數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀分析

吳萌萌

摘 要：圖像是物體透射或反射的光信息，通過人的視覺系統(tǒng)的接收后，在人的大腦中形成的印象或認(rèn)識。人類獲取的外界信息約80%左右都是來自視覺接受的圖像信息。為了人類能方便、及時的接收到來自世界各地的圖像，并保證圖像的清晰度，那么就必須對圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理。本文簡述了數(shù)字圖像處理的發(fā)展概況及應(yīng)用現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了數(shù)字圖像處理的研究范疇，目的是便于人們對數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用有更多的了解。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像 圖像處理 應(yīng)用與發(fā)展

1.數(shù)字圖像處理的發(fā)展概況

數(shù)字圖像處理作為門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期。首次獲得實際成功應(yīng)用的是1964年美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室對航天探測器“徘徊者7號”發(fā)回的月球照片使用了圖像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等，并成功地繪制出月球表面地圖。隨后又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進(jìn)行了更為復(fù)雜的圖像處理，獲得了月球的地形圖、彩色圖以及全景鑲嵌圖，為人類登月壯舉奠定了堅實的基礎(chǔ)，也推動了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的發(fā)展。

20世紀(jì)60年代到70年代，離散數(shù)學(xué)的創(chuàng)立和完善，使數(shù)字圖像處理技術(shù)得到迅猛發(fā)展。這一時期，數(shù)字圖像處理取得的另一個巨大成績是在醫(yī)學(xué)上獲得的成果。1972年英國EMI公司工程師 Hounsfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計算機(jī)斷層攝影裝置。1975年EMI公司又成功研制出可掃描全身的CT裝置。1979年這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎。

從20世紀(jì)70年代中期開始，隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，人們已經(jīng)開始研究如何用計算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)的功能來理解外部世界，其中代表性的成果是20世紀(jì)70年代末Marr提出的視覺計算理論，該理論成為計算機(jī)視覺領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)思想。

2.數(shù)字圖像處理的研究范疇

圖像是人類獲取信息、表達(dá)信息和傳遞信息的重要手段。因此，數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為信息科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、工程科學(xué)、地球科學(xué)等諸多領(lǐng)域的學(xué)者研究圖像的有效工具。

2.1圖像處理

圖像處理著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換，是一個從圖像到圖像的過程，屬于底層的操作。它主要在像素級進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。圖像處理主要指對圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺效果，并為自動識別打基礎(chǔ)，或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼，以減少所需存儲空間或傳輸時間。它以人為最終的信息接收者，主要目的是改善圖像的質(zhì)量。主要研究內(nèi)容包括圖像變換、編碼壓縮、增強(qiáng)和復(fù)原、分割等。

2.2圖像分析

圖像分析是對圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測和測量，從而建立對圖像的描述。它以機(jī)器為對象，目的是使機(jī)器或計算機(jī)能自動識別目標(biāo)。圖像分析主要研究用自動或半自動裝置和系統(tǒng)，常依靠某種知識來說明景物中物體與物體、物體與背景之間的關(guān)系。目前，人工智能技術(shù)正在被越來越普遍地應(yīng)用于圖像分析系統(tǒng)中，進(jìn)行各層次控制和有效地訪問知識庫。圖像分析的內(nèi)容包括特征提取、符號描述、目標(biāo)檢測、景物匹配和識別等。它是一個從圖像到數(shù)據(jù)的過程，可以看作是中層處理。

2.3圖像理解

利用計算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)的功能來理解外部世界，被稱為圖像理解或計算機(jī)視覺，有時也叫做景物理解。圖像理解是由模式識別發(fā)展起來的。圖像理解的重點是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對圖像內(nèi)容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動。如果說圖像分析主要是以觀察者為中心研究客觀世界，那么圖像理解在一定程度上則是以客觀世界為中心，并借助知識、經(jīng)驗來把握和解釋整個客觀世界。因此圖像理解是高層操作，其處理過程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。

3.數(shù)字圖像處理的應(yīng)用

3.1航天和航空技術(shù)

數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了上面提到的，另一方面的應(yīng)用是在飛機(jī)遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中。此外，在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進(jìn)行資源調(diào)查、災(zāi)害檢測、資源勘察、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃、氣象預(yù)報和對太空其他星球的研究等方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當(dāng)大的作用。

3.2生物醫(yī)學(xué)工程

數(shù)字圖像處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十分廣泛，除了CT成像技術(shù)之外，還有對醫(yī)學(xué)顯微圖像的處理分析，如紅細(xì)胞、白細(xì)胞分類、染色體分析、癌細(xì)胞識別等。此外，還廣泛應(yīng)用于X射線圖像、超聲波圖像、心電圖分析、立體定向放射治療、紅外熱成像等醫(yī)學(xué)診斷方面。

3.3通信工程

當(dāng)前通信技術(shù)的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信，其中以圖像通信最為復(fù)雜和困難，因為圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達(dá)100Mbit/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實時傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比特量。因此從一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

3.4工業(yè)和工程

如自動裝配線中檢測零件的質(zhì)量并對零件進(jìn)行分類、印制電路板的瑕疵檢查、彈性力學(xué)照片的應(yīng)力分析、流體力學(xué)圖片的阻力和升力分析、郵政信件的自動分揀、在有毒或放射性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)、先進(jìn)設(shè)計和制造技術(shù)中采用的工業(yè)視覺等。

3.5軍事和公安

在軍事方面，圖像處理和識別主要用于導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)、各種偵察照片的判讀、具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)、飛機(jī)、坦克和軍艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)等；在公共安全方面，主要用于刑事圖像的判讀分析、指紋識別、人臉鑒別、不完整圖片的復(fù)原，以及交通監(jiān)控或事故分析等。

3.6文化藝術(shù)

目前這類應(yīng)用包括電視或電影畫面的數(shù)字編輯和處理、動畫的制作、電子游戲的設(shè)計、紡織工藝品設(shè)計、服裝設(shè)計與制作、發(fā)型設(shè)計、文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)、運動員動作分析和評分等。

4.總結(jié)

在當(dāng)今世界大發(fā)展、大繁榮的背景下，人們的生活變得更加科技化、信息化、智能化。可以說數(shù)字圖像處理技術(shù)在很多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是我國的數(shù)字圖像處理技術(shù)的水平還不算高，其應(yīng)用領(lǐng)域還有待擴(kuò)展。在人工智能技術(shù)發(fā)展的背景下，數(shù)字圖像處理技術(shù)仍需要不斷的加強(qiáng)研究創(chuàng)新，向著高速、實時化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

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