1.3 数字图像处理的主要研究内容和发展趋势

1.3.1 数字图像处理的主要研究内容

数字图像处理研究的内容主要有以下几个方面：图像变换、图像增强、图像复原、图像分割、图像压缩编码、彩色图像处理、图像的三维重建、图像的表示和描述、图像编码、图像分类、图像重建等。本书对部分常用研究内容进行讲解。

1.图像变换

图像变换指从时域变换到频域，图像变换的目的是，减少图像计算量，从而简化图像处理过程和提高图像处理变换的基本技术。

常用的图像变换的方法有：傅里叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换、小波变换等。

2.图像增强和复原

图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去噪声、提高图像的清晰度。图像增强不考虑图像降质的原因，仅突出感兴趣的部分。例如，强化图像的高频分量，可以使图像轮廓清晰，细节明显；强化图像的低频分量，可以减少图像的噪声。

图像复原需要对图像降质的原因有一定的了解，一般需要根据降质过程建立“降质模型”，再通过某种滤波方法，达到复原图像的效果。

3.图像分割

图像分割是将图像中有意义的特征部分（如边缘、区域）提取出来，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。由于目前还没有一种普遍适用于各种图像的有效分割方法，所以对图像分割的研究仍然是一个热点。

4.图像压缩编码

图像压缩编码技术可以减少图像数据量，便于图像的传输，减少存储量。

压缩既可以在不失真的条件下获得，也可以在允许失真的条件下获得。编码是图像压缩中最重要的方法，它在图像处理技术中发展最早，也比较成熟。

1.3.2 数字图像处理应用及发展趋势

图像是人类获取和交换信息的主要来源。因此，图像处理的应用领域和发展趋势必然涉及人类生活和工作的方方面面。随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大，如图1-2所示。

1.数字图像处理应用

（1）临床医学方面的应用

在信息化、数字化的时代，数字信息应用在生物医学方面的成果改善着人们的生活。大家最为熟知的便是超声医学影像。如今，医学影像成为医生对于人体内部组织或器官是否病变，更为直观、清晰、准确的判断。这门技术不光运用于人类，也可用于动物体内器官病变的诊断和治疗。超声医学影像具有方便、快速、准确、安全和费用低廉的优点，在临床诊断、术前术后检测、治疗等方面起着很大的作用，如图1-3所示。

高清的医学影像一直以来是临床医学者所追求的。X射线光源亮度不均匀，存在噪声干扰、灰度的误差等，最终都会影响图像的清晰度，甚至模糊不清。因此，人们利用图像处理技术来消除模糊，提高清晰度。具体应用到的方法有很多，根据实际所需，运用图像去噪的方法去除噪声；运用图像增强技术提高整体图像效果；运用空间域平滑或空间域锐化对图像细节调整；还可以运用灰度变换，对灰度进行线性的或非线性的变换，增大图像的对比，让图像变得更加清晰，特征更加明显。众所周知，人眼对于彩色的敏感度远高于对灰度的敏感度，所以，将所得到的灰度图像经过伪彩色增强，生成彩色图像，可以增强人眼对于影像中细节的分辨能力，从而提高诊断的准确性。

（2）通信工程的应用

通信工程是电子信息工程中一个非常重要的方向，目前通信领域的发展迅速，且具有很大的潜力，特别是数字通信、量子通信、光纤通信等技术的蓬勃发展，使信息搜索、信息传递、信息收取等在速度和质量上达到了便捷、高效。通信主要研究信息的传递与接收，而图像传输，尤其是远距离图像通信实现的难度是最大的。首要问题便是图像信息的数据量大，传输信道狭窄，比如普通的电话线，传输速率为9600bit/s，传输一幅512×512像素8bit图像就需要花费300s。若想快速高效地传输图像信息，就需要采用数据压缩和图像编码来压缩图像的比特量。该技术最早的应用是在20世纪20年代，通过海底电缆将一幅图片由纽约传输到伦敦，与早期使用电话线传输相比，传输时间从之前的一周缩短到小于3h。

（3）工业工程方面的应用

在工业工程方面，自动控制领域与图像识别处理相结合，利用计算机提供的可靠并且精确的数据，可以自动对生产线上生产的零件质量进行检测，并可对其进行分类，还可以检测印制电路板的瑕疵，或对特殊产品进行无损检测，如木材无损检测，该检测中还引入伪彩色增强原理。其他方面的应用还有快递包裹、信件的自动分拣、物体内部元件缺陷的排查等。

（4）农业工程方面的应用

“智慧农业”是现代农业发展的高级阶段，是集互联网、物联网和云计算等技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感器节点和无线通信网络，实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能分析、智能决策、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。

数字图像处理的发展与变更改变了人类在农业上的工作模式。如图1-4所示。在农业上，数字图像处理可用于农作物的质量检测、农作物产品的分级、果实采摘机器人等，相较传统模式节约了大量劳动力，只需智能农业就能完成大面积耕种的摘取与检测，在节约时间的同时也大大提高了工作效率。例如，受光照、土壤、种子质量等多方面因素的影响，农产品果实成熟时间不尽相同，如若在果实采集过程中精准定位，准确地捕捉成熟果实定位，为采集过程提供参数，能极大地促进采集环节的顺利进行，故在农产品收获过程中对作物的图像进行检测，自动识别筛选成熟果实的图像处理技术显得尤为重要，数字图像处理技术难题在其中主要体现以下两方面：①准确定位成熟农作物；②区分障碍物。

除此之外，颜色是最容易给农作物品质分级的外表特征，通过数字图像技术采集以及分析颜色性状成为判断作物是否优质的一道检测机制，通过视觉效果系统自动识别作物表面色彩，所识别的色彩精细化程度越高，对后期大数据匹配分析的准确度提升越强。

技术的突破使得数字图像不再拘泥于静态图像，对图像的处理技术运用在动态图像中使得对农产品生长监测有着深远的影响（见图1-4）。作物长势是每个农业种植者时刻关注的重要因素，作物的关键生长节点决定着最终收成的好坏，这就需要农产品种植者利用技术手段来进行这一生产活动，其中数字图像处理技术能够很好地做到这一点：监控仪器保持全天记录作物长势情况，作物形状和大小将被及时录入图像系统，时刻提醒种植人员作物种植环境的变化，亦利于后期人员总结种植经验。

（5）航空航天领域方面的应用

2021年10月16日0时23分，航天员翟志刚、王亚平、叶光富乘坐神舟十三号载人飞船启程奔赴中国空间站，开启为期6个月的太空之旅，这也是中国空间站任务阶段的第二次载人飞行。

航天员太空生活，处处都需要地空视频传输。我国研制的多种天地图像编解码终端，适应载人空间站多舱、多场景天地图像传输要求，实现低速图像、高清图像及全景图片等各类图像信息的传输，为天地之间搭建了可视化平台，如图1-5所示。数字图像处理技术在航空航天方面有非常广泛的运用，航空航天过程中，每天有无数侦查飞机或空间站在太空对地球进行摄影，技术人员运用数字图像处理技术分析和解读照片，比传统的方法节省了大量人力，也加快了传输照片的速度，还能从照片中发现大量有价值的情报。在数字图像处理技术运用之下，在卫星空间站经过地面上空时，通过电子信号传送由处理中心解读，图像质量高，成像、存储、转发、传输速度快。我国通过数字图像处理技术，在资源调查、灾害监测、城市规划等方面取得了良好的效果，在气象预报和其他方面的研究中，数字图像处理技术也发挥了巨大的作用。

（6）遥感技术方面的应用

近年来，卫星遥感平台、遥感信息处理技术、遥感应用技术长足发展，其中在遥感信息处理技术特别是遥感数字图像的处理技术方面，遥感图像的可视化、智能化、网络化已成为遥感技术的核心研究问题。不同类型、不同传感器、不同波段、不同分辨率的遥感数据被源源不断地接收下来，为遥感应用开辟了广阔前景，如何处理这些数据成为资源调查、环境监测、区域开发、规划及决策的重要基础信息，更有效地发挥其经济及社会效益，成了遥感图像信息处理工作的重要任务。

遥感图像信息处理的主要技术之一是计算机数字图像处理，结合光学处理、目视判读，可以完成各种信息提取工作。由于遥感技术及计算机技术的不断发展，数字图像处理在遥感应用中已经起着主导作用。如南太平洋岛国汤加王国境内海底火山发生猛烈喷发。灾难发生后，自然资源部国土卫星遥感应用中心紧急协调安排我国海洋卫星拍摄影像（见图1-6），提供给联合国有关机构和国际组织。

（7）军事安全方面

在军事方面，数字图像处理技术主要可以用于导弹的精确制导、发射过程中的图像处理等方面，在没有人为操作的情况下，可以根据数字图像处理技术进行自发的精确制导。在公共安全方面，可以进行指纹识别、人脸识别、复原图片、监控和分析事故等。目前数字图像处理技术已成熟运用在高速公路自动识别、自动收费系统当中。在未来，军事以及公安领域中，数字图像处理技术的应用频率将越来越高。

2.数字图像处理发展趋势

（1）高速实时化、智能化、标准化、高分辨率、立体化

加快数字图像处理技术发展，需要提高计算机等硬件的速度，实现模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换的实时化；在智能化方面，与计算机识别、自动控制等领域相结合，能让计算机按照人类的想法和思维工作；在标准化方面，目前图像处理技术还没有统一标准，需要进一步完善和发展；在提高分辨率方面，从图像的采样分辨率，到图像显示器的分辨率都有待提高，高清的分辨率有利于人们分析；在立体化方面，二维图像向三维图像，甚至多维图像发展，通常与虚拟显示相结合。

（2）三维重建

未来数字图像处理会向三维重建方向发展。一般情况下，三维重建是对之前存在或已被破坏的三维物体或场景进行恢复建立和重新构造，重建得到的数字模型，便于计算机识别和处理，更方便人们直观感受。通俗来说，三维重建可以是由二维的图像构造出与其相对应的三维立体物体或者场景。因此三维重建技术与虚拟现实技术有着密不可分的联系。

农业科学现在已经发展到数字化、可视化、精准化的阶段，植物三维信息可以逼真地重现植物的形态结构。构建植物三维信息，即植物三维重建，是计算机技术与农业结合通过利用激光雷达、单目或多目相机等设备收集植物形态信息，生成符合植物生理形态结构的三维模型。植物三维模型可以对植物生长过程、表型信息、环境交互进行仿真分析，所以植物三维重建已经成为当前计算机领域和农业信息领域的研究热点和难点。植物三维重建在研究植物形态结构、精准化管理都具有良好的表现，对促进农作物的精准管理、智慧农业种植具有重要意义。

在刑事案例分析中，可以利用虚拟现实技术记录刑事现场，利用高清的数码相机、数字图像处理软件和专业的虚拟现实（VR）成像技术，通过二维平面图像，连接多个视点，制造出一幅最大视角可达到360°并且动态的三维场景。这样的三维虚拟图像，高度地还原了现场的方位、现场的重点部位、现场的概览以及各种细节方面，它不会随着时间以及外界影响而改变现场的模样。这样的技术，不但为刑事案件分析提供了很大的便利，而且将该技术运用到生活中，人们足不出户就可以看到商品的各种细节。