数字图像处理论文

数字图像处理论文数字图像处理技术应用院系：专业：姓名：学号:2013年5月摘要：自20世纪70年代以来，由于数字技术和计算机技术的迅猛发展，给数字图像处理(DigitalImageProcessing)提供了先进的技术手段。图像科学从信息处理、自动控制系统理论、计算机科学、数据通信等学科中脱颖而出，成为研究图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解和综合利用的新兴学科。数字图像处理在实际中得到了广泛应用。特别是在遥感、航空航天、通信、生物和医学、安全监控、工业生产、视频和多媒体、机器人视觉、物理和化学分析、公安和军事等领域．它在国家安全、经济发展和日常生活中已经起到越来越重要的作用。关键词：数字图像处理特点应用领域目录一：数字图像处理的研究现状..............................................................11、数字图像处理简述..........................................................................................11.1数字图像处理定义及发展历程.................................................................................12.2数字图像处理特点....................................................................................................22、数字图像处理应用领域..................................................错误!未定义书签。二：数字图像处理的应用实例..............................................................71、数字图像处理技术在林业中的应用...............................................................72、基于数字图像处理的瞳孔定位......................................................................9三：数字图像处理的未来展望...............................错误!未定义书签。参考文献...............................................................................................13第1页一数字图像处理的研究现状1数字图像处理简述1.1数字图像处理定义及发展历程数字图像处理(DigitalImageProcessing)是指通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响：一是计算机的发展；二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善)；三是农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面应用需求的增长。20世纪20年代，图像处理首次应用于改善伦敦和纽约之间海底电缆发送的图片质量。到20世纪50年代，数字计算机发展到一定的水平后，数字图像处理才真正引起人们的兴趣。1964年，美国喷气推进实验室用计算机对“徘徊者7号”太空船发回的大批月球照片进行处理，收到了明显的效果。20世纪60年代末，数字图像处理具备了比较完整的体系，成为了一门新兴的学科。20世纪70年代，数字图像处理技术得到迅猛的发展，理论和方法进一步完善，应用范围更加广泛。在这一时期，图像处理主要和模式识别及图像理解系统的研究相联系，如文字识别、医学图像处理、遥感图像的处理等。从20世纪70年代后期到现在，各个应用领域对数字图像处理提出了越来越高的要求，促进这门学科向更高级的方向发展。特别是在景物理解第2页和计算机视觉(即机器视觉)方面，图像处理已由二维处理发展到三维理解或解释。近年来，随着计算机和其他各有关领域的迅速发展(如在图像表现、科学计算可视化、多媒体计算技术等方面的发展)，数字图像处理已从一个专门的研究领域变成了科学研究和人机界面中普遍应用的一种工具。1.2数字图像处理特点(1)图像信息量大如果处理一幅灰度级为256、分辨率为1024X1024的图像，需1024×1024×8bit=1MB的存储空间。如果要实时处理30帧／秒的电视图像序列，则每秒要求传输500kbit～22．5Mbit数据量，需100Mips的处理能力。数字图像处理占用的频带较宽。与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。如电视图像的带宽约5．6MHz，而语音带宽仅为4kHz左右。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，成本亦高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。因此，数字图像处理对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。对传输、容量、速度(处理)的要求也是数字图像处理的突出特点。(2)图像信息的相关性数字图像中各个像素的信息是不独立的，其相关性大。在一幅图像中，经常有很多像素有相同或相近的灰度。就电视画面而言，同一行(同一列)中相邻两个像素或相邻两行间的像素的相关系数可达0.9第3页以上，而相邻两帧之间的相关性比帧内的相关性一般还要大些。因此，图像处理中信息压缩的潜力很大。(3)图像信息表征的复杂性由于二维图像是三维景物的二维投影，一幅二维图像本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。因此，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，例如双目图像或多视点图像。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。数字图像处理后的图像一般是给人信息、观察和评价的，受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪爱好以及知识状况影响很大，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，人的感知机制必然影响着计算机视觉的研究。例如，什么是感知的初始基元，基元是如何组成的，局部与全局感知的关系，优先敏感的结构、属性和时间特征等，这些都是心理学正在着力研究的领域。(4)图像处理技术综合性强．数字图像处理技术涉及的领域十分广泛，它涉及到数学、物理学(光学、电学)、生物学、心理学、通信技术、计算机技术等众多领域。2数字图像处理应用领域近20年来，数字图像处理技术研究更深入、广泛，发展也更迅第4页速，这主要是因为各相关学科领域的发展，对图像处理提出了越来越高的要求。目前，数字图像处理已应用于许多领域。在遥感方面，除了上面介绍的JPL对月球和火星照片的处理外，数字图像处理技术主要运用在航空和卫星遥感方面。可以说，数字图像处理技术带来了遥感技术的进步，发展了多光谱图像遥感、SAR图像遥感和微波图像遥感，以及与这些遥感技术相应的处理技术。例如，从遥感图像分析技术来说，人们可以通过卫星遥感或航空遥感获得地面资源的多光谱图像，从中提取目标物的特征参数；又如，从20世纪60年代末以来，美国陆续发射了LANDSAT系列卫星，该卫星采用多波段扫描器(MSS)，在900公里高空拍照，重复扫描周期为18天，分辨率为30米。其工作过程是这样：在空中进行数字化、编码和存带，在预定地面站上空下传，由处理中心分析判读。可以说，过程中的每一步都必须应用许多的图像处理方法。目前，人们运用数字图像处理技术处理分析遥感图像，可以有效地进行资源和矿藏的勘探和调查、农业和城市的土地规划、作物估产、气象预报、灾害及军事目标的监视等。随着卫星遥感和处理技术的进步，目前的军用卫星对地物的可分辨尺度可达10厘米以内，这是超出经典分辨率界限的。众所周知，根据经典的光学理论，成像系统分辨率的最佳表达方式是系统的光学传递函数(OTF)或调制传递函数(MTF，OTF的模)，并据此确定系统最小分辨距离的瑞利(Rayleigh)判据。OTF是点扩展函数(PSF)Fourier变换，因此，归根结底是PSF对分辨率起主要作用。除了成像系统的第5页衍射PSF，还有其他方面的PSF，如系统像差、数字化过程等。但是，从图像处理的角度考虑，限制成像分辨率的瑞利判据只不过是经验上的认识，因为PSF的影响是可以通过处理去除的。从理论上说，如果能准确获知系统的PSF知识，则可以通过处理使退化图像恢复到无限接近原始图像的程度，那么超经典分辨极限的分辨率是可以获得的。当然，实践中要获得超分辨图像是不容易的，这不仅有处理算法问题，图像传输等工程问题，还有数字化过程中的工艺问题。例如，根据系统的MTF导出的奈奎斯特(Nyquist)和瑞利采样准则将不再适用。在生物医学工程方面，图像处理的应用开展较早。医学图像主要有X射线图像、超声图像和生物切片显微图像。运用图像处理技术可以提高图像的清晰度和分辨率，便于医生诊断。此技术一方面可以对显微图像中的细胞、染色体等进行自动分类；另一方面，x射线透射图像可应用于肌体病变的诊断。但是，由于人体软组织中的正常和病变部分对x射线衰减所反映出的变化不大，图像灵敏度不够，需作提高量化等级后的一系列处理，才能改善效果。1972年，x射线层析摄影技术(CT)的研究成功及其临床应用是最有影响的科技成果之一。它是由英国的Hounsfield和美国的Cormack发明，并由英国EMI公司在1973年制造出第一台CT成像装置。通过CT，获取人体剖面图，使对肌体病变，特别是对肿瘤的诊断发生了革命性的变化，两位发明者因此而获得1979年Nobel医学奖。后来又发展了质子、正电子等射线的CT，以及超声CT。以后又出现了核磁共振CT，使人体免受各种硬射线的伤害，并且图像更为清晰。目前，三维CT技术已趋成熟，第6页可望不久就会有相关产品问世。在工业和工程方面，图像处理技术已有效地应用于无损探伤、质量检测和过程自动控制等方面，如应力分析、流场分析、机械零件检测和识别、印刷电路板疵病检查等。在军事方面，图像处理技术的应用上最有价值和迫切需求的是飞行导航、导弹打靶的景物图像制导和寻的(以提高命中率)。该技术是通过判读侦察照片，进行图像匹配识别和跟踪。此外，包括图像传输、存储和显示的自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练器，也大都用到图像处理技术；在公共安全方面，人像、指纹及其他痕迹的处理和识别，以及跟踪、监视、交通监控、事故分析等都已在不同程度上使用了图像处理技术的成果。目前，数字图像处理研究与应用中最活跃的一个领域是基于模式识别的机器人“计算机视觉”，该技术已发展到制造具备视觉、听觉和触觉反馈的智能机器人，它将在诸多方面起到重要作用。有几个现象表明数字图像处理领域将继续成长。一个重要现象是图像处理所需的计算机设备的不断降价；第二个现象是图像数字化和图像显示设备的普及化和低价化。推动数字图像处理技术发展的因素有两个。一是几个新技术的发展将进一步刺激此领域的成长，包括并行处理技术，低成本CCD数字化器技术，大容量、低成本存储阵列的新存储技术，以及低成本、高分辨的彩色显示系统；另一个推动力来自稳定涌现出的新的应用领域。第7页总之，低成本硬件加上相关技术的发展再加上发展中的新兴应用领域，可以预料数字图像处理技术将会继续迅速发展，并在应用上发挥更重要的作用。二数字图像处理的应用实例1数字图像处理技术在林业中的应用随着数字图像处理技术和近景摄影测量技术的日趋成熟，所用设备的普及，数字图像处理技术和近景摄影测量技术用于林业应用研究也越来越多，涉及立木材积、叶面积、植被盖度和固定样地调查等多个方面。Eriellee(1988)使用非量测相机进行立体摄影测量，研究火炬松三维冠幅变化特征；宫鹏(1999)利用数字摄影测量探测草原变化。王秀美(2001)进行了数字摄影测量技术在森林调查中的应用研究，建立森林照片处理系统，利用立体相片对的核线