2.1　圖像處理的發展過程［1，2］

圖像處理是個古老的話題。以記錄和宣傳為目的的圖像處理，可以追溯到西班牙阿爾塔米拉石窟壁畫的舊石器時代。在以埃及、美索不達米亞為首的古代文明中能夠看到很多實例。中國的繪畫史也可以上溯到原始社會的新石器時代，距今至少有七千余年的歷史。工匠通過手工作業進行繪畫和刻制版畫，對雕刻技術和圖像處理技術的發展做出了獨特的貢獻。從圖像信息處理技術角度來說，活字印刷術（1445年左右）和復印機的發明（1839年左右）可以認為是圖像處理的起點，這些技術奠定了當今的電子排版、掃描儀、攝像機、照相機等電子設備的技術基礎。現在所謂的圖像處理一般是指通過電子設備進行的圖像處理，處理的圖像形式由模擬圖像發展到了數字圖像。

1925年出現了機械掃描式電視，1928年出現了電子掃描式顯像管接收器，1933年出現了電子掃描式攝像管成像器，再到當今的電子掃描技術，這些共同構筑了電視技術的基礎。電子設備的圖像最初都是模擬圖像，包括模擬電視機、模擬照相機、模擬攝像機、X線照相機等，這些都是基于電子掃描式成像管技術，其記錄材料主要是膠片，由電子顯像管顯示。模擬圖像處理的內容主要有：①針對圖像的輸入、輸出、記錄、表示等的處理；②利用膠卷和鏡頭的特性，對照片進行對比強化、邊緣強化、濃度特性變化等顯像和定影操作的處理；③通過模擬電路，突出強調電視畫面的邊緣、抑制重像等。這些處理很多也都用在了當今的數字圖像處理中。

20世紀40年代出現了數字計算機，1964年第3代計算機IBM360、1965年迷你計算機DEC/PDP-8相繼問世。隨著計算機技術的迅速發展，數字圖像處理所必需的計算機環境得到了很大的改善。

數字圖像處理的應用開始于人造衛星圖像的處理。1965年美國國家航空航天局（NASA）發表了Mariner4號衛星拍攝的火星圖像，1969年登陸月球表面的阿波羅11號傳回了月球表面的圖像，這些都是數字圖像處理的空前應用。在該領域，由于環境惡劣，傳輸的圖像畫質非常低，需要經過龐大的數字圖像處理后才能使用。

與此同時，數字圖像處理被嘗試應用于醫用領域。例如，開展了顯微鏡圖像的計量測定、診斷、血球分類、染色體分類、細胞診斷的研究。另外，1965年左右還初次嘗試了胸部X光照片的處理，包括：改善X光照片的畫質、檢驗出對象物體（區分物體）、提取特征、分類測量以及模式識別等。然而，與人造衛星圖像不同，因為這些圖像是模擬圖像，首先需要進行數字化處理，由于當時處于基礎性研究階段，還存在很多困難。該時期，在物理學領域自動解析了加速器內粒子軌跡的照片。

20世紀60年代后半期，數字圖像處理開始應用于一般化場景和三維物體。該時期的研究工作以美國麻省理工學院人工智能研究所為中心展開。理解電視攝像機輸入簡單積木畫面的“積木世界”問題，成為早期人工智能領域中的一個具有代表性的研究課題。隨后該領域出現了圖像分析、計算機視覺、物體識別、場景分析、機器人處理等研究課題。這一時代的二維模擬識別研究以文字識別為中心，是一項龐大的研究工程。日本在1968年采用郵政編碼制度而研制的國內文字識別裝置，成為加快文字識別研究進展的一大主要因素。其中產生的很多算法，例如，細線化、臨界值處理、形狀特征提取等，成為日后圖像處理基本算法的重要組成部分，并被廣泛使用。1968年，出現了最早的有關圖像處理的國際研討會論文集。

20世紀70年代初期，數字圖像處理開始加速發展，出現了醫學領域的計算機斷層攝像術（computed tomography，CT）和地球觀測衛星。這些從成像階段開始就進行了復雜的數字圖像處理，數據量龐大。CT是將多張投影圖像重構成截面圖像的儀器，其數理基礎拉東變換（radon transform）是于1917年由拉東提出，50年后隨著計算機及其相關技術的進步，開始了實用化應用。CT不僅對醫學產生了革命性影響，也對整個圖像處理技術產生了很大的促進作用，同時開辟了獲取立體三維數字圖像的途徑。大約20年后，出現了利用多幅CT圖像在計算機內進行人體三維虛擬重建的技術，可以自由移動三維圖像的視角，從任意方位觀察人體，幫助進行診斷和治療。

地球觀測衛星以一定周期在地球上空軌道運行，將地球表面發出的反射能量，通過不同光譜波段的傳感器進行檢測，將檢測數據連續傳送回地面，還原成詳盡的地球表面圖像之后，對全世界公開，并開發了提取其信息的各種算法。此后，又形成了將海洋觀測衛星、氣象觀測衛星等的圖像進行合成的遙感圖像處理，并廣泛應用于地質、植保、氣象、農林水產業、海洋、城市規劃等領域。

CT圖像和遙感圖像在應用層面都具有極其重要的意義，為了對其進行處理，開發出了非常多的算法。例如，對于CT圖像，首先開發出了圖像重構算法，通過空間頻率處理以及灰度等級處理來改善畫質，還開發出了各種圖像測量算法。在此基礎上，進一步開發出了表示人體三維構造的立體三維圖像處理的算法。關于遙感圖像，出現了圖像幾何變換、傾斜校正、彩色合成、分類、結構處理、領域分割等處理算法。隨著技術的發展，CT圖像和遙感圖像的精度也在不斷提高，現在CT的分辨率可以達到0.5mm以下，衛星觀察地球表面的分辨率達到了1m以下。

在其他領域，為了實現檢測自動化、節省勞動力和提高產品質量，規模生產應用開始進入實用化階段。例如，圖像處理技術在集成電路的設計和檢測方面實現了大規模應用。隨著研究的不斷投入，推進了其實用化進程。然而，從產業應用的整體來看，實用化的成功例子比較有限。與此同時，以物體識別和場景解析為目的的應用開啟了對一般三維場景進行識別、理解的人工智能領域的研究。但是，物體識別、場景解析的問題比預想的要難，即使到現在實用化的應用例子也很少。

與前述文字識別緊密相關的圖紙、地圖、教材等的辦公自動化處理，也成為圖像處理的一個重要領域。例如，傳真通信和復印機就使用了二值圖像的壓縮、編碼、幾何變換、校正等諸多算法。日本在1974年開始了地圖數據庫的開發工作，目前這些技術積累被廣泛應用于地理信息系統（geographical information system，GIS）和汽車導航等領域。

在醫學領域，除了前述的CT以外，首先是實現了血球分類裝置的商業化，并開始試制細胞診療裝置，這些作為早期模擬圖像識別的實用化裝置引起了廣泛關注。另外，還進行了根據胸部X光照片來診斷硅肺病、心臟病、結核、癌癥的計算機診斷研究。同時，超聲波圖像、X光圖像、血管熒光攝影圖像、放射性同位素（radio isotope，RI）圖像等的輔助診斷也成了研究對象。在這些研究中，開發出了差分濾波、距離變換、細線化、輪廓檢測、區域生成等灰度圖像處理的相關算法，成為之后圖像處理的算法基礎。

硬件方面，在20世紀70年代中有了幾項重要的發展。例如，幀存儲器的出現及普及為圖像處理帶來了便利。另一方面，數字信號處理器（digital signal processor，DSP）的發展，開創了包括快速傅里葉變換（fast fourier transform，FFT）在內的高級處理的新途徑。隨著CCD（charge coupled device）圖像輸入裝置的開發與進步，出現了利用激光測量距離的測距儀。而在計算機技術方面，20世紀70年代前半期，美國Intel公司的微軟處理器i4004和i8008相繼登場，并與隨后出現的微軟計算機（Altair 1975年、AppleⅡ和PET 1977年、PC8001 1979年）相連接。1973年開發出了被稱為第一個工作站的美國Xerox公司的Alto。1976年大型超級計算機Cray-1的問世，擴大了處理器規模和能力的選擇范圍，對開發各種規模的圖像處理系統做出了貢獻。

軟件方面，并行處理、二值圖像處理等基礎性算法逐步提出。在這些基礎理論中，圖像變換（如離散傅里葉變換、離散正交變換等）、數字圖形幾何學以及以此為基礎的諸多方法形成了體系，并且開發出了一些具有通用性的圖像處理程序包。

總之，該時期圖像處理的價值和發展前景被廣泛認知，各個應用領域認識到了其用途，紛紛開始了基礎性研究，到了后半期就進入了全面鋪開的時代。尤其是基礎方法、處理程序框架、算法等軟件和方法論的研究，進入了快速發展時期。實際上，現在被實用化的領域或繼續研究中的許多問題基本上在這一時代已經被解決了。支撐其發展的基礎性方法大多始于20世紀六七十年代。

20世紀70年代廣泛展開的圖像處理，到了20世紀80年代進一步快速普及，前面介紹的圖像處理的幾個應用領域進入到實用化、大眾化階段。工作站、內存以及CCD輸入裝置的組合，形成了當時在性價比上更為優秀的專用系統，使得多樣化的圖像處理系統實現了商業化，很多通用軟件工具被開發出來，許多用戶的技術人員也能夠開發各種問題的處理算法。20世紀80年代，圖像處理硬件的核心是搭載有專用圖像處理設備的工作站。

進入20世紀90年代，迅速在全球普及的因特網（internet）對圖像處理產生了不小的影響。而且，20世紀90年代，由于個人計算機性能的飛躍性提升及其應用的廣泛普及，獲得了前所未有的強大信息處理能力和多種多樣的圖像獲取手段，在我們所能到達的任何地方都可以獲得與以前超級計算機相同的圖像處理環境。由于大量圖像要通過網絡高速傳輸，促使圖像編碼、壓縮等研究工作活躍起來，且JPEG（joint photographic experts group）、MPEG（motion picture experts group）等圖像壓縮方式制定了世界統一標準。現如今，在家中通過英特網絡就可以自由訪問各種Web地址，下載自己想要的圖像。例如，美國航天局（NASA）的Web主頁上公開了由人造衛星拍攝到的各種行星圖像，任何人均可通過英特網絡自由訪問，并且當發射火箭時可以實時觀看到動畫。

20世紀90年代后半期，隨著高性能廉價的數字照相機和圖像掃描儀的普及，數字圖像的處理也得到了進一步普及。當今，廣泛普及的計算機環境使聲音、文字、圖像、視頻都可以自由轉換成為數字數據，進入了多媒體處理時代。

20世紀90年代的另外一個重要事件就是出現了虛擬現實（virtual reality，VR），其設計理念和實質內容從20世紀90年代初開始得到了世界承認。虛擬現實的目的不只是將“在那里記錄的事物讓世界看到和理解”，而是以“記錄、表現事物，體驗世界”為目的，概念性地改變了圖像信息的利用方法。

在一些領域，隨著基礎性理論的建立，逐步形成了體系，并得到確認。例如，包含三維數字圖像形式的數字幾何學、單目和雙目生成圖像、立體光度測定法等在內，人們根據三維空間中的物體（或場景）和將它們以二維平面形式記錄的二維圖像間的關系，從形狀以及灰度分布這兩方面進行了理論性闡述，并相繼提出了以此為基礎的可行圖像解析方法。與此同時，還明確了記錄三維空間物體運動圖像時間系列（視頻圖像）的性質以及視頻圖像處理的基本方法。另外，隨著對象變得復雜，強調“利用與對象相關知識”的重要性，即提倡采用知識型計算機視覺，并開展了對象相關知識的利用方法和管理方法等研究和試驗。另一方面，在這一時期還嘗試開展了圖像處理方法自身知識庫化的工作，開發出了各種方式的圖像處理專業系統。針對人工智能的解析空間探索、最佳化、模型化、學習機能等諸多問題，出現了作為新概念、新方法的分數維、混沌、神經網絡、遺傳算法等技術工具。同時，圖像處理以感性信息為新的視點，開始了感性信息處理的研究工作。

在應用領域，醫用圖像處理在20世紀80年代初期不再使用X射線，而改用CT的核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）實現了實用化。從20世紀80年代末至20世紀90年代，超高速X光CT、螺旋形CT相繼登場。以數字射線照片的實用化為代表的各種進步，推動了醫用圖像整體向數字化邁進，促進了醫用圖像整體的一元化管理、遠程醫療等的研究和普及。這些是將圖像的傳輸、記錄、壓縮、還原等廣義的圖像處理綜合起來的系統化技術。特別是以螺旋形CT為基礎，在計算機內再構成患者的三維圖像的“虛擬人體”的應用，使得外科手術的演示和虛擬化內視鏡變為可能。1995～1998年，日本和美國分別在以人體全身X射線CT以及MRI圖像為基礎上實現了可視化人體工程。20世紀90年代，針對X射線圖像計算機診斷，在胸部、胃以及乳房X射線圖像乳腺攝影法等方面分別投入大量精力展開研究，其中一部分在90年代末期達到了實用化水平，1998年美國公布了第一臺用于醫用X光照片計算機診斷的商用裝置。

在產業方面，其實用化應用范圍得到了廣泛拓展，并開始產生效果。不僅可用于檢查產品外觀尺寸、擦傷、表面形狀，還應用于X射線圖像等的非破壞性檢查、機器人視覺判斷、組裝自動化、農水產品加工、等級分類自動化、在原子反應堆等惡劣環境下進行作業等各個領域。

在遙感領域，20世紀80年代多國相繼發射了各種地球觀測衛星，用戶可以利用的衛星圖像種類和數量有了一個飛躍性增長。此外，由于計算機等技術的進步，廉價系統也可以進行數據解析，用戶的視野飛速擴展。20世紀90年代前半期，搭載裝備有主動式微波傳感器的合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）的衛星相繼發射升空，很多人投入到SAR數據的處理、解析等技術的研究之中。這其中，利用2組天線觀測到的微波相位信息進行地高測量和地球形變測量的研究有了很大進展。1999年高分辨率商業衛星IKONOS-1發射升空，衛星遙感分辨率進入到1m的時代。

文件與教材處理、傳真通信的普及、計算機手寫輸入的圖形處理、設計圖的自動讀取、文件的自動輸入等，在不斷的需求中也逐步發展起來。

在監測和通信方面，在圖像高壓縮比的智能編碼、環境監測、人臉識別、行為識別、人機交互等眾多領域中得到了廣泛應用。

在視頻圖像處理方面，作為機器視覺的應用，將視覺系統搭載在汽車和拖拉機上實現了汽車和拖拉機的無人駕駛。在智能交通系統（intelligent transportation systcm，ITS）中，通過對公路監控視頻的處理，自動提示交通擁堵狀況。出現了視頻圖像的自動編輯技術，達到了一般用戶也能操作的程度。視頻處理的主要技術包括圖像的壓縮編碼、譯碼、特征提取和生成等。提出了智能編碼的概念，視頻圖像的解析、識別和通信也開始了快速發展。

20世紀90年代后半期，開始關注于構筑將現實世界、現實圖像和計算機圖形學（computer graphics，CG）與虛擬圖像自由結合的復合現實。CG、圖像識別作為其中的主要技術發揮著重要作用，現在已經實現了實時體驗與三維虛擬空間的互動。此外，在這些動向中，“計算機是媒體”的認識也被確定下來，而其中“圖像媒體”的定位、利用方法以及多媒體處理中的圖像媒體作用等，將會成為今后圖像處理中的關鍵詞。

三維CAD（computer aided design）中各種軟件模塊的出現使得在制造業、建筑業、城市規劃中應用CAD成為家常便飯。此外，在利用各種媒體對數字圖像進行普及的過程中，為了防止圖像的非法復制、不正當使用，20世紀90年代產生了處理圖像著作權及其保護的重要課題，開展了大量的電子水印技術等方面的研究工作。

圖像處理技術的發展基石是計算機和通信的環境，在網絡環境不斷發展的同時，隨著以大容量圖像處理為前提的高速信號處理、大容量數據記錄、數據傳送、移動計算（mobile computing）、可穿戴計算（wearable computing）等技術的發展，以及包括普適計算（ubiquitous computing）在內的技術進一步推進，將給圖像處理環境帶來更大的變革。

在成像技術方面，從CT的實用化、MRI和超聲波圖像的新發展可以看到與人體相關的成像技術的發展前景。掃描儀、數字照相機、數字攝像機（攝像頭）、數字電視、帶有數字照相機的手機等，都可以方便地獲得圖像數據，也就是說圖像數據的獲取方法已經大眾化。

在軟件方面，處理系統的智能化水平越來越高。在圖像識別與認知、生成以及傳送與存儲之間，或虛擬環境和現實世界及其記錄圖像之間，各種融合正在逐步形成。例如，機器寵物和人型機器人已經出現，醫學應用方面的計算機輔助診斷（computer aided diagnosis，CAD）以及計算機輔助外科（computer aided surgery，CAS）已經實用化。作為對物品的智能化識別、定位、跟蹤和監控的重要手段，圖像處理同時也是物聯網技術的重要組成部分。

20世紀80～90年代，隨著個人電腦和互聯網的普及，人們的生產和生活方式發生了很大的變化。21世紀能夠影響人類生存方式的事件，將是各類機器人的推廣和普及，機器視覺作為機器人的“眼睛”，在新的時代必將發揮舉足輕重的作用。