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数字图像处理技术的应用与发展


科技信息

○高校讲坛○

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

2010 年 第 27 期

数字图像处理技术的应用与发展
景 敏 (陕西理工学院机械工程学院 陕西 汉中

723003)

【摘 要】本文从图像测量的基本原理出发,从技术应用的角度介绍了数字图像处理的发展趋势。 【关键词】图像测量;数字图像处理;发展趋势 所谓图像测量 , 就是将被测物体的图像当作检测对象或信 息 传 递 的载体 , 对其进行分析 , 从中提取有用信号 , 进而获得所需的测量数据。 图像测量系统是集光 学 、光 电 子 学 、精 密 机 械 及 计 算 机 技 术 为 一 体 的 综合系统。 图像测量系统基本上由平行光照明系统、CCD 图像采集系 统以及相应的图像处理软件组成。 其结构框图如图 1 所示。 其工作过 程为 : 将被测零件置于尽可能均匀照明的可控背景前 ,CCD 和图像卡将 被测零件图像采集到计算机里 , 计算机按一定的算法计算出被测物 体 的几何参数 , 最后 , 计算机对这些数据进行各种处理并将结果按一定的 要求予以显示和存储。 或复原,都必须对整 幅 图 像 的 所 有 像 素 进 行 运 算 ,出 于 图 像 像 素 的 巨 大数量考虑,其运算量也是十分巨大的。

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图像的压缩

图1

测量系统框图

图像处理技术基本可以分成两大类:模拟图像处理和数字图像处 理。 数字图像处理一般都用计算机处理或实时的硬件处理 , 因此也 称 之为计算机图像处理,由于它处理精度高,包含信息量大,广泛应用于 空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多领域 。 数字 图像处理技术主要包括如 下 内 容 :几 何 处 理 、算 术 处 理 、图 像 增 强 、图 像复原、图像重建、图像编码、图像识别、图像理解。 数字图像处理技术 的 发 展 涉 及 信 息 科 学 、计 算 机 科 学 、数 学 、物 理 学 以 及 生 物 学 等 学 科 , 因此数理及相关 的 边 缘 学 科 对 图 像 处 理 科 学 的 发 展 有 越 来 越 大 的 影 响。 近年来 , 数字图像处理技术日趋成熟并促使这些学科也产生了 新 的发展。 当然,数字图像处理技术的发展是和技术应用的发展密切相 关的,因此,我们拟 从 技 术 应 用 的 角 度 简 单 介 绍 数 字 图 像 处 理 学 的 发 展和现状,以备我们工程技术人员在作相关课题时研究与思考。

图像处理中另一至关重要的问题是图像数据的压缩。 特别是在获 取了大量的静态和动态图像后,要将其传输到用户终端或存储图像以 备今后使用时,遇到的最大困难就是图像的巨大的数据量。 例如,一帧 彩色图像有近 768KB 的数据量,如果不作任何图像压缩处理,是 很 难 以实现大量图像数据的存储的。 同时,这一问题在图像传输过程中也 同样存在,大量的图 像 数 据 难 以 快 速 传 送 ,或 者 传 送 图 像 质 量 要 求 很 高(如数字电视的传输码率要在 100Mb / s ),这些都是传输系统难以承 受的。 因此 . 图像信息的压缩在图像的存储、传递,乃至后面谈到的多 媒体技术中都是至关重要的问题。 图像压缩编码的研究有比较久远的 历史,直至目前,仍 在 不 断 探 索 新 的 技 术 和 方 法 。 图 像 压 缩 编 码 的 方 法,主要是消除图像存储过程中产生的大量数据冗余 。 为了得到较好 的结果,可用预测编码、变换编码、熵编码等高清晰度图像压缩编码方 法。

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HDTV 高清晰度电视

由于近 40 年来电视技术的发展与广泛应用 , 人们不再满足现有 的电视图像质 量 , 尤 其 电 视 技 术 在 国 民 经 济 和 军 事 技 术 中 广 泛 的 使 用,对电视图像的质量提出更新的要 求 ,新 一 代 高 清 晰 度 电 视 (HDTV) 要 求 每 帧 的 扫 描 行 数 要 增 加 一 倍 以 上 . 并 需 要 大 屏 幕 、宽 幅 面 、高 清 晰、高亮度显示。 这样 HDTV 图像数据量比普通电视要大 4 — 5 倍,基 本带宽从 5 — 6MHz. 扩展到 25MHz — 30MHz 之高。因此,高清晰度电视 HDTV 的 实 现 ,不 仅 需 要 研 制 许 多 摄 像 和 显 示 的 新 器 件 、还 需 要 利 用 数字图像处理技术和对图像信号的压缩传输等新技术, 以便实现 HDTV 在原有传输线路中的传输,制作和再现等。

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图像的获取

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多媒体系统中的数字图像技术

首先从图像的获取,即成像的角度来看:要进行图像处理,首先要 获取图像,从成像的 传 感 器 看 ,有 一 般 的 电 视 摄 象 机 可 获 取 一 般 可 见 光图像信号;有红外 摄 像 机 ,专 门 摄 取 红 外 图 像 其 在 军 事 上 有 很 高 的 实用价值;有声波成像,利用物质声学参数对声波传播的影响 ,可获取 不 透 明 的 物 体 内 部 结 构 信 息 和 图 像 ;有 x 光 成 像 ,利 用 物 体 对 x 光 的 穿透性不同,获得物体内部形状信息;有 γ 射线成像,利用同位素中 γ 粒子的成像获取人体器官功能的信息, 检测人体器官功能正常与否; 还有核磁共振成像,利 用 不 同 物 质 核 磁 共 振 的 曲 线 变 化 ,获 取 人 体 器 官变化的信息等等。 这些成像技术都很容易 从 2D 成 像 信 息 ,利 用 断 层成像等技术,成 2D 和 3D 图像。 这些技术的发展在医学、军事及工 业发展中都有极其重要的作用。

近年来,在各国大量兴起的多媒体技术和系统的研究热潮中,主要 是要将动态的图像、图形、声音、文字等多种信息和计算机结合在一起 综合使用,以使得计算机的人机关系得以全面改善 。 这是目前计算机 技术难以实现的,它 必 须 要 和 实 时 数 字 图 像 处 理 ,图 像 压 缩 处 理 技 术 相结合才能实现。 目前市面上的多媒体产品多数尚停留在静止图像 、 文字、声音、图形的阶段。 融入活动图像 . 将是多媒体技术必须进一步 解决的关键问题。

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图像分析、识别和计算机视觉

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图像的增强与复原

获取到的图像,往往带有各种畸变和干扰。 例如有成像器件的缺 陷 . 如带宽限制造成图像模糊等及成像过程中不可避免的热噪声和 其 它干扰源带来的各种干扰噪声等等,为了获取为人们观测处理所需要 的良好质量的图像,需要经过引入图像处理。 这包括图像的增强和图 像的复原。 图像的增强是采用增强轮廓边缘,进行灰度和颜色等变换, 使图像更能适合于人们观测和处理的需要。 而图像的复原则是为消除 或减小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,尽可能获得原来真实的图像。 图像复原 往往是个比较困难和复杂的逆滤波过程。 尤其在造成图像退化的过程 已较复杂和难以预测时,图像复原就更难以完善了 。 不论图像的增强

图像分 析 的 方 法 一 般 首 先 要 从 以 像 素 为 基 本 单 元 的 图 像 中 将 物 体的边缘轮廓、进而将物体的表面、物体的形状、位置、大小确定下来。 将物体的边缘轮廓或物体所在的范围确定下来称为图像的分割 ,这是 一个由低层次到高层次的分析理解过程。 利用像素间的灰度相关关系 及人们先验知识完成这部份工作。 在此基础上再对已知物体的形态等 进行特征的描述,再根据对已知物体的特征描述和所观察物体特征进 行比较和配比,以便确定图像中所包含物体的种类、特性和位置等。 由 于一般物体的图像都 是 复 杂 的 ,在 成 像 过 程 会 有 很 多 的 变 换 ,因 此 模 仿人类视觉过程,从图像中利用计算机获取景物或物体的真实信息部 分是非常困难的任务, 而要从 2D 图像获得复杂 3D 景物的空间几何 位置信息则是非常困难。 目前,对于简单的 2D 成 像 和 图 像 识 别 已 取 得可喜的成就。 例如医学上细胞的识别计数,军事上军用目标的识别 和跟踪,工业上机器人对道路,目标物的识别、跟踪控制等。

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文字识别

(下转第 607 页)

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科技信息

○图书与档案○

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

2010 年 第 27 期

教学 DVD 光盘,印制“怎么查找文献”、“怎样利用电子资源”等专题小 册子,在图书馆大厅 设 置 本 馆 导 向 及 咨 询 台 ,在 各 书 库 、各 阅 览 室 、工 具书库等处做好 指 引 标 示 、资 源 标 示 及 使 用 简 介 ,在 图 书 馆 主 页 上 介 绍图书馆的布局、宣传图书馆的资源,引发大学生的信息意识,为用户 利用信息提供便利。 还可编发信息教育资料、举办信息周、电子资源宣 传月、信息知识大赛、开展“书海导航”等活动,营造良好的信息素质教 育氛围,以利于提高大学生的信息素质,进行基础信息素质教育。 3.1.2 举办专题讲座与开展数据库使用培训。 针对信息素养较高的高 年级同学和研究 生 ,开 设 文 献 检 索 课 ,并 经 常 性 地 举 行 数 据 库 使 用 短 期培训和各类搜索引擎及检索软件的使用讲座 ,结合其毕业论文和开 题报告的写作,培养大学生利用网络和各种专业数据库获取和评价信 息的能力。 3.1.3 开展网上咨询服务。 高校图书馆在主页上设置网上咨询台、电 子 邮 件 服 务 、FAQ (常 见 问 题 回 答 )等 实 时 或 非 实 时 的 参 考 咨 询 服 务 ; 开设“网海导航”、“学科导航”等栏目,提供非常丰富的学术站点,为大 学生方便快捷地获取所需的查询途径和链接 ,其目的就是尽快引导他 们进入网络,学会资源搜索的方法,加强计算机网络获取信息的能力。 3.2 大学生信息素质教育推进了高校图书馆事业的发展 3.2.1 要实施信息素质教育,图书馆必须具备充分的信息资源。 在加 强传统的纸质文献资源建设时应注重科学合理的藏书结构 ,既要考虑 到专业藏书建设与大学生的一般阅读需要相结合 ,还要注意到大学生 知识结构的合理性。 文献信息资源的数字化 、网络化是图书馆文献信 息资源建设发展的方向,因此,图书馆还必须不断完善电子文献资源, 加强专业数据库、电子图书、电子期刊的建设;进一步完善图书馆自动 化集成系统,如公共 检 索 系 统 、光 盘 检 索 系 统 、网 上 查 询 系 统 等 ;图 书 馆还应不断努力建设和更新自己的网络主页 ,在主页上介绍图书馆资 源,做好资源导航。 3.2.2 作 为 履 行 大 学 生 信 息 素 质 教 育 职 能 主 体 的 图 书 馆 员 的 综 合 信 息素质需要进一步提高。 大学生信息素质教育对图书馆员提出了更高 的要求。 图书馆员必须加强自身收集、加工、储藏、传递信息等信息服

务的能力,掌握 全 面 的 图 书 情 报 专 业 知 识 和 信 息 检 索 技 能 、善 于 与 用 户沟通的技巧、敏 锐 的 信 息 意 识 及 处 理 问 题 的 综 合 能 力 ,提 高 信 息 服 务的水平,树立 全 新 的 信 息 从 业 人 员 的 形 象 ,为 开 展 大 学 生 信 息 素 质 教育提供重要保证。 3.3 高校图书馆信息教育职能的拓展促进了大学生信息素质的提高 对大学生进行信息素质教育有利于推进高校图书馆事业的进一 步发展;高校图书馆信息教育职能的拓展又能促进大学生信息素质的 进一步提高。 大学生有了信息意识,才有可能自觉地捕捉、分析、判断 和吸收信息。 培养和加强大学生对信息的敏感程度 ,使其对信息的认 识从感性上升到 理 性 ,使 其 潜 在 的 信 息 需 求 得 以 呈 现 ,并 转 化 为 能 表 达出来的信息需求,实施具体的信息行为是信息意识教育的目标。 信息素 质 教 育 是 立 足 现 在 、面 向 未 来 的 教 育 ,是 以 培 养 未 来 高 素 质人才为目标的。 高校图书馆作为信息素质教育的主阵地 ,对大学生 进行全面信息素质教育,是新的信息时代赋予的神圣使命。 高校图书 馆应充分利用自 身 优 势 ,顺 应 时 代 潮 流 ,最 大 限 度 地 发 挥 高 校 图 书 馆 在大学生信息素质教育中的作用。 与此同时,高校图书馆作为实施大 学生信息素质教育的主体,在对大学生进行信息素质教育的探索与实 践过程中,提高了馆员的综合素质,拓展了图书馆的教育职能,推进了 图书馆事业的可持续发展。 科


【参考文献】
王郁葱 . 论高校图书馆与大学生信息素质教育 [J]. 安徽农业大学学报 ,2006,(2). [1] 杜道群 . 论大学生的信息素质教育 [J]. 图书馆工作与研究,2004 ,(1). [2] 刘建丽 . 高校图书馆与大学生信息素质教育 [J]. 前沿,2005 ,(12). [3] 刘艳旺 .发挥高校图书馆优势,做好信息素质教育 [J]. 现代情报,2004 ,(3). [4] 杨丽 .高校图书馆在信息素质教育中的作用[J].图书馆界,2005 ,(6). [5] 作 者 简 介 :赵 新 民 (1955 —),男 ,曲 阜 师 范 大 学 图 书 馆 副 研 究 馆 员 ,已 在 图 书情报专业杂志发文二十余篇。

[责任编辑:曹明明]


(上接第 577 页) 还有一个重要的图像识别的例子就是文字的识 别,不论手写或印刷的文字都可以看作 2D 的图像,要想把扫描输入字 的图像一个个“认”出 来 ,存 入 计 算 机 内 ,汉 字 识 别 系 统 可 以 同 时 识 别 各种字号、各种字体、各种印刷方法的简体与繁体汉字 ,大大地促进了 现代信息社会的发展。 代 ,数 字 图 像 处 理 学 科 进 入 了 成 熟 发 展 阶 段 . 尤 其 随 着 大 规 模 集 成 电 路技术的发展,大容量存储芯片的容量大幅度增加 ,价格的大大下降, 计算机的存储容量和运算速度以每年 20% 的比率迅速提高,这些都为 图像处理技术的发展提供良好的物质基础,使图像处理不仅得以迅速 发展而且得到愈来愈广泛的应用。 同时,图像处理在实际的应用与发 展中又大大地推动了这一学科的发展,但是和人类视觉能力相联系相 比较,图像处理 的 发 展 还 相 差 甚 远 、为 此 我 们 还 需 进 行 更 多 得 研 究 工 作。 社会的需要是我们研究发展的强大推动力之一,我们相信图像处理 技术将得到更快速的发展、给社会的信息发展提供更有力的支持。 科

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总结

图像处理是在近 30 年来在计算机和大规模集成电路发展基础上 发展起来的新兴学科。 由于它的出现和发展,使人们观察自然界的视 野更加开阔,改善自然界的能力更加增强。 从 1964 年美国喷气推进实 验室为进行太空探测研究月球表面,用计算机处理了从卫星发送回来 的月球表面照片,校正了从飞船上的电视摄像机传送回来照片中各种 形式的图像畸变和干扰,首次进行了计算机图像处理的研究;到 70 年 代 计 算 机 图 像 处 理 在 遥 感 技 术 的 发 展 中 得 到 重 要 应 用 和 发 展 ,1972 年计算机断层 x 光照相技术 ( 即 x 光 CT 技术 ) 的研究成功,使得人们可 以利用图像处理技术窥测到人体内部机体断层内图像 ,以及一般方法 无法观察到的图像内容,这使得医学图像处理的研究开始取得了迅速 的进展。 70 年代末期,开始了具有视觉功能的机器人的研究,计 算 机 视觉作为图像处理学科一个新的重要分支开始形成和发展 。 在 80 年


【参考文献】
[1]阮秋琦 . 数字图像处理学 . 北京 :电子工业出版社,2000. [2 ]李红俊 ,韩冀皖 . 数字图像处理技术及其应用 . 计算机测量与控制,2002,10(9) :

620-622. [3 ]陈向伟 ,王龙山 ,刘庆民 . 图像技术在微小零件几何尺寸测量中的应用 . 工具技 术 ,2005,36(58):86-89. [4]洪 海 涛 , 赵 辉 . 图 像 技 术 用 于 零 件 尺 寸 测 量 的 研 究 . 仪 器 仪 表 学 报 ,2001,6(3): 213-218.

[责任编辑:翟成梁]


(上接第 616 页)本馆计算机机房配有刻录机,每一种图书的随书 光盘都留一张不外借,作为母盘,对于那些想要收藏光盘的读者,随时 可以刻录自己想要的光盘,并且可以保证光盘的质量。 当有其它光盘 出现磨损时,也 可 以 通 过 母 盘 复 制 一 张 ,这 样 既 解 决 了 的 光 盘 的 保 存 问题,又不影响读者的借阅。 光盘是 现 代 技 术 的 产 物 ,光 盘 文 献 作 为 出 版 界 的 新 生 事 物 ,随 着 信息技术、网络技术和多媒体技术的发展,将日趋完善。 光盘已经成为 图书馆文献资源的重要组成部分,我们应借助网络环境深入研究如何 合理地加工、科 学 地 管 理 及 充 分 地 利 用 ,以 不 断 提 高 图 书 馆 管 理 和 服 务水平。 科


【参考文献】
[1]白永革 .随书光盘管理与利用的一种新模式 [J].图书馆理论与实践,2005 (5). [2 ]于丽华 .图书馆光盘的加工与管理 [J].山东图书馆季刊,2003 (4). [3 ]谢 东 ,陈 维 纳 . 随 书 光 盘 文 献 书 目 数 据 著 录 的 探 讨 [J]. 图 书 馆 工 作 与 研 究 , 2002(6).

[责任编辑:翟成梁]

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