数字图像处理（一）初识数字图像

要点总结

本文书针对刚开始学习或者对数字图像处理一窍不通的读者进行的一次知识普及。

图像及图像处理

图像的分类

图像处理是指对图像信息进行加工以满足人的视觉或应用需求的行为，分为以下几方面：

数字图像处理

数字图像处理又称计算机图像处理，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。即利用计算机对数字图像进行去除噪声、增强、复原、分割、特征提取、识别等一系列操作，从而获得某种预期结果的技术。

数字图像处理与计算机图形学的区别：

数字图像处理：对景物或图像的分析技术，是从图像到图像的处理过程；
计算机图形学：通过算法和程序在显示设备上构造图形，是从数据到图像的处理过程。

数字图像处理的目的

1. 提高图像的视感质量 。如进行图像的亮度、彩色变换，增强或抑制图像中的某些成分，对图像进行几何变换达到艺术效果等；
2. 提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。提取特征或信息的过程是模式识别或计算机视觉的预处理。提取的特征可以包括很多方面，如频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和关系结构等。
3. 图像数据的变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输；

数字图像处理的主要研究内容

1. 图像数字化： 将一幅图像以数字的形式表示，主要包括采样和量化两个过程；

2. 图像增强： 主要用来改善图像的对比度，突出感兴趣的图像信息，提高图像的目视解释效果，它包括灰度拉伸、平滑、锐化、滤波、变换、彩色合成、代数运算、融合等；

3. 图像恢复/复原： 去除和压抑成像过程中由各种因素影响而导致的图像失真；

4. 图像编码： 简化图像的表示，压缩表示图像的数据，以便于存储和传输；

5. 图像的重建： 由二维图像重建三维图像（如CT）；

6. 图像分割与特征提取： 图像分割用于从背景中分割出感兴趣的物体目标，分割的结果可作为监督分类的训练区。图像的特征提取包括形状特征、纹理特征、颜色特征等；

7. 图像分析： 对图像中的不同对象进行分割、分类、识别、描述和解释，图像分类：按照特定的分类系统对图像中像素的归属类别进行划分；

8. 图像隐藏：

• 媒体信息的相互隐藏；
• 数字水印；
• 图像信息伪装。

9. 图像通信： 传送和接收图像信号。

图像工程的三个层次

1. 图像处理（从图像到解释）： 主要对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果、或突出有用信息，并为自动识别打基础，或通过编码以减少对其所需存储空间、传输时间或传输带宽的要求。图像输入 -> 图像处理（增强、复原、编码、压缩等）-> 图像输出；
   特点：输入是图像，输出也是图像，即图像之间进行的变换。

2. 图像分析： 主要对图像中感兴趣的目标进行检测（或分割）和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像中目标的描述，是一个从图像到数值或符号的过程。图像输入->图像预处理（增强、复原）->图像分割 ->特征提取 ->图像分类 ->类别、识别结果。
   特点：输入是图像，输出是数据。

3. 图像理解： 图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间相互的联系，并得出对图像内容含义的理解（对象识别）及对原来客观场景的解释（计算机视觉），从而指导和规划行动。图像输入->图像预处理 ->图像描述 ->图像分析和理解 ->图像解释。
   特点：以客观世界为中心，借助知识、经验等来把握整个客观世界。“输入是数据，输出是理解。

   区别和联系：
   狭义图像处理是低层操作，它主要在图像像素级上进行处理，处理的数据量非常大；图像分析则进入了中层，经分割和特征提取，把原来以像素构成的图像转变成比较简洁的、非图像形式的描述；图像理解是高层操作，它是对描述中抽象出来的符号进行推理，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。

参考

[1] (美)冈萨雷斯,(美)伍兹.数字图像处理第三版.北京:电子工业出版社2011.
[2] 数字图像处理的三个层次：https://blog.youkuaiyun.com/real_myth/article/details/52470698 .