1.6　图像处理技术的应用

在计算机信息处理中，图像信息处理占有十分重要的地位。各种各样的成像技术，如电视摄像、数码相机、扫描仪、红外、X射线、超声、伽马成像，它们的图像包含着大量的信息，计算机对这些信息进行各种加工处理，由此形成了不同领域、不同类别的实际应用。图像处理技术的应用非常广泛，本节所介绍的应用也还只是挂一漏万。近年来，就其技术难度、社会效益和经济效益而言，在国内影响较大的当属文字识别、指纹识别、人脸识别以及医学图像处理。图像处理技术就其本身的内容来讲，包括图像识别、图像编辑、图像增强和复原、图像变换、图像量测、图像压缩和传输、序列图像处理以及高速图像处理等大类，内容也十分广泛。在一个应用中，往往综合使用多种图像处理技术，由此取得实际的应用效果。

图像处理技术的广泛应用归功于微机的普及应用、半导体器件的飞跃发展、图像处理技术本身的进步，以及广大科技人员和商业人员的辛勤劳动。随着科技的进步和器件水平的进一步提高以及图像学科理论的进一步发展，图像处理技术的应用将更加广泛，达到更高的水平。

1.6.1　图像处理技术在医学中的应用

图像处理技术在医学上的应用十分广泛，超声诊断仪、X-CT、放射性同位素扫描以及核磁共振成像是现代医学的四大影像技术，广泛应用于医学临床。在数量上，超声诊断仪居于首位，包括扇形B超、线阵B超、彩色多普勒等，种类很多。这些系统通过有规律地发射超声波，再接收从人体反射回来的声信号，形成超声图像。这种医疗设备具有对人体无损伤、灵敏度高、重复性好、易于鉴别软组织等优点，而且价格较低，因此发展很快。计算机层析扫描（X-CT）是以多个X射线的投影来获得穿过人体内部的X射线密度值，由此来形成人体截面图像并重建出人体内部的立体图像。历史上，美国的Hounsfield在1971年安装了第一台脑CT, 1979年获得诺贝尔奖，其影响是很大的。配接X光机的图像处理系统可进行导管定标、血管造影及血管动态分析。通过对X光图像的处理，关节等细节不再难以分辨，人体内的胆结石也可以清楚地显示在显示屏上。伽马照相机也是医学图像处理的一个应用，首先在人体内注入放射性元素，再由探测器接收由人体内发射出来的伽马粒子，以同一位置粒子的累加数作为该位置的灰度值，由此形成伽马图像，再通过图像处理来诊断人体各个器官的功能，这种系统尤其适用于心脏功能的检查。在显微镜上配上图像处理系统，就构成了一个基本的显微医学图像处理系统，其中，白细胞和红细胞自动计数机、血液病诊断仪、染色体分析系统都已经成功地应用于临床诊断上。

1.6.2　图像处理技术在军事上的应用

在现代战争里，不可缺少图像处理技术。来自卫星的图像用于军事侦察，以地形匹配实现的精确轰炸，以相关运算实现的动目标跟踪等，其中，除了对算法本身有很高的要求以外，其图像处理的速度也是至关重要的。对于温度敏感的红外图像，军事部门是高度重视的，其应用也是多种多样的。1984年6月美国进行了导弹拦截试验，从夸贾林岛试验基地发射的光学制导拦截导弹，在太平洋上空拦截和摧毁了从南加利福尼亚范登堡空军基地发射的“民兵”1号洲际导弹的假弹头。安装在拦截导弹上的长波红外线传感器在第二级助推火箭点燃后开始工作，借助于两台计算机，数据处理的速度大约是18MIPS。“爱国者”PAC-3型导弹是美国研制的近程地对空导弹，1983年开始性能设计，1997年9月完成了飞行试验，1999年3月15日进行第1次作战试验，首次拦截了“赫拉”目标火箭并于1999年9月16日在新墨西哥州的白沙导弹靶场进行了第2次作战试验，该导弹拦截了高速“赫拉”目标火箭。有关拦截试验的报道屡见不鲜，其中，高速图像处理技术发挥了突出的作用。同样，地对地、空对空、舰对舰、地对空、空对地等军事目标的跟踪都需要高速图像处理技术。这类系统的难度在于目标的高速运动、实际场景的目标和背景变化很大以及存在大量的人为干扰，这类应用是智能化高速图像处理的典型应用。

1.6.3　图像处理技术在工业中的应用

图像处理技术在工业自动化方面的应用也相当广泛。利用图像处理技术，可以进行器件的内部结构分析、失效分析和可靠性筛选。在制造钽电容的过程中，人眼直接看不到钽电容的内部结构，而依靠图像处理技术，就可以清楚地再现钽电容的内部图，内部断焊、阻焊的缺陷也便于诊断了。在毛纺厂，采用图像处理技术，不但可以检测出纺织品中存在的孔洞等方面的明显疵点，还可以检测出其在纹理、图案方面的缺陷。利用高速图像处理技术，可以在秒量级甚至在更短的时间内对流水线上的零部件进行检测。利用图像压缩传输技术，可以把一个火车事故现场即时地显示在远方指挥中心的显示屏上，这对于提高排除故障的速度是很有效的。诸如这样的应用还有很多，像工厂、矿山、银行，甚至超级市场的监控，利用网络，可以把本地的图像信息传送到异地。工业部门广泛使用机器人，其中视觉机器人（也称智能机器人）用于解决三维空间里的景物识别问题，由此产生相应的行走、抓举等动作。在当前业界倍受关注的自主机器人中，其图像处理技术也是至关重要的。我们曾经看到过智能汽车缓慢行驶的场面，其中，图像处理与识别的速度是一个瓶颈，随着并行处理技术的发展，现在的智能汽车行驶的速度已经相当快了。

啤酒瓶的爆炸事件时有发生，因此，啤酒瓶的安全检测是啤酒制造厂生产过程中的一项重要任务。由于啤酒生产流水线的速率快，动态地对啤酒瓶的缺陷进行检测难度很大，特别是对瓶口微裂纹的检测，检测的难度也就更大。早期的检测采用旋转加接触式的方法，即检测器带动啤酒瓶旋转，这种方式的缺点是设备的磨损较大且流水线机械装置的设计比较复杂。现在的发展趋势是无旋转无接触，瓶口微裂纹的检测是360°的检测。

厚模电路是多层的，检测工作的流程是分层检测，从最底层开始，向上一层一层地进行检测。由于检测精度较高，所以在摄像机前配有显微镜，每一层按行列地址分成多个数据块，微机控制十字拖板，逐块地顺序进行检测。该检测分底色补偿、边缘提取和标准图像进行比较等模块，可达到120幅/min的检测速度。印制电路板的检测方法和厚模电路的检测方法类似，这类缺陷检测的速度并不要求达到视频实时，原因在于十字拖板的运动较慢。因此，图像并行处理的作用只是有限地提高处理速度，以适应十字拖板的运动速率。类似的，轧钢厂的钢板在线检测，由于所检测的钢板较宽，为了保证检测精度，往往要采用多台摄像机同时对钢板的不同位置进行检测。例如，一种应用系统采用4台摄像机，一字形地排列成一排，并行地对运动钢板的表面进行缺陷检测。

1.6.4　图像处理技术在公共安全中的应用

图像处理技术在公共安全方面的应用是多方面的，指纹识别、人脸识别、DNA识别是公安部门最基本的三项身份识别的技术。提取现场指纹特征，再和指纹库里的指纹进行比对，以便提供破案的线索。目前，指纹识别系统在实际应用中破获了大量案件，已成为公安刑侦工作的必备装备。指纹不仅可用于刑事案件的侦破，甚至还可作为司法部门的呈堂证据。指纹密码、指纹印鉴已广泛应用于银行业，指纹识别也可用于出入海关的身份认证。用模拟画像来协助破案古而有之，随着科学技术的进步而出现了计算机人像组合技术。这种技术是根据目击者的描述，由计算机用不同的人脸部件（脸形、眼睛、嘴巴、头发等）来组合出嫌疑人的人脸进而协助破案。随着网络和数据库技术的发展，利用由目击者的记忆组合出的嫌疑人人脸，可以实现本地的查询识别，也可以实现异地的查询识别。指纹破案和人像组合破案属于技术型破案，已为许多公安部门所重视。清华大学和北京大学分别独立研制的指纹识别系统以及清华大学研制的计算机人像组合系统都已成功地用于公安刑侦，都有很多成功破案的实例。2001年美国“9·11”恐怖袭击事件之后，人脸识别技术得到了空前的发展，目前已成为科技热点和应用热点。值得一提的是，人脸识别技术已于2008年成功应用于北京奥运会，这是奥运史上第一次应用人脸识别技术，被媒体誉为人脸识别应用的里程碑，大大推动了人脸识别技术的发展。

在旅游景点，一位旅客在拍照时偶然拍到了一个突发的犯罪现场，由于焦距不对，罪犯的相貌不太清楚，这就需要图像复原技术来对该图像进行复原处理。指纹、文字和一些其他的痕迹，也时常有模糊不清的，因此也需要进行去模糊处理。某人在银行里的存款被人冒领，而用录像机记录的冒领人的人脸图像尺寸很小（12×9像素），人眼无法分辨人脸特征。类似的情况也发生在许多监控的场合里，特别需要对超低分辨率的车牌和人脸图像进行清楚化处理。继2004年英国伦敦地铁爆炸案之后，视频监控得到了迅速发展。同时也出现了许多涉案的超低分辨率的车牌和人脸图像，发生在2009年的重庆“3·19”枪击哨兵案就是典型的实例。对于这一难题，目前的做法是采用超分辨率重建技术、模糊图像复原、三维人脸技术、人像组合与人脸识别技术，人脸超分辨重建技术也是一个重要的发展方向。

一位领导干部在晋升职务公示期，却遭到绯闻照片的举报。如何鉴别绯闻照片的真伪？诸如此类的真伪鉴别问题，已经纳入公安部门的工作范围，图像处理正是解决这一问题的技术之一。

1.6.5　图像处理技术在办公自动化中的应用

信函分拣机要对手写的数字0~9进行高速的识别，这种机器早已装备到了邮电部门。现在，一本书也可以快速地录入计算机，这不是敲键盘手工录入的，而是靠中英文识别技术用扫描仪快速输入的。依靠这种技术，盲人可以阅读，财务报表可以自动统计，文档可以自动分类存档，这对于办公自动化是很有意义的。汉字字数多，字形也比较复杂，对其识别难度很大，国内著名的汉王OCR以及清华OCR已在各行各业的文字识别中取得了成功的应用。

1.6.6　图像处理技术在体育方面的应用

在体育方面，一种终点计时判读设备成功地用于田径赛跑比赛的裁判工作上。采用这种设备，运动员到达终点的图像和对应的时间就可以同时显示在计算机的屏幕上，随即在计算机上直接读出运动员的成绩和名次。一种标枪投掷分析系统可以分析运动员在投掷时的姿态和标枪运动的轨迹。这是通过序列图像分析，以此获得描述运动员关键部位运动姿态的数据来实现的。同样，序列图像分析技术也可以用在诸如跳水、舞姿、军事上的弹道和爆炸现场、汽车碰撞的分析上。一种特殊的高速图像采集系统可以在1s内连续采集上千幅序列图像，这种设备有利于高要求的序列图像分析工作。

1.6.7　图像处理技术在娱乐中的应用

电脑选发型、电脑试衣已广泛地用在公园、美发厅和商店，是图像处理系统的一些成功的普及型应用。

卡通以其优美的艺术性得到了很大的发展，在电视屏幕和手机上，可以看到真人的卡通像，这些卡通像有不同风格、不同表情、不同姿态的多种表现形式。

真人秀则是采用换脸技术，在真人的脸上加上不同的头饰、服饰等艺术品，形成各式各样的艺术人像。

利用人脸形成技术实现的换脸术，可以将已有游戏中人物置换成真人像，使自己置身于游戏中。

年龄估计与不同年龄的人脸形成技术可以用于人脸识别，也可以用于娱乐中。夫妻像、明星像，则直接利用了人脸识别技术。