图像处理综述

数字图像处理综述

摘要：本文主要阐述了数字图像处理的发展以及图像处理的主要方法技术，并

系统分析了数字图像处理技术的主要优缺点。综合地介绍了数字图像处理的应用以及在传统应用领域和热门应用领域的发展。并提出了图像处理未来的研究方向。

关键词：数字图像处理、图像编码、小波变换，视频压缩，矩阵，现状与展望引言

图像处理技术基本可以分成两大类：模拟图像处理(Analog Image Processing)和数字图像处理(Digital Image Processing)。数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机进行处理的过程。图像是指物体的描述信息。数字图像则是一个物体的数字表示。图像处理则是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理和应用需求的行为。数字图像处理是它是一门新兴的应用学科，其发展速度异常迅速，应用领域极为广泛。

数字图像处处理（Digital Image Processing）是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理。起源于20世纪20年代，20世纪60年—70年随着计算机技术与数字电视技术的普及和发展而迅速发展。在80年代——90年代才形成独立的科学体系。早期数字图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。目前该技术已广泛用于科学研究、工农业生产、生物医学工程、航空航天、军事、工业、机器人产业、政府职能机关文化文艺等多领域。并在其中发挥着越来越大的作用，已成为一门引人注目、前景广阔的新型学科。

早期数字图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。目前该技术已广泛用于科学研究、工农业生产、生物医学工程、航空航天、军事、工业、机器人产业、政府职能机关文化文艺等多领域。并在其中发挥着越来越大的作用，已成为一门引人注目、前景广阔的新型学科。

一、数字图像处理的起源及发展

数字图像处理起源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，采用了数字压缩技术。数字图像处理最早出现于20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。

首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室（JPL）。他们对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回

的近十万张照片进行更为复杂的图像处理，以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，获得了非凡的成果，为人类登月创举奠定了坚实的基础，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术，如对火星、土星等星球的探测研究中，数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1972年英国EMI公司工程师Housfield 发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常所说的CT （Computer Tomograph）。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年，这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖，说明它对人类作出了划时代的贡献。与此同时，图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等，使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的深入发展，从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界，这被称为图像理解或计算机视觉。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论，这个理论成为计算机视觉领域其后十多年的主导思想。图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展。

20世纪80年代，可以处理2－D和3－D图像，90年代后图像成立占信息处理的主要地位。1996年提出图像工程这一新学科。

当前，图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法，构造新的处理系统，开拓更广泛的应用领域。需要进一步研究的问题的如下五个方面：1）在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。如，在航天遥感、气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。

2）加强软件研究、开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法。

3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如，人的视觉特性、心理学特性等的研究，如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。

4）加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系。

5）图像处理领域的标准化。图像的信息量大、数据量大，因而图像信息的建库、检索和交流是一个重要的问题。就现有的情况看，软件、硬件种类繁多，交流和使用极为不便，成为资源共享的严重障碍。应建立图像信息库，统一存放格式，建立标准子程序，统一检索方法。

二、数字图像处理研究的内容及方法

（一）数字图像处理技术的研究内容主要有以下几个方面：

(1) 图像变换由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中有着广泛而有效的应用。

(2) 图像编码压缩图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量，以便节省图

像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。

(3) 图像增强和复原图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般应根据降质过程建立“降质模型”，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。

(4) 图像分割图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。

(5) 图像描述图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性；一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法；对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。随着研究的深入发展，已开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。

(6) 图像分妻(识别)图像分类属于模式识别的范畴，主要内容是图像经过某些预处理后，进行图像分割和特征提取，从而进行分类。图像分类常采用经典的模式识别方法。近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。

（二）数字图像处理按处理方法分，主要有以下三类，即图像到图像的处理，图像到数据的处理和数据到图像的处理。

（1）图像到图像。图像到图像的处理，其输入和输出均为图像。这种处理技术主要有图像增强、图像复原和图像编码。首先，各类图像系统中图像的传送和转换中，总要造成图像的某些降质。第一类解决方法不考虑图像降质的原因，只将图像中感兴趣的特征有选择的突出，衰减次要信息，提高图像的可读性，增强图像中某些特征，使处理后的图像更适合人眼观察和机器分析。这类方法就是图像增强。例如，对图像的灰度值进行修正，可以增强图像的对比度；对图像进行平滑，可以抑制混入图像的噪声；利用锐化技术可以增强图像的边缘轮廓；利用几何校正技术可以校正遥感图像的几何畸变；将灰度值表示转换为彩色表示，可以使人眼能分更多的图像细节。通过图像增强处理，使图像比处理前更适合一个应用，如用于显示、打印、印刷、分析、创意等。第二类解决方法针对图像降质的原因，设法补偿降质因素，使改善后的图像尽可能接近原图像。这类方法称为图像复原。图像复原是试图利用图像的退化过程，建立相应的数学模型，沿着图像降质的逆过程．把已经退化的图像加以重建和复原，其目的是去除干扰和模糊，从而恢复图像的本来面目。其次，大数据量的图像信息会给存储器的存储容量、通信干线的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力，因此需要对图像进行压缩处理或压缩编码，即是在保持一定图像质量的条件下，以尽可能少的比特数来表示图像，目的是节约图像存储空间、减少传输信道的容量、缩短图像加工处理时间。在数字图像处理领域中常用的编码有信息保持编码，保真度编码和特征提取编码，具体方法有行程长度编码(RLE)法、LZW编码法、霍夫曼编码法(Huffman encoding)、预测及内插编码法、矢量量化编码法、变换编码法(如K－L 变换编码和DCT编码)、模型法编码等。近些年来，分形编码和小波变换的技术也越来越多的应用在图像压缩的领域中，但是大多仍处于研究试用阶段，常见的

图像压缩方法仍以前面介绍的为主。当然，在实际的应用中，多种图像压缩方法往往是结合起来使用的，如JPEG等，压缩过程可分为颜色模式转换及采样、DCT 变换、量化、编码几部分。

（2）图像到数据。图像到数据的处理，其输入为图像，其输出为输入图像内容的各种符号表示。这类图像处理技术包括图像分割、图像识别、特征提取等。图像分割的任务是把图像空间按特征分离成互不交叠的有意义的区域，以便进一步对图像进行分析、识别、压缩编码等。图像分割通常可以按幅度不同、按边缘不同、按形状不同来划分各个区域等。常用的幅度分割方法是把图像的灰度分成不同的等级，然后用设置灰度值的方法确定有意义的区域或欲分割物体的边界。图像分割的应用十分广泛，几乎出现在有关图像处理的所有领域。例如遥感云图中不同云系和背景分布的分割；在医学应用中脑部MR图像分割成灰质、白质等脑组织和其他非脑组织区域；在交通图像分析中，把车辆目标从背景中分割出来等等。

图像识别，也称为模式识别，是数字图像处理的一个新兴的研究方向。当今的识别方法通常有3种：统计识别法、语法结构识别法和模糊识别法。图像识别的统计方法着眼于反映出图像特点的某些特征。然后在特征空间中划分区域，定出根据特征识别图像的标准。但在一些图像识别中，往往要安排图像属于哪一类，而且还要描述图像的形态，例如指纹识别，场景分析等，特别是当图像特别复杂时，特征空间的维数特别高，这时统计的方法识别就很困难了，针对这种情况，提出语法结构识别法。它的主要思想是分析图像的结构，把复杂的图像看成是由简单的子图像组成，又把最简单的子图像作为基元，从基元集合出发，按照一定的构图规则来描述较复杂的图像。近几年，除了继续使用上述两种方法来识别图像外，还用了模糊集的方法来识别图像。

在图像识别中，特征提取是很重要的一环。所谓图像的特征是指图像场中可用作标志的属性，而把图像的某些特征加以数字化的过程就称为特征提取。特征提取的过程比较复杂，它和识别对象的各种物理的、形态的性能都有联系，需要对识别对象的各种重要特征能有充分的理解，然后把这种特征转换为数字，对于不同的识别对象必须考虑不同的特征提取的方法，因此很难有统一的方法和理论。例如对遥感图像识别中，采用多波摄像的方法，把同一识别对象在不同波段的摄像上得到的灰度作为特征进行提取；而在癌细胞的识别中主要对核大，核畸形，核染色体等特征进行提取。

（3）数据到图像。从数据到图像的处理，其输人为数据，输出为图像，即图像重建过程。一幅图像经过量化处理以后，得到一个二维数组，这个过程是从图像到数据，即对图像用数据进行数据描述，就可以进行各种图像处理。然而如果有一组与图像有关的物理数据，反过来建立图像，这就是图像重建要解决的问题。图像重建主要是利用采集的数据来重建图像，主要算法有代数法、迭代法、傅立叶反投影法和使用最广泛的卷积反投影法等。

计算机断层扫描(ComPMted TomograPhy，简称CT)就是利用投影数据重建图像的典型实例。所谓CT图像重建是按照采集后的数据，求解图像矩阵中像素，然后重新构造图像的过程；图像矩阵的求解由计算机完成，在CT图像重建的解析法中，当前最常用的是采用卷积运算的滤波反投影法，也称卷积反射影法。卷积反投影重建图像时，先把由检测器上获得的原始数据与一个滤波函数进行了卷积运算，得到各方向卷积的投影函数；然后再把它们从各方向进行反投影，即按其原路径平均分配到每一矩阵元上，进行叠加后得到每一矩阵元的CT值；再经过

适当处理后就可以得到被扫描物体的断层图像，卷积反投影可消除单纯的反投影产生的边缘失锐效应，补偿投影中的高频成分和降低投影中心密度，并保证重建图像边缘清晰和内部分布均匀。

三、数字图像处理的优缺点

（一）.具有数字信号处理技术共有的特点。

1 再现性好。数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。

2 处理精度高按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。

3 适用面宽图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像（例如X射线图像、射线图像、超声波图像或红外图像等）。

4 灵活性高图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。

（二）.数字图像处理后的图像可能是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。受人的因素影响较大。数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪爱好以及知识状况影响很大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究。另一方面，计算机视觉是模仿人的视觉，人的感知机理必然影响着计算机视觉的研究。

（三）数字图像处理技术适用面宽。数字处理不仅能完成线性的运算还能实现非线性的处理，图像可以来自多种信息源。这就使得数字图像处理技术可以用于各种图像处理的产业中。

（四）数字图像处理技术综合性强。目前计算机技术的发展使得任何一副模拟图像均可转化为任意大小的栈数组，这就以为着数字化精度可已满足大多数应用的要求。

（五）数字图像处理与模拟方式处理图像相比，也有一些不足之处。

（1）处理信息量很大。数字图像处理的信息大多是二维或二维以上的多维信息，处理信息量很大。

（2）占用频带较宽。数字图像处理占用的频带较宽。与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。

（3）处理费时。由于图像数据量大，因此处理比较费时。

（4）无法复现三维景物的全部几何信息。由于图像是三维景物的二维投影，一幅图象本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量。在理解三维景物时需要知识导引，这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。

四，数字图像处理的应用

目前，数字图像处理技术越来越多的应用于人们日常工作、学习和生活中，和

传统图像处理相比，它具有精度高、再现性好、通用性和灵活性强等特点。数字图象处理是一门新兴的技术，它是五十年代数字计算机发展到相当水平后开拓出来的计算机应用新领域。它把图象转换成数据矩阵存放于计算机中，并对其进行滤波、增强、删除等处理，包括图象输入输出技术、图象分析、变换与处理技术以及图象识别与特征提取等方面。六十到七十年代，数字图象处理技术理论和方法更加完善，其精确性、灵活性和通用性逐步提高。数字图象处理是针对性很强的技术，根据不同的应用、不同的要求采用不同的方法。采用的方法是综合各学科较为先进的成果而成的，如数学、物理、心理学、医学、计算机科学、通信理论、信号分析、控制论和系统工程等。各个学科互相补充、互相渗透才使数字图象处理技术飞速发展。目前数字图像处理技术传统的应用领域为遥感、医学、交通、安全、工业生产方面等。

（一）遥感中的应用。遥感图像处理的用处越来越大，并且其效率和分辨率也越来越高。它被广泛应用于土地测绘、资源调查、气象监测、环境污染监督、农作物估产、军事侦察等领域。目前遥感技术已经比较成熟，但是还必须解决其数据量庞大、处理速度慢的缺点。

（二）医学中的应用。在医学领域利用图像处理技术可以实现无痈、安全方便的诊断和治疗。其中最突出的临床应用就是超声、核磁共振、CT技术等。比如，可以采用模式识别技术进行染色体数量的统计与识别，其步骤：先通过低通

；滤波去噪音；提取边缘；通过腐蚀去；粘连；统计连通区域的个数，得到染色体的数量。

（三）交通中的应用。现今，交通管理越来越趋向于自动化，智能化，而一辆汽车的车型是它的最基本的特征，提取车型在交通信息系统的很多方面都有应用。比如：事故多发路段的车速检测系统，道路收费站收费系统，以及某路段的汽车流量信息统计系统等等。这里介绍一种利用图象模式识别技术进行汽车牌照的定位,其步骤如下：通过高通滤波得到所有的边缘；对边缘细化（但要保持连通关系），找出所有封闭的边缘；对封闭边缘求多边形逼近，在逼近后的所有4边形中，找出尺寸与牌照大小相同的四边形，牌照被定位。

（四）安全领域中应用。利用图像处理的模式识别等技术，可以应用在监控、指纹识别、脚印识别，运动目标的图像自动跟踪等。

（五）工业生产中应用。图像处理技术在工业中有着广泛应用：产品的无损检测，表面和外观的自动检查和识别，装配和生产线的自动化，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，以及最值得注意的“计算机视觉”。

五，应用前景展望

图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作的方方面面。随着科学技术的不断发展，数字图像处理技术的应用领域也将随之不断扩大。数字图像处理技术未来应用领域主要有以下七个方面:

(1)航天航空技术方面数字图像处理技术在航天航空技术方面的应用，除JPL 对月球、火星照片的处理之外，另一方面是在飞机遥感和卫星遥感技术中。图像在空中先处理(数字化,编码)成数字信号存入磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。这些图像无沦是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。现在世界各国都在利用各类卫星所获取的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘察、农业规

划、城市规划。在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。

(2)生物医学工程方面数字图像处理技术在生物医学工程方面的应用十分广泛，且很有成效。除了CT技术之外，还有一类是对医用显微图像的处理分析，如染色体分析、癌细胞识别等。此外，在x光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都广泛地应用图像处理技术。

(3)通信工程方面当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的流媒体通信。其中以图像通信最为复杂和困难，因图像的数据量十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100M／s以上。要将这样高速率的数据实时传送出去，必须采用编码技术来压缩信息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩是这些技术成败的关键。

(4)工业工程方面在工业工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，它大大提高了工作效率，如自动装配线中质量检测，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些恶性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进设计和制造技术中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的面貌，目前已在工业生产中的喷漆、焊接，装配中得到有效的利用。

(5)军事公安方面在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统和模拟训练系统等；公安方面主要用于指纹识别、人脸鉴别、不完整图片的复原以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别就是图像处理技术成功应用的例子。

六，总结

数字图像处理技术正在向处理算法更优化，处理速度更快，处理后的图像清晰度更高的方向发展，实现图像的智能生成、处理、识别和理解是数字图像处理的最终目标。

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