數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)研究

何志鵬

摘要：隨著數(shù)字多媒體的不斷發(fā)展，數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。本文首先從圖像的數(shù)字化和壓縮編碼、增強(qiáng)與恢復(fù)、分割、分析等四個(gè)方面詳細(xì)分析了數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)的主要研究方向和現(xiàn)狀，然后介紹了該技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、信息通信、工業(yè)和工程等領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字多媒體;圖像處理;壓縮編碼;圖像分割

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0212-02

1 概述

隨著信息化技術(shù)的普及和應(yīng)用，多媒體處理技術(shù)得到了飛速發(fā)展，為了增強(qiáng)對(duì)圖像信息的處理效率和實(shí)用性，數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要利用計(jì)算機(jī)或其他硬件來對(duì)大量的數(shù)字圖像信息進(jìn)行高效處理，具體而言，包括對(duì)圖像進(jìn)行分割、復(fù)原、變換等等[1]。近年來，的數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，緊隨計(jì)算機(jī)處理能力的不斷提高，數(shù)字圖像處理技術(shù)也得到了很大提升。對(duì)圖像信息的充分利用和數(shù)字化處理，可以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。關(guān)于數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)的研究范圍較廣，既包含數(shù)字分析，也涉及光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。因此，數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)在軍事、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。相比于傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)，可顯著節(jié)約時(shí)間，而且能夠簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜圖像的處理過程。

2 數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)的主要研究方向和現(xiàn)狀

相比于傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)，數(shù)字圖像處理技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如再現(xiàn)性更好、處理精度更高、適用面更寬，且靈活性也更高。目前，關(guān)于數(shù)字圖像處理技術(shù)的。主要研究方向大致包括圖像的數(shù)字化和壓縮編碼、圖像增強(qiáng)與恢復(fù)、圖像分割和圖像分析等四個(gè)方面，這四個(gè)方向既是目前關(guān)于數(shù)字圖像處理技術(shù)的主流方向，同時(shí)也是對(duì)圖像進(jìn)行處理的主要流程[2]。下面分別詳細(xì)介紹這四個(gè)研究方向的主要內(nèi)容和研究現(xiàn)狀。

（1） 圖像的數(shù)字化和壓縮編碼

圖像的數(shù)字化是指對(duì)圖像進(jìn)行取樣和量化，將圖像變換為數(shù)字形式，使其適合用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，圖像被表示為數(shù)字矩陣的形式，矩陣的每一個(gè)元素代表了圖像的每一個(gè)像素。圖像的壓縮編碼的目的就是要對(duì)圖像的信息量進(jìn)行壓縮，使其適合存儲(chǔ)或在信道中進(jìn)行傳輸。常用的圖像編碼方式包括模擬處理和數(shù)字處理。在采用模擬處理技術(shù)時(shí)，通常需要進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換來得到編碼。而數(shù)字編碼技術(shù)通常對(duì)圖像進(jìn)行逐點(diǎn)加工，或者對(duì)圖像屬性進(jìn)行變換，利用圖像的特征進(jìn)行編碼等[3]。

圖像的壓縮編碼是為了盡可能地降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)占用的空間，同時(shí)盡量傳遞更多的信息量，從而降低傳輸圖像時(shí)所需的時(shí)間的帶寬。近年來，圖像壓縮編碼取得了很多研究成果，如EZW編碼算法和SPIHT編碼算法等，這兩種算法的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且圖片在復(fù)原時(shí)候的質(zhì)量較好，但是其時(shí)間和空間復(fù)雜度較高。此后，小波變換的圖像壓縮算法發(fā)展成為主要方向，改算法適用于分析非平穩(wěn)信號(hào)，具有更好的適用性。

（2） 圖像增強(qiáng)與恢復(fù)

圖像的增強(qiáng)與恢復(fù)是圖像處理的重要環(huán)節(jié)。其中，圖像增強(qiáng)的目的是使得圖像更為清晰，或?qū)⑵溥M(jìn)行轉(zhuǎn)換使其適合被人和機(jī)器分析或識(shí)別。對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)的常用方法包括邊緣銳化、干擾抵制、灰度等級(jí)直方圖處理等等。在獲得圖像過程中，難免會(huì)受到各種因素的影響，比如光學(xué)系統(tǒng)的離焦、物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等。圖像恢復(fù)的目的就是為了去除這些原因所導(dǎo)致的圖像退化。

在對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)和恢復(fù)前，通常首先分析各種增強(qiáng)算法的優(yōu)缺點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，然后根據(jù)圖像的具體特點(diǎn)決定使用哪種或哪幾種增強(qiáng)方法。常見的處理流程是，首先根據(jù)圖像自身性質(zhì)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;其次，實(shí)行相應(yīng)的恢復(fù)算法降低退化源造成的影響;然后，根據(jù)圖像的先驗(yàn)知識(shí)，建立原始圖像的模型;最后，通過檢測(cè)原始圖像而復(fù)原圖像。

（3） 圖像分割

圖像分割是指將圖像劃分為不同的區(qū)域，這些區(qū)域相互不會(huì)重疊，而且每一個(gè)區(qū)域中的像素是連續(xù)的。目前常見的圖像分割方法是利用圖像的紋理特性來對(duì)其進(jìn)行分割，可進(jìn)一步分為區(qū)域法和邊緣法。其中，區(qū)域法是將像素劃分到特定的區(qū)域，而邊緣法是通過尋找區(qū)域之間的邊界來對(duì)圖像進(jìn)行分割。

基于區(qū)域的分割方法包括閾值法、分裂合并法等等，其基本原理是將圖像分割成多個(gè)不重疊的區(qū)域，同時(shí)保證每個(gè)區(qū)域特征的相似性是內(nèi)部大于外部，且每個(gè)區(qū)域內(nèi)部的像素滿足特征相似性準(zhǔn)則。基于邊緣的分割方法是通過檢測(cè)圖像局部特征的突變性來把圖像分割成不同的區(qū)域。典型的邊緣檢測(cè)算子包括微分算子法和邊界跟蹤法，微分算子法計(jì)算簡(jiǎn)單快速，但是對(duì)干擾噪聲較為敏感;邊界跟蹤法從梯度圖中的一點(diǎn)出發(fā)，一次尋找相鄰邊緣點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界的檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常綜合利用多種算法來對(duì)圖像進(jìn)行分割

（4） 圖像分析

在對(duì)圖像進(jìn)行上述一系列處理之后，通過對(duì)圖像進(jìn)行分析，從中提取出有用的數(shù)據(jù)和信息才是圖像處理的目的。而圖像分析就是為了獲得以數(shù)值形式所表示的數(shù)據(jù)和信息。與現(xiàn)有的模式識(shí)別、人工智能相比，圖像分析的內(nèi)容與其既有交叉也有區(qū)別。圖像分析是在利用圖像分割方法抽取圖像特征的基礎(chǔ)上，利用符號(hào)對(duì)圖像進(jìn)行描述，進(jìn)而判斷該圖像中是否存在某種信息。

圖像分析具體可包括圖像描繪和紋理分析兩個(gè)方面。其中，圖像描繪是在圖像分割的基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)提供的信息和相互關(guān)系，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，可進(jìn)一步分為內(nèi)部描述、邊界描述和關(guān)系描述。常見的紋理分析方法主要是利用紋理圖像的結(jié)構(gòu)、紋理的不同數(shù)字特征、紋理在頻域的表現(xiàn)特點(diǎn)或某種數(shù)學(xué)模型對(duì)圖像的紋理進(jìn)行分析，與之相對(duì)應(yīng)的方法分別稱為結(jié)構(gòu)法、統(tǒng)計(jì)法、頻譜法和模型法。

3 數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

在信息高速發(fā)展的今天，數(shù)字多媒體圖像已經(jīng)成為人們獲取和交換信息的重要方式，因此，數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及人類生活的多個(gè)方面，具體而言：

在航空航天方面，較為常見的應(yīng)用場(chǎng)景是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)月球、火星的照片進(jìn)行處理，以及對(duì)飛機(jī)和衛(wèi)星遙感得到的圖像進(jìn)行處理[4]。尤其在遙感圖像方面，各個(gè)國(guó)家每天都利用飛機(jī)或衛(wèi)星對(duì)地球上的區(qū)域進(jìn)行空中拍照，對(duì)得到的照片如果采用人工處理則會(huì)花費(fèi)大量的人力物力，而采用數(shù)字圖像處理技術(shù)可可以高效地對(duì)得到的圖像進(jìn)行判讀分析，并從中提取出利用傳統(tǒng)人工方式無法獲得的大量有用信息。目前，各國(guó)都大量使用衛(wèi)星所獲得的圖像對(duì)地球資源進(jìn)行普查、對(duì)災(zāi)害進(jìn)行檢測(cè)或?qū)Τ鞘羞M(jìn)行規(guī)劃，在這些應(yīng)用中，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)揮了重要作用，且達(dá)到了良好效果。此外，在對(duì)太空的其他星球研究和天氣水文預(yù)報(bào)方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也必不可少。

在生物醫(yī)學(xué)工程方面，醫(yī)學(xué)上在對(duì)患者進(jìn)行診斷時(shí)，常常利用CT、X光等技術(shù)，通過對(duì)患者體內(nèi)成像來判斷患者病情。在成像過程中，常常采用數(shù)字圖像處理技術(shù)來獲得清晰的醫(yī)學(xué)圖像，包括肺部圖像、超聲波圖像、心電圖等[5]。此外，數(shù)字圖像處理技術(shù)還在醫(yī)用顯微圖像的處理分析方面發(fā)揮作用，包括細(xì)胞分類、病變細(xì)胞識(shí)別、染色體分析等。

在信息通信方面，隨著信息化的不斷發(fā)展，由于圖像可以給人直觀的感受，且傳遞的信息比文字形式更為感官，因此，利用圖像傳遞信息已經(jīng)成為非常重要的通信方式之一。但是由于圖像通信由于涉及的圖像數(shù)據(jù)量較大，也導(dǎo)致這種方式相對(duì)復(fù)雜。為了將圖像數(shù)據(jù)通過從傳統(tǒng)的信道實(shí)時(shí)發(fā)送出去，常用的解決方式是對(duì)圖像的信息進(jìn)行壓縮。目前常見的編碼方式包括自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼、小波變換壓縮編碼等。

在工業(yè)和工程方面，零件質(zhì)量的檢測(cè)和分類，各種印刷電路板的質(zhì)量和瑕疵檢測(cè)，彈性力學(xué)、流體力學(xué)相關(guān)圖片的力學(xué)分析，以及信件的識(shí)別和自動(dòng)分類等等，都使用了數(shù)字圖像處理技術(shù)[6]。此外，在一些人力無法或不宜達(dá)到的地方，如有毒區(qū)或放射性較大的區(qū)域等，可以利用數(shù)字圖像處理技術(shù)通過對(duì)工件或物體的圖像進(jìn)行分析，來對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別和處理。

在軍事方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)主要用于對(duì)軍事上涉及的各類圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，包括導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、采集照片的判讀、指揮系統(tǒng)中的圖像傳輸存儲(chǔ)和展示、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的飛機(jī)坦克的建模和識(shí)別等等。在公安方面，數(shù)據(jù)圖像處理技術(shù)在圖像取證方面發(fā)揮著不可替代的作用，如利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對(duì)嫌疑人的指紋和人臉進(jìn)行識(shí)別，對(duì)得到的模糊或缺損圖像進(jìn)行復(fù)原和增強(qiáng)，對(duì)交通監(jiān)控和事故進(jìn)行分析等等。最為常見的用于案例是高速公路或停車場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動(dòng)識(shí)別。

在文化藝術(shù)方面，典型的應(yīng)用可分為兩類，一類是視頻和多媒體系統(tǒng)中廣泛采用的數(shù)字圖像的編輯、合成、變換、靜止和動(dòng)態(tài)圖像信息的采集和處理及存儲(chǔ)，同時(shí)，在動(dòng)畫和電子游戲的制作方面也普遍使用了數(shù)字圖像處理技術(shù)。另一類是在文化藝術(shù)方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)常被用于對(duì)各種工藝品進(jìn)行設(shè)計(jì)、缺失文物或歷史資料的復(fù)制和修復(fù)，或?qū)悎?chǎng)上運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行分析和評(píng)分等等，這一類應(yīng)用也相應(yīng)形成了計(jì)算機(jī)美術(shù)這一新的藝術(shù)形式。

在機(jī)器人視覺和可視化方面，將圖像處理技術(shù)和圖形學(xué)相結(jié)合，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域形成了較為成熟的研究工具，如對(duì)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)進(jìn)行可視化等等。在機(jī)器視覺方面，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，機(jī)器人可以對(duì)二維和三維的物體進(jìn)行識(shí)別和理解，或?qū)娛颅h(huán)境進(jìn)行偵查等等。此外，在電子商務(wù)方面，如身份認(rèn)證、水印、產(chǎn)品真?zhèn)巫R(shí)別等方面，圖像處理技術(shù)也得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

數(shù)字多媒體圖像處理技術(shù)在軍事、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。隨著計(jì)算機(jī)的高速處理能力的提高，數(shù)字圖像處理技術(shù)也必將隨之迅速發(fā)展。在當(dāng)前各個(gè)學(xué)科不斷交流和融合的背景下，數(shù)字圖像處理也必將與其他相關(guān)學(xué)科彼此滲透和結(jié)合，在這種融合中，在高速處理能力的支持下，數(shù)字圖像處理技術(shù)在獲取和利用信息方面的優(yōu)勢(shì)將愈發(fā)明顯，未來也必將受到更多關(guān)注和重視。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】