1、數(shù)字圖像處理的目的

數(shù)字圖像處理主要完成的任務(wù)有：

（1）提高圖像的視覺質(zhì)量以達(dá)到人眼主觀滿意或較滿意的效果。例如，圖像的增強(qiáng)﹑圖像的復(fù)原﹑圖像的幾何變換，圖像的代數(shù)運(yùn)算，圖像的濾波處理等有可能使受到污染、干擾等因素影響產(chǎn)生的低清晰度、變形等圖像質(zhì)量問題得到有效的改善。

（2） 提取圖像中目標(biāo)的某些特征，以便于計(jì)算機(jī)分析或機(jī)器人識(shí)別。這些處理也可以劃歸于“圖像分析”的范疇。例如，邊緣檢測(cè)，圖像分割，紋理分析常用作模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等高級(jí)處理的預(yù)處理。

（3）為了存儲(chǔ)和傳輸龐大的圖像和視頻信息，常常對(duì)這類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的壓縮。常用的方法有統(tǒng)計(jì)編碼預(yù)測(cè)編碼和正交變換編碼等。

（4）信息的可視化。如溫度場、流速場、生物組織內(nèi)部等許多信息并非可視，但轉(zhuǎn)化為視覺形式后可以充分利用人們對(duì)可視模式快速識(shí)別的自然能力，更便于人們觀察，分析、研究、理解大規(guī)模數(shù)據(jù)和許多復(fù)雜現(xiàn)象。信息可視化結(jié)合了科學(xué)可視化，人機(jī)交互，數(shù)據(jù)挖掘、圖像技術(shù)，圖形學(xué)，認(rèn)知科學(xué)等諸多學(xué)科的理論和方法，是研究人與計(jì)算機(jī)表示的信息，以及它們相互影響的技術(shù)。

（5）信息安全的需要，主要反映在數(shù)字圖像水印和圖像信息隱藏。這是圖像工程出現(xiàn)的新熱點(diǎn)之一。數(shù)字水印是利用多媒體數(shù)字產(chǎn)品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機(jī)性，把水印信息可見或不可見的嵌入到數(shù)字作品中﹐以期達(dá)到保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)或完整性的一種技術(shù)。在計(jì)算機(jī)通信﹑密碼學(xué)等學(xué)科也有其用武之地。

在這些目的中，華南理工大學(xué)土木視覺實(shí)驗(yàn)室的工作重點(diǎn)放在提取圖像特征和信息的可視化。其中提取圖像特征用于識(shí)別結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別，信息可視化用于圖像輔助檢測(cè)，圖像輔助教學(xué)，圖像輔助科研等。具體工作將在后續(xù)公眾號(hào)文章中分享。

2 、數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)

數(shù)字圖像處理利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或其他專用的數(shù)字設(shè)備處理圖像，與模擬方式相比具有以下鮮明的特點(diǎn)。

（1）處理精度高

圖像采集設(shè)備可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小和精度的二維數(shù)組供處理設(shè)備加工。根據(jù)應(yīng)用的需求，數(shù)字化的像素?cái)?shù)可以從幾十到幾百萬，甚至上千萬，每個(gè)像素的等級(jí)可以量化為從1位到16位甚至更高，活動(dòng)圖像的幀率可以從十幾赫茲到六十赫茲，高速攝像達(dá)幾千赫茲到上萬赫茲。

而對(duì)處理設(shè)備來說，不同數(shù)據(jù)量的圖像其處理程序大致是一樣的。圖像精度高這一點(diǎn)在現(xiàn)階段土木工程中并不突出，由于現(xiàn)有測(cè)量儀器的精度也已經(jīng)足夠高了?；趫D像識(shí)別技術(shù)的位移測(cè)量精度受限于儀器與被測(cè)物距離，測(cè)量光線等因素，測(cè)量精度并不理想。

（2）重現(xiàn)性能好

理論上，數(shù)字圖像處理不會(huì)因圖像的存儲(chǔ)、傳輸?shù)冗^程而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化。圖像的質(zhì)量主要受數(shù)字化過程時(shí)取樣樣本數(shù)﹑量化精度，處理過程中的處理精度等的限制。由于在一定范圍內(nèi)，人眼和機(jī)器視覺的分辨率都是有限的，因此只要保持足夠的處理精度，圖像重現(xiàn)性就會(huì)很好﹐能保證圖像的原貌。

（3）靈活性高

與模擬圖像處理相比較﹐由于圖像處理軟件功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性好﹑用戶界面友好，數(shù)字圖像處理不僅能完成一般的線性和非線性處理，而且一切可以用程序?qū)崿F(xiàn)的智能信息處理方法都可以加以采用。

（4）圖像信息量大

在數(shù)字圖像處理中，一幅圖像可以看成是由圖像矩陣中的像素組成的，通常每個(gè)像素用紅﹑綠，藍(lán)三種顏色表示，每種顏色用8bit表示灰度級(jí)，一幅1024像素×1024像素不經(jīng)壓縮的真彩色圖像，數(shù)據(jù)量達(dá)3MB。一幅3240像素×2340像素的遙感圖像，采用4bit量化，占用約3.8MB的存儲(chǔ)空間。一幅中等分辨率的VGA640像素×480像素的256色圖像的數(shù)據(jù)量為300KB。

傳送一路PCM彩色電視圖像的速率達(dá)108Mbit/s，則每秒的數(shù)據(jù)量可達(dá)13.5MB。大數(shù)據(jù)量和傳輸速率對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，網(wǎng)絡(luò)帶寬﹑媒體存儲(chǔ)容量等提出了很高的要求，如果精度及分辨率再提高，所需處理時(shí)間將大幅度增加，因此數(shù)據(jù)壓縮成為不可缺少的處理環(huán)節(jié)。

這段表述中僅僅提到了圖像自身存儲(chǔ)所需信息量大，其實(shí)圖像中所含信息本身具有高冗余性、同步性、高相關(guān)性、魯棒性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)才是土木工程中應(yīng)用圖像處理技術(shù)的關(guān)鍵。

（5）數(shù)字圖像信號(hào)占用的頻帶較寬

在模擬域，視頻信號(hào)的帶寬比音頻信號(hào)的帶寬要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了保證圖像的質(zhì)量，根據(jù)采樣定理，數(shù)字化后﹐數(shù)字視頻占用的頻帶進(jìn)一步加寬。所以，在成像﹑傳輸﹑存儲(chǔ)、處理，顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本較高，寬頻帶對(duì)處理和傳輸設(shè)備提出了更高的要求，因此頻帶壓縮技術(shù)也是數(shù)字圖像處理的一個(gè)值得注意的問題。這一特點(diǎn)是由信息量大導(dǎo)致的。

（6） 處理費(fèi)時(shí)

由于圖像數(shù)據(jù)量較大，因此處理比較費(fèi)時(shí)。特別是采用區(qū)域處理方法時(shí)，由于處理結(jié)果與中心像素鄰域有關(guān)而導(dǎo)致花費(fèi)的時(shí)間更多。要實(shí)現(xiàn)快速甚至實(shí)時(shí)處理圖像，就要對(duì)圖像處理系統(tǒng)提出更高的要求，多處理器并行處理器、嵌入式系統(tǒng)等專用處理系統(tǒng)為提高圖像處理速度提供了有效的解決方法。這一特點(diǎn)同樣是由信息量大導(dǎo)致的。

3、數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容

數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容大體可分為以下幾個(gè)方面。

（1）圖像信息的獲取和存儲(chǔ)

圖像的獲取是將自然界的圖像通過光學(xué)系統(tǒng)成像并由電子器件或系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模擬圖像信號(hào)，再由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器得到原始的數(shù)字圖像信號(hào)，也稱為圖像的采集。圖像信息的突出特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量巨大，一般主要采用磁帶，磁盤或光盤進(jìn)行存儲(chǔ)。為解決海量存儲(chǔ)問題，主要研究數(shù)據(jù)壓縮、圖像格式及圖像數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

（2）圖像頻域變換

圖像陣列很大，直觀性強(qiáng)，但圖像的頻率，紋理等特性在空間域中難以獲得和處理﹐計(jì)算量也很大。各種圖像變換的方法，如離散傅里葉變換﹑離散余弦變換，小波變換等，可以間接地將空間域的處理轉(zhuǎn)換到變換域進(jìn)行更有效的處理。

通過二維離散傅里葉變換（DFT），可以將空間域的圖像變換為圖像頻譜，再在頻率域進(jìn)行各種數(shù)字濾波以獲得圖像質(zhì)量的改善、數(shù)據(jù)量的壓縮或突出某些特征便于后期處理。通過離散傅里葉變換，可以將圖像變換到頻率域，通過不同頻段的不同處理，可以達(dá)到滿意的效果。

（3）圖像幾何變換

圖像幾何變換的目的是改變一幅圖像的大小或形狀。例如，通過平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、鏡像等，可以進(jìn)行兩幅以上圖像內(nèi)容的配準(zhǔn)﹐以便于進(jìn)行圖像之間內(nèi)容的對(duì)比檢測(cè)。在印章的真?zhèn)巫R(shí)別以及相似商標(biāo)檢測(cè)中，通常都會(huì)采用這類的處理。另外，對(duì)于圖像中景物的幾何畸變進(jìn)行校正，對(duì)圖像中的目標(biāo)物大小測(cè)量等，也需要進(jìn)行圖像幾何變換處理。

（4）圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)處理主要是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用的信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。如強(qiáng)化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯；而強(qiáng)化低頻分量可減少圖像中的噪聲影響，即對(duì)高頻噪聲起到平滑作用，其主要方法有直方圖修正，偽彩色增強(qiáng)法﹑圖像平滑，圖像銳化等技術(shù)。

（5）圖像復(fù)原

圖像復(fù)原處理主要是去掉干擾和模糊，恢復(fù)圖像的本來面目，以達(dá)到清晰化的目的。圖像退化的原因是過程有噪聲﹑運(yùn)動(dòng)造成的模糊、光學(xué)系統(tǒng)的幾何失真等，如果對(duì)其有一定的了解，通過理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)甚至可以建立退化的數(shù)學(xué)模型，那么可以采用某種濾波方法在一定程度上從降質(zhì)的圖像恢復(fù)原始圖像。

（6）圖像壓縮編碼

數(shù)據(jù)量龐大是數(shù)字圖像的顯著特點(diǎn)之一。在多媒體技術(shù)中，現(xiàn)有的大容量存儲(chǔ)器和寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍不能滿足對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)和傳輸?shù)男枰D像信息具有較強(qiáng)的相關(guān)特性，存在大量冗余信息，因此通過改變圖像數(shù)據(jù)的表示方法，可對(duì)圖像的數(shù)據(jù)冗余進(jìn)行壓縮。另外，利用人類的視覺特性，可對(duì)圖像的視覺冗余進(jìn)行壓縮，由此來達(dá)到減小描述圖像數(shù)據(jù)量的目的。

（7）圖像分割

圖像可以看成是由背景和一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)組成的。圖像分割是按一定的規(guī)則將圖像分成若干個(gè)有意義或感興趣的區(qū)域的過程，每個(gè)區(qū)域可代表一個(gè)對(duì)象。通過圖像分割，圖像中如邊緣﹑區(qū)域等有意義的特征部分被提取出來，

（8）圖像重建

圖像重建的目的是根據(jù)二維平面圖像數(shù)據(jù)構(gòu)造出三維物體的圖像。例如，在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中的CT成像技術(shù)，就是將多幅斷層二維平面數(shù)據(jù)重建成可描述人體組織器官三維結(jié)構(gòu)的圖像。三維重建技術(shù)成為目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及科學(xué)可視化技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

（9）圖像隱藏

圖像隱藏的目的是將一幅圖像或者某些可數(shù)字化的媒體信息隱藏在一幅圖像中。在保密通信中，將需要保密的圖像在不增加數(shù)據(jù)量的前提下﹐隱藏在一幅可公開的圖像之中，同時(shí)要求達(dá)到不可見性及抗干擾性。圖像隱藏的重要應(yīng)用之一是數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字水印在維護(hù)數(shù)字媒體版權(quán)方面起著非常重要的作用。

4、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

圖像處理技術(shù)具有不接觸、快速、直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于環(huán)境條件等因素的影響，圖像質(zhì)量不可能很高，必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行幾何校正、恢復(fù)、增強(qiáng)等加工，從而還原圖像的本來面目。

（1）圖像數(shù)字化設(shè)備（攝像單元）：掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，攝像機(jī)與圖像采集卡等。

（2）圖像處理計(jì)算機(jī)：PC、工作站等，它可以實(shí)現(xiàn)通信（通信模塊通過局域網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像數(shù)據(jù)），存儲(chǔ)（存儲(chǔ)模塊采用磁盤，光盤等）和圖像的處理與分析（主要是運(yùn)算，用算法的形式描述，用軟件實(shí)現(xiàn)）。

（3）圖像輸出設(shè)備：顯示器，打印機(jī)等。

5 、數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字圖像處理技術(shù)是20世紀(jì)60年代初開始發(fā)展起來的，經(jīng)過了初創(chuàng)期﹑發(fā)展期、普及期及廣泛應(yīng)用幾個(gè)階段。經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，數(shù)字圖像處理的理論和方法進(jìn)一步完善，應(yīng)用范圍更加廣闊；已經(jīng)成為一門新興的交叉學(xué)科，現(xiàn)已進(jìn)人實(shí)用階段。

近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)和各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化、多媒體技術(shù)等研究和應(yīng)用的興起，數(shù)字圖像處理從一個(gè)專門領(lǐng)域的學(xué)科，變成了一種新型的科學(xué)研究和人機(jī)界面的工具，其研究和應(yīng)用呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的嶄新勢(shì)頭。數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢(shì)主要反映在以下幾個(gè)方面。

（1）從低分辨率向高分辨率方向發(fā)展

隨著圖像傳感器分辨率和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，圖像存儲(chǔ)器內(nèi)存、計(jì)算機(jī)內(nèi)存及外設(shè)存儲(chǔ)容量不斷增大，數(shù)字圖像由低分辨率向高分辨率不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理的運(yùn)算量也越來越大，對(duì)處理和顯示設(shè)備的要求也越來越高。

（2）從二維（2D）向三維（3D）方向發(fā)展

三維圖像獲取及處理技術(shù)主要通過全息攝影實(shí)現(xiàn)，或通過斷層掃描與圖像重建實(shí)現(xiàn)。隨著圖像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維圖像的展示將極大提升用戶的浸入感。

（3）從靜止圖像向動(dòng)態(tài)圖像方向發(fā)展

隨著傳感器分辨率和主機(jī)運(yùn)算速度的提高，計(jì)算機(jī)內(nèi)存及外存容量的增大，數(shù)字圖像處理由以靜止圖像處理為主發(fā)展到靜止圖像和動(dòng)態(tài)圖像并存并相互補(bǔ)充相互促進(jìn)的局面。

（4）從單態(tài)圖像向多態(tài)圖像方向發(fā)展

多態(tài)圖像是指對(duì)于同一目標(biāo)，景物或場景，采用不同的圖像傳感器或在不同條件下獲取圖像，然后對(duì)這些圖像進(jìn)行綜合處理和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］吳娛。 數(shù)字圖像處理［M］。 北京郵電大學(xué)出版社，2017.10，北京

土木視覺實(shí)驗(yàn)室

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