淺談數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用

成都理工大學(xué) 朱開明 陳云龍 陳昌慧

0 前言

如今是數(shù)字化的時(shí)代，在高度數(shù)字化的科技環(huán)境下，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了飛速發(fā)展，用數(shù)字化的信息表現(xiàn)出圖像，方便運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理識(shí)別，根據(jù)人們的意識(shí)和要求對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，能夠更加便捷的分析圖像，達(dá)到對(duì)圖像的完全控制。如何合理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，將其作用最大化，并尋求未來(lái)的前景，是現(xiàn)在的重點(diǎn)研究課題。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)的現(xiàn)狀和優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)今，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到高速發(fā)展，在多個(gè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注并得到運(yùn)用。根據(jù)運(yùn)用領(lǐng)域需求的不同，數(shù)字圖像處理技術(shù)可以分為圖像獲得和輸出、圖像變換、圖像分割、圖像編碼壓縮、圖像增強(qiáng)和復(fù)原、圖像描述、圖像檢測(cè)和識(shí)別等分支。數(shù)字圖像處理技術(shù)有著以下的優(yōu)點(diǎn)：其一、精準(zhǔn)度強(qiáng)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)將圖像更為準(zhǔn)確的表現(xiàn)出來(lái)，不會(huì)造成圖像的失真丟失信息，可以準(zhǔn)確達(dá)到實(shí)際工作中對(duì)圖像處理的需求。其二、通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的高精準(zhǔn)度，所以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的數(shù)字圖像處理技術(shù)，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度也極高，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)也能夠隨之滿足更多更高的圖像處理要求。其三、靈活性高?？梢愿鶕?jù)對(duì)不同圖像的不同要求進(jìn)行相應(yīng)的處理和改變，比起傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)，數(shù)字圖像處理技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)字圖像的采集

2.1 如何獲得圖像

由于數(shù)碼產(chǎn)品的廣泛運(yùn)用，如今很多圖像在獲取時(shí)就是以電子形式存在，例如數(shù)碼相機(jī)，表現(xiàn)出的圖像無(wú)需進(jìn)行采集就可以進(jìn)行數(shù)字化處理?，F(xiàn)在提到的獲得圖像，主要針對(duì)的是物理的可見光圖像進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)在將可見光物理圖像進(jìn)行數(shù)字化的常用工具是掃描儀，其原理是通過(guò)光學(xué)掃描技術(shù)，將圖片的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行掃描并做數(shù)字化記錄，用電子版的形式表現(xiàn)物理的圖像，將圖像進(jìn)行電子化的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理圖像的數(shù)字化處理，通過(guò)電子信息的方式進(jìn)行復(fù)制、移動(dòng)與存儲(chǔ)，有利于進(jìn)一步通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理[1]。

2.2 如何將圖像進(jìn)行數(shù)字化處理

現(xiàn)在，數(shù)字化圖像處理軟件的種類越來(lái)越多，不同軟件的著重點(diǎn)不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方面的處理要求。數(shù)字圖像處理技術(shù)分支眾多，根據(jù)不同分支的需求進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃，選用不同的處理軟件，才能夠達(dá)到最好的圖像處理效果。雖然這些數(shù)字化圖像處理軟件著重點(diǎn)不同，但它們對(duì)圖像的處理方式是基本相同的，都是通過(guò)矢量圖的數(shù)字化圖像模式對(duì)圖像進(jìn)行改變處理。矢量圖的圖像元素是依靠不同幾何數(shù)據(jù)運(yùn)算所表現(xiàn)在矢量圖上的圖像效果，因而可以脫離傳統(tǒng)意義中圖像分辨率的限制，無(wú)論怎樣對(duì)圖像進(jìn)行大小上的調(diào)節(jié)，圖像也不會(huì)因此出現(xiàn)失真或是模糊現(xiàn)象。因?yàn)閳D像元素是由幾何數(shù)據(jù)運(yùn)算所表現(xiàn)出來(lái)，運(yùn)算結(jié)果不變，則圖像表現(xiàn)不變[2]。

3 數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)字圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)上發(fā)揮了很大的作用。首先，在農(nóng)作物病蟲草危害識(shí)別上發(fā)揮了極大的作用。在識(shí)別病蟲草害領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法是依靠經(jīng)驗(yàn)、查找書籍對(duì)照等，對(duì)非專業(yè)人士難度很大。現(xiàn)在，通過(guò)對(duì)病蟲草害圖像進(jìn)行處理分析，可以進(jìn)行智能識(shí)別。如今，在識(shí)別時(shí)經(jīng)常實(shí)用的顏色空間區(qū)分法已從傳統(tǒng)的單色模型發(fā)展到RGB、CMYK、HSI、L*a*b*等多種模型，更加快速精準(zhǔn)的識(shí)別作物的病蟲草害，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供幫助。其次，數(shù)字圖像處理技術(shù)也可以在農(nóng)作物自動(dòng)收獲中起到應(yīng)有的作用。數(shù)字圖像處理技術(shù)可幫助自動(dòng)采收機(jī)精確識(shí)別果實(shí)，提高收獲的準(zhǔn)確性，通過(guò)事先將橘子的顏色信息錄入，使得采收機(jī)器人能夠通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，在橘子樹中正確的分辨出橘子，據(jù)統(tǒng)計(jì)，采收機(jī)器人的識(shí)別錯(cuò)誤率約在6%左右，已經(jīng)可以應(yīng)用。在作物自動(dòng)采收中，還可利用數(shù)字圖像處理技術(shù)去分辨水果的成熟與否，使得自動(dòng)采收機(jī)的采收工作更加精準(zhǔn)。最后，在作物分級(jí)領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理已經(jīng)進(jìn)入實(shí)踐階段。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化最為發(fā)達(dá)的美國(guó)，50%以上的水果是通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，極大的節(jié)省了人力，提升了效率。我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的研究始于上世紀(jì)80年代，現(xiàn)在進(jìn)展迅速，也已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)踐過(guò)程當(dāng)中。

3.2 在交通管理領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)如今，城市交通問題已經(jīng)成了城市管理中的重要問題，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以更好的解決城市交通管理中遇到的問題，對(duì)城市交通的發(fā)展提供幫助。首先，數(shù)字圖像處理技術(shù)有助于交通信息的采集。傳統(tǒng)交通信息采集法是通過(guò)在路面上埋設(shè)線圈等方式進(jìn)行，會(huì)對(duì)路面造成破壞，需要更換等也更為麻煩?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)的新型交通采集技術(shù)，可以精準(zhǔn)采集高質(zhì)量的交通圖像，獲取最新的交通運(yùn)行特征，分析道路上的交通狀況，指導(dǎo)交通部門準(zhǔn)確的對(duì)交通進(jìn)行調(diào)控。比起傳統(tǒng)交通信息采集技術(shù)，數(shù)字化交通信息采集技術(shù)無(wú)需破壞路面，只需保障拍攝條件，對(duì)交通不造成阻礙，在成本上也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)采集方式。據(jù)測(cè)算，如果一個(gè)中型城市的交通信息采集都更換成數(shù)字化圖像分析，比起傳統(tǒng)方式，每年維護(hù)運(yùn)行成本可以降低50%。機(jī)動(dòng)車車牌識(shí)別也是交通領(lǐng)域的重要運(yùn)用，在十字路口、高速公路收費(fèi)站、監(jiān)測(cè)區(qū)、停車場(chǎng)等地區(qū)，車牌自動(dòng)識(shí)別有著廣泛的應(yīng)用前景。車牌識(shí)別系統(tǒng)由圖像采集、預(yù)處理、識(shí)別三部分組成，在實(shí)際工作中，由于駕駛速度等原因，車牌可能僅僅是一閃而過(guò)難以分辨，同時(shí)，車牌還可能有臟污磨損等情況，乃至故意遮擋。通過(guò)具有大量對(duì)照樣本的數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以將車牌中的全部字符圖像進(jìn)行提取識(shí)別，更加精準(zhǔn)的分辨車牌，對(duì)于現(xiàn)代智能交通有著重要意義。

3.3 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也能應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，1966年，Ledley首次提出了“計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)輔助診斷”這一概念。如今，CAS，即計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)，已經(jīng)將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用到了外科手術(shù)過(guò)程中，在手術(shù)前獲取患處的二位數(shù)字影像，利用計(jì)算機(jī)解析影像模擬手術(shù)過(guò)程，從而模擬出手術(shù)中可能會(huì)遇到的情況，讓醫(yī)生制定更為周密的手術(shù)方案。通過(guò)數(shù)字影像技術(shù)，還可以將患者的情況與治療方案同全世界的醫(yī)生進(jìn)行討論，甚至可以在遠(yuǎn)方的權(quán)威醫(yī)生指導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)，極大提高了臨床手術(shù)的安全性和成功率。計(jì)算機(jī)輔助診斷技術(shù)，即CAD，也是在數(shù)字圖像處理技術(shù)的支持下發(fā)展起來(lái)的新診斷技術(shù)。在醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域，CAD因其判斷的精確性和快捷性，已經(jīng)成了這門學(xué)科的主要研究方向。CAD技術(shù)現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用于腫瘤結(jié)核等病癥的早期診斷中，早期狀況不明顯，人工檢查不易，運(yùn)用CAD技術(shù)，可以準(zhǔn)確的在疾病早期檢查出問題，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在肺結(jié)節(jié)性病變的初期診斷中，CAD技術(shù)相比醫(yī)生，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性高達(dá)90%，人工判斷則只有65%。將數(shù)字圖像處理技術(shù)運(yùn)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以提高診斷治療的精確度，降低誤診漏診概率。

3.4 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

在教育領(lǐng)域，考試中客觀題的批閱數(shù)量大且工作機(jī)械重復(fù)，教師批閱客觀題勞動(dòng)量大且容易出錯(cuò)。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)的運(yùn)用，能提高客觀題目閱卷效率，減少閱卷失誤?？陀^題考試中，考生答題卡一般要求用2B鉛筆來(lái)填涂答案并涂滿涂黑，目的就是為了確保答題卡的色度能夠被數(shù)字圖像處理技術(shù)識(shí)別。通過(guò)對(duì)答題卡的掃描采集數(shù)據(jù)將圖像數(shù)字化，通過(guò)感光軟件確定考卷上的可識(shí)別像素點(diǎn)總數(shù)，將之稱為數(shù)據(jù)Q，在數(shù)據(jù)Q中，利用每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，也就是像素點(diǎn)的不同色彩Pcolor[m,n]來(lái)計(jì)算整個(gè)答題方框區(qū)域的平均灰度，算式為：Average=Int{∑Pcolor[m,n]/Q}，[m,n]為方框的坐標(biāo)值[3]。由于考生對(duì)選中問題需要涂黑，因此選中方框和未選中方框的灰度值差距巨大，通過(guò)分析這些方框灰度值的差距，就能將之快速轉(zhuǎn)化為學(xué)生的答案并進(jìn)行批卷。數(shù)字圖像處理技術(shù)在考試中也引入了可信度指標(biāo)，當(dāng)同一選項(xiàng)出現(xiàn)多個(gè)涂黑項(xiàng)時(shí)，通過(guò)可信度指標(biāo)，將選項(xiàng)灰度和標(biāo)準(zhǔn)灰度進(jìn)行對(duì)比，可以防止由于考生涂改而出現(xiàn)的誤判。運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以能夠快速、批量、準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)考生信息和正確率，這項(xiàng)技術(shù)極大加快了客觀題考試的閱卷速度，且避免了人工閱卷的錯(cuò)判、漏判等失誤，提高效率，增加了準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

綜上所述，數(shù)字圖像處理技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，現(xiàn)在已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到運(yùn)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)有著傳統(tǒng)圖像識(shí)別處理無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療、教育等多個(gè)領(lǐng)域都可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法，有著高速準(zhǔn)確成本低的優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的發(fā)展中有著廣泛的應(yīng)用前景。