数字图像处理的常用方法、软件平台和展望

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论文摘要

  在近 20 年的时间里,随着数字电视技术和计算机技术的普及和不断发展,数字图像处理已经迅速发展成为一门独立的学科,其发展前景广阔且引人注目。数字图像处理技术在科学研究、工农业生产、生物医学工程等领域应用十分广泛,发挥的作用越来越大。本文主要介绍了关于数字图像的基本概念、常用方法、计算机软件开发平台和其主要应用领域。

  1 数字图像的概念

  从广义上说,图像指的是能够记录在某种纸介质上的、拍摄在底片或照片上的、显示在电视、投影机屏幕上的所有具有视觉效果的画面的总称。根据图像记录方式的不同,图像可分为两大类:一是通过如光、电等物理量的强弱变化来记录图像上各点的亮度信息的图像,我们称之为模拟图像(Analog Image);二是完全用数字(即计算机存储的数据)来记录图像亮度信息的图像,我们称之为数字图像(Digital Im-age)。
  所谓的数字图像处理,也被称为计算机的图像处理过程,指的是将图像中包含的模拟信息、信号等转换成计算机能够识别和处理的数字信号,并使用计算机程序进行处理的过程。早期数字图像处理的目的在于提高图像本身的质量,它主要是用来改善人的视觉质量。随着计算机技术的不断发展和应用范围的扩大,如今对图像进行处理和加工的主要目的从提高人的视觉逐渐转变为以下三个方面:
  (1)改善图像的视觉质量,增强、抑制图像中某些不需要的成分,从而改善图像的质量,这也是早期数字图像处理的主要目标。
  (2)为了使得计算机分析图像更加便利、快速,提取图像中包含的某些特殊信息,这些信息可以是频域特征、边界特征等,也可以是形状特征、纹理特征等。
  (3)图像数据处理的变换、编码和压缩,以便于图像的存储和传输。

  2 数字图像处理的常用方法

  目前,常用的数字图像处理方法很多,主要分为以下三大类:
  (1)图像到图像的处理:其输入和输出都是图像,所以,这种处理技术主要包括图像增强和复原、图像编码压缩等。
  首先,图像增强和复原的主要目的在于改善图像的质量,提高图像的清晰度等。图像增强是一个主观过程,它只是将图像中用户感兴趣的部分,给用户提供喜欢接收的图像。与图像增强不同的是,图像复原则是一个客观过程,它可以看做是图像退化的逆过程,其追求的目标在于恢复或重建原始图像,可以通过使用空间域或频域滤波器来加以实现。
  其次,若图像中携带的信息量很大,则计算量必然也很大,因此会给存储器的存储容量、通信线路的带宽以及计算机的处理速度带来极大的压力。所以,图像编码技术可减少描述图像的信息量,以便减少所占用的存储空间、节省图像传输、处理的时间。现在图像编码压缩技术已经成为图像处理中较为成熟的技术。
  (2)图像到数据的处理:其输入是图像,输出为输入图像内容的各种符号表示,最为常见的是一个二维数组来表示。这类图像处理技术主要有:图像分割、图像分类等。
  图像分割是数字图像处理中的关键技术和研究热点之一,也是由图像处理到图像分析的关键步骤。图像分割的主要任务在于将图像中的人们感兴趣的区域及其所需要的特征值提取出来,以便对图像进一步处理。其处理方法主要有阈值法分割等。
  图像分类又称作为图像识别,属于模式识别的范畴,其中最为关键的一环在于特征的提取。其主要内容是图像经过譬如增强、复原、压缩等预处理后,进行图像分割和特征提取,进而判决分类。图像识别通常采用的是经典的模式识别方法。
  (3)数据到图像的处理:它是图像重建的逆过程,其输入为数据,输出为图像。将一幅图像经过量化等手段处理后,将得到一个二维数组,由该数组就可以对各种已知图像进行处理。反过来说,若已知一个表示图像的二维数组,需要重新建立图像,则是图像重建中要解决的问题,它是数字图像处理中一个重要研究分支。图像重建的主要算法有:傅里叶反投影法、卷积法等。

  3 图像处理的计算机软件平台

  在图像处理发展的短短历史中,应用于图像处理方面的计算机软件平台有很多种,其中最为广泛使用且技术已经非常成熟的是由美国 Adobe 公司开发的软件 Photoshop,它主要用于图像处理和图像合成方面,其优点简单、方便、易学。除此之外,还有 VC++、MATLAB 等。MATLAB 是由MathWorks 公司进行开发,它不是标量的高级程序语言,而是一种基于向量,即数组的处理方法,主要用于数值计算和将处理后的图形可视化的一种工程语言,其优点在于开发计算方法非常迅速。VC++ 全称为 MicrosoftVisualC++,是由 Microsoft 公司的C++ 开发工具,其集成开发环境可视化,开发出来的应用程序具有运行速度快、代码执行率高、移植性能好等优点。目前,它已经成为专业程序员进行软件开发的首选工具。

  4 数字图像处理的应用领域

  人类主要依靠图像来获取和交换信息,所以,图像处理的应用领域也涉及人类生活和工作的各个方面,并且随着人类活动范围的日益扩大,也在不断扩大其应用领域。如表1 所示。
数字图像处理的应用领域表  5 数字图像处理技术的未来发展

  现如今,数字图像处理技术在人们生活中发挥着越来越重要的作用,并且创造了巨大的社会价值。随着计算机、网络以及其他科学技术的不断发展,其应用领域将更加广泛。总体而言,数字图像处理技术的未来发展分为以下几个方面:
  (1)随着计算机的发展,数字图像处理技术将会朝着智能化、高速度和高分辨率等方向发展。
  (2)逐步加强相关软件研究,开发新的软硬件实现数字图像处理。
  (3)研究新算法和新理论。近年来,在数字图像处理领域中又提出了一些新的算法及其理论,如小波分析(waveletanalysis theory)、遗传算法(genetic algorithms)、人工智能网络(artificial intelligence networks)等。
  (4)将图像处理过程进行硬件芯片化。目前,为了便于推广应用,并结合多媒体和计算机技术的研究,硬件芯片越来越多,数字图像处理的过程更加方便快捷。
  (5)将处理技术标准化。由于数字处理技术属于一门新兴学科,故还没有建立统一的国际和国内标准。

  6 结语

  总体来说,随着科学技术的迅速发展以及人类对图形的多样化要求不断增加,所以,无论在理论上还是实际上,数字图像处理技术都将会有很大的发展空间,其应用领域也将越来越广泛。

  参考文献
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