數(shù)字圖像處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

摘要：數(shù)字圖像處理(digital image processing)技術(shù)起源于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)受條件的限制一直沒有取得較大發(fā)展，直到20世紀(jì)60年代后電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)才進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、微生物領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)、航空航天以及國(guó)防等許多重要領(lǐng)域，而且多年來(lái)一直得到世界各科技強(qiáng)國(guó)的廣泛關(guān)注，即使在某些國(guó)家大幅裁減軍費(fèi)的同時(shí)，仍在不斷加大圖像處理在SAR(Synthetic Aperture Radar 合成孔徑雷達(dá))成像、遙感遙測(cè)等方面的研究力度。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像；計(jì)算機(jī)；處理技術(shù)

1 典型的數(shù)字圖像處理順序

數(shù)字圖像處理有著廣泛的應(yīng)用，例如衛(wèi)星和其他航空設(shè)備獲得的遙感圖像處理、商用圖像的傳輸和存儲(chǔ)、醫(yī)學(xué)圖像處理、雷達(dá)、聲納和聲學(xué)圖像處理、機(jī)器人專家以及工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)等。衛(wèi)星獲得的圖像在追蹤地球資源方面非常有用，包括地形映射、農(nóng)作物預(yù)測(cè)、城市擴(kuò)張和天氣狀況、洪水和火災(zāi)控制以及許多其他環(huán)境方面的應(yīng)用?？臻g圖像的應(yīng)用包括對(duì)通過外層空間探測(cè)器獲得的圖像中目標(biāo)的識(shí)別和分析等。圖像傳輸和存儲(chǔ)方面的應(yīng)用是隨著廣播電視、電話會(huì)議、傳真圖像（打印出的文檔和圖形）傳輸?shù)?，在辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、基于安全監(jiān)控系統(tǒng)的閉路電視和軍事通信等領(lǐng)域出現(xiàn)的。在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要圍繞胸透X射線、血管熒光膠片記錄、軸向X射線斷層攝影的圖像，以及其他用各種射線、核磁共振（NMR）和超聲掃描獲得的圖像進(jìn)行處理。這些圖像可以用于病人的病情監(jiān)測(cè)，或者用于腫瘤及其他病變的檢測(cè)。雷達(dá)和聲納圖像用于各種目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別，或者用于航天飛行器或?qū)椣到y(tǒng)的導(dǎo)航和機(jī)動(dòng)系統(tǒng)。換句話說(shuō)，無(wú)論是人或機(jī)器，還是其他任何實(shí)體，接收到二維或更高維數(shù)據(jù)后，就要進(jìn)行圖像處理的操作過程。

2 圖像表示和建模

圖像表示問題關(guān)心的是如何描述每個(gè)圖像元素（也叫像素，pixel或pel）所表示的量。一幅圖像可以表示場(chǎng)景中物體的亮度（例如普通相機(jī)拍攝的照片）、身體組織的吸收特性（X-射線成像）、目標(biāo)的雷達(dá)橫截面（雷達(dá)成像）、區(qū)域的溫度曲線圖（紅外成像）或是某一地域的重力場(chǎng)（地球物理成像）。就一般而言，任何帶有信息的二維函數(shù)都可以被看作一幅圖像。圖像模型對(duì)這個(gè)函數(shù)的特性給出邏輯的或是定量的描述。用于衡量圖像質(zhì)量與處理技術(shù)性能的保真度或是可理解性準(zhǔn)則是圖像表示中一個(gè)重要因素。

3圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)的目標(biāo)是為后續(xù)的圖像分析或圖像顯示而著重強(qiáng)調(diào)特定的圖像特征，如對(duì)比度和邊緣增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)、噪聲濾除、銳化和放大。圖像增強(qiáng)在特征抽取、圖像分析和視覺信息顯示中很有用。增強(qiáng)過程本身不會(huì)增加數(shù)據(jù)中原有的信息內(nèi)容，僅僅是強(qiáng)調(diào)特定的圖像特征。增強(qiáng)算法通常是交互式的并且取決于具體應(yīng)用。

對(duì)比度拉伸作為一種圖像增強(qiáng)技術(shù)是通過一種預(yù)先確定的變換把每個(gè)灰度級(jí)映射到另外一個(gè)灰度級(jí)。例如，直方圖均衡化方法將輸入的灰度級(jí)進(jìn)行映射，使輸出灰度級(jí)的分布是均勻的。這是一種很有效的低對(duì)比度圖像增強(qiáng)方法。增強(qiáng)技術(shù)還包括：局部鄰域運(yùn)算（如卷積）、變換運(yùn)算（離散傅里葉變換）、其他運(yùn)算（如偽彩色增強(qiáng)，即將一幅灰度圖像通過對(duì)不同特征分配不同的顏色而映射為一幅彩色圖像）。

4圖像復(fù)原

圖像復(fù)原是去除或最小化一幅圖像中已知退化的處理。圖像復(fù)原包括對(duì)由于傳感器或環(huán)境的限制導(dǎo)致的退化圖像消除模糊、噪聲濾除，以及對(duì)傳感器造成的幾何失真或非線性進(jìn)行校正。圖中給出了圖像復(fù)原的一種典型情況。一個(gè)點(diǎn)光源的圖像由于成像系統(tǒng)的噪聲而造成了模糊和退化。如果成像系統(tǒng)是線性的，則一個(gè)目標(biāo)的圖像可以表示成

其中?濁(x，y)是加性噪聲函數(shù)，f(?琢，?茁)是目標(biāo)，g(x，y)是圖像，h(x，y，?琢，?茁)稱為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）。一個(gè)典型的圖像復(fù)原問題是給定PSF、模糊圖像和噪聲過程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，找出f(?琢，?茁)的一個(gè)估計(jì)值。

5成像系統(tǒng)造成的模糊

圖像復(fù)原就是在給定有噪聲的模糊圖像情況下找出輸入圖像f (x， y)的一個(gè)估計(jì)常用于圖像復(fù)原的濾波理論中的一個(gè)重要結(jié)果是維納濾波。這個(gè)濾波器根據(jù)觀察值給出了目標(biāo)的最佳線性均方估計(jì)。它可以在頻率域中通過快速酉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，在空域中由類似卡爾曼（Kalman）濾波的二維遞歸技術(shù)，或由FIR非遞歸濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。它也可以實(shí)現(xiàn)為一個(gè)準(zhǔn)遞歸濾波器，這個(gè)濾波器在一個(gè)維度中采用酉變換，在其他維度中采用遞歸濾波器。

6 圖像分析

圖像分析是根據(jù)一幅圖像的定量度量生成對(duì)它的描述。最簡(jiǎn)單的圖像分析任務(wù)形式包括：讀雜貨店中商品的標(biāo)識(shí)，在一條裝配線上將不同零件分開，或度量一幅醫(yī)學(xué)圖像中血細(xì)胞的尺寸和方向。更高級(jí)的圖像分析系統(tǒng)可以度量定量的信息并用于產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的決策，例如在辨識(shí)一個(gè)目標(biāo)后控制機(jī)器人的胳膊去移動(dòng)它，或者根據(jù)在飛行軌道上得到的圖像來(lái)駕駛飛行器。

7 由投影重建圖像

由投影重建圖像是圖像復(fù)原中的一類特殊問題，它用若干個(gè)一維投影對(duì)二維（或更高維）的物體進(jìn)行重建。每一投影都是通過投射平行的X-射線束（或其他穿透性的放射線束）穿過目標(biāo)而獲得。從許多不同的角度觀察物體就可以得到平面投影。重建算法推算出物體中一個(gè)軸向的薄切片的圖像，從而使人們可以得到以往只能經(jīng)過大范圍外科手術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的對(duì)人體內(nèi)部的觀察。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)成像（CT掃描儀）、天文學(xué)、雷達(dá)成像、地質(zhì)探測(cè)及組裝部件的無(wú)損測(cè)試等方面十分重要。

8 圖像數(shù)據(jù)壓縮

與視覺信息相關(guān)的數(shù)據(jù)量十分龐大，以至于需要極大的存儲(chǔ)容量。盡管一些存儲(chǔ)媒體的容量是足夠大的，但其存取速度通常和容量成反比。典型的電視圖像產(chǎn)生的數(shù)據(jù)率超過每秒一千萬(wàn)字節(jié)。還有些圖像源可以產(chǎn)生更高的數(shù)據(jù)率。這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和/或傳輸需要很大的容量和/或帶寬，這將是非常昂貴的。圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)就是在沒有任何可感知信息損失的情況下，減少存儲(chǔ)或傳輸圖像所需的比特?cái)?shù)。

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作者簡(jiǎn)介：鄭金芳（1979，6－），女，2004.8鄭州經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系從事教學(xué)至今。研究方向：計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)；袁雪霞 1978出生、本科 講師 鄭州經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系。