一文讀懂數(shù)字圖像處理常用方法

數(shù)字圖像處理是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理的過程。圖像處理最早出現(xiàn)于 20 世紀 50 年代，當時的電子計算機已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計算機來處理圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處理作為一門學科大約形成于 20 世紀 60 年代初期。早期的圖像處理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。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強、復原、編碼、壓縮等。

數(shù)字圖像處理常用方法：

1 ）圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，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理技術，將空間域的處理轉(zhuǎn)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(shù)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局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應用。

2 ）圖像編碼壓縮：圖像編碼壓縮技術可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存儲器容量。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，它在圖像處理技術中是發(fā)展最早且比較成熟的技術。

3 ）圖像增強和復原：圖像增強和復原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，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清晰，細節(jié)明顯；如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復原要求對圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型”，再采用某種濾波方法，恢復或重建原來的圖像。

4 ）圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關鍵技術之一。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，這是進一步進行圖像識別、分析和理解的基礎。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區(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，對圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點之一。

5 ）圖像描述：圖像描述是圖像識別和理解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展，已經(jīng)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 ）圖像分類（識別）：圖像分類（識別）屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預處理（增強、復原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，從而進行判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識別方法，有統(tǒng)計模式分類和句法（結構）模式分類，近年來新發(fā)展起來的模糊模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式分類在圖像識別中也越來越受到重視。

圖像的基本屬性

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。

亮度對圖像色彩的影響

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(xiàn)越豐富。

對比度對圖像色彩表現(xiàn)的影響

直方圖：表示圖像中具有每種灰度級的象素的個數(shù)，反映圖像中每種灰度出現(xiàn)的頻率。圖像在計算機中的存儲形式，就像是有很多點組成一個矩陣，這些點按照行列整齊排列，每個點上的值就是圖像的灰度值，直方圖就是每種灰度在這個點矩陣中出現(xiàn)的次數(shù)。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圖像轉(zhuǎn)換為另一幅具有均衡直方圖的圖像，即在一定灰度范圍內(nèi)具有相同的象素點數(shù)的圖像的過程。下面是直方圖均衡化前后的圖形變化以及直方圖變化：

圖像的加減運算

兩幅圖像的加減運算：對圖像進行加減運算，就是將圖像對應的存儲矩形點列上的灰度值進行加減運算。圖像相加可以將一幅圖像的內(nèi)容加到另一幅圖像上，可以實現(xiàn)二次曝光，也可一對同一個場景的多幅圖像求平均值，這樣可以降低噪聲。圖像相減可以用于運動檢測或去除圖像中不需要的加性圖案。

圖像的加法示例：圖中運算為： (a)+(b)=(c)

圖像的減法運算示例：圖中運算為 (a)-(b)=(c)

圖像的噪聲

圖像的噪聲：就像對于聽覺而言，在打電話時對方說話我們有時候會聽到很嘈雜的噪聲，以至于聽不清楚對方在說什么。同樣的，對于圖像，原本我們可以很清晰的看到一幅圖像，但是有時候圖像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，這就是圖像的噪聲。

常用的圖像去噪聲方法

常用的去噪方法：主要是采用濾波器對帶噪聲圖像進行濾波處理。

數(shù)字圖像處理技術的應用

隨著計算機技術的發(fā)展，圖像處理技術已經(jīng)深入到我們生活中的方方面面，其中，在娛樂休閑上的應用已經(jīng)深入人心。圖像處理技術在娛樂中的應用主要包括：電影特效制作、電腦電子游戲、數(shù)碼相機、視頻播放、數(shù)字電視等

電影特效制作：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(xiàn)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圖像被運用到了電影作品的制作中。其視覺效果的魅力有時已經(jīng)大大超過了電影故事的本身。如今，我們已經(jīng)很難發(fā)現(xiàn)在一部電影中沒有任何的計算機數(shù)碼元素。

電腦電子游戲：電腦電子游戲的畫面，是近年來電子游戲發(fā)展最快的部分之一。從 1996 年到現(xiàn)在，游戲畫面的進步簡直可以用突飛猛進來形容，隨著圖像處理技術的發(fā)展，眾多在幾年前無法想象的畫面在今天已經(jīng)成為了平平常常的東西。

數(shù)碼相機：所謂數(shù)碼相機，是一種能夠進行拍攝，并通過內(nèi)部處理把拍攝到的景物轉(zhuǎn)換成以數(shù)字格式存放圖像的特殊照相機。與普通相機不同，數(shù)碼相機并不使用膠片，而是使用固定的或者是可拆卸的半導體存儲器來保存獲取的圖像。數(shù)碼相機可以直接連接到計算機、電視機或者打印機上。在一定條件下，數(shù)碼相機還可以直接接到移動式電話機或者手持 PC 機上。由于圖像是內(nèi)部處理的，所以使用者可以馬上檢查圖像是否正確，而且可以立刻打印出來或是通過電子郵件傳送出去。

視頻播放與數(shù)字電視：家庭影院中的 VCD ， DVD 播放器和數(shù)字電視中，大量使用了視頻編碼解碼等圖像處理技術，而視頻編碼解碼等圖像處理技術的發(fā)展，也推動了視頻播放與數(shù)字電視象高清晰，高畫質(zhì)發(fā)展。