像），高精度的可用彩色图像），高精度的可用1212bitbit或或1616bitbit。例如：例如：2562568=64 2562568=64KbytesKbytes 5125128=256Kbytes 5125128=256Kbytes 102410248=1Mbytes 102410248=1Mbytes 204820488=4Mbytes 204820488=4Mbytes X光光照照片片一一般般

23、用用64Kb256Kb的的数数据据量量，一一幅幅遥遥感感图图像像324023404=30Mbits，因因此此，大大数数据据量量给存储、传输和处理都带来巨大的困难。给存储、传输和处理都带来巨大的困难。（2 2）图像处理技术综合性强；图像处理技术综合性强；在在数数字字图图像像处处理理中中涉涉及及的的基基础础知知识识和和专专业业技技术术相相当当广广泛泛。一一般般来来说说涉涉及及通通信信技技术术、计计算算机机技技术术、电电子子技技术术、电电视视技技术术，至至于于涉涉及及到到的的数数学学、物理等方面的基础知识就更多。物理等方面的基础知识就更多。当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，当今的图像处理理论大

24、多是通信理论的推广，只是把通信中的一维问题推广到二维，以便于只是把通信中的一维问题推广到二维，以便于分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。分析，在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，图像处理技术与通信技术休戚相关。因此，图像处理技术与通信技术休戚相关。在在图图像像处处理理工工程程中中的的信信息息获获取取和和显显示示技技术术主主要要源源于于电电视视技技术术，其其中中的的摄摄像像、显显示示、同同步步等等各各项项技技术术是是必不可少的。必不可少的。计计算算机机已已是是图图像像处处理理的的常常规规工工具具，在在图图像像处处理理中中涉涉及及到到软软件件、硬硬件件、网网络络、接接口口等等多多项项技

25、技术术，特特别别是并行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。是并行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。图图像像处处理理技技术术的的发发展展涉涉及及越越来来越越多多的的基基础础理理论论知知识识，雄雄厚厚的的数数理理基基础础及及相相关关的的边边缘缘学学科科知知识识对对图图像像处处理理科科学学的的发发展展有有越越来来越越大大的的影影响响。总总之之图图像像处理科学是一项涉及多学科的综合性科学。处理科学是一项涉及多学科的综合性科学。（3 3）图像信息理论与通信理论密切相关。）图像信息理论与通信理论密切相关。早在早在19481948年年ShannonShannon发表了发表了“A mathematica

26、l A mathematical Theory of Communication”Theory of Communication”（通信中的数学理论）通信中的数学理论）一文，它奠定了信息论的基础。此后，信息理论一文，它奠定了信息论的基础。此后，信息理论已渗透到了各个领域。图像信息论也属于信息论已渗透到了各个领域。图像信息论也属于信息论科学中的一个分支。科学中的一个分支。从当今的理论发展看，我们可以说，图像信息从当今的理论发展看，我们可以说，图像信息论是在通信理论研究的基础上发展起来的。图论是在通信理论研究的基础上发展起来的。图像理论是把通信中的一维问题推广到二维空间像理论是把通信中的一维问题推

27、广到二维空间上来研究的，也就是说，通信研究的是一维时上来研究的，也就是说，通信研究的是一维时间信息；图像研究的是二维空间信息；间信息；图像研究的是二维空间信息；总总之之，通通信信中中的的一一维维问问题题都都可可推推广广到到二二维维，尽尽管管有有些些理理论论尚尚不不完完全全贴贴切切，但但对对图图像像自自身身理理论论体系的形成有极大的借鉴意义。体系的形成有极大的借鉴意义。1.41.4 数字图像处理的主要方法及主要内容数字图像处理的主要方法及主要内容 1.4.1数字图像处理方法：数字图像处理方法：两大类：两大类：空域法和变换域法。空域法和变换域法。A A、空空域域法法：这这种种方方法法是是把把图图像

28、像看看作作是是平平面面中中各各个个像像素素组组成成的的集集合合，然然后后直直接接对对这这一一二二维维函函数数进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：进行相应的处理。空域处理法主要有两大类：(1)(1)、邻域处理法：其中包括、邻域处理法：其中包括梯度运算梯度运算(gradient Algorithm)gradient Algorithm)拉普拉斯算子运算拉普拉斯算子运算(Laplacian operator)Laplacian operator)平滑算子运算平滑算子运算(Smoothing operator)Smoothing operator)卷积运算卷积运算(Convolution algo

29、rithm)Convolution algorithm)(2)、点点处处理理法法：如如灰灰度度处处理理（greyprocessing），面积、周长、体积、重心运算等等。面积、周长、体积、重心运算等等。B B、变换域法：变换域法：数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。理。1.4.2数字数

30、字图图像像处处理的主要内容：理的主要内容：完完整整的的数数字字图图像像处处理理工工程程大大体体上上可可分分为为如如下下几个方面：几个方面：图像信息的获取；图像信息的获取；图像信息的存贮；图像信息的存贮；图像信息的传送；图像信息的传送；图像信息处理；图像信息处理；图像信息的输出和显示。图像信息的输出和显示。1 1、图像信息的获取、图像信息的获取(Image Information Image Information Acquisition):Acquisition):主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取数字设备的数字

31、信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。图像获图像、光电转换及数字化等几个步骤。图像获取的方法有如下几种：取的方法有如下几种：(1)(1)电视摄像机电视摄像机(Video Camera)Video Camera)：这是目前使用最广泛的图像获取设备。早期主要这是目前使用最广泛的图像获取设备。早期主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年来，主要有光电摄像管、超正析摄像管等。近年来，主要是采用是采用CCDCCD摄像设备。摄像设备。特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。特点：设备小巧、速度快、成本低、灵敏度高。缺点：灰度层次较差、非线性失真较大、有黑缺点：灰度层次较差、非线性失真

32、较大、有黑斑效应，在使用中需校正。斑效应，在使用中需校正。目前目前CCDCCD摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做到较高水平，如：到较高水平，如：1920103519201035或或1024102410241024的的高分辨率的高分辨率的CCDCCD摄像机已很成熟。摄像机已很成熟。(2)(2)飞点扫描器飞点扫描器(flying point Scanner)flying point Scanner)：这是一种以光源做扫描的图像获取设备。这是一种以光源做扫描的图像获取设备。其其特特点点是是：精精度度较较高高、图图像像清清晰晰、可可透透射射成成像像亦可反射成像，但是其体积

33、略显庞大。亦可反射成像，但是其体积略显庞大。(3)(3)扫描鼓：这是一种高精度的滚桶式的图像摄扫描鼓：这是一种高精度的滚桶式的图像摄取设备。取设备。特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以特点：精度高、分辨率高，可以输入也可以输出。输出。缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。多缺点：价钱昂贵、速度低、维护要求高。多用于静止图像的输入、输出设备。用于静止图像的输入、输出设备。(4)(4)扫描仪：扫描仪：特特点点：精精度度和和分分辨辨率率中中等等，600600DPIDPI精精度度的的扫扫描描仪仪已已常常见见。扫扫描描仪仪的的成成本本很很低低，近近几几年年尤尤其其降降价价显显著著，一一般般台台式式的的已

34、已有有不不足足一一千千元元的的产产品品。所以是当今应用最为广泛的图像信息获取设备。所以是当今应用最为广泛的图像信息获取设备。缺点：速度较慢，非实时设备。缺点：速度较慢，非实时设备。（5 5）显微光密度计，精度较高，速度低。）显微光密度计，精度较高，速度低。（6 6）遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，）遥感中常用的图像获取设备已有多种设备，如：如：光学摄影：摄像机、多光谱像机等。光学摄影：摄像机、多光谱像机等。红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪。道红外扫描仪。MSS MSS ：多光谱扫描仪。多光谱扫描仪。微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空

35、孔径微波：微波辐射计，侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷达雷达、合成孔径雷达(SAR)SAR)。合合成成孔孔经经雷雷达达是是5050年年代代发发展展起起来来的的技技术术。它它采采用用小小天天线线通通过过直直线线飞飞行行（长长距距离离）合合成成一一条条很很长长的的线线阵阵天天线线，从从而而达达到到优优良良的的横横向向方方位位的的分分辨辨率率。目目前前的的国国际际水水平平，在在距距雷雷达达5050100100kmkm范范围围内内，侧侧视视雷雷达达（SARSAR）的的纵纵向向和和横横向向分分辨辨率已达率已达1 1m1mm1m以下。以下。例如例如=3=3，距雷达距雷达5050kmkm处的分辨率要达到

36、处的分辨率要达到1 1m1mm1m时所需的飞行直线合成孔径为：时所需的飞行直线合成孔径为：10121012m m。由此可以看出飞行距离很长。为使飞机能直由此可以看出飞行距离很长。为使飞机能直线、恒速飞行要用到陀螺导航仪、定位系统等线、恒速飞行要用到陀螺导航仪、定位系统等设备和技术加以保证。设备和技术加以保证。（7 7）、三维视觉信息获取）、三维视觉信息获取 获取三维信息的基本方法。获取三维信息的基本方法。主动法主动法 被动法被动法 主主动动法法需需要要对对测测试试物物体体加加入入特特殊殊的的人人造造光光源源。其中包括：三角光法、结构光法和飞行时间法。其中包括：三角光法、结构光法和飞行时间法。三

37、角光法三角光法类似三角测量法，此法需逐点测量，类似三角测量法，此法需逐点测量，费时较多。费时较多。结构光法结构光法是把已知结构的图像投影到被测物体是把已知结构的图像投影到被测物体表面，标准图案会产生畸变，利用这畸变可算表面，标准图案会产生畸变，利用这畸变可算出物体表面的三维信息。这种方法最早由日本出物体表面的三维信息。这种方法最早由日本学者学者 Y.Shirai Y.Shirai 提出的。提出的。飞行时间测距法飞行时间测距法是以雷达原理为基础的方法。是以雷达原理为基础的方法。这种方法可直接测得物体表面距离而获得三这种方法可直接测得物体表面距离而获得三维信息，它不涉及图像处理问题。具体实现维信息

38、，它不涉及图像处理问题。具体实现可采用激光雷达或超声雷达，超声雷达的缺可采用激光雷达或超声雷达，超声雷达的缺点是聚焦比较困难，但是处理方法比较简单。点是聚焦比较困难，但是处理方法比较简单。被动法被动法是在自然光条件下获得三维信息的方法。是在自然光条件下获得三维信息的方法。其中包括：体视法、阴影恢复形状法、由运动其中包括：体视法、阴影恢复形状法、由运动恢复形状法、纹理恢复形状法和灰度体视法等。恢复形状法、纹理恢复形状法和灰度体视法等。摄像机定标摄像机定标 三维信息获取中的重要环节三维信息获取中的重要环节-三维定标系统三维定标系统研究也是极受重视的课题。为提高定标的精确研究也是极受重视的课题。为提

39、高定标的精确度曾做了大量的研究工作，并提出了不少算法。度曾做了大量的研究工作，并提出了不少算法。在摄影测量严密解析法研究中在摄影测量严密解析法研究中Faig，Brown，等人等人分别提出了不同的待定参数的算法。分别提出了不同的待定参数的算法。1978年，年，Karara提出的直接线性变换法提出的直接线性变换法(DLT)是计算机视觉中应用最广泛的方法之一。是计算机视觉中应用最广泛的方法之一。1978年，美国喷气推进实验室年，美国喷气推进实验室(JPL)实现了一个实现了一个立体视觉程序，使用无镜头畸变的模型定标，获立体视觉程序，使用无镜头畸变的模型定标，获得了得了1/4000的精度的精度(2米摄距

40、米摄距+-5毫米毫米)。1985年，美国国家标准局制造工程中心的年，美国国家标准局制造工程中心的Danis用用DLT法进行实时定标，得到了相对于深法进行实时定标，得到了相对于深度度1/2000的精度。的精度。此此后后，出出现现了了透透视视变变换换矩矩阵阵法法(PTM)、双双平平面面法法、两两点点法法、基基于于消消失失点点的的方方法法等等多多种种方方法法。1992年年，北北京京交交通通大大学学的的DLTEA-II算算法法使使定定标标精精度度达达到到0.1mm。北京交通大学研制的计算机主动视觉系统北京交通大学研制的计算机主动视觉系统:FastscanVivid LMS-Z420 Cyrax2500

41、 三维数据获取：三维激光扫描仪三维数据获取：三维激光扫描仪三维数据获取：三维激光扫描仪三维数据获取：三维激光扫描仪Kinect KinectKinect主要由四部分组成：主要由四部分组成：RGBRGB摄像头，摄像头，3D3D深度传深度传感器，麦克风阵列感器，麦克风阵列(4(4个个)。其中深度传感器有由一。其中深度传感器有由一个红外光源投影仪个红外光源投影仪(IR projectorIR projector)以及红外相机以及红外相机(infrared camerainfrared camera)组成。红外相机由一个单色组成。红外相机由一个单色CMOSCMOS传感器组成，它可以获得传感器组成，它可

42、以获得RGB-DRGB-D数据。数据。2.2.图图 像像 信信 息息 的的 存存 贮贮：(Image Image information information Storage)Storage)图图像像信信息息的的突突出出特特点点是是数数据据量量巨巨大大。一一般般作作档档案案存存贮贮主主要要采采用用磁磁带带、磁磁盘盘或或光光盘盘。为为解解决决海海量量存存贮贮问问题题主主要要研研究究数数据据压压缩缩、图图像像格格式式及及图图像数据库、图像检索技术等。像数据库、图像检索技术等。3.3.图像信息的传送：图像信息的传送：(Image information transmissionImage info

43、rmation transmission)图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离传送。内部传送多采用传送。内部传送多采用DMADMA技术技术(Direct Memory Direct Memory AccessAccess）以解决速度问题，外部远距离传送主要以解决速度问题，外部远距离传送主要解决占用带宽问题。目前，已有多种国际压缩标解决占用带宽问题。目前，已有多种国际压缩标准来解决这一问题，图像通信网已建立并得到了准来解决这一问题，图像通信网已建立并得到了普遍应用。普遍应用。会议电视的H.320、H.323、RTP/RTCP、UDP等传输协议，以及H.

44、261、H.263、H.264、H.265、H.26L、MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7等编码标准。目前诸如腾讯会议系统类似的图像通信系统已十分成熟，正如当前5G的特点那样，低延时、高速率是流畅传输高清、超高清视频的基本要求之一。4.数字图像处理数字图像处理(DigitalImageprocessing)数字图像处理概括的说主要包括如下几项内容：数字图像处理概括的说主要包括如下几项内容：几何处理几何处理(geometricalprocessing)算术处理算术处理(Arithmeticprocessing)图像增强图像增强(ImageEnhancement)图像复原图像复原(Im

45、ageRestoration)图像重建图像重建(ImageReconstruction)图像编码图像编码(ImageEncoding)图像识别图像识别(ImageRecognition)图像理解图像理解(ImageUnderstanding)（1 1）、几何处理）、几何处理 几几何何处处理理主主要要包包括括座座标标变变换换、图图像像的的放放大大、缩缩小小、旋旋转转、移移动动、多多个个图图像像配配准准，全全景景畸畸变变校校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。（2 2）、算术处理）、算术处理 算术处理主要对图像施以、算术处理主要对图像施以、等等运算，虽然该处

46、理主要针对像素点的处理，但运算，虽然该处理主要针对像素点的处理，但非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的效果。效果。图 110 减影处理的实例（3 3）、图像增强）、图像增强 图图像像增增强强处处理理主主要要是是突突出出图图像像中中感感兴兴趣趣的的信信息息，而而减减弱弱或或去去除除不不需需要要的的信信息息，从从而而使使有有用用信信息息得得到到加加强强，便便于于区区分分或或解解释释。主主要要方方法法有有直直方方图图增增强强、伪伪彩彩色色增增强强法法(pseudo pseudo color)color)、灰度窗口等技术。灰度窗口等技术。（4 4）、图像复原

47、）、图像复原 图图像像复复原原处处理理的的主主要要目目的的是是去去掉掉干干扰扰和和模模糊糊，恢恢复复图图像像的的本本来来面面目目。典典型型的的例例子子如如去去噪噪就就属属于于复复原原处处理理。图图像像噪噪声声包包括括随随机机噪噪声声和和相相干干噪噪声声，随随机机噪噪声声干干扰扰表表现现为为麻麻点点干干扰扰，相相干干噪噪声声表现为网纹干扰。表现为网纹干扰。去模糊也是复原处理的任务。这些模糊来自透去模糊也是复原处理的任务。这些模糊来自透镜散焦，相对运动，大气湍流，云层遮挡等。镜散焦，相对运动，大气湍流，云层遮挡等。这些干扰可用维纳滤波、逆滤波、同态滤波等这些干扰可用维纳滤波、逆滤波、同态滤波等方法

48、加以去除。方法加以去除。（5 5）、图像重建）、图像重建 几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像。处理结果得到的是图像。该处理的典型应用就是该处理的典型应用就是CTCT技术，技术，CTCT技术发明于技术发明于19721972年，早期为年，早期为X X光光CTCT，后来发展的有后来发展的有ECTEC

49、T、超声超声CTCT、核磁共振（核磁共振（NMRNMR）等。等。图像重建的主要算法有代数法、迭代法、付里图像重建的主要算法有代数法、迭代法、付里哀反投影法、卷积反投影法等，其中以卷积反投哀反投影法、卷积反投影法等，其中以卷积反投影法运用最为广泛，因为它的运算量小、速度快。影法运用最为广泛，因为它的运算量小、速度快。值得注意的是三维重建算法发展很快，而且由值得注意的是三维重建算法发展很快，而且由于与计算机图形学相结合，把多个图像合于与计算机图形学相结合，把多个图像合成图像，并加以光照模型和各种渲染技术，成图像，并加以光照模型和各种渲染技术，能生成各种具有强烈真实感及纯净的高质量图能生成各种具有强

50、烈真实感及纯净的高质量图像。像。三维图形的主要算法有线框法、表面法、实体三维图形的主要算法有线框法、表面法、实体法、彩色分域法等等，这些算法在计算机图形法、彩色分域法等等，这些算法在计算机图形学中都有详尽的介绍。三维重建技术也是当今学中都有详尽的介绍。三维重建技术也是当今颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础。颇为热门的虚拟现实和科学可视化技术的基础。（6 6）、图像编码）、图像编码 图像编码的研究属于信息图像编码的研究属于信息论中信源编码范畴，其主要宗旨是利用图像信论中信源编码范畴，其主要宗旨是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性对图