數字圖像處理技術在通信工程中的應用方法探析

喬寶民

（華為技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 數字圖像處理技術的基本概念

圖像處理主要可以分成兩類：模擬圖像處理（Analog Image Processing）和數字圖像處理（Digital Image Processing）。數字圖像處理技術是指將圖像的信息信號轉換成數字信號的模式，再利用計算機進行分析、加工、處理的過程，最終是以數字的形式存儲在計算機內，從而達到壓縮數據量和傳遞圖像的目標。因為計算機是不能直接處理圖像信息的，我們需要將圖像或視頻轉化成為計算機可以處理的數據[1]。可用二維數組來顯示數字圖像的形狀的，二維數組的行和列為像素坐標(x,y)，特定行和列中包含的值成為像素的值(r,g,b)。我們可以推算和計算出二維平面空間中圖像所對應的坐標和對應的值，通過這些信息，可以根據一系列算法找到具有特定形狀的像素的位置，或者找出滿足某個條件的像素的值，這咱技術被稱為信號處理技術，采用算法可以從圖像中獲取所需的信息。例如，在捉取圖像邊緣時，可以采用Roberts梯度法。即GR=|f(x,y)-f(x+1,y+1)|+|f(x+1,y)-f(x,y+1)|。

圖像處理噴氣推進實驗室始于1964年的美國國家航空航天局，它是負責航天發展計劃和無人探索航天器研發和運營的研究機構。數字圖像處理始于使用數字計算機改善月球表面衛星圖像的質量和失真情況。由于相機性能和失真，從美國第一個太空探測器Ranger 7傳輸到地球的月球圖像無法被正確確認，這是一個應用數字圖像處理來恢復從航天器傳輸的月球表面圖像的質量和失真機會，通過數字圖像處理獲得的月球表面圖像清晰，于是數字圖像處理技術開始被應用到工業場所和醫療領域。此后，數字圖像處理技術應用領域已擴大至物體識別、制造過程自動化、醫學圖像處理、字符識別和人臉識別等[2]。

圖像處理是指所有形式的圖像信息處理，重點是圖像識別和理解，包括在研究和解釋領域。換句話說，它通過重新處理視頻或圖像來提取信息。我們日常生活中遇到的圖像放大、縮小、旋轉、色彩校正等也是圖像處理技術。例如，當圖像灰度級為[0,L-1]時，利用s=L-1-r的公式來實現圖像反轉。通過應用圖像放大或旋轉度計算來更改圖像，相對更高級的操作包括識別、分析、操縱等。識別是指在肉眼無法識別的區域中找出差異，并與其他圖像進行比較以找到特征。指紋識別、病變檢測等分析是指在經過圖像處理修正和變換的圖像中尋找特征。它意味著測量物體的尺寸或分析衛星圖片等。操縱是指，如果圖像太模糊或太嘈雜，則意味著對其進行校正或變換以獲得所需的信息，主要是預處理階段使用最多、最重要的部分。

2 數字圖像技術的內容

2.1 幾何處理

幾何處理是數字圖像技術最基本的內容，同時這也是數字圖像技術最主要的內容。數字圖像技術的幾何處理功能主要是對幾何圖形進行加工處理，例如，改變幾何圖像的坐標，將幾何圖像進行一定比列的變動。運用數字圖像技術還可以實現多個圖像的同步處理，對多個圖像進行同時匹配或者矯正等。

2.2 圖像增強

圖像增強也是我們在生活中常見的一種數字圖像技術內容。圖像增強簡單來說就是對圖像的特定內容進行放大或者縮小，不同于圖像縮放的地方在于這種放大縮小是在像素的范圍內進行的，通過增加或減少像素來達到增強圖像的效果。在數字圖像技術當中，直方與偽顏色增強是最常用的兩種方式。

2.3 圖像壓縮

進行圖像壓縮的基本目的是為了實現圖像的傳輸與處理。利用數字圖像技術對圖像進行壓縮可以有效減少圖像的數據量，在進行信息傳輸與處理時，信息的數據量是影響傳輸速率的最主要因素將圖像壓縮之后便可以明顯提高圖像的傳輸速率，同時較少的數據量也會在一定程度上降低圖像的處理難度。在數據傳輸過程中，即使出現數據失真的情況也不會對讀取文件產生影響。圖像壓縮技術是依靠計算機編碼進行的，因此實現圖像壓縮技術也有一定的難度，屬于較為高端的圖像處理技術。

2.4 圖像修復

圖像修復可以有效提高圖像的質量，可以對損壞的圖像進行復原，以此來恢復其原來的面貌。同時圖像修復技術還可以提高圖像的像素或者消除圖像中出現的不和諧因素。圖像修復的關鍵在于了解影響圖像質量的因素，通過計算機編碼技術構建科學合理的運行程序，以此來對需要處理的圖像進行修復，或者利用計算機編程提取圖片的初始信息，直接運用重建圖像的方式來提高圖像的質量。

2.5 圖像分割

在對圖像進行處理時，將圖像進行分割會在一定程度上降低圖像處理的難度，進行圖像分割可以為圖像分析、研究和識別提供一定幫助。現階段，數字圖像技術的發展還不夠完善，在進行圖像分割時只能采用簡單的區域分割與邊緣分割法，還未研究出較為全面的圖像分割法，但是簡單的圖像分割也會在一定程度上為進一步處理圖像提供幫助。

2.6 圖像重建

基于CT技術的飛速發展，圖像重建技術也逐漸的趨于完善，圖像重建技術可以利用相關的圖像數據對圖像進行重構，圖像重建技術還可以為圖像增強提供一定的幫助。

3 數字圖像處理技術的優點

3.1 再現性好

在日常生活的通信中，圖片的傳遞經過復制、粘貼和處理之后就有可能會變得模糊不清，無法識別原來的圖像信息，影響正常使用，但是在數字圖像處理技術中主要是把圖像進行數字轉換，所以只要數字化時能夠準確地還原圖像原來的數據，計算機就能很簡單地完成圖像的再現，并且能準確地還原原來的圖像信息。

3.2 處理精度高

現在隨著技術的不斷發展和進步，已經可以把每個像素的灰度級量轉化為16位甚至更高的位數，使數字化的精度更高更好，可以很好地滿足通信工程中工作上的需求，更好處理通信中一些模糊不清的圖像信息，使得通信更加便利和提高通信效率。理論上，無論圖像的準確度要求有多高，只要在程序中改變二維數組的參數就可以處理圖像信息，不僅可以提高圖像處理信息的精確度，而且可以數字處理的方式圖像，精簡了圖像處理的方法。

3.3 適用面寬

數字圖像處理技術是把通過不同的渠道獲得的圖像進行數字轉化，采用二維數組的形式來表示圖像，然后通過計算機來處理圖像信息。所以針對不同渠道的圖像只要采取相應的收集措施，把這些圖像信息集中收集起來用數字圖像技術處理便可。數字圖像處理技術的適用范圍是很廣泛的，可以根據針對不同渠道的圖片來進行處理，現在通信工程是朝多方面發展的多媒體通信，數字圖像技術對通信工程的發展有著重要的影響和輔助作用[3]。

3.4 靈活性高

采用數字圖像處理技術可以處理多種圖像和圖形信息，通過對圖像進行數字化轉化然后再用計算機對其進行處理和分析便可得出最終信息。圖像處理技術不僅能完成線性運算還能完成非線性的運算，并且能準確地還原圖像信息。它可以靈活運用在各個領域上，發揮數字圖像處理技術的作用。例如，在航空領域，可以處理衛星拍下的圖像信息；在交通領域上可以智能識別車牌號碼。因此發展數字圖像處理技術是非常有必要的，是現在科學技術探索的熱點話題之一。

4 數字圖像處理技術在通信工程中的應用方法探析

4.1 圖像變換方法

理論上，所有的圖像處理其實都是圖像變換，因為數字圖像處理技術本質上就是把圖像經過處理轉化成數字化的形式，然后再通過計算機的處理達到圖像的再現和傳遞。它的原理就是通過重映射的方法將圖像中某位置的元素放置到另一圖像的指定位置。為了保證圖像的完整性，還需要插值。重映射主要有最近鄰插值、雙線性、像素區域重新采樣、雙三次插值這四種插值方法。在通信工程中，要處理的圖像信息又很多，一些圖像陣列很大需要直接在空間域中處理，計算機的計算量是很大的，所以采用圖像變換的方法間接將原來在空間域的處理轉換為變換域的處理，這樣在減少計算量的同時，也可以使得圖像得到有效的處理。例如，傅立葉變換就是將時域或者空域上的信號變換成為頻域上的能量分布描述，使得圖像在變換之后也可以有效地傳達原來的圖像信息。

4.2 圖像編碼壓縮方法

圖像編碼壓縮是在通信工程中比較重要的一個應用方法，因為在通信的過程中，人們常常需要傳送數據量龐大的圖像，這個時候為了不讓傳送的圖像信息失真，且快速傳送，要節省圖像的傳輸、處理時間和減少圖像數字化所占用的存儲空間就要通過編碼壓縮技術來達到這種效果，提高通信的效率。一些常用的編碼方式主要有哈弗曼編碼、算術編碼、字典編碼、KLT編碼、分型編碼、模型編碼、基于小波編碼等方法。

4.3 圖像增強和復原方法

圖像增強可分為頻率域法和空間域法。在通信工程中，往往需要提高圖像信息的像素，以便于信息的提取和分析，數字圖像處理技術中的圖像增強和復原的方法很好的滿足了通信過程中的這一需求，圖像的增強一般不考慮降質的原因，它突出圖像中的重要信息部分，比如強化圖像的高頻分量，可以讓圖像中的細節變得明顯，輪廓線條變得更加清晰[4]。而有些圖片在傳送的過程中失去了原來的像素，可能因操作不慎造成失真，此時可以通過數字圖像處理技術復原的方法是圖像恢復原來的數據，使得傳送無誤。然后再圖像通過二維離散傅里葉變換與反變換來完成圖像頻域和空間域的轉換。

4.4 圖像分割方法

在有些圖像的處理中，分割方法主要有閾值分割、區域分割、邊緣分割和直方圖法這幾種技術。通信工程需要對這些圖像進行局部的分析和解讀，例如，對衛星圖像的解讀分析就需要對局部進行仔細觀察，對原來的完整的圖像進行分割提取，在提取出來的部分圖像里進行放大觀察，對提取的邊緣、區域進一步進行圖像識別和分析，最終得到觀察分析的結果，便于通信工作的開展[5]。

4.5 圖像分類方法

圖像分類主要是通過處理對圖像進行識別，將圖像歸類的一個過程，因為在通信工程中存在著大量的圖像和圖形信息，這些圖像和圖形涉及的領域和作用也是多種多樣，需要先把圖像信息做一個規整分類，在對應的類別中處理相對的圖像信息，所以對圖像的分類是非常有必要的，分類便于通信工作的展開，在通信過程中能更快地把屬于不同領域的圖像提取檢索出來，提高了通信工作的效率，減少工作量。所以數字圖像處理技術是今年的重要研究熱點之一。

5 結束語

本文通過對數字圖像處理技術的基本概念和原理進行分析解讀，給出了數字圖像處理技術的優點，并對通信工程中可以運用到的應用方法進行了分析探索。目前數字圖像處理技術還有值得我們去深度研究的問題，通信工程在數字圖像處理技術中可以提高通信的工作效率和工作水平，為通信工程提供便利，利于工作的開展。但是還是存在一些技術上的問題需要解決，是我們現在科學技術不斷發展和進步中去探索的方向，數字圖像處理技術對通信工程的發展和其他領域的發展都有很大的輔助作用，所以要加強對數字圖像處理技術的研究力度，更深層次對其展開研究，擴展它的適用領域，提高我們的生活質量和水平。