1.1 数字图像处理的产生

21世纪是一个智能信息的时代，大数据研究表明，人们日常生活中所接收的信息总量，80%左右来源于图像信息，从这一角度看，“百闻不如一见”正是图像处理重要性的形象表达和经验总结。因此，图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段，是人类感知和认识世界的基础。

图像处理技术的早期应用较为单一，图像处理的目的是改善和提高图像质量，即主要考虑以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。在图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像。常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。现代数字图像处理技术始于20世纪60年代，它受益于微电子技术的快速发展、计算机运算速度的迅速提升和快速算法的出现，从而使得图像处理算法可以在计算机上真正实现。这一时期，美国NASA开始处理飞船从月球发回的照片，标志着数字图像处理技术开始在军事和尖端科技行业得到实际应用。

首次大规模成功应用图像处理技术的是美国喷气推进实验室（JPL）。1964年，美国JPL实验室在图像处理的研究和应用方面进行了开拓性的工作。图像处理工程师利用“徘徊者7号”发回的数千张月球照片，使用计算机及图像处理设备，在充分考虑了太阳位置和月球环境对照片影响的基础上，采用灰度变换、去噪声、几何校正、傅里叶变换以及二维线性滤波等方法对图片进行处理，由计算机第一次绘制了月球表面地图。随后，1965年又对“徘徊者8号”发回的几万张照片进行解卷积和消除运动模糊等较为复杂的处理，使图像质量进一步提高，由计算机成功地绘制出月球表面地图。后来又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理，获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，为人类登月创举奠定了坚实的基础，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。从此，数字图像处理被广泛应用于航空、航天以及遥感遥测等尖端领域并发挥着越来越重要的作用。

在我国，图像处理技术给人们带来巨大的震撼也常发生在航天领域。虽然我国航天技术一直走在世界前列，但一直在低调中奋进，2013年6月11日“神舟十号”飞船成功发射，2017年4月20日“天舟一号”货运飞船在文昌航天发射中心由长征七号遥二运载火箭成功发射升空。正是数字图像处理技术，使人们近距离感触到了我国航天技术的先进水平，即便人们足不出户，也可以详细地观看到航天员杨利伟、聂海胜、张晓光、王亚平、刘洋在“神舟”系列、“天舟”系列飞船上进行太空探索和科学试验活动。

数字图像处理技术的另一个重要应用是医学领域。1972年，英国EMI的工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，即通常所说的CT（computer tomograph）。CT的基础方法是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1975年，EMI又成功研制出全身用的CT装置，可获得人体各个部位清晰的断层图像。由于图像处理技术这一应用的重大意义，这一无损伤诊断技术的英国研究者Housfield和美国研究人员Commack获得了1979年诺贝尔奖，这说明图像处理技术对人类做出了划时代的贡献。

美国在卫星遥感、军事、气象等领域开始广泛应用数字图像处理技术，快速推动了数字图像处理技术的发展，而这一时期，也正是全球微电子技术走上快速发展的初期，包括CPU处理器、海量存储器、图像数字化和图像显示以及计算机硬件设备不断降价，客观上推动了该技术的发展和深入应用。也正是这一时期，美国开始将图像处理技术从军事领域扩展应用到了工业和民用领域，开始利用卫星云图进行天气预报，并利用卫星遥感监测全球气候，在公众安全领域开始使用指纹识别、人脸识别技术，数字图像处理技术为美国社会带来了巨大的经济和社会效益。

借助于信息技术和图像处理技术的领先优势，20世纪90年代，美国提出了“数字地球”的概念。显然，图像是构成“数字地球”的信息基础，不同的遥感平台提供的多源遥感图像为数字地球这一概念提供了基础信息支撑。今天，数字图像处理技术已经应用到科学研究的众多领域，数字图像处理技术对科学研究、国民经济甚至人类社会的发展具有深远的意义。

首先，图像处理技术是人类视觉延伸的重要手段。数字图像处理技术从宏观上扩展了人类视觉可触及的距离。2017年4月27日，我国“天舟一号”货运飞船实现了与“天宫二号”的首次推进剂在轨补加试验，借助于图像处理与通信技术，人们坐在家中就能观看到这一尖端科技壮举，看到了我国航天事业的巨大成就。

其次，数字图像处理技术拓宽了人类获取信息的渠道和窗口。对于人眼来说是模糊的或者不可见的图像，通过图像增强技术或其他处理方法，可以使模糊图像变得清晰明亮，使不可见图像变为视觉可见图像。人类视觉系统只能看到电磁波谱中很窄范围的可见光部分，紫外波段、红外波段和微波等波段对人眼都是不可见的，但以现阶段的科技水平，却可以利用红外、微波等波段的信息进行数字成像，通过数字图像处理技术将不可见的波谱信息变为可见图像信息。现代医学也正是利用了数字图像处理技术，将不可见的X射线进行成像。遥感遥测技术也是非常典型的例子，陆地卫星的TM多光谱图像就充分利用了波长为0.78～0.94μm的近红外波段来探测植被信息和生长情况，获取植被宏观信息；利用波长为10.4～12.5μm的热红外波段可监测地表大气层的热源污染情况，无论是近红外波段还是热红外波段，都是不可见波谱信息。

数字图像处理技术可以提高人类对信息的识别精度和识别能力。通过数字图像处理技术，可以将人眼无法识别的图像进行识别和分类处理。指纹识别是一个典型的例子，人眼很难区分识别不同个体的指纹，而计算机通过图像识别技术却可以快速准确地检索、匹配和识别数十亿级别的不同个体的指纹。

此外，数字图像处理技术可以帮助人们更加客观、准确、快速地了解世界和认识世界。人类的视觉系统可以帮助人类从外界获得80%左右的信息，而图像、图形是表示和传递信息的最佳载体。现阶段，绝大多数人都没有登上过月球，但通过“嫦娥三号”月球探测器以及“玉兔号”月球车从月球传回的高清晰月球图像，人们能准确地了解了月球的概貌。

今天，数字图像处理技术已经广泛、深入地应用于国民经济的各个领域。在医学和生物工程领域，X射线、CT、核磁共振等技术已经广泛用于临床诊断；在军事、航天和国土资源监测领域，卫星遥感图像技术已广泛应用于情报获取以及所有与地球资源相关的矿产勘探、资源监测、水土流失等方面的监测；在公共安全领域，指纹识别、人脸识别、虹膜识别技术已得到广泛的应用，数字安保系统已经在联合国及奥运会等各种重要场所发挥着不可替代的重要作用。