数字图像处理技术研究和应用

          ——IE应用现状

数字图像处理是指使用数字计算机来加工、处理图像。就其处理目的而言可以分为：恢复退化图像的本来面目、改善人的视觉效果、突出图像中目标物的某些特征、提取目标物的特征参数。数字图像处理学科所涉及的知识面非常广泛，具体的方法种类繁多，应用也极为普通，但从学科研究内容上可以分为图像数字化、图像变换、图像增强、图像复原、图像分割、图像描述和分析、图像数据压缩、图像分类、图像重建等方面。

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19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。。此后，世界上很多机构也加强了对数字图像处理技术的研究，如改进设备，成立专业图像实验室等。同时其应用范围也从空间研究扩展到各位广阔的领域。

数字图像处理的主要优点有：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。对计算机而言，不论数组大小，也不论每个像素的位数多少，其处理程序几乎是一样的。换言之，从原理上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组参数就可以了。回想一下图像的模拟处理，为了要把处理精度提高一个数量级，就要大幅度地改进处理装置，这在经济上是极不合算的。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、超声波图像或红外图像等）。从图像反映的客观实体尺度看，可以小到电子显微镜图像，大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像（彩色图像也是由灰度图像组合成的，例如RGB图像由红、绿、蓝三个灰度图像组合而成）组合而成，因而均可用计算机来处理。即只要针对不同的图像信息源，采取相应的图像信息采集措施，图像的数字处理方法适用于任何一种图像。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。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，这极大地光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。

近20年来，随着各相关学科领域的发展，对图像处理提出了越来越高的要求，因此，对数字图像处理技术的研究也越来越深入、广泛，发展也更迅速。在遥感方面，数字图像处理技术主要应用在航空和卫星遥感方面。可以说，数字图像处理技术带来了遥感技术的进步，发展了多光谱图像遥感、SAR图像遥感和微波图像遥感，以及与这些遥感技术相应的处理技术。目前，人们运用数字图像处理技术处理分析遥感图像，可以有效的进行资源和矿藏的勘探和调查、农业和城市的土地规划、作物估产、气象预报、灾害及军事目标的监视等；在生物医学工程方面，图像处理的应用开展较早。医学图像主要有X射线图像、超声图像和生物切片显微图像。运用图像处理技术可以提高图像的清晰度和分辨率，便于医生诊断；在工业和工程方面，图像处理技术已有效的应用于无损探伤、质量检测和过程自动控制等方面，如应力分析、流场分析、机械零件检测和识别、印刷电路板疵病检查等；在军事方面，图像处理技术的应用上最有价值和迫切需求的是飞行导航、导弹打靶的景物图像制导和寻的。此技术是通过判读侦察照片，进行图像匹配识别和跟踪。此外，包括图像传输、存储和显示的自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练器，也大都多用到图像处理技术。

目前，数字图像处理研究与应用中最活跃的一个领域是基于模拟识别的机器人“计算机视觉”，该技术已发展到制造具备视觉、听觉和触觉反馈的智能机器人，它将在诸多方面起到重要作用。推动数字图像处理技术发展的因素有两个。一个是新技术的发展将进一步刺激此领域的成长，包括并行处理技术，低成本CCD数字化器技术，大容量、低成本存储阵列的新存储技术，以及低成本、高分辨的彩色显示系统；另一个推动力来自稳定涌现出的新的应用领域。

数字图像处理在IE（工业工程）方面近年也取得了广泛的应用，主要有：自动装配线中检测零件的质量、并对零件进行分类。IE生产中质量监测通常主要是通过人力完成。此方法不但浪费大量的劳动力而且工作准确率有待提高。而将数字图像处理的理念引入到产品质量监测方面，可以极大的提高产品质量辨识的准确率，提高生产效率，而且可以节省大量人力资源，进而为企业节约不菲的成本。对零件的分类采用数字图像处理技术，不但可以极大的减少因人为因素出现的误差，而且可以对产品的后续统计、管理也更为方便，为IE的机械化发展开拓新领域；厂区物流的自动搬运、装卸装置。在以往的厂区中，为保证产品和零件的及时运送到装配或者仓储的位置，往往采用大量的人力物力保证，往往造成厂区物流规划混乱、人货纷杂，采用数字图像处理技术的装卸、搬运装置，能够自动根据产品的位置及各工序的需求自动将需要的零件及成品运送到工位或者仓库，免去了人力的调配和操作过程，使得物流过程更加通畅、成产更加顺畅，从而提高劳动生产率，节约成本。

在该领域中需要进一步研究的问题主要有如下五个方向：

　　1）在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题；

　　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；

　　4）加强理论研究，逐步形成处理科学自身的理论体系；

5）时刻注意图像处理领域的标准化问题。

总之，低成本硬件加上相关技术的发展再加上发展中的新兴应用领域，可以预料数字图像处理技术将会继续迅速发展，并在应用上发挥更重要的作用。