圖像修復技術及其在圖像壓縮中的應用

沈淑濤 高飛

摘 要 圖像修復技術是針對部分損壞或缺失圖像進行修補還原的一項技術，在眾多領域中圖像修復技術都發揮著重要作用。對圖像修復技術以及其在圖像壓縮中的應用進行研究，從區域復雜性、圖像復雜性和模式復雜性3個方面介紹了圖像修復的理論基礎，通過建立圖像修復模型展現了修復過程，并分析了如何將圖像修復技術應用在圖像壓縮中。通過研究發現給出的圖像修復技術具有很好的修復效果，值得推廣使用。

關鍵詞 圖像修復技術；圖像壓縮；技術應用

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）208-0125-02

圖像修復（image completion）技術也被叫作圖像修補（image inpainting）技術，是針對部分損壞或缺失的圖像進行修補還原的一項技術，近年來圖像修復技術不斷完善，修復能力也越來越好，很多受損的圖像經過修復后能夠保持連續、自然，即使仔細觀察也很難察覺出修復過的痕跡，觀賞效果很好。在文藝復興時期，藝術家就開始對圖像進行修復，但是由于技術的落后，藝術家只能采用繪畫技巧對藝術作品進行不斷的潤色和翻新，利用修補技術翻新圖像的同時還要保證不破壞原來作品的風格。因此這種修復方法要花費大量時間和精力，是一項很復雜的工程[ 1 ]。

近年來人們對藝術作品的關注程度越來越高，數字圖像修復技術也成了熱門研究話題。研究者們針對圖像修復問題提出了多種求解模型，同時也涌現出了許多極具代表性的經典算法，目前較為典型的算法為基于偏微分方程（partial differential equation， PDE）的修復方法和基于紋理合成（texture synthesis）的修復方法[2-3]。

1 圖像修復技術

在進行圖像修復之前，要將圖像問題轉化成數學模型，以I為原始圖像，D為缺失區域，其中D屬于I，將二維圖像模型分為x和y兩個方向，利用圖像中的完整信息重構圖像中的不完整信息，重構公式如下：

本文給出的圖像修復過程可以看成一個二維插值的過程，修復時要重點考慮區域復雜性、圖像復雜性和模式復雜性3個方面。下面對這3個方面進行重點介紹：

1）區域復雜性。對于二維圖像來說，修復缺失區域需要首先了解應用場合。例如：被修復的區域如果應用場合為文字場合，那么該區域就是字母、數字或標點符號；而如果被修復的區域是為了遮擋圖像中其他區域，那么該區域就是前景中的目標物體；如果要對古老藝術作品進行重新上色，那么待修復區域就是整個空間，必須要將圖像畫成網狀，將周邊像素孔洞全部上才能完成工作。由于修復工作需要對圖像進行大量的填充，是一項極為復雜的工作，因此必須要借助2-D子區域和1-D結構才能保證修復圖像的準確性。

2）圖像復雜性。多分辨率小波算法是專門針對復雜的修復工作提出的算法。雖然SOBOLEV函數能夠將一副圖像重新構建，但是此函數只能應用在較為粗糙的尺度上，在精細尺度下，這種方法根本無法滿足要求。精細尺度對于圖像中包含的很多連續結構細節都有極高的要求，無論是跳變的邊緣、拐角，還是T型交匯處，圖像修復技術都要保證能夠呈現出關鍵性的幾何特征，還原圖像中重要的視覺信息。修復圖像時也可以通過建立的Banach或Hilbert空間函數來提高修復效率。

3）模式復雜性。圖像修復主要是為了滿足人的視覺需求，因此首先要建設處一個滿足人眼需求的視覺模式，目前比較常用的視覺模式是鏡像對稱模式。如果一張需要修復的人像在眼睛方面出現劃痕或者缺失，人們很容易就能根據平時的經驗知識將缺失的部分想象出來，但是如果使用科學技術手段進行修補，得到的修補效果很有可能十分糟糕。如果利用計算機中的鏡像對稱模式，就很容易將缺失掉的部位修補出來。通常修補圖像對圖像精度要求很高，可以通過建立中軸線的方法將已知區域的圖像信息轉移到未知區域，從而實現圖像的重建。模式識別已經不斷深入計算機視覺修復中，并在高等圖像修復技術中發揮著重要作用。模式復雜性通常要結合人平時的審美思路以及規律認知，由于人類視覺系統很容易將空間中看起來較為緊密的物體聯系在一起，因此可以利用對稱規則對圖像進修復。根據圖1、圖2可以看出本文研究修復技術的應用效果。

根據上述圖像可以發現，無論是在畫面分辨率還是圖像清晰度上，利用本文給出的修復技術都能很好的進行還原，得到的圖像修復效果很好。在進行圖像修復時，需要注意如下5點：

1）圖像修復針對的是圖像局部的問題，而確定缺失信息不需要了解整體圖像，只需要跟據已知的內容信息來確定即可；2）修復過程必須要完全遵照圖像函數，根據圖像函數的屬性建立修復模型和算法，通過高層次的輸出模式完成新信息的輸入；3）修復時要盡量提倡自主化，盡可能地減少手工操作，因為人工操作的準確程度遠遠低于計算機系統操作，同時修復一張圖像時要根據多種類型的圖像進行加工，這樣才能保證修復質量；4）修復算法要擁有處理斷裂的光滑狹窄邊緣的能力，對于一幅圖像來說，邊緣信息是最重要的，可以直接影響內部比例因素，如果修復技術不能保證邊緣信息的完美復原，得到的修復效果往往很差；5）對于一副圖像來說，必須要有一個固定算法，只有這樣才能提高圖像的魯棒性，降低會出現噪聲或模糊等現象的發生概率。

2 圖像修復技術在圖像壓縮中的應用

圖像修復技術在很多領域都有著非常深遠的影響，尤其是在壓縮編碼領域，圖像修復技術發揮著重要作用。圖像修復技術能夠利用已知信息完美的還原圖像中的破損部分，使本來殘破不堪的圖像重新復原，得到人眼能夠接受的效果，而正是因為這一特點使圖像壓縮有了實現的可能。由于圖像在進行壓縮時，要將圖像信息轉化成編碼信息，而編碼端又會選擇性地丟棄一部分信息，所以傳輸到終端的信息已經不完整。如果只利用傳輸到終端的信息還原圖像和視頻資料，那得到的資料必然會有所缺失，甚至失去了原來的作用，而圖像修復技術能很好地解決這一問題。圖像修復技術可以在解碼端重構圖像，根據已知的信息將未知區域還原出來，從而達到節省系統所需要的圖像和視頻碼率的目的。本文給出的修復技術不僅能夠完美的重構圖像，而且在重構時能夠去除圖像中的冗余信息，降低壓縮過程圖像傳輸占用的編碼率。

3 結論

圖像修復技術在很多領域都發揮著重要作用，本文從通用性的角度研究了一種圖像修復方法，從區域復雜性、圖像復雜性和模式復雜性3個方面進行研究，通過實際應用證明本文給出的圖像技術能夠有效還原圖像信息，而且修復質量很好，修復時間很快。本文給出的技術不僅在圖像修復中發揮重要作用，同時對圖像壓縮也產生深遠影響，利用上述技術能夠有效去除圖像冗余信息，提高傳輸效率，保證傳輸質量。希望本文的研究能夠為以后圖像修復技術的研究提供有力幫助。

參考文獻

[1]鄒偉杰，郭子君，朱同林.數字圖像修復在植物葉片圖像壓縮上的應用[J].湖南理工學院學報（自科版），2015（1）：22-25.

[2]繆小勇，周佳虹，戴穎，等.計算機圖像處理在我們工作生活中的應用[J].電子世界，2015（20）：189-190.

[3]龔正，沈建新.SPIHT算法在 DICOM 圖像壓縮中的應用研究[J].計算技術與自動化，2016，35（2）：61-65.