数字图象处理技术的现状与发展方向(编辑修改稿)

数字图象处理技术的现状与发展方向(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 、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。 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。 步骤及过程 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。 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。 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 传输 ：要解决 的主要问题 是传输信 道和数据 量 的矛 盾问题 ，一方 面要改善 传输信道 ，提高 传 输速率 ，另 外要 对传 输的 图 像信 息进 行压 缩 编码 ，以 减少 描 述图 像信 息的数据量。 像 信息的输 出和显示 ： 用 可 视 的 方法 进行输出和 显示。 由 于数字图 像处理 的灵活性 和方便性 ,所以 数字图像 处理已成为 图 像 处 理 的 主 流 . 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 . . 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 . 原图： 线 段 的 采 样和量 化图 . 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 ,为此 ,可 以 采用 模 拟处 理 技术 ,再通 过 模 数 转 换 得 到编 码 ,不 过 多数 是 采 用数 字 编码 技 术 ,其 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 . 如 图 所 示 为图像 压缩编码 ： . 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 . 例图： . 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 ,可能 是光学系 统的像 差或离焦 、摄像系 统与被 摄物之间 的相对运 动、电子 或光学系 统的噪声 和介于摄 像系统与被 摄像物间 的大气湍流等 . 图 为 还 原 原始图 像色彩： 将 图像 划 分为 一 些互 不 重叠 的 区域 ,每一 区 域是 像 素的 一个连续集 . 通 常 采用 把 像素 分 入特 定 区域 的区 域 法和 寻 求区 域 之间边 界 的境 界法 . 这 2 种 方法 都可 以利 用 图像 的纹 理特 性 实现 图像分割 . 例图： 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 析的 内 容和 模 式识 别、 人 工智 能 的研 究 领域有交叉 ,但图像 分析与典 型的模式识 别有区别 . 图 为 多 相 晶粒图 像分析： 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 .图像 处 理 的各 个 内容是 互 相 有联 系 的 . 一 个实 用 的图 像 处理 系统 往 往结 合 几种 图 像处理 技术才能 得到所需 要的结 果 ,图像 数字化是 将一个 图像变换 为适合 计 算 机 处 理 的 形 式 的 第 1步 ,图 像 编 码 可 用 以 传 输 和 存 储 图 像 . 图 像增强和 复原 可以 是图像 处理的最 后目的 ,也可以 是为进一 步的处理作准备 . 通过图像分割得出的图像特征可以作为最后结果 ,也 可 以 作 为下一 步图像分 析的基础 . 图 像 的 采 集 是 数 字 图 像 处 理 的 第 1 步 ,采 集 并 不 局 限 于 对 人眼视 觉功能的 模仿 ,更 是对人类认 识、分析 手段的拓 展 . 在医 学、天文 学、自 动字体识 别、机 器视觉 、军事识 别、指纹 自动处理 和血样 分 类 处 理等 多 个 方面 都 不同 程 度 地运 用 了 图像 采 集和 数 字 化 技术 . • 数 码 摄 像 机（数 码视频摄 像机， DV） • 数码照相 机 优 点 ： 无 需胶卷 、冲印、 即拍即见 、便于编 辑传输。 数 码照相机 可以与计 算机连接，将 照片影像 输入电脑 保存，这样 不用担心 相处时间 长了会变 色，而且 还能使用专 门的照片 图像处 理 软 件 对照 片 中 不满 意 的地 方 进 行修 补 和 高速 使 照片 更 加 趋于完美。 • 数 字 播 放 机（ MP4/VCD/DVD） • 扫描仪 • 用 多媒体 工具获取 的图形 、图像 并不能 表达主题 内容， 必须用 适当的 工具进行 加工处 理，方 可获得 符合要求 、贴近 主题的 图 形 、 图像。 经图像加工后经图像加工后 字 化 过程 (一 )医学成像方法 医 学图像是 临床诊 断和医学 科学研究 的重要 手段，也 是 PACS系 统 的 主 要应用 之处，医 学成像的 主要方法有 ： 线成像目 前在临床 广泛使用 的是医用 X 线电视 系统，系统由装 有 X 线影 像增强管 的医用 X 射线机和 闭路电视系 统配合而 成。 数 字减影血 管造影 术是 X 线 成像技 术中用于 诊断心 血管疾病 的重要新 技术。 为了克 服普通 X 线摄影的缺 点，尤其是影 像重叠的 缺点，20 世纪 70 年代 又出现了 应用计算机 图像重建 技术的 XCT， XCT在 临 床 上 ，尤其 是对于颅 脑疾病具 有较高的诊 断价值。 声 成 像 超声 成 像 基于 回 波 扫 描技 术 和 多普 勒 原 理所 获 得的人 体器官或 组织的图 像，目前应用 于临床的主 要设备包 括： B 型超声 成像、彩色超 声多普勒 血流成像 及超声 CT，超 声对人体 无害，适 于 检 查 软组织 和作动态 研究。 医 学 成 像核 医 学 成像 是 以 放 射性 核 素 的示 踪 作 用为 基 本原理 的医学成 像技术， 使用 CT 技术 的核医学 成像称之 为 ECT。 根据使 用的核素 类型把 ECT 分为两 类：①单 光子发射计 算机断层 成像（ SPECT）；②正电 子发射计 算机断层 成像（ PECT）。 由于受核 素来源等 限制，目前 ECT 尚未普及 ，但 ECT 具有特 殊的优越 性，特 别是PECT 对于 器官动态 观察、 疾病早期 诊断和基 础医学 研究等方 面 均具 有 重 大 作用。 像核磁共 振成像利 用人体的 物质信息来 成像，不 仅能 提供物体 的解剖学 特征，而 且还能反 映核和周围 结构间相 互作用的 信息 ，能反映器 官的整体 代谢功能 及其生理 、生化 状态，是一种 新 型 的 重要成 像技术。 (二 )图像的获取技术 胶片数字化技术 在放 射科检查 中，大 约 70％ 的检查结 果保存 在 X 线 胶片上，包括 颅骨、胸部 、乳房、腹 部和骨骼，因 此，必须采 用胶片数 字化仪将 图像转化 为数字格 式以便进 行进一步的 处理。 胶 片数字化 仪主要 有 以 下 四种。 (1)视频扫描 技术（ video scanning system）：主 要 通过电视摄像 机扫描 X 线胶片，并对获得 的视频信 号进行模数 转换从而 得到数字 化图像， 其特点是 获取图像 的速度快， 操作简单 ，价格便 宜，但 图 像 质 量一般。 (2)鼓扫描技 术（ drum scanner）：是一种机 械设备，由旋转的鼓 、光源 和检测器所 组成 ，转换时 ，将胶 片缠绕在鼓 的表面并 固定好，鼓内 光源发射 光透过鼓 表面的胶 片，由鼓外的光 检测器检 测并将其 转化为灰 阶值从而 得到数字 化图形。 其特点是获 得的图像 质量好 ， 但 转 换速度 慢，固定 胶片非常 困难，设备 价格高。 (3)固态摄像 技术（ solid state camera）：主要采用 电荷耦 合器件（ CCD， ChargeCoupled Device）实现图像 的数字化，图 像质量 优 于 视 频扫描 系统，但 转换时间 较长。 由于 X 线胶片 数字化过 程时间长 、效率 低，因 此，需 要一种不经 过 胶 片 数字 化 过 程的 数 字操 作 ， 直接 从 检 测设 备 获得 数 字 化图像。 最简 单的实现 方法是类 似胶片视 频扫描系统，直 接从监视 器获得模 拟输出，然后 用帧捕捉 方式将其 转化为数字 图像。 另一种 实现方法 是在现有 成像设备 的基础上 改进图像接 收部件，如成像板 和数字荧 光 X 线摄 影，由于 不用改变 现有的检 查过程，因 此容易实 现。 较为 复杂 的方 法是重新 设计成像 设备，包 括 X 线源和 图像接收 器，实 现 起 来 费用昂 贵，如线 阵和飞点 扫描技术。 (1)成像板（ Imaging Plate， IP）技术发展 于 20 世纪 70 年代末与 80 年代 初，成像 板系统由 两部分组 成：成像板 和激光扫 描装置。 成像 板是在平 板上镀上 一层光可 激发的荧光 物质，如活化 铕钡荧光 卤化物涂 层，在 X 线照 射下 ，这种荧 光物质可将 吸收的 X 线部分能 量存储起 来形 成 X 线 潜影。 然 后对曝光 后的 IP 用波 长 663nm 的氦 氖激光束 进行扫描 ，以激发 其发射强 度与入射 X 线量成正 比的荧光 ，并将其 转化为数 字 X 线图像。 IP 上的残余潜 影经可 见 光擦除 后 可 以 反复使 用。 (2)数字荧 光 X 线摄 影（ digital fluorography）技 术是在传统的 荧光摄影 系统上增 加数字化 部件构成，运用 了 X 线成 像、影像增强 、视 频扫描和数 字化技术 ，输出 为连续的 数字图像。 数字 荧光X 线 摄影技术 与传统荧 光摄影系 统相比，其图像具有 更大的动 态范围，并可 采用数字 减影技术 消除非检 测部位，从而增 强检测部 位的图 像 效 果 ， 如 数 字 减 影 血 管 成 像 （ Digita1 Subtraction Angiography， DSA）、 双 能 量 减 影 成 像 （ dualenergy imaging）等。 (3)线阵扫 描 技术（ line scan technique）采用一个 与一维探测器 组在同一 平面的狭 缝准直器 将 X 线准 直成一扇 形 X 线束，通过被检 物体某一 截面到达 检测器并 转换成图像 中的“行”信息，如果被检 物体相对 于扇形 X 线束和探 测器作水 平运动，就 能获得一 幅数字图像。 (4)飞点扫描 技术（ flyspot scan technique）是利 用一准直成很 细的 X 线 束逐点对 人体进行 扫描以获 得一幅数字 图像。 由 于任一时 刻人体只 有很小的 点接受 X 线照射，因此散 射体积很 小，但成像时间长。 计算 机断层扫 描术通过 计算机重 建图像 ，因此，可以 直接输出数 字 图 像。 这 类 成 像 设 备 包 括 ： X 线 计 算 机 断 层 扫 描 术 （ Xray Computed Tomography， CT）、 磁 共 振 成 像 （ Magic Resonance Imaging， MRI）、超 声成像（ Ultrasound Imaging）、单光子和 正电子发 射计算机 断层扫描 术（ SinglePhoton and Positron Emission Computed Tomography， SPECT and PET）和 数字显微 成像等。 数字 化图像信 息采集包 括两方面 任务：①数 字化图像 的形成；②数 字 化图像 文件的采 集。 对 各类成像 系统（ 包括 B 超 和彩超 ）来说，前者 已由系统 本身完成，数 字化图像 信息采集的 任务只是 通过采集 接口模块 或设备将 数字化图 像信息从主 机中。