現代圖像分析（1）

知識來源於：西安電子科技大學 現代圖像分析視頻課程
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什麼是圖像

1. 圖：物體透射或反射光的分佈，是客觀存在的。
2. 像：人對圖的印像或認識，是人的感覺。
3. 圖像：是圖和像的有機結合，既反映物體的客觀存在，又體現人的心理因素；是客觀對象的一種可視化表示，它包含了被描述對象的有關信息。

圖像分類

根據圖像空間座標和幅度（亮度或色彩）的連續性可分爲模擬（連續）圖像和數字圖像。

1. 模擬圖像：空間座標和幅度都連續變化的圖像
2. 數字圖像：空間座標和幅度均用離散的數字表示的圖像

圖像處理

對圖像信息進行加工處理和分析，以滿足人的視覺和心理需要，或者實際應用的需要。以達到：
①改善人的視覺效果；
②爲自動識別打基礎；
③壓縮編碼；

1. 模擬圖像處理（光學處理）：光學透視處理、光學照相等。
   優點：實時性強、速度快、處理信息量大、分辨率高；
   缺點：處理精度低、靈活度差、難有判斷功能。

2. 數字圖像處理：利用計算機對數字圖像進行處理。
   優點：精度高、處理內容豐富、方法易變、靈活度高；
   缺點：處理速度較慢。

3. 光電結合處理：用光學方法完成運算量巨大的處理（如頻譜變換等），用計算機對光學處理結果（如頻譜）進行分析判斷等處理，該方法是前兩種方法的有機結合，它集結了二者的優點。光電結合處理是今後圖像處理的發展方向，也是一個值得關注的研究方向。

圖像的數學表達式

一幅圖像所包含的信息首先表現爲光的強度（intensity）,即一幅圖像可看成是空間各個座標點上光強度$I$的集合，其普遍數學表達式爲：
$I=f(x,y,z,\lambda,t)$
其中（x,y,z）是空間座標，$\lambda$是波長，$t$是時間，$I$是光點(x,y,z)的強度（幅度）。

靜止圖像，與時間$t$無關；單色圖像（灰度圖像），波長$\lambda$爲一常數；平面圖像，則與座標z無關。即在每一種情況下，圖像的表示可省略掉一維。
(1)靜止圖像：$I=f(x,y,z,\lambda)$
(2)灰度圖像；$I=f(x,y,z,t)$
(3)平面圖像：$I=f(x,y,\lambda,t)$
而對於平面上靜止的灰度圖像，其數學表達式可簡化爲：$I=f(x,y)$

其中，運動圖像可用（靜止）圖像序列表示，彩色圖像可分解成三基色圖像，三維圖像可由二維重建。

圖像的特點

1. 空間有界：人的視野有限，一幅圖像的大小也有限。
2. 幅度（強度）有限：即對所有的x,y都有
   $ 0 \leq f(x,y) \leq B_m $ 。其中 $b_m$ 爲有限值。

數字圖像處理的基本步驟

1. 圖像信息的獲取：採用圖像掃描儀等將圖像數字化。
2. 圖像信息的存儲：對獲取的數字圖像，處理過程中的圖像信息以及處理結果存儲在計算機等數字系統中。
3. 計算機數字圖像處理：用數字計算機或數字系統對數字圖像進行的各種處理。
4. 圖像信息的傳輸：要解決的主要問題是傳輸信道和數據量的矛盾問題。
5. 圖像信息的輸出和顯示：用可視化方法進行輸出和顯示。

數字圖像處理的內容和方法

1. 圖像的數字化：將非數字形式的圖像信號通過數字化設備轉化成數字圖像，包括採樣和量化。
2. 圖像變換：對圖像進行變換以便於在頻域對圖像進行更有效的處理。
3. 圖像增強：增強圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲，提高圖像的清晰度，突出圖像中所感興趣的部分。比如直方圖增強處理。
4. 圖像復原：對退化的圖像進行處理，使處理後的圖像僅可能地接近原始（清晰）圖像。
5. 圖像壓縮編碼：對待處理圖像進行壓縮編碼以減少描述圖像的數據量。
6. 圖像分割：根據選定的特徵將圖像劃分成若干個有意義的部分，這些選定的特徵包括圖像的邊緣、區域等。
7. 圖像分析與描述：主要是對已經分割的或正在分割的圖像各部分的屬性及各部分之間的關係進行分析表述。
8. 圖像識別分類：根據從圖像中提取的各目標物的特徵，與目標物固有的特徵進行匹配，識別，以作出對各目標物類屬的判別。

數字圖像處理系統的組成

一個基本的數字圖像處理系統由圖像輸入、圖像存儲、圖像通信、圖像處理和圖像分析五個模塊組成。

1. 數字圖像輸入模塊：也稱圖像採集或圖像數字化，是利用圖像採集設備（數碼相機、數碼攝像機等）來獲取數字圖像，或通過數字化設備（如圖像掃描儀）將要處理的連續圖像轉換成適用於計算機處理的數字圖像。
2. 數字圖像存儲模塊：用於圖像處理和分析的數字圖像存儲器可分爲三類：
   ①處理和分析過程中使用的快速存儲器；
   ②在線或聯機存儲器；
   ③不經常使用的數據庫（檔案庫）存儲器。如計算機內存、硬盤、軟盤、閃存盤、CD光盤、DVD光盤等。
3. 數字圖像輸出模塊：在圖像分析、識別和理解中，一般需要將處理前後的圖像顯示出來，或將處理結果永久保存。前者稱爲軟拷貝或顯示，使用設備包括CRT顯示器、液晶顯示器和投影儀等。後者稱爲硬拷貝，使用設備包括照相機、激光拷貝和打印機等。
4. 數字圖像通信模塊：對圖像數據進行傳輸和通信。由於圖像數據量很大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前必須對錶示圖像信息的數據進行壓縮編碼，以減少圖像數據量。
5. 數字圖像處理和分析模塊：包括處理算法，實現軟件和計算機。

（1）通用圖像處理：適用於功能要求靈活，圖像數據量大，但實時性要求不高的圖像處理和分析算法，也可付之於方便靈活的操作界面。
（2）專用圖像處理系統：對於CT、核磁共振、彩超、機場安檢等專用影像處理，可採用能滿足實際應用的專用計算機和專用圖像處理算法等，來構成專用圖像處理系統。
（3）圖像處理芯片：將許多圖像處理功能集成在一個很小的芯片上，形成專用或通用的圖像處理芯片。

數字圖像處理的主要應用

1. 宇宙探測應用：主要是星體圖片的獲取、傳送和處理。
2. 通信應用：圖像信息傳輸、電視電話、衛星通信、數字電視等。主要是壓縮圖像數據和動態圖像（序列）傳送。
3. 遙感應用：（航空遙感和衛星遙感）地形、地質、資源的勘測，自然災害檢測、預報和調查，環境檢測、調查等。
4. 生物醫學應用：細胞分析、染色體分類、放射圖像處理、血球分類、各種CT、核磁共振圖像分析、DNA顯示分析、顯微圖像處理、癌細胞識別、心臟活動的動態分析、超聲圖像成像、生物進化的圖像分析等。
5. 軍事公安應用：軍事目標的偵測和探測、導彈制導、各種偵查圖像的判讀和識別，雷達、聲納圖像處理、指揮自動化系統等。
6. 在艦、船、飛機等上，觀察系統對感知其周圍的態勢有着非常重要的作用，觀瞄系統一般由CCD攝像機和紅外成像系統組成。
7. 現場實景照片、指紋、足跡的分析與鑑別，人像、印章、手跡的識別與分析，集裝箱內物品的核輻射成像檢測，人隨身攜帶物品的X射線檢查等。
8. 工業生產的應用：將CAD和CAM技術應用於磨具和零件設計和製造、無損探傷、石油氣勘測、紡織物的圖案設計、流水線零件的自動監測識別、郵件自動分揀和包裹的自動分揀識別等。
9. 天氣預報：天氣雲圖測繪、傳輸、氣象衛星的處理和識別等。在圖中可以看到颱風眼。
10. 信息安全：信息隱藏於數字水印，指紋識別、虹膜識別和麪部識別等。
    虹膜識別：虹膜識別是與眼睛有關的生物識別中對人產生較少干擾的技術。它使用相當普通的照相機元件，而且不需要用戶與機器發生接觸。另外，它有能力實現更高的模版匹配性能。因此，它吸引了各種人的注意。在所有生物識別技術中，虹膜識別是當前應用最爲方便和精確的一種。虹膜是由相當複雜的纖維組成的，它的內部結構在出生之前就由隨機組合的方式決定下來。虹膜識別技術是把虹膜的可視特徵轉爲512字節的虹膜代碼。英國的一個國家實驗室（NPL）測試比較了視網膜、虹膜、指紋、掌紋、面部、聲音、手書動力學七種技術。虹膜識別比指紋識別準確1200倍，比面部識別準確12019倍，比聲音識別準確40000倍。聲音識別技術是這七種最低的技術。
11. 公共安全：基於圖像的智能化分析和綜合應用服務是城市公共安全圖像監控系統發展的必然趨勢。城市人口密集、大型羣體活動繁多的現狀，對羣體的異常行爲感知建模並實現異常行爲感知，可以極大提高視頻監控網絡對於羣體性事件的防控能力，對城市化公共安全智能化、信息化管理具有重要的現實意義。