图象处理和分析

内容提要 本书主要介绍了图象处理和分析的基本原理、典型方法和实用技术。考虑到图象技术的飞速发展和 广泛应用，本书在讲解基本理论的同时还介绍了许多近年来国际上有关的最新研究成果和应用实例。 本书主要包括三大部分。第一部分（包含第1，2，3章）是图象基础，论述了图象工程的定义，图 象技术整体概况和分类以及有关视觉和图象模型，数字图象采集、表达和象素关系，图象的各种基本变 换技术等。第二部分（包含第4，5，6章）论述了图象处理的各重要分支，如图象增强，图象恢复，由投 影重建图象和图象压缩编码等基础理论、技术和方法。第三部分（包含第7，8章和附录A）介绍了图象分 析的基本原理和技术，如图象分割、目标表达和描述、特征测量、形态学方法等。书中还提供了大量例 题与习题。 本书可作为信息和信号处理、通信与电子系统、模式识别、生物医学工程等学科大学本科和研究生 专业基础课教材，也可供上述学科及信息工程、电子工程、计算机科学与技术、机器人自动化、遥感和 军事侦察等领域的科技工作者和高等院校的师生参考。 片断： 一个基本的图象（处理和分析）系统构成可由图1.2.1表示。图中各模块都有特定的 功能，分别是采集、显示、存储、通信、处理和分析。图中还列出了完成各功能所需的一 些设备。图象采集可采用电荷耦合器件（chargec0upleddevices，CCD）照相机、带有视 象管（vidicon）的视频摄象机和扫描仪（scanners）等。图象显示可用电视显示器（TV monitors）、随机读取阴极射线管（cath0deraytubes，CRT）和各种打印机（printers）等。 图象存储可采用磁带（magnetictape）、磁盘（magneticdisks）、光盘（opticaldisks）和磁 光盘（magneto－opticaldisks）等。图象通信可借助综合业务网（ISDN）、计算机局域网 （LAN），甚至普通电话网（PSTN）等。最后，图象处理和分析主要是运算，所使用的设 备主要是计算机，当然必要时还可借助专用硬件。 1.2.2图象采集模块 为采集数字图象，需要两种装置（器件）。一种是对某个电磁能量谱波段（如X射线、 紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它能产生与所接受到的电磁能量成正比的 （模拟）电信号。另一种称为数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散） 的形式。所有采集数字图象的设备都需要这两种装置。 以常见的X光透视成象仪为例，由X光源发出的射线穿越物体到达另一端的对X光 敏感的媒体。这个媒体能获得物体材料对X光不同吸收的图象。它可以是胶片，一个带 有将X光转化为光子的电视摄影机，或其它能输出数字图象的离散检测器。 用于可见光和红外线成象的设备主要有显微密度计（micro－densitometers）、析象管 （imagedissector）、视象管和对光子敏感的固态阵（solid－statearrays）等。使用显微密度 计时，需要数字化的图象应是透明底片或照片的形式。视象管和对光子敏感的固态阵除可 接受以上形式的图象外，还可以将有足够光强人射检测器的自然图象数字化。 在使用显微密度计时，需要将透明底片或照片放在一个平板上或卷在一个圆鼓上。 当光线聚焦在图象上时，平移平板或转动圆鼓就可以完成扫描。如果是透明底片，光穿过 透明底片；如果是照片，光从表面反射。在这两种情况下，光束都聚焦在光子检测器上， 各个检测器根据光强度记录下对应当前位置的图象灰度值。如果灰度值和位置坐标都取整 数，就得到一幅数字图象。尽管显微密度计速度比较慢，但由于机械平移过程的连续本质， 它的空间精确度很高。 视象管摄影机的工作原理基于光导性质。聚焦在视象管表面的图象能形成与光学图 象的辉度分布相对应的光导模式。用另一个独立的电子束扫描光导管的另一面，由于中和 作用，这个电子束在一个接受器上产生与输入光亮度模式对应的压差信号。如果量化这个 信号并记录下对应的扫描束位置，就可得到一幅数字图象。 固态阵是由称为感光基元（photosites）的离散硅成象元素构成的。这样的感光基元 能产生与所接受的输入光强成正比的输出电压。固态阵可按几何组织形式分为两种：线扫 描器和平面扫描器。线扫描传感器包括一行感光基元，它靠场景和检测器之间的相对运动 来获得2－D图象。平面扫描传感器由排成方阵的感光基元组成，可直接得到2－D图象。固 态平面传感器阵的一个显著特点是它具有非常快的快门速度（可达10－4s），所以能将许多 运动定格下来。 固态阵中主要元件是电荷耦合器件CCD。图1.2.2给出一个线扫描CCD传感器的示 意图。这个传感器由一行感光基元，两个定时地将感光基元中的内容传给传输寄存器的传 输门，以及一个定时地将传输寄存器中的内容传给放大器的输出门构成。放大器输出的电 压信号与感光基元行的内容成比例。 电荷耦合平面阵的工作原理与线阵相似，但这里感光基元排列成一个矩阵形式（如 图1.2.3所示）。感光基元列由传输门和传输寄存器隔开。先将奇数列感光基元的内容顺序 送进垂直传输寄存器，然后再送进水平传输寄存器。把水平传输寄存器的内容送进放大器 就得到1帧隔行的视频信号。对偶数列感光基元重复以上过程就可得到另1帧隔行的视频 信号。将2帧合起来就得到隔行扫描电视的1场（f）。NTSC制的扫描速度是30f/s，PAL 制的扫描速度是25f/s。 现在常用的线扫描CCD一般有512到4096个象素或更多，而4096×4096个象素的 平面扫描CCD也已在使用。利用图象处理和分析的手段，还可以通过图象的拼接用较小 分辨率的CCD获得较大视场的图象［章1997b］。电视摄象机一般用CCD阵组成，要得到 数字图象需把摄象机的视频输出送到一个数字化器中。这常通过在计算机中插专门的硬件 卡来实现。