[科普中国]-图像处理设备

基本概念

图像处理设备的硬件的发展大致分为这样几个阶段：晶体管、IC、LSI、VLSI。七五年以后的硬件结构方式逐渐转为并行处理和流水线处理，其主要目的是用来提高处理速度。数字图像处理(Digital Image Processing)将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理，起源于20世纪20年代，目前己广泛地应用于科学研究、工农业生产、生物医学工程、航空航天等领域。

图像处理设备的发展六十年代初，开始出现了光学文字读入装置OCR。当时的OCR在组装上是使用晶体管和电阻、电容等分立元件，这样的分立元件在32开本书那么大的印刷线路板上，只能装几个触发器。即使只装15x15的2进制移位寄存器，其整机大约也要100—200块这样的印刷线路板。虽然它受到了当时的硬件规模的限制，并且是以文字识别为目的，没有完全明确是否用于图像处理，但在3x3、5x5象素的存贮以及处理方面所构成的主体思想。这对以后的图像处理技术的发展却有很大的影响。

七十年代初期，不同结构的图像处理系统涌现出来。这些系统是在IC、LSI技术制造出的存贮器、触发器、运算器等大规模高速化的器件的推动下而产生的。在这一期间除了标准泛用计算机之外，还出现了数组处理机( Array Processor)，进行高速数据处理。虽说它是以处理石油探查等物理探矿信号为主而开发的，但在其他的信号处理、向量计算等运算上产生了巨大的效果。Floating Point公司的AP-120B，日本宇宙开发事业团的地球观测中心的LANDSAT信息接收处理机，以及NASA/IPL（喷气推进研究所）的雷达图像再生处理装置等，都是这一时期的产物。

七十年代中期以来，各种各样的图像处理系统，如雨后春笋一般被开发出来。这种开发是以半导体器件为中心的器件的发展以及组装方法的改进为背景的。这个时期，不汉图像处理的方法被编写成教科书，而且对其具体程序的编辑工作也已进行。

对七十年代的图像处理以及与其相关联的其他的信息处理具有总结性的系统，要数在日本通产省主持下的大型计划中实现的PIPS。PIPS在系统的规模、处理的多样性、复杂性等方面，可以说是包含七十年代的图像处理、声音识别、模式识别等的“集合”体，在世界上也是无以类比的。

从工程的角度来看，近年来图像处理设备发展的主要标志是：

(1)处理速度提高，处理时间缩短；

(2)人一机之间的相互作用性提高；

(3)图像存贮器的大容量化与高性能化；

(4)处理的灵活性提高；

(5)并行化的高速处理方式的实现；

(6价格降低。

图像处理设备的硬件结构图像处理设备的硬件的发展大致分为这样几个阶段：晶体管、IC、LSI、VLSI。七五年以后的硬件结钩方式逐渐转为并行处理和流水线处理，其主要目的是用来提高处理速度。在高速化方而，有代表性的技术进步是：

(1)元件、设备的高速化；

(2)高速算法的开发；

(3)有了高速化硬件结构的处理系统(流水线、并行、存贮器与设备之间的高速数批传送)。

并行处理方式将多个数据同时处理以提高整体速度的并行处理方法，用于图像数据处理，我们都会自然而然的想到。并行处理的思想从Unger machine中就可找出。虽然看上去并非什么新东西，然而在某种程度上讲，实现这样的硬件结构，也只是最近的事情。Unger machine是由格状的四面联结的基本处理群(PE)和与通用命令的控制部构成。在以前，由于硬件的限制，其主要部分还是采用局部并行型。局部并行是对某一适当的区域内的图像数据有并行存取数据的能力或并行处理回路，由区域的大小来决定处理能力。目前在己经开发了的系统中，有代表性的是，瑞典Linkoeping大学的PPM(Parallel Picture Processing Machine )，日本东芝公司的PPP(Design of Local Parallel Pattrn Processor for Image Processing)。对于更进一步提高处理速度的完全并行方式，是将一帧的所有象素用相同的运算模块同时进行处理。但由于这种设备要有极大规模的硬件系统以及经济方面的制约，所以在今后要想实用、普及还有相当大的困难。

流水线方式流水线方式广泛地应用于信号处理、向量运算、图像处理等方面，在高速化处理具有相同性质的大量数据是十分有效的。它是将一系列处理动作分成更为细致的处理步骤，对于一单个数据，虽然需要较长的时间，但可大大缩短大批量数据同时处理的时间。这种方法以高速化元件为背景，较全面地考虑了系统的高速化，被称为SuperWay Computer的CRAY设备的机器周期为12.5ns，进行加法、乘法等运算时，据有80MFLOPS的高速度。

随着流水线方式的发展，人们开始在提高其灵活性上下功夫，就是说在处理内容变更的情况下，能容易地变化成另一种流水线方式。有代表性的是CDC公司的AFP。由于灵活性加大，有些设备已由流水线方式中脱出，成为变异型。NEC公司的TIP，是以流水线方式为基础，而处理单元是根据数据的到来而启动的，这就使在数据处理过程中可以跳过一些不必要的处理区和控制区。目前研制的处理机多数是采用并行处理与流水线处理相结合的方式，两者之间用以取长补短，提高设备的速度和灵活性1。

图像处理技术的应用及发展在过去的十几年中，随着LSI、YLSI技术的发展，成像技术应用的不断扩大，数字计算机和有关信号处理技术在规模、速度以及经济效果上的改进，使图像处理技术日趋成熟。它广泛地应用于宇宙飞船摄取的图像的处理，从遥感图片中识别农作物、森林、湖泊和军事设施，数字传输载波电视电话，医用X线、超声成像，智能机器人的视觉系统，交通管理，邮政自动分函等各个领域。图像处理在一、二十年之中能以如此之快的速度发展成为现代社会所不可缺少的一种应用技术，其中的关键在于硬件的集成化、高速化和经济化，以及成像设备、存贮设备气输入输出设备的高度完善。

目前，图像处理的主要应用国和应用领域是美国的宇航‘图像处理和日本的机器人视觉系统。注意这两个有代表性的领域，便可知现代图像处理设备和技术发展的前沿。最近，国外又在积极研究超声、X线断层图像的三维成像。它可用于对人体器官的精密、细致的观察和诊断，以及运动器官的定位。在今天，图像处理已经开始渗透到人类生活的各个领域。随着自动化工厂、自动化办公室、自动化家庭的不断发展，它必将成为无所不在的一项应用技术。

数字图像处理(Digital Image Processing)将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理，起源于20世纪20年代，目前己广泛地应用于科学研究、工农业生产、生物医学工程、航空航天、军事、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，己成为一门引人注目、前景远大的新型学科，发挥着越来越大的作用。数字图像处理作为一门学科形成于20世纪60年代初期，早期的图像处理的目的是改善图像的质量，以人为对象，以改善人的视觉效果为目的，首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室（JPL），并对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图，随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行了更为复杂的图像处理，以致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。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果，1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置即CT (Computer Tomograph)。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像.1979年这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖，说明它对人类作出了划时代的贡献。随着图像处理技术的深入发展，从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展.人们己开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界.很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论，这个理论成为计算机视觉领域其后多年的主导思想。图像理解虽然在理论方法研究上己取得不小的进展，但它本身是一个比较难的研究领域，存在不少困难，因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少，因此计算机视觉是一个有待人们进一步探索的新领域。正因为如此，图像处理理论和技术受到各界的广泛重视，当前图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法，构造新的处理系统，开拓更广泛的应用领域2。