数字图像处理的发展与应用趋势讨论

四川大学电子信息学院　谢云聪

数字图像处理的发展与应用趋势讨论

四川大学电子信息学院谢云聪

俗话说“百闻不如一见”，人类接受外部信息的主要途径就是眼部的感知，即图像，它对于我们生活、工作的重要性不言而喻。伴随着计算机软硬件技术的快速发展与进步，数字图像处理已经进入了我们生活与工作的多个领域，如科学研究，工农业生产，军事，公安，医疗卫生，教育等。本文主要是从数字图像处理的基本内容、基本组成、具体应用以及当前的发展趋势进行分析与讨论，目的在于帮助更多人认识与了解数字图像处理技术。

数字图像处理；边缘检测；超分辨率；应用；发展趋势

1.前言

图像是物体或事物的一种表示、写真或临摹，人们通过视觉系统接受它，并在系统中进行初步的辨识之后形成最终的印象与了解。人们是通过自身拥有的听觉、视觉、触觉、嗅觉、味觉等来获取外部的信息，约83%的信息是依靠视觉获取的。为了能够及时、便捷的接受所需的图像，并在一定程度上保证图像的清晰度，避免图像失真、保存等出现问题，就需要利用现代化技术，对图像进行有效处理，因此数字图像处理技术应运而生，它是将图像物体运用数字表示并描述，是时间和空间的非连续函数，使计算机可以非常方便地对图像信号进行处理。数字图像处理技术的一个主要特点是可以在不增加硬件成本的前提下，通过数字运算对图像信息进行加工与处理，消除各类噪声得到清晰的图像，最终实现图像的精准识别，满足各行各业的需求。

2.数字图像处理的基本内容

数字图像处理通常包括以下几个基本内容：

图像变换：由于图像信号数据量巨大，直接在空间域中处理将涉及大量的计算，因此常采用图像变换的方法将空间域处理转换为变换域处理，以获得更有效的处理结果，其中最常使用的数字图像处理算法是小波分析，它可以进行“空间-尺度分析”和“多分辨率分析”；

图像压缩编码：由于图像的庞大数据量，例如：动态图像、高分辨率图像等，使得存储和传输需要占据大量资源（空间和带宽），不便于后续识别时的特征提取，影响效率，因此在保证不失真的前提下采用编码压缩是图像处理中常用且成熟的技术；

图像增强与复原：其目的是将图像有效部分或选择感兴趣部分通过定量强化，用图像强化技术改善图像质量，获取清晰轮廓及所需细节；然后，当了解图像品质下降（或退化）的原因后，建立“降质模型”，产生一个等价于理想成像系统所获得的图像，利用复原技术恢复原来图像，其整个过程是从图像到图像；

图像重建：与图像增强和复原不同，它是从数据到图像的处理过程，通常是将图像重建与计算机图形学结合将数据转换为有真实感的高品质图像；

图像分割：是数字图像处理中的关键技术之一，顾名思义即把图像分成区域的过程就是图像分割，是将图像中具有重要信息与意义的部位分割出来，它的难度在于图像不能完全依靠计算机自动分割，需将人工信息与之结合，因此如何将各种方法充分融合是目前提高准确性和有效性的主要内容，这也是未来研究的重点；

图像描述与分析：图像描述是图像识别和理解的必要前提，当前对图像的描述不仅仅是二维形状（采用二值），还包括对三维物体的描述；而图像处理的应用目标就是通过对图像的分析获取事件的真相，那么图像分析就是抓住目标特征将其从图像到数据的转换过程；

图像分类与理解：图像的分类属于一种基础性的识别模式，主要是在对图像进行复原、压缩等处理后，再进行分割与特点提取，进而决定如何分类；而图像理解则是在图像分析基础上进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，得出对图像内容含义的理解及原来客观场景的解释，并给出指导性决策。

与此同时，数字图像处理技术还具有这样几个优点：再现性比较好，经过数字图像技术处理的图像可以始终保持原有的图像再现；处理精度比较高，因为图像数字化设备的能力比较高；适用面比较宽，图像可以是来自多种信息源，针对不同的信息源，采取具体的图像信息收集措施，图像数字处理方法可以运用到任何一种图像；灵活性比较高，数字图像处理不仅可以进行线性运算，还可以进行非线性处理，即用数学公式等关系来表达的运算都可以利用数学图像处理实现。

3.数字图像处理系统的基本组成

数字图像处理系统与一般计算机处理系统不同之处是必须有专用输入/输出（图像采集/通讯显示）和通讯设备，见下图：

图1-1　数字图像处理系统的基本组成

4.数字图像处理的应用

图像是人们从外部获取信息与交换信息的重要来源，数字图像处理的应用已涉及各个技术领域，与人们的工作、生活、学习等紧密联系，不仅在理论上取得了一定的成果，还在实际应用中取得一些成就，并起到至关重要的作用。其主要体现在以下几个方面：

首先，航空航天领域上有所体现，同时还涉及到飞机遥感及卫星遥感领域中，它通过图像处理实现了对远距离不通过接触物体而获取物体信息的能力，通过不同时期的遥感图像形成的差值图像可以获取相应地区的动态变化信息，比如：资源调查、气候调查、洪水涨落、环境分析、城市规划等；人们在对火星照片处理有了新发现之后，世界上很多国家派出飞机对他们所感兴趣的地区进行空中摄影，将拍摄获得的照片进行处理，利用计算机的数字图像处理系统分析与判断照片，这样做不仅在很大的程度上节省了人力、物力，还加快了对图像处理的速度，并且能够从计算机的处理中获得人工所不能发现的重要内容与信息，得到有指导意义的结果；

此外，在生物医学工程方面的应用，如：X射线图像、超声图像、CT图像、核磁共振影像等技术，都是运用数字图像处理技术而得到高清晰度和高分辨率的图像，成为医生诊断病情的有力助手；在文化体育方面，可以进行数字编辑、动画制作、运动员动作分析等，通过图像扑捉转变为数字信息，再进行大数据综合分析、评判给出有意义的结论，最终实现技术的科学提升；

在通信工程方面，对超大数据量的高清图像信号的传输就依赖图像编码压缩技术，实现多媒体信号（电话、电视和计算机）的“三网合一”；在工业领域的应用，如在一些高温、有毒、放射性等恶劣环境下识别工件、物体形状、排列状态等均可以依靠数字图像处理技术无接触获取所需信息，其中，以高温环境恶劣的铝冶炼生产为例，对加料口状态的识别即采用了该技术，解决了恶劣环境下人工观察的不安全性、不及时性和不标准化的难题；另外，通过数字图像处理研制出来的智能机器人可以在该领域中进行有效利用，因为这些机器人同时具备了视觉、听觉以及触觉功能，这将是人类的一个突破性进步。

最后，数字图像处理还在军事以及公安方面得到了广泛应用，例：导弹的精确制导、对各种侦查照片进行判断与分析；在公安方面，对指纹进行识别，对人脸进行鉴别，将不完整的图片进行复原等；在高速公路系统中，例：ETC技术，实现了车辆、车牌照的自动识别。

由此可以看出，数字图像处理的应用已经遍及我们生活的方方面面，此项技术为人类对不可触及的世界的认知提供了强有力的手段，同时对人身安全有威胁的工作有了替代工具，用设备替代人工完成对事件的快速响应，等等，为我们探索未来，科学看待世界起到了巨大的推动作用。

5.数字图像处理的应用举例：利用canny算子进行边缘检测

边缘（edge）是指图像局部强度变化最显著的部分。主要存在于目标与目标、目标与背景、区域与区域（包括不同色彩）之间，是图像分割、纹理特征和形状特征等图像分析的重要基础。

Canny边缘检测算子是John F.Canny于 1986 年开发出来的一个多级边缘检测算法。更为重要的是 Canny 创立了边缘检测计算理论（Computational theory of edge detection），解释了这项技术是如何工作的。 Canny边缘检测算法以Canny的名字命名，被很多人推崇为当今最优的边缘检测的算法。

边缘检测的三个主要评价标准：

1）低错误率：标识出尽可能多的实际边缘，同时尽可能的减少噪声产生的误报。2）高定位性：标识出的边缘要与图像中的实际边缘尽可能接近。3）最小响应：图像中的边缘只能标识一次，并且可能存在的图像噪声不应标识为边缘。

为了满足这些要求 Canny 使用了变分法，这是一种寻找满足特定功能的函数的方法。

Canny边缘检测的一般步骤：

1）消除噪声。一般情况下，使用高斯平滑滤波器卷积降噪。2）计算梯度幅值和方向。

使用下列公式计算梯度幅值和方向：

梯度方向近似到四个可能角度之一（一般为0， 45， 90， 135）

3）非极大值抑制。 这一步排除非边缘像素，仅仅保留了一些细线条（候选边缘）。

4）滞后阈值。最后一步，Canny 使用了滞后阈值，滞后阈值需要两个阈值（高阈值和低阈值）：

Ⅰ.如果某一像素位置的幅值超过高阈值， 该像素被保留为边缘像素。

Ⅱ.如果某一像素位置的幅值小于低阈值， 该像素被排除。

Ⅲ.如果某一像素位置的幅值在两个阈值之间，该像素仅仅在连接到一个高于高阈值的像素时被保留。

函数实例：

Mat src=imread（“test.jpeg”）； //工程目录下应该有一张名为test. jpeg的素材图片

Canny（src， src， 20， 60，3 ）；

imshow（“【效果图】Canny边缘检测”， src）；

canny边缘检测效果：

如上边缘检测在人像截取，图片纹理分析等实际问题中有较为广泛的应用。

6.数字图像处理的发展

目前，相关技术的发展与进步，使数字图像处理技术在新领域上得以广泛应用，可以料想到今后数字图像处理将会得到快速的发展与进步，并在其应用领域上发挥出重要的作用。根据我国的分析与研究情况来说，在理论方面的研究成果十分丰富，但是在实际应用上还是比较缺乏，所以说，必须将理论与实践结合起来，使其朝着高速化、智能化、标准化的方向发展与进步。其具体体现在以下这几个方面：首先，数字处理有待应用于计算机视觉中，伴随着我国计算机技术的发展，人工智能技术的进步，思维科学研究的进程，可以看出数字图像处理将会得到更好的发展；机器人视觉作为智能机器人身上的一种重要器官，可以对景物进行识别与分析，这也是目前研究的热点之一，用于军事侦查的机器人，家庭服务的机器人等等都是未来发展的重要方向；因为人类本身对自己视觉的了解是非常少的，因此，计算机视觉是一个比较新颖的研究领域，有待人们对其进行探究。其次，数字图像处理还有望应用于虚拟现实中，虚拟现实属于一个借助计算机生成的虚拟空间，目前，虚拟现实伴随计算机技术的发展而得到一定程度上的提高，该技术势必会受到更多人的关注与重视，也会在未来得到更好的发展；通过采用数据手套以及在机器人身上安装摄像头，人们就可以感受到机器人所处的环境，对机器人进行控制，所以说虚拟现实是未来的一个重点研究课题；再次，数字处理有望应用于三维重建，人类对社会事物的认识与工具的操作，都是喜欢将其掌握在自己的手中，并通过自身的实际操作来完成一定的生产与发展，因此，将原本二维的东西通过三维来重现，这必然会成为时代发展的潮流与趋势；另外，在两点之间的障碍物等也可以直观的显示出来，还可以模拟飞机的路线，这些都为指挥作战提供了极大的便利；如何在计算机中对场景进行有效重建也是对未知事物准确了解的一项重要内容，例如：采用超分辨率技术（SR技术）得到高清晰度图像重建，这是人类未来需要深入研究的主题，也是图像处理未来的发展方向之一；图像理解虽然在理论方面上的分析与研究已经取得了很多不错的成绩，但是，出于其本身属于一个比较难的研究领域，仍存在很多难题；还有，拓展图像压缩、分割以及识别算法也是数字处理研究的关键技术之一。

数字图像处理理论与技术已经受到了社会各界的广泛关注与重视，当前面临的首要工作就是研究新的处理方法，创造一个新的系统，使其满足更多新的领域的需求。

7.结束语

综上所述，随着科学技术的快速发展，数字图像处理技术已被广泛地应用到人们的现实生活中，这使得数字图像处理技术与人们的生活变得息息相关，人们的生活也因此变得更加多元化、智能化、网络化、信息化和科学化。相信随着相关理论、实践的不断完善和提高，数字图像处理技术必定朝着高速、超分辨率、智能化方向快速发展。

［1］陈书海，傅录祥.实用数字图像处理［J］.北京：科学出版社，2015（1）：8.

［2］常青.数字图像处理教程［M］..华东理工大学出版社，2009，11（1）.

［3］李竹林，张根耀.图像立体匹配技术及其发展和应用［M］.西安：陕西科学技术出版社，2014（3）：16.

［4］孔大力，崔洋.数字图像处理技术的研究现状与发展方向［J］.山东水利职业学院院刊，2012（04）：11-14.

［5］陈炳权，刘宏立，孟凡斌.数字图像处理技术的现状及其发展方向［J］.吉首大学学报（自然科学版），2014（01）：63-70.

［6］吕戈静.浅谈数字图像处理技术的现状及发展［J］.电脑知识与技术，2012（33）：8035-8036.

谢云聪（1994—），男，辽宁沈阳人，四川大学电子信息学院电子信息工程专业大三本科在读。