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SpecialEnglishforElectronicInformationEngineeringSunJingCollegeofPhysicsandMechatronicsEngineeringUnit7DigitalImageProcessing数字图像处理【BasicKnowledge】数字图像处理的定义数字图像处理又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。主要研究内容–图像变换–图像编码压缩–图像增强和复原–图像分割–图像描述–图像分类（识别）Unit7DigitalImageProcessingPart1WhatIsDigitalImageProcessing?Paragragh1–two-dimensional：二维的–spatialcoordinate：空间坐标–plane：平面的–intensity：亮度—画面的明亮程度–graylevel：灰度级•灰度级是指表示图像数字信号每个像素的亮度的二进制位数，位数越高，代表的像素的亮暗层次就越多。Unit7DigitalImageProcessingParagragh1–discretequantity：离散量–strategy：策略–field：领域–bymeansof：依靠–element：元素–pictureelement/imageelement/pel/pixel：像素•组成图像的最小基本单元。•像素越小，单位面积上的像素越多，图像就越清晰。Unit7DigitalImageProcessing【译文】Ⅰ.什么是数字图像处理？图像可以定义为一个二维函数f(x,y)，其中x和y是空间(平面)坐标。任意坐标对(x,y)对应的f的幅度称为图像在该点的亮度或灰度级。当x、y和f的幅值都是有限的离散量时，称这个图像为数字图像。数字图像处理领域是利用数字计算机处理图像。注意，数字图像由有限个元素组成，每个元素都有特定的位置和数值。这些元素称为像素。像素是数字图像中最常用的术语。Unit7DigitalImageProcessingParagragh2–vision：视觉–perception：感觉，感知–electromagneticspectrum：电磁波频谱–entire：整个–beaccustomedto：通常，习惯–ultrasound：超声波–electronmicroscopy：电子显示镜–computer-generatedimage：计算机生成图像Unit7DigitalImageProcessing【译文】视觉是最高级的感觉，因此图像在人类感知中扮演着最重要的角色。人类的视觉带宽受电磁波谱的限制。而与人类不同的是，图像机器几乎覆盖了从伽马射线到无线电波的整个电磁波谱。有些信源产生的图像是人类无法感知的，而图像机器却可以处理如超声波、电子显微镜和计算机产成的这类图像。因此，数字图像处理包含了广泛而多样的应用领域。Unit7DigitalImageProcessingParagragh3–generalagreement：达成共识–area：领域–imageanalysis：图像分析•图像分析是指对存储在计算机内的图像进行分析。–computervision：计算机视觉•计算机视觉是指用计算机实现人的视觉功能——对客观世界的三维场景的感知、识别和理解。Unit7DigitalImageProcessingParagragh3–distinction：区别–discipline：学科–somewhat：稍微–artificial：人造的–ultimate：最后，最终–emulate：模拟，仿真–inference：推论–takeaction：采取行动Unit7DigitalImageProcessingParagragh3–artificialintelligence：缩写AI，人工智能•人工智能是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支，主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智能功能，并开发相关理论和技术。–infancy：初期–intermsof：按照，根据，在…方面–anticipate：期待，预期–imageunderstanding：图像理解Unit7DigitalImageProcessing【译文】关于图像处理在何处结束，其他相关领域如图像分析、计算机视觉等在何处开始，作者们还没有达成共识。有时将图像处理定义为一个学科，且该过程的输入和输出信号均为图像。我们认为这是一个有限制的人为界线。例如，在该定义下，对图像平均亮度的计算（即得到单个数值），就不属于图像处理操作。另一方面，在一些领域中，例如在最终目标是利用计算机模拟人类视觉的计算机视觉中，，包括了以视觉输入为基础的学习，并得出结论进而执行。该领域是人工智能（AI）的一个分支，其目标是模仿人类智力。在最初发展阶段，人工智能领域的发展速度远低于原先预计的发展速度。图像分析（也叫图像理解）领域是建立在图像处理和计算机视觉之间的。Unit7DigitalImageProcessingParagragh4–clear-cutboundary：明显的界限–continuum：连续体整个过程–paradigm：范例–low-level：低级的–mid-level：中级的–high-level：高级的–primitive：原始的–imagepre-processing：图像预处理–contrastenhancement：对比度增强•对比度增强是按一定的规则修改输入图像每一个像素的灰度，从而改变图像灰度的动态范围。Unit7DigitalImageProcessingParagragh4–imagesharpening：图像锐化•图像锐化不会增加任何细节信息，但提高了描述对象边缘的对比，使之看起来更为明显。图像锐化的作用就是的补偿图像的轮廓，使图像较清晰。–segmentation：分割–partition：分割，划分–attributeextract：特征提取–contour：轮廓–identity：识别–makesense：有意义–cognitivefunction：认知功能Unit7DigitalImageProcessing【译文】从图像处理到计算机视觉，这一过程中并没有明显的界限。但是，进行计算机处理时应包含三类过程：低级处理、中级处理和高级处理。低级处理包含了基本操作，例如降低噪声的图像预处理，增强对比度以及图像锐化。低级处理的特点是输入和输出都是图像。中级处理完成的工作有图像分割（将一个图像分割为多个区域或目标），目标描述可将图像压缩为适合计算机处理的形式，以及对目标进行分类（识别）。中级处理的特点是输入一般为图像，但其输出是从图像中提取特征（例如对目标的边缘、轮廓和标识）。最后，高级处理是对整个目标进行识别，结合了图像分析和实现与视觉有关的认知功能。Unit7DigitalImageProcessing【译文】基于前面的说明，我们明白了图像处理和图像分析的逻辑重叠区是图像中的单个区域识别或目标识别。因此，本文中我们简称数字图像处理为输入和输出都是图像的处理。Unit7DigitalImageProcessingPart2FundamentalStepsinDigitalImageProcessing数字图像处理的基本步骤图像采集是第一步。注意可以对给定的、已经转为数字形式的图像进行采集。大致说来，图像采集阶段包含预处理，例如改变图像尺寸。图像增强是数字图像处理中最简单和最引人注意的技术。基本上说，图像增强技术概念其细节是模糊的，或是简单的对图像某些突出的细节而进行的。图像增强的一个典型例子是当增强图像的对比度时，图像将更好看。切记图像增强是图像处理中非常主观的概念。Unit7DigitalImageProcessing【译文】图像复原可用于改善图像的外表。但是，图像复原与主观的图像增强不同的是它是客观上的，通常来说复原技术是建立在图像退化的数学或概率模型上的。在另一方面，图像增强建立在人类主观偏好上，主要关注的是可以形成什么样的好的图像增强的结果。由于在互联网上使用数字图像的使用增加迅速，彩色图像处理将会更重要。小波是图像在不同分辨率基础上对图像的表示。特别是，这个材料用于图像数据压缩或锥形的表示，那样图像可以被成功的细分为更小的区域。Unit7DigitalImageProcessing【译文】根据压缩名字的提示，压缩技术用于处理保存图像或传输图像的带宽时，减小图像的存储量。尽管在过去的十年里，存储技术已经得到很大的改善，但对传输容量而言意义却不相同。事实上，在互联网中使用图像压缩，可表现出其重要的图示内容。图像压缩以图像文件扩展名的形式被大多数的计算机用户所熟知（但并不注意），例如jpg文件的扩展使用的是JPEG（联合图像专家组）图像压缩标准。形态学图像处理是用于提取图像成分的工具，这可用于表示和描述形状。Unit7DigitalImageProcessing【译文】图像分割过程是将图像划分为组成部分或目标。大致说来，自分割是数字图像处理技术中最复杂的一项工作。一个不规则的分割过程可以成功的解决每个目标单独识别出来的成像问题。在另一方面，差的或无规律的分割算法却又几乎导致了最终的失败。通常，分割越精确，识别的成功率越高。表示与描述几乎紧接着分割阶段的输出，它通常是原始像素数据，其组成既可以是一个区域的边界（例如一组从其他图像区域分离出来的像素），也可以是该区域内的所有点。在任意一种情况下，将数据转化为适合计算机处理的形式是有必要的。Unit7DigitalImageProcessing【译文】首先要做出数据是由边界表示还是由完整区域表示的决定。当焦点集中在外形特性时，使用边界表示法是合适的，例如在图像的拐角和变形处。当焦点集中在内部特性时，使用区域表示法是合适的，例如纹理或骨骼形状。在某些应用中，这些表示方法是对其他表示法的补充。表示法的选择是解决传输原始数据唯一的有效形式，这适合于后来的计算机处理。有一种方法也被用于描述数据，那样有利的特性将更加显著。描述也被称为特性选择，可提取出有利的定量信息的属性，或是提取出不同于其他不同种类目标的属性。Unit7DigitalImageProcessing【译文】识别是在一个目标描述符的基础上记录标签（例如“车辆”）的过程。正如在第一部分中详细介绍的那样，我们得出一个结论：数字图像处理技术的整个发展过程是伴随着个别目标的识别方法发展而来的。尽管在这里我们没有明确的讨论图像的显示问题，但在输出的任何阶段都要观察图像处理的结果。我们也注意到并不是所有图像处理应用要求复杂的交互。事实上，并不是所有这些模块在某些情况下是都要使用的。Unit7DigitalImageProcessingPart3ComponentsofanImageProcessingSystem图像处理系统的组成步骤尽管大规模的图像处理系统销售方向仍为大量的图像应用，例如卫星图像的处理，但这一趋势继续向专业图像处理通用小型计算机的硬件的最小化和混合化发展。每个典型通用数字图像处理系统包含基本部分的功能将在下边的段落中进行讨论，首先由图像传感器开始。提到传感器，必须有两个元素以获取数字图像。第一种是物理设备，它对我们希望成像的物体辐射的能量辐射非常灵敏。第二种称为数字转换器，它可以将物理感应设备的输出转换为数字形式。Unit7DigitalImageProcessing【译文】专用图像处理硬件通常由刚提到的数字转换器组成，加上其他原始操作的硬件，例如算术逻辑单元（ALU），它在整个图像中同时进行算术和逻辑操作。怎样利用ALU的一个例子就是消除图像噪声时加入ALU后图像平均就像图像数字化一样快。这一类型的硬件有时被称为前后子系统，并且它最独特的特性是速度。换句话说，这个单元实现的功能需要快速的数据吞吐量（例如数字、平均视频图像为30帧/s），但这是典型主计算机不能处理的。计算机在图像处理系统中是专用计算机，从个