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1、Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 前言前言 對於數位影像處理方法的興趣來自於兩個主要領域 1 改善影像資訊供人理解之用 2 處理影像資料供自動機器感知所需的儲存,傳輸與表 示 1 緒 論Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 本章幾個目標本章幾個目標定義我們所稱影像處理的領域範圍從歷史的觀點來看此領域的起源藉有檢視一
2、些主要的應用領域瞭解影像處理的最新發展簡要的討論用在數位影像處理上的方法瀏覽典型的通用影像處理系統的組成部分提供何處有與影像處理相關書籍Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.1 什麼是數位影像處理?一個影像可被定義是一個二維函數 ,其中 和 是空間(spatial)(平面)座標,在任意一對座標軸 ,的大小稱為這副影像在該點的強度(intensity)或 灰階(gray level).當 與 的大小值都是有限的離散量時,稱之為數位影像(digital i
3、mage).Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 數位影像處理(digital image processing)的領域是藉由數位電腦處理數位影像.數位影像是由有限個元素組成而每個元素有特定的位置及數值,這些元素稱為 照片元素(picture element)、影像元素(image element)、點(pel)或 像素(pixel).Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd
4、2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.2 數位影像處理的起源影像處理第一個應用是在報紙業,從倫敦到紐約透過海底電纜傳送圖片.1920年初,巴特蘭電纜圖片傳輸系統的誕生,傳送一張圖片跨越大西洋從一個星期到3個小時以內.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1921年放棄之前的方法,傾向於一種在電報接收終端機上穿孔的那種照相重製技術.如 圖1.2 和圖1.1 已有明顯改善.Digital Image Processing,2nd ed.D
5、igital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1929年增加到15個準位灰階度對影像編碼.如圖1.3.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1960年初期電腦第一次擁有足夠的能力可以去實現有意義的影像處理.1964年噴射推進實驗室(加州的巴賽迪納)開始用電腦技術改善太空探測器所獲的影像如圖1.4.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Pr
6、ocessing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1960年代末到1970年代初數位影像處理技術同步用於太空應用,醫學影像,遠距地球資源的觀察以及天文學上.1970年代的電腦斷層掃描(CT),這是醫學診斷應用重大事件之一.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3 數位影像處理領域的使用例子對於影像處理應用的程度發展基本了解的最簡單方法之一是依照來源,例如視覺的X光,來分類影像.現今使用的主要影像能量的來源是電磁能光譜.其
7、他重要的能量來源包括聲學.超音波以及電子式的能量(以電子束型式在電子顯微鏡中).Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 根據EM光譜放射的影像是最常見的,尤其是X光和視覺波段影像.電磁波可以想像成傳導波長一直變化的正弦波,或是無質量的粒子流,每一粒子以光速前進,每一粒子帶有能量,每一束能量稱為光子(photon),EM光譜波段是不可區分的,而是平滑的.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processi
8、ng,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.1 Gamma 射線影像Gamma 射線主要使用在核子醫學和天文學的觀察.這種影像可以用來顯示全身骨骼症狀或腫瘤位置.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.2 X 光影像X光是EM 放射中最早被使
9、用於影像的來源.X光最有名是被使用於醫學診斷,如圖1.7(a)顯示一常見的胸部X光影像,他是藉由病人放置在X光源處和對X光能量敏感的膠捲之間所產生的.在數位放射照相技術中,產生數位影像的方法有二:(1)將X光膠捲數位化.(2)將穿過病人的X光照射到可以直接將X光轉換成 光的裝置.增強對比的放射照相技術中,血管學是另一個主要應用.產生的主要影像稱為血管圖(angiogram).Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.3 紫外光頻帶影像紫外光的應用很多,
10、包括 平版印刷技術、工業檢視、顯微鏡、雷射、生物影像以及天文的觀察.紫外光本身是看不見的,不過紫外光的光子碰撞到螢光材料原子中的電子,會將電子的能階提高,隨後電子會降到低能階,並以低能階型式放出可見光.圖1.8(a)圖1.8(b)是一幅典型的螢光顯微鏡影像.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.4 可見光與紅外光頻帶的影像電磁光譜的可見光帶是我們生活中最熟悉的,其應用範圍遠超過其他頻帶.光顯微鏡的幾個例子圖1.9.遙測,他通常包括可見光帶與紅外光帶
11、光譜中的幾個光帶.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods TABLE 1.1是NASA的LANDSAT衛星上所謂的熱感頻帶,LANDSAT 主要從太空中取得與傳送地球的影像,目的監測地球上環境狀況.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods Digital Image Processing,2nd ed.Digital Ima
12、ge Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 氣象觀察與預測也是衛星上的多光譜的主要應用,如圖1.11,是由國家海洋與大氣管理局衛星用可見光及紅外光頻帶所拍得的颱風影像.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 圖1.12與圖1.13是紅外光影像的一種應用,這些影像是世界夜間照明資料庫的一部份由NOAA DMSP(國防大氣衛星計畫)上衛星的紅外線攝影系統產生.可見光譜的一個主要影像應用領域是製造產品的自動檢視.如圖
13、1.4.可見光光譜的最後一例子,圖1.15.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.5 微波頻帶的影像微波頻帶影像主要應用是雷達,影像雷達獨特之處是在於不管天候或週遭光線條件如何,可以越過任何區域收集資料.有的雷達波甚至可以穿越雲層、植物、冰層.雷達用天線與數位電腦處理來記錄影像,以取代相機的鏡頭,在依幅雷達影像中,只能看到反射回雷達天線的微波能量.圖1.16 是一幅由太空雷達傳回涵蓋西藏東南方崎嶇山區的影像,這幅影像沒有受到雲層及其他大氣條件的阻礙
14、.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.6 無線電波的影像在醫學上,無線電波用於磁共振成像(MRI),MRI 可以在任何平面產生圖像,圖1.17是膝蓋骨與脊椎骨.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 圖1.18 右邊顯示一幅由無線電波頻帶呈現的巨蟹座星雲的影像,以及其他頻帶所取的相同區域的影像,看起來完全不同的
15、景象.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.3.7 使用其他影像形式的例子雖然在電磁光譜的成像是主要的,不過有一些其他形式的成像方式,也很重要.如聲學成像、電子顯微鏡、以及合成(電腦產生)的影像.在地質學的應用上,採用聲音頻譜的低波段(數百赫茲),其他領域的成像則是用礦物質(數百萬赫茲).數位影像在地質學上最重要的商業應用是礦物和石油的探勘.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing
16、,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 圖1.19是一幅知名的 3-D 模型剖面影像,以測試地質成像演算法的效能.箭頭指向碳氫化合物(石油/天然氣)火山岩.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 在醫學上,我們利用超音波攝影技術來對尚未,出生的嬰兒來取像判斷,他們是否健康,及性別.圖1.20超音波是由以下基本程序所產生:1.超音波系統傳導高頻率(1-5M Hz)的聲音脈波進入身體.2.進入身體後碰撞組織間的邊界,一些音波被反射回探棒
17、,另一些則移動到更遠處,一直到另一個邊界後反射.3.反射波由探棒收集並傳回電腦4.使用音波在組織中的速度(1540m/s)以及每一反射波回來 的時間,由電腦計算距離.5.系統在螢幕上顯示,反射波的距離及強度,形成一幅二維 的影像.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 傳送式電子顯微鏡(TEM)的工作原理與幻燈機類似,幻燈機發出放射光束穿過幻燈片,受幻燈片影響光束在投射到螢幕上,只是TEM是用電子束穿過樣本,得到一幅影像.電子顯微鏡有能力產生非常高的倍率.如
18、圖1.21,顯示由熱過載所產生之樣本損壞的兩幅SEM影像.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 方格(tiling)是產生碎形的簡單方法之一,而一個方形又可分成四個小方形,一直細分下去,因為根據某種規則依數學公式將子影像元素 成長,所以碎形影像傾向於有藝術性,圖1.22(c),1.22(d)顯示電腦生成影像的例子.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Go
19、nzalez&R.E.Woods 1.4 數位影像處理的基本步驟Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 影像擷取影像擷取(image acquisition)是第一個程序這階段包含預處理,例如調整大小.影像加強影像加強(image enhancement)是數位影像中最間單也最吸引人的.影像復原影像復原(image restoration)是在討論改善一影像外觀的一個領域.彩色影像處理彩色影像處理(color image processing)是再重要性上一
20、直加強的領域.小波小波(wavelet)是以不同程度的解析度描繪影像的基礎.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 壓縮壓縮(compression)討論減少儲存一影像所需的儲存量或傳送所需的寬頻技術.型態上的處理型態上的處理(morphological processing)討論抽取在形狀的表示和描述有用之影像成分的工具.分割程序分割程序(segmentation)將影像分割成他的組成部份或物體自動分割是數位影像最難的之一,一般越精確的分割,辨識就越成功.
21、表示與描述表示與描述(representation and description)幾乎都是在分割階段的輸出之後,通常是輸出原始的像素資料,它構成一個區域的邊界(亦就分離兩個影像區域之像素的集合)或在該區域內的所有點.將這些資料轉換成適合電腦處理的形式.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 辨識辨識(recognition)是根據所提供的資料對一個物體指定一個標記,的過程.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Im
22、age Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.5 影像處理系統的組成單位Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 圖1.24 顯示以典型的通用系統供數位影像處理用的基本組成單元.感測感測(sensing)要獲得數位影像需要兩個要素,第1是對希望獲得影像的物體所放射的能量敏感的物理裝置.第2是數位化器(digitizer)將物理裝置的輸出轉換成數位形式的裝置.影像處理系統上的電腦電腦(computer)是一班用
23、途的電腦,它範圍可以從個人電腦到超級電腦.影像處理的軟體軟體(software)是由特殊工作的模板所組成大量的儲存大量的儲存(mass storage)能力在影像處理應用上是必要的.Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 畫面緩衝器(frame buffer)通常被置於特殊影像處理單元特殊影像處理單元,他幾乎是即時的影像縮放、捲動和平掃.影像顯示現今多半是彩色的顯示器.紀錄影像的硬拷貝裝置包括雷射印表機、軟片照相機、熱感裝置等Digital Image Pr
24、ocessing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 結束Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.7Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.8Digital Image Processing,2nd ed.Digital I
25、mage Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.9Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.12Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.13Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 20
26、02 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.14Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 圖1.15Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 圖1.16Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.20Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.21Digital Image Processing,2nd ed.Digital Image Processing,2nd 2002 R.C.Gonzalez&R.E.Woods 1.22