圖像處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1、.：.；圖像處置技術(shù)的研討現(xiàn)狀和開展趨勢莊振帥數(shù)字圖像處置又稱為計算機圖像處置，它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機對其進展處置的過程。數(shù)字圖像處置最早出現(xiàn)于20世紀50年代，當時的電子計算機曾經(jīng)開展到一定程度，人們開場利用計算機來處置圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處置作為一門學科大約構(gòu)成于20世紀60年代初期。早期的圖像處置的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對象，以改善人的視覺效果為目的。圖像處置中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處置方法有圖像加強、復(fù)原、編碼、緊縮等。初次獲得實踐勝利運用的是美國噴氣推進實驗室JPL。他們對航天探測器彷徨者7號在1964年發(fā)回的幾千

2、張月球照片運用了圖像處置技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進展處置，并思索了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計算機勝利地繪制出月球外表地圖，獲得了宏大的勝利。隨后又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進展更為復(fù)雜的圖像處置，以致獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅實的根底，也推進了數(shù)字圖像處置這門學科的誕生。在以后的宇航空間技術(shù)，如對火星、土星等星球的探測研討中，數(shù)字圖像處置都發(fā)揚了宏大的作用。數(shù)字圖像處置獲得的另一個宏大成就是在醫(yī)學上獲得的成果。1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影安裝，也就是我們通常

3、所說的CTComputer Tomograph。CT的根本方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計算機處置來重建截面圖像，稱為圖像重建。1975年EMI公司又勝利研制出全身用的CT安裝，獲得了人體各個部位鮮明明晰的斷層圖像。1979年，這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，闡明它對人類作出了劃時代的奉獻。與此同時，圖像處置技術(shù)在許多運用領(lǐng)域遭到廣泛注重并獲得了艱苦的開辟性成就，屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學過程、工業(yè)檢測、機器人視覺、公安司法、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等，使圖像處置成為一門引人注目、前景遠大的新型學科。隨著圖像處置技術(shù)的深化開展，從70年代中期開場，隨著計算機技術(shù)和人工智能、思想科學研討的

4、迅速開展，數(shù)字圖像處置向更高、更深層次開展。人們已開場研討如何用計算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)了解外部世界，這被稱為圖像了解或計算機視覺。很多國家，特別是興隆國家投入更多的人力、物力到這項研討，獲得了不少重要的研討成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的視覺計算實際，這個實際成為計算機視覺領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)思想。圖像了解雖然在實際方法研討上已獲得不小的進展，但它本身是一個比較難的研討領(lǐng)域，存在不少困難，因人類本身對本人的視覺過程還了解甚少，因此計算機視覺是一個有待人們進一步探求的新領(lǐng)域。對圖像進展處置(或加工、分析)的主要目的有三個方面: (1)提高圖像的視感質(zhì)量,

5、如進展圖像的亮度、彩色變換,加強、抑制某些成分,對圖像進展幾何變換等,以改善圖像的質(zhì)量。(2)提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息,這些被提取的特征或信息往往為計算機分析圖像提供便利。提取特征或信息的過程是計算機或計算機視覺的預(yù)處置。提取的特征可以包括很多方面,如頻域特征、灰度或顏色特征、邊境特征、區(qū)域特征、紋理特征、外形特征、拓撲特征和關(guān)系構(gòu)造等。(3)圖像數(shù)據(jù)的變換、編碼和緊縮,以便于圖像的存儲和傳輸。不論是何種目的的圖像處置,都需求由計算機和圖像公用設(shè)備組成的圖像處置系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)進展輸入、加工和輸出。數(shù)字圖像處置主要研討的內(nèi)容有以下幾個方面：1圖像變換由于圖像陣列很大，直接在空間域中進

6、展處置，涉及計算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處置技術(shù)，將空間域的處置轉(zhuǎn)換為變換域處置，不僅可減少計算量，而且可獲得更有效的處置如傅立葉變換可在頻域中進展數(shù)字濾波處置。目前新興研討的小波變換在時域和頻域中都具有良好的部分化特性，它在圖像處置中也有著廣泛而有效的運用。2圖像編碼緊縮圖像編碼緊縮技術(shù)可減少描畫圖像的數(shù)據(jù)量即比特數(shù)，以便節(jié)省圖像傳輸、處置時間和減少所占用的存儲器容量。緊縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進展。編碼是緊縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處置技術(shù)中是開展最早且比較成熟的技術(shù)。3圖像加強和復(fù)原圖像加強和復(fù)

7、原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的明晰度等。圖像加強不思索圖像降質(zhì)的緣由，突出圖像中所感興趣的部分。如強化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓明晰，細節(jié)明顯；如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復(fù)原要求對圖像降質(zhì)的緣由有一定的了解，普通講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立降質(zhì)模型，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。4圖像分割圖像分割是數(shù)字圖像處置中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進一步進展圖像識別、分析和了解的根底。雖然目前已研討出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對圖像

8、分割的研討還在不斷深化之中，是目前圖像處置中研討的熱點之一。5 圖像描畫圖像描畫是圖像識別和了解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描畫物體的特性，普通圖像的描畫方法采用二維外形描畫，它有邊境描畫和區(qū)域描畫兩類方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描畫。隨著圖像處置研討的深化開展，曾經(jīng)開場進展三維物體描畫的研討，提出了體積描畫、外表描畫、廣義圓柱體描畫等方法。6圖像分類識別圖像分類識別屬于方式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處置加強、復(fù)原、緊縮后，進展圖像分割和特征提取，從而進展判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的方式識別方法，有統(tǒng)計方式分類和句法構(gòu)造方式分類，近年來新開展起來

9、的模糊方式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式分類在圖像識別中也越來越遭到注重。常用方法。1圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進展處置，涉及計算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處置技術(shù)，將空間域的處置轉(zhuǎn)換為變換域處置，不僅可減少計算量，而且可獲得更有效的處置如傅立葉變換可在頻域中進展數(shù)字濾波處置。目前新興研討的小波變換在時域和頻域中都具有良好的部分化特性，它在圖像處置中也有著廣泛而有效的運用。2圖像編碼緊縮：圖像編碼緊縮技術(shù)可減少描畫圖像的數(shù)據(jù)量即比特數(shù)，以便節(jié)省圖像傳輸、處置時間和減少所占用的存儲器容量。緊縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允

10、許的失真條件下進展。編碼是緊縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處置技術(shù)中是開展最早且比較成熟的技術(shù)。3圖像加強和復(fù)原：圖像加強和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的明晰度等。圖像加強不思索圖像降質(zhì)的緣由，突出圖像中所感興趣的部分。如強化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓明晰，細節(jié)明顯；如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復(fù)原要求對圖像降質(zhì)的緣由有一定的了解，普通講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。 4圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處置中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進一步

11、進展圖像識別、分析和了解的根底。雖然目前已研討出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對圖像分割的研討還在不斷深化之中，是目前圖像處置中研討的熱點之一。5圖像描畫：圖像描畫是圖像識別和了解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描畫物體的特性，普通圖像的描畫方法采用二維外形描畫，它有邊境描畫和區(qū)域描畫兩類方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描畫。隨著圖像處置研討的深化開展，曾經(jīng)開場進展三維物體描畫的研討，提出了體積描畫、外表描畫、廣義圓柱體描畫等方法。6圖像分類識別：圖像分類識別屬于方式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處置加強、復(fù)原、

12、緊縮后，進展圖像分割和特征提取，從而進展判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的方式識別方法，有統(tǒng)計方式分類和句法構(gòu)造方式分類，近年來新開展起來的模糊方式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式分類在圖像識別中也越來越遭到注重。運用工具。數(shù)字圖像處置的工具可分為三大類:第一類包括各種正交變換和圖像濾波等方法,其共同點是將圖像變換到其它域(如頻域)中進展處置(如濾波)后,再變換到原來的空間(域)中; 第二類方法是直接在空間域中處置圖像,它包括各種統(tǒng)計方法、微分方法及其它數(shù)學方法；第三類是數(shù)學形狀學運算,它不同于常用的頻域和空域的方法,是建立在積分幾何和隨機集合論的根底上的運算。由于被處置圖像的數(shù)據(jù)量非常大且許多運算在本質(zhì)上

13、是并行的,所以圖像并行處置構(gòu)造和圖像并行處置算法也是圖像處置中的主要研討方向。運用領(lǐng)域。圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處置的運用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和任務(wù)的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴展，圖像處置的運用領(lǐng)域也將隨之不斷擴展。航天和航空技術(shù)方面。航天和航空技術(shù)方面的運用數(shù)字圖像處置技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的運用，除了JPL對月球、火星照片的處置之外，另一方面的運用是在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中。許多國家每天派出很多偵查飛機對地球上有興趣的地域進展大量的空中攝影。對由此得來的照片進展處置分析，以前需求雇用幾千人，而如今改用配備有高級計算機的圖像處置系統(tǒng)來判讀分析，既節(jié)省人力，

14、又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報。從60年代末以來，美國及一些國際組織發(fā)射了資源遙感衛(wèi)星如LANDSAT系列和天空實驗室如SKYLAB，由于成像條件受飛行器位置、姿態(tài)、環(huán)境條件等影響，圖像質(zhì)量總不是很高。因此，以如此昂貴的代價進展簡單直觀的判讀來獲取圖像是不合算的，而必需采用數(shù)字圖像處置技術(shù)。如LANDSAT系列陸地衛(wèi)星，采用多波段掃描器MSS，在900km高空對地球每一個地域以18天為一周期進展掃描成像，其圖像分辨率大致相當于地面上十幾米或100米左右如1983年發(fā)射的LANDSAT-4，分辨率為30m。這些圖像在空中先處置數(shù)字化，編碼成數(shù)字信號存入磁帶中，在衛(wèi)星

15、經(jīng)過地面站上空時，再高速傳送下來，然后由處置中心分析判讀。這些圖像無論是在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必需采用很多數(shù)字圖像處置方法。如今世界各國都在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進展資源調(diào)查如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等，災(zāi)禍檢測如病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等，資源勘察如石油勘查、礦產(chǎn)量探測、大型工程地理位置勘探分析等，農(nóng)業(yè)規(guī)劃如土壤營養(yǎng)、水份和農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的估算等，城市規(guī)劃如地質(zhì)構(gòu)造、水源及環(huán)境分析等。我國也陸續(xù)開展了以上諸方面的一些實踐運用，并獲得了良好的效果。在氣候預(yù)告和對太空其它星球研討方面，數(shù)字圖像處置技術(shù)也發(fā)揚了相當大的作用。生物醫(yī)學工程方面。數(shù)

16、字圖像處置在生物醫(yī)學工程方面的運用非常廣泛，而且很有效果。除了上面引見的CT技術(shù)之外，還有一類是對醫(yī)用顯微圖像的處置分析，如紅細胞、白細胞分類，染色體分析，癌細胞識別等。此外，在X光肺部圖像增晰、超聲波圖像處置、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學診斷方面都廣泛地運用圖像處置技術(shù)。通訊工程方面當前通訊的主要開展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通訊。詳細地講是將、電視和計算機以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通訊網(wǎng)上傳輸。其中以圖像通訊最為復(fù)雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量非常宏大，如傳送彩色電視信號的速率達100Mbit/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實時傳送出去，必需采用編碼技術(shù)來緊縮信息的比特量。在一定意

17、義上講，編碼緊縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。除了已運用較廣泛的熵編碼、DPCM編碼、變換編碼外，目前國內(nèi)外正在大力開發(fā)研討新的編碼方法，如分行編碼、自順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼、小波變換圖像緊縮編碼等。工業(yè)和工程方面。在工業(yè)和工程領(lǐng)域中圖像處置技術(shù)有著廣泛的運用，如自動裝配線中檢測零件的質(zhì)量、并對零件進展分類，印刷電路板疵病檢查，彈性力學照片的應(yīng)力分析，流膂力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些有毒、放射性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的外形和陳列形狀，先進的設(shè)計和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺等等。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人，將會給工農(nóng)業(yè)消費帶來新的鼓勵，目前已在工業(yè)消費中的噴漆、焊接

18、、裝配中得到有效的利用。 軍事公安方面。在軍事方面圖像處置和識別主要用于導(dǎo)彈的準確末制導(dǎo)，各種偵查照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)，飛機、坦克和軍艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)等；公安業(yè)務(wù)圖片的判讀分析，指紋識別，人臉鑒別，不完好圖片的復(fù)原，以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運轉(zhuǎn)的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別都是圖像處置技術(shù)勝利運用的例子。文化藝術(shù)方面。目前這類運用有電視畫面的數(shù)字編輯，動畫的制造，電子圖像游戲，紡織工藝品設(shè)計，服裝設(shè)計與制造，發(fā)型設(shè)計，文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)，運發(fā)動動作分析和評分等等，如今已逐漸構(gòu)成一門新的藝術(shù)-計算機美術(shù)。機器人視覺。機器視

19、覺作為智能機器人的重要覺得器官,主要進展三維景物了解和識別,是目前處于研討之中的開放課題。機器視覺主要用于軍事偵查、危險環(huán)境的自主機器人,郵政、醫(yī)院和家庭效力的智能機器人,裝配線工件識別、定位,太空機器人的自動操作等。視頻和多媒體系統(tǒng)。目前,電視制造系統(tǒng)廣泛運用的圖像處置、變換、合成,多媒體系統(tǒng)中靜止圖像和動態(tài)圖像的采集、緊縮、處置、存貯和傳輸?shù)??？茖W可視化。圖像處置和圖形學嚴密結(jié)合,構(gòu)成了科學研討各個領(lǐng)域新型的研討工具。電子商務(wù)。在當前呼聲甚高的電子商務(wù)中,圖像處置技術(shù)也大有可為,如身份認證、產(chǎn)品防偽、水印技術(shù)等。 總之,圖像處置技術(shù)運用領(lǐng)域相當廣泛,已在國家平安、經(jīng)濟開展、日常生活中充任越

20、來越重要的角色,對國計民生的作用不可低估。 研討方向。自20世紀60年代第三代數(shù)字計算機問世以后，數(shù)字圖像處置技術(shù)出現(xiàn)了空前的開展，在該領(lǐng)域中需求進一步研討的問題主要有如下五個方向：1在進一步提高精度的同時著重處理處置速度問題；2加強軟件研討，開發(fā)新的處置方法，特別要留意移植和自創(chuàng)其他學科的技術(shù)和研討成果，發(fā)明新的處置方法；3加強邊緣學科的研討任務(wù)，促進圖像處置技術(shù)的開展；4加強實際研討，逐漸構(gòu)成處置科學本身的實際體；5時辰留意圖像處置領(lǐng)域的規(guī)范化問題。 根本特點。1處置信息量很大。數(shù)字圖像處置的信息大多是二維信息，處置信息量很大。如一幅256256低分辨率黑白圖像，要求約64kbit的數(shù)據(jù)量；對高分辨率彩色512512圖像，那么要求768kbit數(shù)據(jù)量；假設(shè)要處置30幀/秒的電視圖像序列，那么每秒要求500kbit22.5Mbit數(shù)據(jù)量。因此對計算機的計算速度、存儲容量等要求較高。 2占用頻帶較寬。數(shù)字圖像處置占用的頻帶較寬。與