數(shù)字圖像處理技術(shù)在通信工程中的應(yīng)用方法探析

喬寶民

（華為技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本概念

圖像處理主要可以分成兩類：模擬圖像處理（Analog Image Processing）和數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）。數(shù)字圖像處理技術(shù)是指將圖像的信息信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模式，再利用計算機進(jìn)行分析、加工、處理的過程，最終是以數(shù)字的形式存儲在計算機內(nèi)，從而達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)量和傳遞圖像的目標(biāo)。因為計算機是不能直接處理圖像信息的，我們需要將圖像或視頻轉(zhuǎn)化成為計算機可以處理的數(shù)據(jù)[1]。可用二維數(shù)組來顯示數(shù)字圖像的形狀的，二維數(shù)組的行和列為像素坐標(biāo)(x,y)，特定行和列中包含的值成為像素的值(r,g,b)。我們可以推算和計算出二維平面空間中圖像所對應(yīng)的坐標(biāo)和對應(yīng)的值，通過這些信息，可以根據(jù)一系列算法找到具有特定形狀的像素的位置，或者找出滿足某個條件的像素的值，這咱技術(shù)被稱為信號處理技術(shù)，采用算法可以從圖像中獲取所需的信息。例如，在捉取圖像邊緣時，可以采用Roberts梯度法。即GR=|f(x,y)-f(x+1,y+1)|+|f(x+1,y)-f(x,y+1)|。

圖像處理噴氣推進(jìn)實驗室始于1964年的美國國家航空航天局，它是負(fù)責(zé)航天發(fā)展計劃和無人探索航天器研發(fā)和運營的研究機構(gòu)。數(shù)字圖像處理始于使用數(shù)字計算機改善月球表面衛(wèi)星圖像的質(zhì)量和失真情況。由于相機性能和失真，從美國第一個太空探測器Ranger 7傳輸?shù)降厍虻脑虑驁D像無法被正確確認(rèn)，這是一個應(yīng)用數(shù)字圖像處理來恢復(fù)從航天器傳輸?shù)脑虑虮砻鎴D像的質(zhì)量和失真機會，通過數(shù)字圖像處理獲得的月球表面圖像清晰，于是數(shù)字圖像處理技術(shù)開始被應(yīng)用到工業(yè)場所和醫(yī)療領(lǐng)域。此后，數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已擴大至物體識別、制造過程自動化、醫(yī)學(xué)圖像處理、字符識別和人臉識別等[2]。

圖像處理是指所有形式的圖像信息處理，重點是圖像識別和理解，包括在研究和解釋領(lǐng)域。換句話說，它通過重新處理視頻或圖像來提取信息。我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降膱D像放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、色彩校正等也是圖像處理技術(shù)。例如，當(dāng)圖像灰度級為[0,L-1]時，利用s=L-1-r的公式來實現(xiàn)圖像反轉(zhuǎn)。通過應(yīng)用圖像放大或旋轉(zhuǎn)度計算來更改圖像，相對更高級的操作包括識別、分析、操縱等。識別是指在肉眼無法識別的區(qū)域中找出差異，并與其他圖像進(jìn)行比較以找到特征。指紋識別、病變檢測等分析是指在經(jīng)過圖像處理修正和變換的圖像中尋找特征。它意味著測量物體的尺寸或分析衛(wèi)星圖片等。操縱是指，如果圖像太模糊或太嘈雜，則意味著對其進(jìn)行校正或變換以獲得所需的信息，主要是預(yù)處理階段使用最多、最重要的部分。

2 數(shù)字圖像技術(shù)的內(nèi)容

2.1 幾何處理

幾何處理是數(shù)字圖像技術(shù)最基本的內(nèi)容，同時這也是數(shù)字圖像技術(shù)最主要的內(nèi)容。數(shù)字圖像技術(shù)的幾何處理功能主要是對幾何圖形進(jìn)行加工處理，例如，改變幾何圖像的坐標(biāo)，將幾何圖像進(jìn)行一定比列的變動。運用數(shù)字圖像技術(shù)還可以實現(xiàn)多個圖像的同步處理，對多個圖像進(jìn)行同時匹配或者矯正等。

2.2 圖像增強

圖像增強也是我們在生活中常見的一種數(shù)字圖像技術(shù)內(nèi)容。圖像增強簡單來說就是對圖像的特定內(nèi)容進(jìn)行放大或者縮小，不同于圖像縮放的地方在于這種放大縮小是在像素的范圍內(nèi)進(jìn)行的，通過增加或減少像素來達(dá)到增強圖像的效果。在數(shù)字圖像技術(shù)當(dāng)中，直方與偽顏色增強是最常用的兩種方式。

2.3 圖像壓縮

進(jìn)行圖像壓縮的基本目的是為了實現(xiàn)圖像的傳輸與處理。利用數(shù)字圖像技術(shù)對圖像進(jìn)行壓縮可以有效減少圖像的數(shù)據(jù)量，在進(jìn)行信息傳輸與處理時，信息的數(shù)據(jù)量是影響傳輸速率的最主要因素將圖像壓縮之后便可以明顯提高圖像的傳輸速率，同時較少的數(shù)據(jù)量也會在一定程度上降低圖像的處理難度。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，即使出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真的情況也不會對讀取文件產(chǎn)生影響。圖像壓縮技術(shù)是依靠計算機編碼進(jìn)行的，因此實現(xiàn)圖像壓縮技術(shù)也有一定的難度，屬于較為高端的圖像處理技術(shù)。

2.4 圖像修復(fù)

圖像修復(fù)可以有效提高圖像的質(zhì)量，可以對損壞的圖像進(jìn)行復(fù)原，以此來恢復(fù)其原來的面貌。同時圖像修復(fù)技術(shù)還可以提高圖像的像素或者消除圖像中出現(xiàn)的不和諧因素。圖像修復(fù)的關(guān)鍵在于了解影響圖像質(zhì)量的因素，通過計算機編碼技術(shù)構(gòu)建科學(xué)合理的運行程序，以此來對需要處理的圖像進(jìn)行修復(fù)，或者利用計算機編程提取圖片的初始信息，直接運用重建圖像的方式來提高圖像的質(zhì)量。

2.5 圖像分割

在對圖像進(jìn)行處理時，將圖像進(jìn)行分割會在一定程度上降低圖像處理的難度，進(jìn)行圖像分割可以為圖像分析、研究和識別提供一定幫助?，F(xiàn)階段，數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展還不夠完善，在進(jìn)行圖像分割時只能采用簡單的區(qū)域分割與邊緣分割法，還未研究出較為全面的圖像分割法，但是簡單的圖像分割也會在一定程度上為進(jìn)一步處理圖像提供幫助。

2.6 圖像重建

基于CT技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像重建技術(shù)也逐漸的趨于完善，圖像重建技術(shù)可以利用相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行重構(gòu)，圖像重建技術(shù)還可以為圖像增強提供一定的幫助。

3 數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)點

3.1 再現(xiàn)性好

在日常生活的通信中，圖片的傳遞經(jīng)過復(fù)制、粘貼和處理之后就有可能會變得模糊不清，無法識別原來的圖像信息，影響正常使用，但是在數(shù)字圖像處理技術(shù)中主要是把圖像進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，所以只要數(shù)字化時能夠準(zhǔn)確地還原圖像原來的數(shù)據(jù)，計算機就能很簡單地完成圖像的再現(xiàn)，并且能準(zhǔn)確地還原原來的圖像信息。

3.2 處理精度高

現(xiàn)在隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，已經(jīng)可以把每個像素的灰度級量轉(zhuǎn)化為16位甚至更高的位數(shù)，使數(shù)字化的精度更高更好，可以很好地滿足通信工程中工作上的需求，更好處理通信中一些模糊不清的圖像信息，使得通信更加便利和提高通信效率。理論上，無論圖像的準(zhǔn)確度要求有多高，只要在程序中改變二維數(shù)組的參數(shù)就可以處理圖像信息，不僅可以提高圖像處理信息的精確度，而且可以數(shù)字處理的方式圖像，精簡了圖像處理的方法。

3.3 適用面寬

數(shù)字圖像處理技術(shù)是把通過不同的渠道獲得的圖像進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，采用二維數(shù)組的形式來表示圖像，然后通過計算機來處理圖像信息。所以針對不同渠道的圖像只要采取相應(yīng)的收集措施，把這些圖像信息集中收集起來用數(shù)字圖像技術(shù)處理便可。數(shù)字圖像處理技術(shù)的適用范圍是很廣泛的，可以根據(jù)針對不同渠道的圖片來進(jìn)行處理，現(xiàn)在通信工程是朝多方面發(fā)展的多媒體通信，數(shù)字圖像技術(shù)對通信工程的發(fā)展有著重要的影響和輔助作用[3]。

3.4 靈活性高

采用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以處理多種圖像和圖形信息，通過對圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化然后再用計算機對其進(jìn)行處理和分析便可得出最終信息。圖像處理技術(shù)不僅能完成線性運算還能完成非線性的運算，并且能準(zhǔn)確地還原圖像信息。它可以靈活運用在各個領(lǐng)域上，發(fā)揮數(shù)字圖像處理技術(shù)的作用。例如，在航空領(lǐng)域，可以處理衛(wèi)星拍下的圖像信息；在交通領(lǐng)域上可以智能識別車牌號碼。因此發(fā)展數(shù)字圖像處理技術(shù)是非常有必要的，是現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)探索的熱點話題之一。

4 數(shù)字圖像處理技術(shù)在通信工程中的應(yīng)用方法探析

4.1 圖像變換方法

理論上，所有的圖像處理其實都是圖像變換，因為數(shù)字圖像處理技術(shù)本質(zhì)上就是把圖像經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的形式，然后再通過計算機的處理達(dá)到圖像的再現(xiàn)和傳遞。它的原理就是通過重映射的方法將圖像中某位置的元素放置到另一圖像的指定位置。為了保證圖像的完整性，還需要插值。重映射主要有最近鄰插值、雙線性、像素區(qū)域重新采樣、雙三次插值這四種插值方法。在通信工程中，要處理的圖像信息又很多，一些圖像陣列很大需要直接在空間域中處理，計算機的計算量是很大的，所以采用圖像變換的方法間接將原來在空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域的處理，這樣在減少計算量的同時，也可以使得圖像得到有效的處理。例如，傅立葉變換就是將時域或者空域上的信號變換成為頻域上的能量分布描述，使得圖像在變換之后也可以有效地傳達(dá)原來的圖像信息。

4.2 圖像編碼壓縮方法

圖像編碼壓縮是在通信工程中比較重要的一個應(yīng)用方法，因為在通信的過程中，人們常常需要傳送數(shù)據(jù)量龐大的圖像，這個時候為了不讓傳送的圖像信息失真，且快速傳送，要節(jié)省圖像的傳輸、處理時間和減少圖像數(shù)字化所占用的存儲空間就要通過編碼壓縮技術(shù)來達(dá)到這種效果，提高通信的效率。一些常用的編碼方式主要有哈弗曼編碼、算術(shù)編碼、字典編碼、KLT編碼、分型編碼、模型編碼、基于小波編碼等方法。

4.3 圖像增強和復(fù)原方法

圖像增強可分為頻率域法和空間域法。在通信工程中，往往需要提高圖像信息的像素，以便于信息的提取和分析，數(shù)字圖像處理技術(shù)中的圖像增強和復(fù)原的方法很好的滿足了通信過程中的這一需求，圖像的增強一般不考慮降質(zhì)的原因，它突出圖像中的重要信息部分，比如強化圖像的高頻分量，可以讓圖像中的細(xì)節(jié)變得明顯，輪廓線條變得更加清晰[4]。而有些圖片在傳送的過程中失去了原來的像素，可能因操作不慎造成失真，此時可以通過數(shù)字圖像處理技術(shù)復(fù)原的方法是圖像恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)，使得傳送無誤。然后再圖像通過二維離散傅里葉變換與反變換來完成圖像頻域和空間域的轉(zhuǎn)換。

4.4 圖像分割方法

在有些圖像的處理中，分割方法主要有閾值分割、區(qū)域分割、邊緣分割和直方圖法這幾種技術(shù)。通信工程需要對這些圖像進(jìn)行局部的分析和解讀，例如，對衛(wèi)星圖像的解讀分析就需要對局部進(jìn)行仔細(xì)觀察，對原來的完整的圖像進(jìn)行分割提取，在提取出來的部分圖像里進(jìn)行放大觀察，對提取的邊緣、區(qū)域進(jìn)一步進(jìn)行圖像識別和分析，最終得到觀察分析的結(jié)果，便于通信工作的開展[5]。

4.5 圖像分類方法

圖像分類主要是通過處理對圖像進(jìn)行識別，將圖像歸類的一個過程，因為在通信工程中存在著大量的圖像和圖形信息，這些圖像和圖形涉及的領(lǐng)域和作用也是多種多樣，需要先把圖像信息做一個規(guī)整分類，在對應(yīng)的類別中處理相對的圖像信息，所以對圖像的分類是非常有必要的，分類便于通信工作的展開，在通信過程中能更快地把屬于不同領(lǐng)域的圖像提取檢索出來，提高了通信工作的效率，減少工作量。所以數(shù)字圖像處理技術(shù)是今年的重要研究熱點之一。

5 結(jié)束語

本文通過對數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本概念和原理進(jìn)行分析解讀，給出了數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)點，并對通信工程中可以運用到的應(yīng)用方法進(jìn)行了分析探索。目前數(shù)字圖像處理技術(shù)還有值得我們?nèi)ド疃妊芯康膯栴}，通信工程在數(shù)字圖像處理技術(shù)中可以提高通信的工作效率和工作水平，為通信工程提供便利，利于工作的開展。但是還是存在一些技術(shù)上的問題需要解決，是我們現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步中去探索的方向，數(shù)字圖像處理技術(shù)對通信工程的發(fā)展和其他領(lǐng)域的發(fā)展都有很大的輔助作用，所以要加強對數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究力度，更深層次對其展開研究，擴展它的適用領(lǐng)域，提高我們的生活質(zhì)量和水平。