1.4 数字图像处理的应用与发展

20世纪60年代以来，数字图像处理技术始终保持着迅速发展的趋势，而且其高速发展势头一直得以延续，其源动力表现在以下几方面：第一，图像处理所需的计算机设备、数字化设备和图像显示设备在不断降价，处理器和大容量存储器末端市场价格逐年下降，而性能却越来越高；第二，与图像处理相关的基础科学研究快速发展；第三，数字图像处理的应用领域持续扩大，并不断涌现出新的应用。以美国和欧洲的工业化国家为例，尽管总军费开支趋于平稳甚至下降，但在“勇气号”和“机遇号”火星探测器、军事以及航天遥感等领域却更多地使用了数字图像处理技术，而且在商业智能、人工智能、生物医学、大数据等领域对图像技术的应用需求一直持续增长。

1.4.1 数字图像处理的应用

图像是人类获取和交换信息的主要来源，相应地，数字图像处理的应用领域也几乎涉及人类生活、工作的方方面面。随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大。近年来，数字图像处理的应用领域无论深度上还是广度上都发生了深刻的变化。如表1-1所示，图像处理技术已经渗透到民用工业、军事、航空航天、医疗保健、环境保护、矿产资源、工程技术、安全保卫和科研等各领域，几乎涉及社会经济生活的各方面，在国民经济中发挥越来越重要的作用。

1. 航空航天

数字图像处理技术在航空航天领域的应用非常广泛，除了JPL对月球、火星照片的处理之外，还包括很多方面，如20世纪60年代末以来，美国及一些国际组织发射了数量可观的资源遥感卫星（如LANDSAT系列）和天空实验室（如SKYLAB），由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量不是很高，而必须采用数字图像处理技术。如LANDSAT系列陆地卫星，采用多波段扫描器（MSS），在900km高空对地球每一区域以18天为一周期进行扫描成像，其图像地面分辨率相当于十几米数量级（1983年LANDSAT-4分辨率为30m）。这些图像在空中先处理（数字化，编码）成数字信号存入存储系统中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送至地面中心，然后由处理中心分析判读。这些图像无论在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须应用数字图像处理技术。在我国，无论是“神舟”系列（1～10号）、“天宫”系列、“天舟”系列、绕月飞船系列的发射，还是“空间站”的建立，以及各型号的运载火箭和飞船的历次发射、状态监控、故障修复及回收，这其中数字图像处理技术也都发挥了不可替代的重要作用。

此外，包括航空遥感、卫星遥感、空间探测、军事侦察等诸多领域都离不开图像处理技术。很多国家每天派出一定数量的侦察机对地球上感兴趣的地区进行大量的观察和信息传输，获取军事和经济等方面的有用信息。现在，世界各国在进行资源调查（如森林调查、海洋泥沙和渔业调查、水资源调查等），灾害勘测（如病虫害检测、水火检测、环境污染检测等），资源勘察（如石油勘探、矿产量探测、大型工程地理位置勘探分析等），城市规划（如地质结构、水源及环境分析等），农业规划（如土壤营养、水分和农作物生长、产量的估算等）都大量采用了图像处理技术。十几年来，我国也陆续开展了上述多方面的一些实际应用，并获得了很好的效果，在航空航天和太空星际研究方面，图像处理技术也发挥了相当大的作用。

2. 工业应用

工业应用是数字图像处理技术的重要应用领域之一。从20世纪60年代开始，在美国、日本及欧洲的一些工业化国家就已经开始采用数字图像处理技术进行工业生产的质量控制。例如，在现代化的流水生产线上，可以利用图像处理技术对产品和部件进行无损检测；在浮法玻璃生产线上，可以对玻璃质量进行监控和筛选等。

在工业和工程领域中，图像处理技术有着广泛的应用，如在自动装配线上检测零件的质量及对零件进行分类，印制电路板疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进的设计和制造技术中采用工业视觉等。其中值得一提的是，研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人将会给工农业生产带来新的激励，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。

3. 医学与生物工程

由于数字图像处理技术具有直观、无创伤、经济和安全方便等诸多优点，因此图像处理在医学领域的应用非常广泛。从近30年来国内外医学领域的发展情况看，图像处理技术已在临床诊断、病理研究等医学领域发挥了重要作用，不仅应用领域日益广泛，而且很有成效。

除了已经提到的获诺贝尔奖的CT之外，图像处理技术在医学和生物医学工程领域的应用非常之多。如医用显微图像的处理分析（红／白细胞分类与计数、染色体分析、癌细胞识别等），目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术，如X光肺部图像增强、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等方面都广泛应用了图像处理技术。

在CT推出后，目前类似的设备已有多种，如核磁共振（nuclear magnetic resonance imaging, NMRI）、电阻抗断层图像技术（electrical impedance tomography, EIT）和阻抗成像（impedance imaging），这些都是利用人体组织的电特性（阻抗、导纳、介电常数）形成人体内部图像的技术。由于不同组织和器官具有不同的电特性，因此这些电特性包含了解剖学信息。更重要的是人体组织的电特性随器官功能的状态而变化，因此EIT可望绘出反映与人体病理和生理状态相应功能的图像。目前，EIT的一些算法正在呼吸系统、消化系统、心血管系统等方面进行临床应用的探索。

4. 通信领域

早在1865年，法国在巴黎至里昂就成功试验了传真通信，虽然由于技术及经济原因，当时的图像通信技术发展一直非常缓慢，但开创了人类影像通信的先河。按业务性能划分，图像通信可分为电视广播（点对面通信）、传真、可视电话（点对点通信）、会议电视（单点对多点）、图文电视、可视图文以及电缆电视等。

当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的多媒体通信。具体地讲是将电话、电视和计算机以三网合一的方式在数字通信网上传输。其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100Mb/s以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技术来压缩信息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键。除了已应用较广泛的熵编码、DPCM编码、变换编码外，国内外正在大力开发研究新的编码方法，如分行编码、自适应网络编码、小波变换图像压缩编码等。

20世纪70年代，由于微电子技术的突破和大规模集成电路的发展，解决了图像通信中的关键技术，有效推动了图像通信的应用与发展，从此图像通信逐渐成为了人们生活中常用的通信方式。1980年CCITT为三类传真机和公共电话交换网上工作的数字传真建立了国际标准，1984年CCITT提出了ISDN标准，以及当今基于IP的多媒体通信都意味着非语音通信业务在通信中所占据的重要位置。图像通信主要包括如下几种方式：

（1）传真。传真指将文字、图表、照片等静止图像通过光电扫描的方式变成电信号加以传送的设备。CCITT于1980年颁布了三类数字传真国际标准：一类机不进行压缩，4线／毫米，传送一页A4文件需6分钟；二类机采用了频带压缩技术（残留边带传输），4线／毫米，传送一页A4文件需3分钟；三类机在传送前采用了去冗余技术，在电话线上传送一页A4文件需1分钟。四类机是在三类机的基础上发展起来的传真设备，采用了去冗余、纠错码技术，连接Modem以后可以在公用电话网上使用。经过多年发展，传真技术不断进步，目前的分辨率可达16点／毫米以上，传送一幅A4文件仅需数秒。

（2）电视广播。1925年英国实现了单色电视广播，1936年英国BBC正式开始推出电视广播。目前彩色电视主要有三种制式，即美国、日本等国所采用的NTSC制式，中国和西欧、非洲等地区所采用的PAL制式，以及法国、俄罗斯等国所采用的SECAM制式。

（3）图文电视和可视图文。图文电视（teletext）和可视图文（videotext）是提供可视图形文字信息的通信方式。图文电视是单向传送信息，是在电视信号消隐期发送图文信息，用户可用电视机和专用终端收看该信息。可视图文是基于双向工作方式的，用户可用电话向信息中心提出服务内容或从数据库中选择信息。

（4）有线电视。有线电视即CATV，它是采用电缆或光缆传送电视节目的电视技术。1949年，美国安装了全球第一个有线电视系统，1977年采用光缆实现了有线电视。随后，有线电视系统由于其信号稳定性、信号质量和频道数量等方面的特点在全球得到迅速普及。

（5）可视电话和会议电视。自从1964年美国国际博览会首次展出了带宽为1MHz的picture-phone MOD-I可视电话系统以来，可视电话和会议电视系统由于其具有方便和高效等特点而得到广泛应用。目前，可视电话和会议电视均采用数字压缩技术，并采用H.261、H.263、H.230、H.323等相关图像编码和会议电视国际标准。

5. 遥感

1962年国际上才开始正式使用遥感（remote sensing）一词。可以说数字信号处理技术对遥感遥测技术的发展与推动起了非常重要的作用，遥感技术发展的重要事件无不与数字图像处理技术密切相关。1909年意大利人乘飞机拍摄世界上第一张航空照片、1957年苏联和1958年美国发射的第一颗人造地球卫星都采用了大量的数字图像处理技术。此后，美国相继发射多颗陆地资源探测Ⅱ卫星。

在航空遥感和卫星遥感技术中，某些军事大国每天派出很多侦察飞机对地球上的敏感地区进行大量的空中拍摄，对拍摄的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省了人力，又加快了速度，还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。1982年，美国基于LANDSAT-N卫星成功组网定位精度达到±10m级的全球定位系统（global positioning system, GPS）。

2017年11月5日，中国第三代导航卫星顺利升空，标志着我国正式建成北斗全球卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）。这是我国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗全球卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经具备区域导航、定位和授时能力，定位精度小于10m，测速精度为0.2m/s，授时精度为10ns。未来，基于图像处理技术的遥感遥测技术效率及分辨率越来越高，应用越来越普及和深入，在土地测绘、资源勘探、军事侦察、气象监测与预报、林业资源勘测、环境污染监测、农作物估产等方面将得到更广泛的应用。

6. 安全与交通

目前，在安全领域已开始采用图像处理技术与模式识别等方法实现重要场所、特定现场和敏感地点的监控，可以通过采用足迹、指纹识别、人脸识别、虹膜识别等技术实现案件侦破，通过数字图像技术和通信技术实现对交通的管理与调度等。

7. 军事和公安

在军事方面图像处理和识别主要用于：导弹的精确末制导；各种侦察照片的判读；具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；公安业务图片的判读分析，指纹识别，人脸鉴别，不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别都是图像处理技术成功应用的例子。

8. 金融与支付

21世纪是信息化时代，基于互联网、电子商务、在线购物的应用日益普及，金融与电子支付已广泛使用指纹密码、在线身份认证、产品防伪、数字证书、人脸识别甚至虹膜识别等技术，这些无不与图像处理技术密切相关。

9. 视频和多媒体

目前，视频和多媒体系统已广泛应用于电影与电视制作中，许多电视制作人员都能熟练使用图像处理、变形、合成等技术制作各种特技动作。多媒体系统离不开静止图像和动态图像的采集、压缩、处理、存储和传输。

图像处理技术的应用领域已非常广泛，它在社会经济发展、国计民生、国防与国家安全以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。

1.4.2 数字图像处理的发展

始于20世纪60年代现代数字图像处理技术，随着微电子技术发展、计算机运算和处理速度的提升、各种快速算法的出现，已经从最初的航天探测等少数尖端领域向现代文明的各个方向渗透，图像处理技术将向高速、高分辨率、多媒体、智能及标准化方向发展，主要表现在以下几个方面。

1. 高速、高分辨率和高精度

数字图像处理技术在进一步加强理论研究，逐步形成图像处理学科体系的同时，应进一步提高硬件速度，这不仅要提高计算机的速度，以及A/D和D/A的速度和精度；而且应该提高分辨率，主要包括采集分辨率和显示分辨率，着重解决图像处理速度等核心问题，将图像、图形技术相结合，朝着三维成像或多维成像的方向发展。例如，在航天遥感、气象预报的云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。

2. 新理论与新算法

近年来，数字图像处理领域在理论上也有了更新的发展，新的理论和新的算法不断涌现，如Wavelet算法、Morphology算法、Fractal算法、分形几何（Fractal）、数学形态学神经网络算法、遗传算法、卷积神经网络等。其中Fractal算法广泛用于图像处理、图形处理、纹理分析，同时还可以用于数学、物理、生物、神经和音乐等方面，这些理论及建立在其上的算法，将会成为今后图像处理理论与技术的研究热点，并将进一步推动图像处理技术的发展。此外，图像处理技术将加强新算法的研究与加强软件研究相结合，开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法。

3. 与通信技术结合

数字图像处理技术在理论、软件、硬件技术不断发展的同时，其另一个新的发展方向是图像与通信技术的紧密结合。从1865年的传真通信开始，到目前正开始进入应用的可视电话，图像处理与通信技术的结合已经历了一百多年的历程。随着微电子技术、计算机技术，特别是VLSI制造技术、通信数字化技术的迅速发展，图像与通信技术日益融合。会议电视、电视电话、图文电视、可视图文、传真等图像通信方式已应用到各行各业。20世纪90年代初，以H.261（活动图像编码国际标准）以及随后一系列图像编码、图像通信的国际标准先后获得通过为标志，解决了可视技术在通信中的应用这一长期困扰人们的问题，极大地推动了会议电视、电视电话等图像通信方式的国际化和产业化，图像通信开始进入一个高速发展的新阶段。

4. 图像处理的硬件技术

在图像处理技术方面，一个新的趋势是更加重视图像处理的专门硬件芯片的研究，把图像处理的众多功能固化在芯片上，使之更加便于应用。围绕HDTV（高清晰度电视）的研制，开展实时图像处理的理论及技术研究，向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。20世纪80年代后期开始，图像处理的硬件技术也得到了迅速发展，这时不仅能处理二维图像，而且开始进行三维图像的处理。目前，一些图像处理硬件采用流水线结构，可以将JPEG集成到一个芯片上。进入21世纪以来，图像处理技术已逐步渗透到人类生活和社会发展的各个方面。例如近年来蓬勃发展的医学图像处理、多媒体信息处理技术、图像融合技术、虚拟现实技术等，图像在其中均占据了主要地位，文本、图形、动画、视频都要借助于图像处理技术才能充分发挥它们的作用。

5. 图像处理领域的标准化

图像的信息量大、数据量大，因而图像信息的建库、检索和交流是一个重要的问题。就现有的情况看，软件与硬件种类繁多，交流和使用极为不便，成为资源共享的严重障碍。应建立图像信息库，统一存放格式，建立标准，统一检索方法。此外，还应加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如人的视觉特性、心理学特性等方面的研究，如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。

6. 新的应用领域

从JPL实验室开拓性地引入数字图像处理技术到我国北斗全球卫星导航系统以及空间站的建立，都标志着数字图像处理技术为人类的航空航天及军事等尖端领域做出了持续的贡献，与此同时，美国、日本和欧洲一些国家的科技人员又将图像处理技术从空间技术推广到了生物学、医学、光学、陆地卫星、多波段遥感图像分析、人工智能、粒子物理、地质勘探、工业检测及印刷等多种应用领域。特别是进入21世纪以来，关于图像处理方面的研究论著，在质量和数量上都在迅速攀升，技术上的突破不断促进数字图像处理技术向深度和广度发展，图像水印、图像检索等各种新的应用方向不断出现。

数字图像处理理论和技术经过了约50年的快速发展，已不再局限于航空、航天、通信和医学等少数尖端领域，已迅速发展成一门独立的具有强大生命力的学科，并渗透到了科学研究的各个领域、工业生产的众多行业、人类生活的各个方面。随着各种应用需求的不断增加，数字图像处理无论在理论上还是实践上都存在着巨大的潜力，可以预料，数字图像处理技术必将更加迅速地向广度和深度发展。今天，随着科技事业的进步以及人类需求的多样化，多学科的交叉融合已是现代科学发展的突出特色和必然途径，而图像处理学科是一门既与尖端科学紧密相连，又与国计民生密切相关的应用科学，必将产生更多的应用领域和更新的成果。