數字影象處理的基本原理和常用方法

轉自：http://b2museum.cdstm.cn/identification/sztxcl-relative.htm

   數字影象處理是指將影象訊號轉換成數字訊號並利用計算機對其進行處理的過程。影象處理最早出現於 20 世紀 50 年代，當時的電子計算機已經發展到一定水平，人們開始利用計算機來處理圖形和影象資訊。數字影象處理作為一門學科大約形成於 20 世紀 60 年代初期。早期的影象處理的目的是改善影象的質量，它以人為物件，以改善人的視覺效果為目的。影象處理中，輸入的是質量低的影象，輸出的是改善質量後的影象，常用的影象處理方法有影象增強、復原、編碼、壓縮等。

數字影象處理常用方法：

1 ）影象變換：由於影象陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。因此，往往採用各種影象變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散餘弦變換等間接處理技術，將空間域的處理轉換為變換域處理，不僅可減少計算量，而且可獲得更有效的處理（如傅立葉變換可在頻域中進行數字濾波處理）。目前新興研究的小波變換在時域和頻域中都具有良好的區域性化特性，它在影象處理中也有著廣泛而有效的應用。

2 ）影象編碼壓縮：影象編碼壓縮技術可減少描述影象的資料量（即位元數），以便節省影象傳輸、處理時間和減少所佔用的儲存器容量。壓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行。編碼是壓縮技術中最重要的方法，它在影象處理技術中是發展最早且比較成熟的技術。

3 ）影象增強和復原：影象增強和復原的目的是為了提高影象的質量，如去除噪聲，提高影象的清晰度等。影象增強不考慮影象降質的原因，突出影象中所感興趣的部分。如強化影象高頻分量，可使影象中物體輪廓清晰，細節明顯；如強化低頻分量可減少影象中噪聲影響。影象復原要求對影象降質的原因有一定的瞭解，一般講應根據降質過程建立“降質模型”，再採用某種濾波方法，恢復或重建原來的影象。

4 ）影象分割：影象分割是數字影象處理中的關鍵技術之一。影象分割是將影象中有意義的特徵部分提取出來，其有意義的特徵有影象中的邊緣、區域等，這是進一步進行影象識別、分析和理解的基礎。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區域分割的方法，但還沒有一種普遍適用於各種影象的有效方法。因此，對影象分割的研究還在不斷深入之中，是目前影象處理中研究的熱點之一。

5 ）影象描述：影象描述是影象識別和理解的必要前提。作為最簡單的二值影象可採用其幾何特性描述物體的特性，一般影象的描述方法採用二維形狀描述，它有邊界描述和區域描述兩類方法。對於特殊的紋理影象可採用二維紋理特徵描述。隨著影象處理研究的深入發展，已經開始進行三維物體描述的研究，提出了體積描述、表面描述、廣義圓柱體描述等方法。

6 ）影象分類（識別）：影象分類（識別）屬於模式識別的範疇，其主要內容是影象經過某些預處理（增強、復原、壓縮）後，進行影象分割和特徵提取，從而進行判決分類。影象分類常採用經典的模式識別方法，有統計模式分類和句法（結構）模式分類，近年來新發展起來的模糊模式識別和人工神經網路模式分類在影象識別中也越來越受到重視。

影象的基本屬性

   亮度：也稱為灰度，它是顏色的明暗變化，常用 0 ％～ 100 ％ ( 由黑到白 ) 表示。以下三幅圖是不同亮度對比。

亮度對影象色彩的影響

   對比度：是畫面黑與白的比值，也就是從黑到白的漸變層次。比值越大，從黑到白的漸變層次就越多，從而色彩表現越豐富。

對比度對影象色彩表現的影響

   直方圖：表示影象中具有每種灰度級的象素的個數，反映影象中每種灰度出現的頻率。影象在計算機中的儲存形式，就像是有很多點組成一個矩陣，這些點按照行列整齊排列，每個點上的值就是影象的灰度值，直方圖就是每種灰度在這個點矩陣中出現的次數。我們可以具體看一下下面兩個不同圖形的灰度直方圖：

 

直方圖均衡化

   通過灰度變換將一幅影象轉換為另一幅具有均衡直方圖的影象，即在一定灰度範圍內具有相同的象素點數的影象的過程。下面是直方圖均衡化前後的圖形變化以及直方圖變化：

影象的加減運算

   兩幅影象的加減運算：對影象進行加減運算，就是將影象對應的儲存矩形點列上的灰度值進行加減運算。影象相加可以將一幅影象的內容加到另一幅影象上，可以實現二次曝光，也可一對同一個場景的多幅影象求平均值，這樣可以降低噪聲。影象相減可以用於運動檢測或去除影象中不需要的加性圖案。

   影象的加法示例：圖中運算為： (a)+(b)=(c)

a	b	c

   影象的減法運算示例：圖中運算為 (a)-(b)=(c)

a	b	c

影象的噪聲

   影象的噪聲：就像對於聽覺而言，在打電話時對方說話我們有時候會聽到很嘈雜的噪聲，以至於聽不清楚對方在說什麼。同樣的，對於影象，原本我們可以很清晰的看到一幅影象，但是有時候影象上會有一些我們不需要的圖案，使我們無法很清楚的看清一幅圖，這就是影象的噪聲。

常用的影象去噪聲方法

   常用的去噪方法：主要是採用濾波器對帶噪聲影象進行濾波處理。

帶噪聲的圖	算術平均濾波後的圖
中值濾波後的圖	無噪聲圖

 

 

數字影象處理技術的應用

   隨著計算機技術的發展，影象處理技術已經深入到我們生活中的方方面面，其中，在娛樂休閒上的應用已經深入人心。影象處理技術在娛樂中的應用主要包括：電影特效製作、電腦電子遊戲、數碼相機、視訊播放、數字電視等

   電影特效製作：自從 20 世紀 60 年代以來，隨著電影中逐漸運用了計算機技術，一個全新的電影世界展現在人們面前，這也是一次電影的革命。越來越多的計算機制作的影象被運用到了電影作品的製作中。其視覺效果的魅力有時已經大大超過了電影故事的本身。如今，我們已經很難發現在一部電影中沒有任何的計算機數碼元素。

   電腦電子遊戲：電腦電子遊戲的畫面，是近年來電子遊戲發展最快的部分之一。從 1996 年到現在，遊戲畫面的進步簡直可以用突飛猛進來形容，隨著影象處理技術的發展，眾多在幾年前無法想象的畫面在今天已經成為了平平常常的東西。

   數碼相機：所謂數碼相機，是一種能夠進行拍攝，並通過內部處理把拍攝到的景物轉換成以數字格式存放影象的特殊照相機。與普通相機不同，數碼相機並不使用膠片，而是使用固定的或者是可拆卸的半導體儲存器來儲存獲取的影象。數碼相機可以直接連線到計算機、電視機或者印表機上。在一定條件下，數碼相機還可以直接接到移動式電話機或者手持 PC 機上。由於影象是內部處理的，所以使用者可以馬上檢查影象是否正確，而且可以立刻列印出來或是通過電子郵件傳送出去。

   視訊播放與數字電視：家庭影院中的 VCD ， DVD 播放器和數字電視中，大量使用了視訊編碼解碼等影象處理技術，而視訊編碼解碼等影象處理技術的發展，也推動了視訊播放與數字電視象高清晰，高畫質發展。