[科普中国]-数字图像处理系统

简介

数字摄影在完成影像的拍摄任务之后，先要对图像进行修改和加工处理，然后打印或冲印成照片，这一系列的设备构成了数字图像处理系统。数字图像处理系统由图像输入设备（数字照相机、扫描仪、数字摄像机等）、图像处理设备（计算机）和图象输出设备（图像打印机、光盘刻录仪、电视机等）三部分组成。1

图像处理系统的构成是面向对象、面向应用的，但必需包括软件系统与硬件环境两部分。一般来说，按使用对象可以将图像处理系统分为通用图像处理系统和专用图像处理两类。

硬件部分的组成为：①主计算机。按照程序控制，可执行范围广泛的数据处理任务；

②图像阵列处理机及显示设备。具有多种图象存贮、处理和显示功能，可大大提高图像处理速度，方便用户对图象进行交互分析处理；

③大容量存贮设备；

④输入输出设备等。

软件部分由数据输入、图像变换、图像恢复和增强、图像分类、统计分析以及编辑输出等方面的程序组成。系统服务对象有专用于科学研究、产品生产和两者并用3种情况。

组成部分数字图像处理系统主要由三大部分组成：图像输入、图像处理分析和图像输出。2

图像输入图像输入部分，完成获取图像并进行数字输入功能。相关设备包括数码相机、数码摄像机、扫描仪、带照相和摄像功能的手机等。2

要把数字图像交由计算机进行图像处理，首先要将数字图像数据输入到计算机中。输入方式一般有数字图像输入、图片扫描输入、视频图像输入三种。

1.数字图像输入。

数字照相机所拍摄的图像是以数字图像的形式存储在照相机的存储器或可移动动式存储卡中，只要通过电缆连接线把照相机或移动硬盘、存储卡等移动式存储器和计算机连接在一起，图像的数据就可以输入计算机中，并以图像文件的形式存储。从数字照相机输入计算机的信号，即数字图像信号，可以直接由计算机进行加工处理，经过计算机处理的图像，能极大限度地发挥数字摄影的特长。1

数字照相机通过电缆将数据信号传输到计算机中，通常接入方式有两种，串行接口和USB接口。串行电缆的连接方式比较简单，但数据信号的传输速率比较慢；USB电缆接口传输数据信号的速率比较快，因此，数据照相机的连接方式一般都采用后者。另外，摄影者还可以将存储卡从数字照相机中取出，插入读卡器中读出数据后再传给计算机。1

2.图片扫描输入。

建立电子暗房，必须准备的设备就是电子扫描仪，它可以将图片通过扫描方式转换为数字信号。当我们需要将图片、绘画、照片、胶片等图像资料输入计算机中时，必须先将它们转换为数字信号，通常转换的方式有两种，一是用数字照相机拍摄，二是用电子扫描仪扫描。显然电子扫描仪是进行图像数字化转换的最有效的仪器，也是最常用的图像输入设备，它通过对图片的逐点扫描，可以将图片转化为数字图像信号，然后输入计算机中进行图像处理。电子扫描仪可以通过电缆线将数据信号传输到计算机中，接入方式也有两种，串行接口和USB接口。USB接口的扫描仪连接方便、操作简单、传输数据信号的速率快，并且支持热插板，这意味着无需关闭计算机电源就可以加装或卸载各种设备。因此，目前多数电子扫描仪都使用USB接口。1

3.视频图像输入

视频图像输入主要是指将摄像机和录像机中的电视图像信号输入计算机中。通常电视信号有两类，一类是数字摄像机、数字录像机等数字式视频设备输出的信号，这种信号本身就是数字图像处理。另一类是普通电视摄像、录像设备和有视频输入功能的电视机所输出的模拟图像信号，模拟图像信号必须通过计算机专门配置的“视频采集卡”才能输入计算机中，由视频采集电路和模数转换电路将模拟图像信号转换成数字图像信号，再进入计算机进行图像加工处理。一般情况下，输入计算机中的图像信号是每秒钟25幅画面，因此计算机加工处理图像信号的速度是必须考虑的。1

图像处理分析图像处理分析模块，包括计算机、DSP芯片等硬件设备以及通用或专用软件，用来完成各种各样的处理目的。2

图象输出部分图象输出部分，包括显示输出、打印输出，也可以输出到Internet上的其它设备。2

数字图象输出的方式主要有五种，即显示观看、制成胶片（负片或正片）、打印成图片、刻录成光盘，以及远距离传送。1

视频图像显示一般有三种形式，一是直接在计算机上显示，二是通过计算机的电视调谐卡换为视频信号输出到电视机上显示，三是用投影仪投影在屏幕上显示。三种显示方法目的不同，显示的大小也有所不同。1

数字打印机是数字图像的另一种终端设备，通过数字打印出来的图片，类似于传统照片的效果。数字图像是通过打印机在专用的打印纸上打印成图片的，图片的规格大小可以任意设置。1

数字图像处理技术技术层次数字图像处理技术一般有三个层次：图像处理、图像分析以及图像识别理解。

1.图像处理是指对输入图像进行变换，改善图像的视觉效果或增强某些特定信息，是从图像到图像的处理过程。这类处理技术有去燥、增强、锐化、色彩处理、复原等。

2.图像分析是指通过对图像相关目标、内容进行检测和计算，获取某些客观信息，从而建立对图像的描述，以便对图像内容进行识别辨识。图像分析是从图像到非图像（数据或字符）的处理过程，这类的处理技术包括图像分割、图像描述和分析等。

3.图像识别理解是指根据从图像中提取出的数据，利用模式识别的方法和理论，理解图像内容。2

系统的硬件结构不论是通用系统还是专用系统，从硬件结构上说，它们都包括四个必不可少的基本组成部分：图像数字化设备、图像处理设备（计算机）、图像显示设备、图像存储设备。3

图像数字化设备将图像转换成计算机可以处理的数字形式，通常用数字矩阵表示转换结果。

1.图像数字化器的****组成

（1）采样：把图像划分为若干图像元素（像素），并给出它们各自的存储地址；

（2）量化：度量每一像素的灰度，并把连续的度量结果量化为整数；

（3）信息保存：将图像量化结果写入存储设备

为完成这些功能，该设备包含以下五个组成部分：

（1）采样孔（Sampling aperture）；

（2）图像扫描机构；

（3）光传感器；

（4）量化器；

（5）输出存储体。3

2.图像数字化器的****性能

图像数字化的具体形式多样，与成像器件密切相关。虽然各种图像数字化器的组成不同，但是它们的性能按下面几个参数进行比较：

（1）像素大小

（2）图像大小

（3）被测对象的局部特征

（4）线性度

（5）灰度级

（6）噪声3

3.数字照相机

镜头、感光器件（CCD或CMOS）、MPU（微处理器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、PC卡（可移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成。

摄像机

扫描仪

处理设备Apple Macintosh:包括其内置的操作系统软件及用户接口；IBM: PC兼容机使用磁盘操作系统（DOS，Microsoft Windows系列)；图形工作站使用UNIX操作系统，或 X WINDOWS环境；大型计算机系统拥有大量的资源并被许多用户通过远程工作站共享。各系统也通过网络共享资源和数据。输出设备： 图像的显示方式

永久性系统，改变了记录媒体的光吸收特性，留下图像的硬拷贝，如照片、胶片、打印纸等。

暂时显示设备，在图像显示器上留下瞬间的影像，如图像监视器、投影仪等。

图像显示系统最重要的显示特性

图像的大小、光度分辨率和空间分辨率、高低频响应特性和噪声特性。

存储设备（1）用于处理时的短期快速存储计算机内存，另一种是帧存

（2）关系到快速调用的在线存储主要考虑速度，常采用磁盘

（3）大容量的档案存储主要考虑存储容量，一般采用磁带、光盘存储的容量以字节（B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）为单位

处理软件1.Photoshop等图像处理软件没有二次开发功能，不能用于专业领域的应用开发

2.C语言等，包括matlab等。