1.1-1.3数字图像处理起源和成像方法

1.1 什么是数字图像处理？

数字图像是一副二维的离散灰度或者强度图，数字图像处理就是利用计算机来处理数字图像。可以分为初级、中级、高级。初级是做一些简单的图像处理，比如说对比度增强、图像锐化等操作，中级是做一些分割、目标识别分类，高级就是“理解”图像，像人一样去分析图像，比如说对图像的语义信息的认知。

图1 1921年第一张数字图像

1.2 数字图像处理的起源

1921年利用特殊的打印设备编码一张报业图片后通过海底光缆穿越大西洋后接收解码后实现了数字图像的传输。

1.3 数字图像成像方法

图2 根据每个光子的能量排列的电磁波谱

1.3.1 伽马射线成像

通过检测伽马射线来实现成像，当同位素发\(β^+\)衰变的时候会发射正电子，当碰到电子的时候发生湮灭反应，释放出两束伽马射线。典型的一个例子就是在核医学上，通过将放射性同位素注入人体内，检测同位素衰变发射的伽马射线来实现成像。

1.3.2 X射线成像

X射线属于电磁辐射，产生X射线的管，称为X射线管，是带有阴极和阳极的真空管，当给阴极加热之后，会释放出自由电子高速流向阳极，撞击靶材料（原子核）后以X射线辐射的形式释放能量，X射线具有穿透性，主要由阳极电压和施加到阴极中加热灯丝的电流控制。

图3 X射线管工作示意图

1.3.3 紫外波段成像

当使用紫外波段的电磁波（紫外光）照射荧光物质时候，紫外光的光子和荧光物质的电子进行碰撞后使得电子跃迁到较高的能级，而当紫外光撤离的时候，受激的电子又重新回到较低的能级，这个过程中放出可见光波段的低能光子使得发光。

1.3.4 可见光和红外波段成像

可见光是波长为380~780nm之间的电磁波，而红外光是大于780nm的电磁波。这两种光是我们应用最广泛的，根据不同的场景可以利用不同的波段来进行检测，下面是NASA用来做遥感的专用波段

图4 NASA的LANDSAT卫星的专题波段

1.3.5 微波波段成像

微波是频率在300MHz~300GHz区间之内的电磁波，我们平常生活中的雷达其实就是微波的应用，具有一定的穿透性，所以可以做到不同天气和光照条件下都可以收集到数据。

1.3.6 无线电波段成像

频率是3KHz~300GHz都是无线电波，主要应用就是MRI磁共振成像。

1.3.7 其他成像方式

除了上述的成像方式之外，还有我们在医院常见的超声波成像和电子显微镜成像，声波应用于地质勘探、海洋勘探、医疗等领域；电子显微镜是利用电子流聚焦于样本上，样本内部就发生影响电子束相互作用，观测这些相互作用的影响就可以转换得到图像，电子显微镜的放大倍数非常大可以达到上万倍。