数字图像处理发展(共8页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上数字图像处理发展1、 数字图像处理起源于20世纪20年代,当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片,采用了数字压缩技术。2、 数字图像处理最早出现于20世纪50年代,当时的电子计算机已经发展到一定水平,人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像的质量,它以人为对象,以改善人的视觉效果为目的。图像处理中,输入的是质量低的图像,输出的是改善质量后的图像,常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。 首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(JPL)。他们对航天探测器徘徊者
2、7号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术,如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理,并考虑了太阳位置和月球环境的影响,由计算机成功地绘制出月球表面地图,获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理,以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图,获得了非凡的成果,为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术,如对火星、土星等星球的探测研究中,数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算
3、机断层摄影装置,也就是我们通常所说的CT(Computer Tomograph)。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影,经计算机处理来重建截面图像,称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置,获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年,这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖,说明它对人类作出了划时代的贡献。与此同时,图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就,属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等,使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的深入发展,从70年代中期开始,随着计
4、算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展,数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像,实现类似人类视觉系统理解外部世界,这被称为图像理解或计算机视觉。很多国家,特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究,取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论,这个理论成为计算机视觉领域其后十多年的主导思想。图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展。3、 20世纪80年代,可以处理2D和3D图像,90年代后图像成立占信息处理的主要地位。1996年提出图像工程这一新学科。4、当前,图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法,构造
5、新的处理系统,开拓更广泛的应用领域。需要进一步研究的问题的如下五个方面:1)在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。如, 在航天遥感、气象云图处理方面,巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。2)加强软件研究、开发新的处理方法,特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果,创造新的处理方法。3)加强边缘学科的研究工作,促进图像处理技术的发展。如,人的视觉特性、心理学特性等的研究,如果有所突破,将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。 4)加强理论研究, 逐步形成图像处理科学自身的理论体系。5)图像处理领域的标准化。图像的信息量大、数据量大, 因而图像信息的建库、检索和交流是一个重要的问
6、题。就现有的情况看, 软件、硬件种类繁多, 交流和使用极为不便,成为资源共享的严重障碍。应建立图像信息库, 统一存放格式,建立标准子程序,统一检索方法。 图像处理技术未来发展大致可归纳为: 1)图像处理的发展将围绕HDTV(高清晰度电视)的研制, 开展实时图像处理的理论及技术研究,向着高速、高分辨率、 立体化、多媒体化、 智能化和标准化方向发展。2)图像、图形相结合,朝着三维成像或多维成像的方向发展。3) 硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在芯片上, 使之更便于应用。 4) 新理论与新算法研究。在图像处理领域,近几年来, 引入了一些新的理论并提出了一些新的算法,如小波分析(Wavelet)
7、、 分形几何(Fractal)、 形态学(Morphology)、 遗传算法(GA, Genetic Algorithms)、人工神经网络等(Artificial neural networks)。这些理论及建立在其上的算法, 将会成为今后图像处理理论与技术的研究热点。4、 数字图像处理经过初创期、发展期、普及期及广泛应用几个阶段,如今已是各个学科竞相研究并在各个领域广泛应用的一门科学。随着科学技术的进步以及人类需求的不断增长,图像处理科学无论是在理论上还是实践上, 均会取得更大的发展。计算机图形学 开放分类: 图形学(Computer Graphics,简称CG)是一种使用数学算法将二维或三
8、维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说,计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看,图形主要分为两类,一类是基于线条信息表示的,如工程图、等高线地图、曲面的线框图等,另一类是明暗图,也就是通常所说的真实感图形。计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此,必须建立图形所描述的场景的几何表示,再用某种光照模型,计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科计算
9、机辅助几何设计有着密切的关系。事实上,图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时,真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的,计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。图形与图像两个概念间的区别越来越模糊,但还是有区别的:图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息,而图形含有几何属性,或者说更强调场景的几何表示,是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。计算机图形学的研究内容非常广泛,如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制,以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚
10、拟现实等。 计算机图形学的发展1963年,伊凡苏泽兰(Ivan Sutherland)在麻省理工学院发表了名为画板的博士论文, 它标志着计算机图形学的正式诞生。至今已有三十多年的历史。此前的计算机主要是符号处理系统,自从有了计算机图形学,计算机可以部分地表现人的右脑功能了,所以计算机图形学的建立具有重要的意义。近年来, 计算机图形学在如下几方面有了长足的进展:1、智能CADCAD 的发展也显现出智能化的趋势,就目前流行的大多数CAD 软件来看,主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出,产品设计功能相对薄弱, 利用AutoCAD 最常用的功能还是交互式绘图,如果要想进行产品设计, 最基
11、本的是要其中的AutoLisp语言编写程序,有时还要用其他高级语言协助编写,很不方便。而新一代的智能CAD 系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。例如,德国西门子公司开发的Sigraph Design软件可以实现如下功能: 从一开始就可以用计算机设计草图,不必耗时费力的输入精确的坐标点,能随心所欲的修改,一旦结构确定,给出正确的尺寸即得到满意的图纸; 这个软件中具有关系数据结构, 当你改变图纸的局部,相关部分自动变化,在一个视图上的修改,其他视图自动修改,甚至改变一个零件图,相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改: 在各个专业领域中,有一些常用件和标准件, 因此,希望有一个参数化图库
12、。而Sigraph不用编程只需画一遍图就能建成自己的图库;Sigraph还可以实现产品设计的动态模拟用于观察设计的装置在实际运行中是否合理等等。智能CAD的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别,随着CAD技术的迅速推广应用,各个工厂、设计院都需将成千上万张长期积累下来的设计图纸快速而准确输入计算机,作为新产品开发的技术资料。多年来,CAD 中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。因此, 基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD工作者的努力探索的新课题。但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式
13、识别及人工智能等高新技术内容,使得研究工作的难点较大。工程图的自动输入与智能识别是两个密不可分的过程,用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后,形成的是点阵图象 CAD 中只能对矢量图形进行编辑, 这就要求将点阵图象转化成矢量图形而这些工作都让计算机自动完成这就带来了许多的问题如 图象的智能识别; 字符的提取与识别; 图形拓扑结构的建立与图形的理解;实用化的后处理方法等等。国家自然科学基金会和863计划基金都在支持这方面的研究, 国内外已有一些这方面的软件付诸实用,如美国的RVmaster,德国的VPmax, 以及清华大学,东北大学的产品等。但效果都不很理想还未能达到人们企盼的效果。2 计算机美术与设
14、计21 计算机美术的发展1952年美国的Ben Laposke用模拟计算机做的波型图电子抽象画预示着电脑美术的开始(比计算机图形学的正式确立还要早)。计算机美术的发展可分为三个阶段:(1)早期探索阶段(1952 1968年)主创人员大部分为科学家和工程师,作品以平面几何图形为主。1963年美国计算机与自动化杂志开始举办年度“计算机美术比赛”。代表作品:1960年Wiuiam Ferrter为波音公司制作的人体工程学实验动态模拟模拟飞行员在飞机中各种情况;1963年Kenneth Know Iton的打印机作品裸体。1967年日本GTG小组的回到方块。(2)中期应用阶段(1968年1983年)以
15、1968年伦敦第一次世界计算机美术大展一“控制论珍宝 (Cybernehic Serendipity1为标志,进入世界性研究与应用阶段;计算机与计算机图形技术逐步成熟, 一些大学开始设置相关课题, 出现了一些CAD应用系统和成果, 三维造型系统产生并逐渐完善。代表作品:1983年美国IBM 研究所Richerd Voss设计出分形山(可到网站“分形频道hrtp:ttfracta1126tom 中查找有关“分形”的知识)(3)应用与普及阶段(1984年现在)以微机和工作站为平台的个人计算机图形系统逐渐走向成熟, 大批商业性美术(设计)软件面市; 以苹果公司的MAC 机和图形化系统软件为代表的桌面
16、创意系统被广泛接受,CAD成为美术设计领域的重要组成部分。代表作品:1990年Jefrey Shaw的交互图形作品“易读的城市f The legible city) 。22 计算机设计学(Computer Des i gn i cs)包括三个方面:环境设计(建筑、汽车)、视觉传达设计(包装)、产品设计。CAD对艺术的介入,分三个应用层次:(1)计算机图形作为系统设计手段的一种强化和替代; 效果是这个层次的核心(高精度、高速度、高存储)。(2)计算机图形作为新的表现形式和新的形象资源。(3)计算机图形作为一种设计方法和观念。3 计算机动画艺术31 历史的回顾计算机动画技术的发展是和许多其它学科的
17、发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间,大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。一直到60年代后期,才出现利用计算机显示点阵的特性,通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。70年代开始计算机艺术走向繁荣和成熟 1973 年,在东京索尼公司举办了“首届国际计算机艺术展览会”80年代至今,计算机艺术的发展速度远远超出了人们的想象 在代表计算机图形研究最高水平的历届SIGGRAPH年会上,精彩的计算机艺术作品层出不
18、穷。另外,在此期间的奥斯卡奖的获奖名单中,采用计算机特技制作电影频频上榜,大有舍我其谁的感觉。在中国,首届计算机艺术研讨会和作品展示活动于1995年在北京举行 它总结了近年来计算机艺术在中国的发展,对未来的工作起到了重要的推动作用32 计算机动画在电影特技中的应用计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技 可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。1987年由著名的计算机动画专家塔尔曼夫妇领导的MIRA 实验室制作了一部七分钟的计算机动画片相会在蒙特利尔 再现了国际影星玛丽莲梦露的风采。1988年,美国电影谁陷害了兔子罗杰 (Who Framed Roger Rabbit?)中二维动画
19、人物和真实演员的完美结合,令人膛目结舌、叹为观止 其中用了不少计算机动画处理。1991年美国电影终结者II:世界末日展现了奇妙的计算机技术。此外,还有侏罗纪公园(Jurassic Park)、狮子王、玩具总动员(Toy Story)等。33 国内情况我国的计算机动画技术起步较晚。1990年的第11届亚洲运动会上,首次采用了计算机三维动画技术来制作有关的电视节目片头。从那时起,计算机动画技术在国内影视制作方面得到了讯速的发展, 继而以3D Studio 为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、Photoshop等为代表的微机二维平面设计软件的普及,对我国计算机动画技术的应用起到了推波
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