第1章 绪论
1.1 图像处理的起源
据统计，在人类感知世界的所有信息中，视觉信息占60%，听觉信息占20%，其他信息（如味觉、触觉、嗅觉信息）总计占20%。俗话“百闻不如一见”“一目了然”都反映了图像信息在人类信息感知中的重要作用。
图像处理技术最早应用于遥感和医学领域。1839年世界上出现的第一张照片和1909年意大利人乘飞机拍摄的第一张照片通常被认为是遥感技术的起源，标志着图像处理技术的兴起。在医学领域中，利用图像进行直观诊断可以追溯到1895年X射线的发现。1895年，德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长威尔霍姆·康瑞德·伦琴教授（1845—1923年）在从事阴极射线研究时，偶然发现了X射线，他发现X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓。伦琴教授（图1-1（a））为其夫人拍摄的手部图像如图1-1（b）所示，这是第一张具有历史意义的图像，由于这一发现，伦琴教授获得了1901年诺贝尔物理学奖。
图1-1 伦琴教授和世界上第一张X光图像
数字图像处理的历史可追溯至20世纪20年代。1921年，巴特兰（Bartlane）电缆图像传输系统把横跨大西洋传送一张图像所需要的时间从一个多星期减少到3h。为了用电缆传输图像，首先要进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图像，图1-2（a）就是采用这种方法传送并利用电报打印机通过字符模拟中间色调还原出来的图像。1921年年底，这种打印方法被淘汰，取而代之的是一种基于光学还原的技术，该技术在电报接收端用穿孔纸带打印图像。图1-2（b）是1922年在信号两次穿越大西洋后，从穿孔纸带打印得到的数字图像，它在色调质量和分辨率方面都有明显改进。早期的巴特兰系统可以用5个灰度等级对图像编码，到1929年已增加到15个等级。图1-2（c）就是1929年从伦敦到纽约用15级色调设备通过海底电缆传送的Generals Pershing和Foch的未经修饰的图像。
图1-2 巴特兰电缆图片传输系统
第一台能够进行图像处理的大型计算机出现在20世纪60年代，大型计算机和空间研究项目是数字图像处理技术发展的原动力。1964年，美国加利福尼亚的喷气推进实验室利用计算机对“徘徊者7号”太空飞行器传送的月球图像进行了处理，以校正飞行器上电视摄像机中各种类型的图像畸变，图1-3（a）就是“徘徊者7号”在1964年7月31日上午（东部白天时间）9点09分在光线影响月球表面前约17min时摄取的第一张月球图像，这也是美国航天器取得的第一张月球图像。
2007年11月26日9时40分许，中国国家航天局正式公布“嫦娥一号”卫星传回并制作完成的第一张月面图像，如图1-3（b）所示，该图像位于月表东经83°～57°，南纬70°～54°，图幅宽约280km，长约460km，图中右侧60km宽的条带，是“嫦娥一号”“睁开眼睛”后获得的第一轨景象。该图由“嫦娥一号”卫星搭载的CCD立体相机采用线阵推扫的方式获取，轨道高度约200km，每一轨的月面幅宽60km，像元分辨率120m。从11月20日开始，随着CCD立体相机开机工作，地面应用系统获得第一批原始图像数据，经过对接收的图像数据进行技术处理，并对19轨图像进行拼接，完成了第一张月面图像制作。
2008年11月12日下午，中国正式发布中国首颗月球探测卫星“嫦娥一号”拍摄制作的月球全图，如图1-3（c）所示，这是中国首次月球探测工程全月球影像图，是由“嫦娥一号”卫星CCD立体相机拍摄的589轨影像数据，经辐射校正、几何校正和光度校正后镶嵌而成。“嫦娥一号”卫星飞行轨道为200km高的极轨圆轨道，CCD相机采用线阵推扫方式获取月面图像，图像幅宽60km，空间分辨率120m。图像数据获取于2007年11月20日至2008年7月1日，覆盖西经180°～东经180°，南、北纬90°之间的范围。图幅左边的影像图为正轴等角割35°墨卡托投影，包括南、北纬70°之间的区域，约占全月球表面的94%；图幅右边为月球南北极区影像图，包括南、北纬60°～90°区域，采用等角割70°方位投影。
图1-3 用计算机进行图像处理
在空间应用的同时，数字图像处理技术在20世纪60年代末和70年代初开始应用于医学图像、地球遥感监测和天文学领域。20世纪70年代，计算机轴向断层（CAT，简称计算机断层（CT））是图像处理在医学诊断领域最重要的应用之一。计算机断层是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着病人（或物体），一个带有X射线源和检测器的同心圆绕着病人旋转，X射线通过病人并由位于环上对面的相应检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体“切片”的图像，这些切片组成了物体内部的再现图像，其技术原理如图1-4所示。计算机断层技术是Godfrey N. Hounsfiela和Allan M.Cormack教授分别发明的，他们共同获得1979年度诺贝尔医学奖。
图1-4 计算机断层技术原理
从20世纪60年代至今，尤其是近年来随着大数据、人工智能、互联网+技术的飞速发展，数字图像处理技术已成为信息科学、工程学、统计学、生物学、医学、甚至社会科学等领域中各学科的热门研究对象，是大数据、人工智能、互联网+等新一代信息技术领域中图像、视频、视觉信息处理的基础技术手段，具有重要的研究意义和应用价值。