1.1 数字图像处理定义及发展史

1.1.1 什么是数字图像处理

在正确理解数字图像处理之前，我们先了解一下什么是图像和数字图像。

俗语说“眼睛是心灵的窗户”，图像是人类视觉的基础，人类对于世界的认知大部分是依靠图像来获取的。“图”是物体透射或反射光的分布，是客观存在的。“像”是人的视觉系统将图接收在大脑中形成的印象或反映，图像是图和像的有机结合。21世纪是数字化时代，数字图像又称数码图像或数位图像，是用有限的数值像素表示的二维图像，由数组或矩阵表示，其光照位置和强度都是离散的。数字图像是由模拟图像数字化得到的、以像素为基本元素的、可以用数字计算机或数字电路存储和处理的图像。数字的图像化即代表图像的连续（模拟）信号转变为离散（数字）信号的变换过程。数字图像处理，即用计算机对图像进行处理。在自然情况下，图像并不能直接被计算机处理，因为计算机只能处理数字而不是图片，所以在对一张图片进行处理时必须先进行图像数字化，再通过计算机进行处理。

图像处理是指对图像执行一些操作以达到预期效果的过程，可以类比为数据分析工作。在进行数据分析时，人们需要做一些数据预处理和特征工程。图像处理也是一样的。人们通过图像处理来处理图片从而可以从中提取出一些更加有用的特征，可以通过图像处理减少图像噪声，调整图像亮度、颜色或者对比度等。

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，以提高图像的实用性，达到人们所要求的预期结果。

1.1.2 与数字图像处理相关的术语

1.数字图像处理

数字图像处理（Digital Image Processing）是指使用电子计算机对量化的数字图像进行处理，具体地说就是通过对图像进行各种加工来改善图像的质量，是对图像的修改和增强。数字图像处理的输入是从传感器或其他来源获取的原始的数字图像，输出是经过处理后的输出图像。处理的目的可能是使输出图像具有更好的效果，以便于人的观察；也可能是为图像分析和识别做准备，此时的图像处理作为一种预处理步骤，输出图像将进一步供其他图像分析、识别算法使用。

2.机器视觉

机器视觉（Machine Vision）又称计算机视觉（Computer Vision），指通过机器代替人眼来做判断。它将数字图像处理和数字图像分析、图像识别结合起来，试图开发出一种能与人脑的部分机能比拟，能够理解自然景物和环境的系统，在机器人领域中为机器人提供类人视觉的功能。计算机视觉是数字成像领域的尖端方向，具有最综合的内容和最广泛的涵盖面。

它是一项综合技术，包括图像处理、机械工程技术、控制、电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术（图像增强和分析算法、图像卡、I/O卡等）。

3.数字图像识别

数字图像识别（Digital Image Recognition）主要是研究图像中各目标的性质和相互关系，识别出目标对象的类别，从而理解图像的含义。它囊括了使用数字图像处理技术的很多应用项目，例如光学字符识别（OCR）、产品质量检验、人脸识别、自动驾驶、医学图像和地理图像的自动判读理解等。

图像识别是图像分析的延伸，它根据图像分析中得到的相关描述对目标进行归类，输出人们感兴趣的目标类别标号信息。

4.计算机图形学

计算机图形学（Computer Graphics）是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

5.人工智能

人工智能（Artificial Intelligence, AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。人工智能可以模拟人的思维意识以及处理信息的过程，人工智能研究的主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。

1.1.3 数字图像处理的广义与狭义概念

数字图像处理主要分为两个层次：低级图像处理和高级图像处理。

1）低级图像处理：主要对图像进行各种加工以改善图像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。低级图像处理的输入是图像，输出也是图像，即对图像之间进行的变换。

2）高级图像处理：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。高级图像处理进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，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。

广义的数字图像处理是指从图像获取到图像信息输出的全过程，即图像处理系统，包括与计算机应用相关的设备、图像处理相关的方法，以及有效软件的实现、图像处理软件的应用、图像信息在计算机中的表示、图像数据库及检索、图像信息应用等。

狭义的数字图像处理仅指其中对图像信息进行处理，对输入图像进行某种变换得到输出图像，是一种图像到图像的过程。它是底层操作，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。