視頻通信中的圖像處理技術(shù)分析

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)視頻通信技術(shù)進(jìn)步起到了極大的促進(jìn)作用。該項(xiàng)技術(shù)逐步融合聲音、圖像、數(shù)據(jù)等信息，可對(duì)音視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，由此在視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教學(xué)等領(lǐng)域中得到深入應(yīng)用，為人們的日常溝通帶來(lái)了極大的便捷性。但在網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)差的情況下，也會(huì)對(duì)視頻通信效果產(chǎn)生不良影響。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究至關(guān)重要，只有強(qiáng)化技術(shù)控制，才能為圖像質(zhì)量提升并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸提供基礎(chǔ)支持。

一、圖像處理技術(shù)概述

（一）技術(shù)內(nèi)涵

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得更加廣泛，尤其在圖像數(shù)據(jù)的編輯和處理方面表現(xiàn)出色。圖像處理是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像資料進(jìn)行優(yōu)化轉(zhuǎn)換的過(guò)程，包括圖像的數(shù)字化、增強(qiáng)、復(fù)原、數(shù)據(jù)編碼、分割和識(shí)別等環(huán)節(jié)。在此領(lǐng)域，圖像通常由各種幾何形狀構(gòu)成，通過(guò)專用的繪圖軟件進(jìn)行處理和顯示。圖像處理技術(shù)主要分為兩大類：模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理，這兩種處理方式都致力于通過(guò)高效的計(jì)算方法改善圖像質(zhì)量和解析度。但兩種圖像處理技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，且適用范圍和場(chǎng)景也有所不同。因此，必須對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，以掌握?qǐng)D像處理技術(shù)的核心內(nèi)涵，從而為后續(xù)的圖像高效處理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）主要技術(shù)

1.模擬圖像處理技術(shù)

模擬圖像處理技術(shù)主要是使用光學(xué)、電子方法來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)的電視等動(dòng)態(tài)圖像，依賴模擬圖像處理器，根據(jù)特定算法操作輸入的圖像信號(hào)。在處理過(guò)程中，信號(hào)會(huì)經(jīng)歷放大、濾波、檢波等步驟，以輸出更清晰的圖像。此項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其具有快速處理能力，能夠滿足對(duì)動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行即時(shí)處理的需求。由于光子并行處理的特性，其處理速度極快，幾乎可以達(dá)到光速，從而保證處理的實(shí)時(shí)性。盡管模擬圖像處理能夠快速處理動(dòng)態(tài)圖像，尤其是在電視系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但其精度通常受限于使用的電子設(shè)備性能，處理結(jié)果只能達(dá)到視頻信號(hào)本身的精度。此外，模擬處理在執(zhí)行復(fù)雜的圖像分析和非線性處理時(shí)的能力較弱，又限制了其在高級(jí)圖像處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.數(shù)字圖像處理技術(shù)

數(shù)字圖像處理技術(shù)主要涉及通過(guò)計(jì)算機(jī)將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式進(jìn)行高效處理的方法3。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，原始圖像首先被采集并數(shù)字化，隨后通過(guò)應(yīng)用各種算法進(jìn)行深入處理。處理完成的圖像可以再次被轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)以供輸出顯示。該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于其具有高精度的處理能力，能夠執(zhí)行復(fù)雜的非線性操作，并進(jìn)行詳盡的圖像分析。該技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像處理的靈活性極高，能適應(yīng)各種不同的處理需求，并可極大地提高圖像處理的自動(dòng)化水平，減少人工操作。利用該技術(shù)，用戶可以根據(jù)需求自由編程。然而，數(shù)字圖像處理也存在一些局限性，如處理速度相對(duì)較慢，尤其是在處理大規(guī)模或具有高復(fù)雜性的動(dòng)態(tài)圖像時(shí)，實(shí)時(shí)處理的難度較大。而且，在進(jìn)行數(shù)字圖像處理時(shí)，還需要高性能的計(jì)算機(jī)硬件支持。在圖像采集、數(shù)字化轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)信息部分丟失的情況，從而影響最終的圖像質(zhì)量。

二、視頻通信中的圖像處理技術(shù)

（一）圖像恢復(fù)技術(shù)

1.凸集投影方法

在視頻通信中，圖像恢復(fù)是關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，尤其是在圖像壓縮和傳輸導(dǎo)致質(zhì)量下降時(shí)。其中，凸集投影方法是一種高效的圖像恢復(fù)技術(shù)。通過(guò)數(shù)學(xué)和計(jì)算模型來(lái)改善恢復(fù)圖像質(zhì)量，尤其適用于消除視頻通信中的塊效應(yīng)，同時(shí)細(xì)化圖像細(xì)節(jié)。凸集投影方法的基礎(chǔ)是將高質(zhì)量的原始圖像視為希爾伯特空間中的一個(gè)元素。希爾伯特空間是一個(gè)完備的內(nèi)積空間，允許進(jìn)行復(fù)雜的向量運(yùn)算和幾何投影。在視頻通信過(guò)程中，首先對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，然后傳輸壓縮后的圖像。圖像壓縮可能導(dǎo)致圖像褪色或細(xì)節(jié)模糊，因此，需要在希爾伯特空間中對(duì)圖像進(jìn)行恢復(fù)處理。恢復(fù)過(guò)程中需先設(shè)定兩個(gè)主要的約束凸集：量化限制約束凸集和平滑限制約束凸集。量化限制凸集主要處理圖像的色彩和亮度范圍，確保圖像參數(shù)不會(huì)超出特定界限。平滑限制約束凸集則關(guān)注圖像的整體平滑度，助力減少或消除塊效應(yīng)。在凸集投影的實(shí)際操作中，首先要在希爾伯特空間中定義并確定凸集，然后使用特定算法找到滿足約束的最佳圖像。該算法通過(guò)在不同凸集間進(jìn)行迭代投影，逐步逼近理想圖像的條件。在選代過(guò)程中，每次投影都是在嘗試減少圖像與目標(biāo)凸集之間的誤差，從而逐步改善圖像質(zhì)量。圖像經(jīng)過(guò)量化處理后，不僅可以恢復(fù)色彩和明暗度，還可通過(guò)平滑處理大大改善視覺(jué)效果。

2.貝葉斯方法

在視頻通信的圖像恢復(fù)過(guò)程中，貝葉斯方法能提供高效的概率框架，用于從退化的圖像中恢復(fù)原始的高質(zhì)量圖像。此種方法基于概率統(tǒng)計(jì)原理，通過(guò)整合圖像的先驗(yàn)知識(shí)和觀察到的數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化恢復(fù)過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，貝葉斯方法利用最大后驗(yàn)概率估計(jì)來(lái)確定最可能的原始圖像。在此過(guò)程中，需先定義圖像的先驗(yàn)概率分布，即在沒(méi)有觀察到任何數(shù)據(jù)之前關(guān)于圖像狀態(tài)的知識(shí)。接著結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)的似然性，貝葉斯方法通過(guò)計(jì)算后驗(yàn)概率來(lái)估計(jì)最可能的圖像狀態(tài)。在應(yīng)用貝葉斯方法時(shí)，馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)能提供描述圖像中像素點(diǎn)與其鄰域關(guān)系的概率模型，其分為條件隨機(jī)場(chǎng)和生成隨機(jī)場(chǎng)兩種形式。條件隨機(jī)場(chǎng)主要用于基于已知數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，適合于從低質(zhì)量圖像中估計(jì)出更高質(zhì)量的圖像。而生成隨機(jī)場(chǎng)則在貝葉斯準(zhǔn)則的支持下，對(duì)圖像的建模和估計(jì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，從而形成一個(gè)有效的似然模型。通過(guò)應(yīng)用馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)，貝葉斯方法不僅能考慮圖像本身的內(nèi)容，還可以利用圖像中的結(jié)構(gòu)和相鄰像素之間的關(guān)聯(lián)信息，最大限度地恢復(fù)圖像細(xì)節(jié)。

（二）圖像增強(qiáng)技術(shù)

1.環(huán)路濾波技術(shù)

環(huán)路濾波技術(shù)是一種常用的圖像增強(qiáng)方法，專門用于改善由視頻壓縮引起的圖像質(zhì)量下降。環(huán)路濾波通過(guò)在視頻編碼和解碼過(guò)程中實(shí)施，能有效地減少塊效應(yīng)，即壓縮過(guò)程中形成的可見(jiàn)塊狀噪聲，從而提升整體圖像的視覺(jué)質(zhì)量。在視頻編碼階段，環(huán)路濾波器按照國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)集成到編碼過(guò)程中，以保持圖像信號(hào)的能量平衡，防止在濾波過(guò)程中出現(xiàn)模糊或者鋸齒的情況通過(guò)預(yù)處理，圖像中的像素塊狀分布會(huì)得到顯著改善，從而提升圖像壓縮效果。通常情況下，這一過(guò)程能使壓縮后圖像的峰值信噪比提高0.5至1.5分貝。在解碼時(shí)，利用與編碼端匹配的環(huán)路濾波器，可以恢復(fù)壓縮過(guò)程中丟失的細(xì)節(jié)，尤其是實(shí)現(xiàn)邊緣和輪廓重建，可有效地降低圖像的模糊程度，恢復(fù)圖像的清晰度和細(xì)節(jié)，從而大大提高圖像質(zhì)量。環(huán)路濾波器在保持解碼后圖像質(zhì)感方面，表現(xiàn)優(yōu)于直接濾波。其計(jì)算負(fù)擔(dān)較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，非常適合硬件實(shí)現(xiàn)，能夠支持實(shí)時(shí)處理。尤其是在視頻會(huì)議、視頻通話等場(chǎng)景中，對(duì)于圖像質(zhì)量要求高，而且需即時(shí)提升圖像質(zhì)量，環(huán)路濾波器的應(yīng)用可達(dá)到理想效果。

2.后續(xù)濾波技術(shù)

后續(xù)濾波技術(shù)的應(yīng)用是在不改變?cè)季幋a過(guò)程的前提下，通過(guò)解碼端的圖像處理來(lái)提高視頻質(zhì)量。與環(huán)路濾波技術(shù)不同，后續(xù)濾波技術(shù)完全在解碼端進(jìn)行，并針對(duì)已解碼的圖像信號(hào)進(jìn)行操作，專門針對(duì)由視頻壓縮編碼引人的塊效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。塊效應(yīng)是視頻壓縮過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為圖像中出現(xiàn)的格狀噪聲，在視頻播放時(shí)尤為明顯。同時(shí)，該技術(shù)可引入自適應(yīng)濾波器來(lái)精確處理圖像的不同區(qū)域，并針對(duì)圖像的不同特征動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器的強(qiáng)度和類型，確保在不影響圖像質(zhì)量的前提下，改善整體視覺(jué)效果。隨著該技術(shù)發(fā)展，濾波的精度和智能化水平也逐漸提升，能夠更加高效地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的圖像問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于需要精細(xì)圖像處理的場(chǎng)景中7

在實(shí)際操作中，后續(xù)濾波技術(shù)首先將圖像從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，主要通過(guò)離散余弦變換完成。然后利用Walsh變換進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成 4×4 的塊狀結(jié)構(gòu)，以便識(shí)別分類圖像的不同區(qū)域。根據(jù)區(qū)域的不同特性，對(duì)每個(gè)區(qū)域應(yīng)用最適合的濾波策略。例如，在邊緣區(qū)增強(qiáng)細(xì)節(jié)，在平坦區(qū)使用較強(qiáng)的濾波以消除塊效應(yīng)。后續(xù)濾波技術(shù)還具有部署簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，不需要對(duì)已存在的編碼器進(jìn)行任何修改，只需在解碼器端添加處理模塊即可。這使得其不僅廣泛集成到各種國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，還被廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議系統(tǒng)等實(shí)時(shí)視頻通信場(chǎng)景。

三、圖像壓縮技術(shù)

圖像壓縮技術(shù)的應(yīng)用主要是為了解決視頻圖像數(shù)據(jù)量龐大而在窄帶寬或低速網(wǎng)絡(luò)中可能導(dǎo)致的傳輸延遲或阻塞問(wèn)題。為了有效地傳輸視頻而不犧牲過(guò)多的圖像質(zhì)量，工程技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了多種數(shù)據(jù)壓縮方法。常見(jiàn)的圖像壓縮技術(shù)包括JPEG、MPEG4、HEVC等，這些技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求和硬件條件選擇最合適的壓縮方案。例如，JPEG是一種廣泛使用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要用于靜態(tài)圖像，通過(guò)減少色彩空間的復(fù)雜性來(lái)減少文件大小。而MPEG4則采用更高級(jí)的編碼技術(shù)，包括基于對(duì)象的編碼、基于模型的編碼，其不僅能壓縮傳統(tǒng)的視頻流，還能處理視頻中的獨(dú)立對(duì)象，從而提供更高的壓縮效率，并實(shí)現(xiàn)更豐富的交互性。高效視頻編碼作為新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，能提供比現(xiàn)有技術(shù)更高的數(shù)據(jù)壓縮比，使得在保持相同圖像質(zhì)量的同時(shí)大幅減少帶寬占用。其特別適合對(duì)高清視頻和超高清視頻的壓縮，可以極大地優(yōu)化4K和8K視頻的傳輸質(zhì)量。

四、數(shù)字化處理技術(shù)

在視頻通信中，數(shù)字化處理技術(shù)主要負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行更高效的處理與傳輸。此項(xiàng)技術(shù)能夠精確控制圖像數(shù)據(jù)，從而提升視覺(jué)效果和處理效率。然而，信息量的增加對(duì)計(jì)算機(jī)的處理速度、存儲(chǔ)能力都提出了更高要求，同時(shí)也增加了處理寬頻帶的技術(shù)難度。數(shù)字圖像處理首先需將模擬信號(hào)通過(guò)攝像頭采集后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。該過(guò)程主要通過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）實(shí)現(xiàn)，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，然后通過(guò)各種數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行處理，以優(yōu)化圖像質(zhì)量。處理后的信號(hào)還需要通過(guò)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，以便在各種顯示設(shè)備上展示。

處理信號(hào)所使用的技術(shù)為系統(tǒng)片上程序（SOPC）技術(shù)。該技術(shù)支持有效的信號(hào)采集、傳輸和解碼。例如，使用SOPC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從PAL格式到數(shù)字格式的視頻解碼轉(zhuǎn)換，通過(guò)I2C總線完成設(shè)置與轉(zhuǎn)換即可。此外，現(xiàn)代數(shù)字化處理技術(shù)還涉及使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）器件，其能夠提供低成本的高效構(gòu)架。FPGA支持NiosII嵌入式處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅性能優(yōu)越，還能夠滿足復(fù)雜的計(jì)算需求。借助NiosⅡ嵌人式處理器的指令集，開(kāi)發(fā)人員可以設(shè)計(jì)高端軟件來(lái)完成更復(fù)雜的接口控制，從而實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理功能。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上可知，隨著視頻通信技術(shù)不斷發(fā)展，人們的音視頻交流方式得到顯著改善。盡管如此，圖像處理效率依然是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。為了進(jìn)一步提升圖像傳輸效果，深人研究視頻通信中的圖像處理技術(shù)尤為重要。通過(guò)對(duì)圖像壓縮、恢復(fù)、增強(qiáng)，以及數(shù)字化處理技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，可以識(shí)別當(dāng)前技術(shù)的局限性，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的改進(jìn)措施，解決常見(jiàn)的圖像問(wèn)題，進(jìn)一步提高視頻通信整體質(zhì)量，從而為人們提供更加豐富高效的音視頻交流體驗(yàn)。

作者單位：張小綱鄭真福 梁華茂 69016部隊(duì)

參考文獻(xiàn)

[1]譚峰.視頻通信領(lǐng)域的圖像處理技術(shù)[J].電視技術(shù)，2024，48（02）：214-217.

[2]秦興榮.基于光通信的水下視頻傳輸技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué)，2022.

[3]喬寶民.視頻通信中的圖像處理技術(shù)研究[J].中國(guó)新通信，2021，23（17）：39-41.

[4]周嘉慧.關(guān)于視頻通信領(lǐng)域圖像處理技術(shù)的分析與探究[J].中國(guó)新通信，2021，23（10）：7-8.

[5]張婷.視頻通信中的圖像處理技術(shù)探討[J].信息通信，2020.（05）：76-77.

[6]毛文慧，楊丹，蔣琴.視頻通信中的圖像處理技術(shù)分析[J].數(shù)碼世界，2019，（12）：24.

[7]邵美云.視頻通信中的圖像處理技術(shù)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（13）：209-210.

[8]王生成.視頻通信中的圖像處理技術(shù)探討[J].數(shù)碼世界，2018，（07）：113-114.