数字图像处理技术的现状及其发展方向
一、数字图像处理历史发展
数字图像处理(Digital Image Processing)将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理。

1.起源于20世纪20年代。

2.数字图像处理作为一门学科形成于20世纪60年代初期，美国喷气推进实验室(JPL)推动了数字图像处理这门学科的诞生。

3.1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的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。

4.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，其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论。

二、数字图像处理的主要特点
1．目前数字图像处理的信息大多是二维信息,处理信息量很大,对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。

2.数字图像处理占用的频带较宽,在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上,技术难度较大,成本也高,这就对频带压缩技术提出了更高的要求。

3.数字图像中各个像素是不独立的,其相关性大。

因此,图像处理中信息压缩的潜力很大。

4.由于图像是三维景物的二维投影,一幅图像本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力,要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量。

在理解三维景物时需要知识导引,这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。

5．一方面，数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的,因此受人的因素影响较大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究；另一方面，计算机视觉是模仿人的视觉,人的感知机理必然影响着计算机视觉的研究,这些都是心理学和神经心理学正在着力研究的课题。

三、数字图像处理的优点
1.再现性好；图像的存储、传输或复制等一系列变换操作不会导致图像质量的退化。

2.处理精度高；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。

3.适用面宽；图像可以来自多种信息源，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关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。

四、数字图像处理过程及其主要进展
常见的数字图像处理有:图像的采集、数字化、编码、增强、恢复、变换、
压缩、存储、传输、分析、识别、分割等。

处理流程图如下图所示。

图1 数字图像处理流程图
主要的处理介绍如下：
1．图像数字化；通过取样和量化将一个以自然形式存在的图像变换为适合计算机处理的数字形式,图像在计算机内部被表示为一个数字矩阵,矩阵中每一元素称为像素。

2.图像的编码；编码的目的是压缩图像的信息量(但图像质量几乎不变),以满足传输和存储的要求。

编码方法可以对图像逐点进行加工,也可以对图像施加某种变换或基于区域、特征进行编码。

3.图像增强；图像增强目的是使图像清晰或将其转换为更适合人或机器分析的形式,常用的图像增强方法有:灰度等级直方图处理、干扰抵制、边缘锐化、伪彩色处理等。

4.图像恢复；其目的是除去或减少在获得图像过程中因各种原因产生的退化。

5.图像分析；从图像中抽取某些有用的度量、数据或信息,其目的是得到某种数值结果。

图像分析需要用图像分割方法抽取出图像的特征,然后对图像进行符号化的描述,这种描述不仅能对图像中是否存在某一特定对象作出回答,还能对图像内容作出详细描述。

五、数字图像处理的主要研究进展
一、图像数字化
1.1历史阶段
①图像提取技术源自于电影和视频产品的发展，其中,最具影响力的研究是由Porter和Duff提出的通道概念,对图像提取技术的离散特性进行了规范,为这一研究领域奠定了基础,使其成为图像处理领域一个较独立的重要分支。

②20世纪60年代，各种各样的处理技术和方法也相应而生，如四元组像素的提出以及Blinn对计算机领域所运用到的像素进行的全面诠释。

③20世纪90年代初期，学者们开始考虑借助数学和概率统计学的原理来寻求更优解,而不再强调最优解。

总结，图像提取技术的发展过程经历了以下4个发展阶段:
(1)萌芽阶段；通过拍摄时的布景实现提取条件。

(2)初期阶段；以四元像素和数字化为基础,建立了独立的分支学科。

(3)飞跃阶段；以概率统计学原理为基础的提取。

(4)分化阶段；认识到视频中帧与帧之间存在相关性,产生了专门用于视频提取的方案。

但由于自然色彩分布的复杂性,至今没有被广泛认可的模型,也没有系统的、统一的评价标准。

所以说,图像提取技术的成熟还有待时日,并依赖于其它
②连续图像的空间滤波恢复；
③伪逆空间图像恢复；
④ SVD伪逆空间图像恢复；
⑤统计学估计空间图像恢复；
⑥约束图像恢复；
⑦盲目图像恢复。

五、图像分割
1.基于区域的分割方法
基本思想是将图像分割成若干不重叠的区域,使各区域内部特征的相似性大于区域间特征的相似性,各区域内像素都满足基于灰度、纹理等特征的某种相似性准则。

①阈值法；
②区域生长法；
③分裂合并法。

2. 基于边缘的分割方法
该方法首先检出图像中局部特性的不连续性或突变性,然后将它们连成边界,这些边界把图像分成不同的区域。

边缘检测算子有以下几种：
① Robert算子；
② Sobel算子；
③ Pre-witt算子；
④ Canny算子；
⑤拉普拉斯算子。

六、图像分析
图像分析从图像中抽取某些有用的度量、数据或信息,目的是得到某种数值结果,它主要是提供关于被分析图像的一种描述。

6.1 图像描绘
分类
①区域内部描述；
②区域边界描述；
③关系描述；
6.2 纹理分析
纹理研究方法：
结构法；
统计法；
频谱法；
模型法。

六、存在的问题和未来的方向
6.1 问题
①在提高精度的同时着重解决处理速度的问题,巨大的信息量和数据量和
处理速度仍然是一对主要矛盾；
②加强软件的研究和开发新的处理方法,重点是移植其他学科的技术和研究成果；
③边缘学科的研究(如人的视觉特性、心理学特性的研究的突破)促进图像处理技术的发展；
④理论研究已逐步形成图像处理科学自身的理论体系；
⑤建立图像信息库和标准子程序,统一存放格式和检索.图像信息量和数据量大,若没有图像处理领域的标准化,图像信息的建立、检索和交流将是一个极严重的问题,交流和使用极不便,造成资源共享的严重障碍。

6.1 方向
①提高硬件速度；
②提高分辨率；
③立体化；
④多媒体化；
⑤智能化；
⑥标准化。