数字图像处理发展综述

数字图像处理技术综述

摘要：本文主要阐述了数字图像处理技术的产生，主要方法技术及其特点。

并对其发展做状况做了简述。

关键词：数字图像处理、图像编码、小波变换，视频压缩

引言

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。

一、数字图像处理的起源

数字图像处理技术最早出项于20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到一定的水平，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。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数字图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳的位置和月球的环境影响，由计算机成功的绘制出了月球表面地图，获取了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近万张图片进行了更为复杂的图像处理，由此获得了月球的地形图、彩色图以及全景镶嵌图、获得了非凡的成果为人类登月活动奠定了坚实的基础，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。

二、数字图像处理过程

1)图像的数字化

通过取样和量化将一个以自然形态存在的图像变换为适于计算机处理的数字形式。用矩阵的形式来表示图像的各种信息。

2)图像的编码

编码的目的是在不改变图像的质量基础上压缩图像的信息量，以满足传输与存储的要求。编码多采用数字编码技术对图像逐点的进行加工。

3)图像增强与复原

图像增强的目的是将图像转换为更适合人和机器的分析的形式。常用的增强方法有：灰度等级直方图处理；干扰抵制；边缘锐化；伪彩

色处理。

图像复原的目的与图像增强相同，其主要原则是为了消除或减少图像获取和传输过程中造成的图像的损伤和退化，这包括图像的模糊、

图像的干扰和噪声等，尽可能的获得原来的真实图像。

无论是图像增强还是图像的复原，都必须对整副图像的所有像素进行运算，出于图像像素的大数量考虑，其运算也十分的巨大。

4)图像的分割

图像的分割是将图像划分为一些不重叠的区域。每个区域是像素的一个连续集。利用图像的纹理特性，通过把像素分入特定的区域并寻求

区域之间的边界来实现图像的分割。

5)图像的分析

从图像中抽取某些有用的度量、数据和信息，以的到某种数值结果。

图像分析用图像分割方法抽取图像的特征然后对图像进行符号化的描

述，这种描述不仅能对图像是否存在某一特定的对象进行回答，还能对

图像内容进行详细的描述。

图像处理的各个内容是有联系的，一个实用的图像处理系统往往结合了几种图像处理技术才能得到需要的结果，而图像数字化则是讲一个图像变换为适合计算机处理的第一步。图像编码可用以传播和储存图像。图像增强和复原可以使图像处理的最后目的也可以为进一步的处理准备。通过图像分割得出的图像特征也可以作为最终的结果，也同样可以作为进一步图像分析的基础。

三、数字图像处理的优点

i.再现性好

数字图像处理不会应为图像的存储、传输或复制等一系列动作而导致图像质量的退化。

ii.处理精度高

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。

iii.灵活性高，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、数字图像技术的发展

一、数字图像发展阶段

图像采集是数字图像处理的第一步，采集并不局限于对人眼视觉功能的模仿，跟是对人类认识、分析手段的扩展。图像提取技术源自于电

影和视频产品的发展。其中最具影响离得研究是Porter和Duff提出的通

道概念，对图像提取技术的离散性进行了规范，为这一研究领域奠定了

基础

图像提取技术经历了四个阶段

（1）萌芽阶段

通过拍摄时的布景实现提取条件

（2）初期阶段

以四元像素和数字化为基础，建立可了独立的分置科学。

（3）飞跃阶段

以概率统计学原理为基础的提取

（4）分化阶段

认识到视频中帧与帧之间存在的相关性，产生了专们用与视

屏提取的方案。

二、图像压缩编码的发展阶段

作为通信、介质存储、数据发送、多媒体计算机等技术的关键环节图像压缩编码算法的研究是信息技术中最活跃的研究领域之一。

图像压缩编码算法的研究历程大致可分为两个阶段。

（1）第一代图像压缩编码阶段（1985年以前）

图像压缩编码算法的研究起源于传统的数据压缩理

论。系统的研究起始于20世纪40年代初形成的信息论，

尽管当时数字计算机尚未出现，但其研究与当今数字计算

机所使用的压缩技术有着密切的联系，许多算法仍有很大

的应用价值。近年来，由于模式识别、图像处理、计算机

视觉等技术的发展，更促进了数据压缩的研究。

（2）第二代图像压缩编码阶段（1985年以后）

为了克服第一代压缩编码存在的压缩比小、图像复原

质量不理想等缺点，1985年Kunt等人充分利用人眼视觉

特性提出了第二代图像压缩编码的概念。20世纪80年代

中后期，人们相继提出了多个分辨率下表示图像的方案，

主要方法有子带压缩编码1、金字塔压缩编码等利用不同类

型的线性滤波器，将图像分割到不同的频带中，然后对不

同频带的系数采用不同的压缩编码方法。进入了90年代，

又取得了一系列图像压缩编码研究的阶段性新成果。其中

EZW编码算法2、SPIHT3编码算法被认为是目前世界上比较

先进的图像压缩编码算法。

小波变换的图像压缩编码算法则是目前图像压缩研究领域的一个主要方向。小波变换是20世纪80年代后期发展起来的

一种新的信息处理方法，因其本质是多分辨分析信号、在时域

和频域都具有分辨率，高频分量采用逐渐精细的时域或空域步

长，可以聚焦到分析对象的任意细节，特别适用与分析非平稳

信号。

五、数字图像处理的发展方向

图像处理技术未来的发展大致体现在以下四个方面

（1）超高速、高分辨率、立体化、多媒体、智能化和标准化方向

发展

1所谓子带编码技术，是将原始信号由时间域转变为频率域，然后将其分割为若干个子频带，并对其分别进行数字编码的技术

2嵌入式零树小波编码算法（EZW：Embedded Zerotree Wavelet）

3SPIHT（set partitioning in hierarchical tree的缩写）