数字图像处理技术在通信工程中的应用分析

2018-10-19沈有成武汉轻工大学电气与电子工程学院

数码世界 2018年9期

沈有成武汉轻工大学电气与电子工程学院

数字图像处理技术是电子计算机发展的产物，人们利用它处理图形和图像信息。早期该技术被用于提高图像质量，改善视觉效果，并在取得成就后获得了迅速的发展，应用日渐广泛。而目前通信工程把有关文字、图像、声音和数据相结合的多媒体通信作为主要的发展方向，其中因图像的数据量巨大，在传输途中显得尤为困难，数字图像处理的图像编码压缩等技术正好可以解决这个难题。本文主要针对数字图像处理技术的内容，以及该技术在通信工程领域的应用现状和前景进行分析讨论。

1 数字图像处理技术的内容

1.1 数字图像处理技术

图像是人们在日常生活中获取信息的重要来源，据研究表明，这些信息有大约70%是人眼获得的图像信息，如何更好的处理这些图像信号成为了关键。数字图像处理技术，指的就是将图像信号以一定形式转换成数字信号，并由计算机进行处理的一种技术。它于上个世纪应运而生，帮助美国处理了航天探测器拍摄的大量月球图像，又被一名英国工程师用于发明X射线计算机断层摄影装置，也就是我们俗称的CT。在航空航天和医学方面屡建奇功后，数字图像处理技术受到了广泛关注，并陆续在军事工业，文化艺术和通信工程等方面取得进展。

1.2 数字图像处理技术的特点

（1）信息源多为二维数据，处理的信息量大，对硬件的运行速度和储存空间要求较高。

（2）数字图像中各像素之间相关性强，适宜于图像数据的压缩。

（3）处理的图像是三维物体的映射，计算机只能对图像采集时丢失掉的几何信息进行模拟补充，处理结果具有不确定性。

（4）数字图像处理技术综合程度高，需要操作者具有较高的数学或专业能力。

1.3 数字图像处理的主要方法

（1）图像变换

图像变换是研究数字图像处理的一个重要内容。由于是在空间域中直接处理，图像阵列大，所以常见如下变换：傅里叶变换、正弦(余弦)变换、哈达码变换、沃尔什变换、小波变换等，根据它们的性质特点,将图像转换到变换域中然后间接处理, 比如傅里叶变换可以在频域中进行数字滤波处理，或者由空间域的图像转换到频域的变换处理都能够有效改善图像质量,新兴的小波变换在时域和频域也有出色的表现。因为大部分变换都存在快速实现的手段（快速傅里叶变换FFT）从而提高了运算的速度。

（2）图像压缩

图像压缩编码技术能在满足一定图像质量要求（不失真，或能够允许的失真范围里）的前提下, 将图像数据变换，编码和压缩，除去对人们需求的区域不相关的冗余信息，最大程度地减少图像的数据量。促使图像压缩编码技术产生的原因是数字图像信号的数据量过大，例如我们常见的超清1920*1080静态彩色图片（RGB），每种颜色用8bit表示，则该图片的数据量为：

1920*1 080*3 *8/8=6220800Byte

而像素的相关性给该技术的发展提供了空间。因此在图像的存储和传输中,图像压缩编码发挥着重要的作用，为图像的传输节省了带宽。当前图像压缩编码的方法有很多，从信息是否可逆方面来看分为有损编码和无损编码，由于不同的压缩比和图像质量，这两种方法一般应用于不同的方向。

（3）图像增强

图像增强主要是指利用各种数学方法和变换技术，对图像进行失真处理，对图像中的物体特征区别对待，针对特定场合提升人们需要部分的图像视觉效果，也可以同时抑制其他部分的特征，起到加强识别，便于分析的作用。图像处理技术由处理的空间不同可分为频域算法和空域算法，前者采用高通滤波法增强边缘高频信号，低通滤波法去除图像噪声来提高图像清晰度，后者采用均值、中值滤波法使图像平滑消除噪音，灰度变换和直方图修正使图像均匀，增强对比度。

（4）图像分割

图像分割作为一个将图像中的特征区域分离出来的过程，是图像处理向图像分析过渡的关键。图像分割有基于阈值、区域、边缘的分割方法和相关的特定理论，其中最常被用到的就是阈值分割法，只要确定一个合适的阈值T，然后将像素点的灰度值与其对比，就能快速得到分割后的图像区域。输入图像f到输出图像g的转换关系：

对于图像分割技术，尽管人们提出了大量的分割算法，但目前还未能实现通用的算法，只有根据特定情况选取最优算法，因此图像分割还有待进一步的分析研究。

（5）图像复原

在物体成像过程中,由于目标和设备相对运动、系统误差、噪声干扰、介质散射等因素,产生成像后的图像“退化”（质量降低）。图像复原就是失真的逆过程，把退化的图像修复或重建成原来的景物图像。图像复原主要研究造成图像质量降低的因素和建立退化数学模型。因为图像复原的基本任务是去除模糊，所以需要用到去模糊函数，并选用相关滤波进行处理。

（6）图像重建

由于在医疗方面，特别是CT成像技术的成功应用，图像重建得到了更好的发展。它是一种通过对物体外部测量,获得物体的三维信息的技术。一般过程是先应用超声波、X射线等方法获取物体内部的结构数据,再将此数据进行运算处理而构成内部图像。常见的投影重建就是利用特殊射线穿过不同组织时，被吸收的程度不同，使得最后成像的各区域投射强度不同，逆向演算得出结果。

2 数字图像处理技术在通信工程中的应用分析

2.1 图像压缩编码为图像通信提供技术支持

通信工程研究的是通过电磁波，声波等形式把信息由发送端传递到接收端。当前的通信发展方向主要是多媒体通信，其中的图像通信由于数据量大，显得最为困难。尽管由于硬件的更新优化和相关理论的发展，人们可以在通信过程中提供越来越大的带宽，增加在固定时间内传输资料的数量，但现代社会对于多媒体资源的品质要求也在逐年提高，如播放视频的清晰度从标清、高清到超清，每一级都需要比之前更大的数据资源，如果不压缩数据量，以目前的传输速率很难做到实时传输，因此可以说图像压缩编码是图像传输的技术前提。

2.2 在可视电话和会议电视中的应用分析

若干个用户之间的交互式通信是通信工程建设的重点，如可视电话就是点对点的交互式图像通信，两个图像终端通过双向通信线路直接相连,借助公网线路或电路交换网络，传输图像信息给对方。这种通话方式使得人们在远距离交流中可以看到对方的图像，还能同时分享更多信息，丰富了通信内容。在通话过程中，由于要借助的公共电话网络随时随刻都在处理着大量的数据，所以对于传输数据量有一定要求，另一方面，可视电话图像内容相对单一，主要观察的是双方的头肩图像，可以适当降低图像质量，因此需要数字图像处理技术，既能通过压缩编码减少数据量，得到更流畅的传输速度，又能通过图像复原排除部分噪声干扰，使接收终端达到要求的图像质量。会议电视和可视电话类似，同属视听通信业务, 但不同于可视电话的点对点的图像通信,它还可以用于多点间的图像通信, 传送的图像内容也发生了改变，一般为运动量较小的室内景物, 如公司管理人员同时参加会议的图像等, 适用于多地点、多对象的“面对面”的信息交流活动。在会议电视系统中数字图像处理技术也得到了有效的应用，根据一般会议的需求，会议电视对终端设备的图像编码能力也有更高的要求。由于编码中采用了 VLC 技术,经过图像处理后的数据成为不均匀的数据流, 为了能匀速稳定进行传输, 需要用传输缓冲存储器来处理图像信号使数据更平滑。当图像信号被传输到接收端，则需要解码器经过解码、格式转换、D/A后，才能最后在监示器上显示数字图像处理后的信息。

2.3 在交通控制系统中的应用分析

交通控制系统是通信工程在交通控制领域的重要体现，早期的交通控制系统将一条道路上多个交叉口信号灯机械联动，是一种内联式的线控制系统，随着城市的建设和汽车的普及，传统系统无法满足城市道路需求，面控制系统作为一种能与时刻变化的交通情况相适应的交通控制系统应运而生，它可以利用计算机控制各交叉路口的交通信号，那么如何采集道路占有率、车速、交通事故等交通参数便成为了关键，此时数字图像处理技术便为提取交通参数提供了新的途径。数字图像处理技术是通过安装在各路口的图像传感器获取道路交通图像,然后利用计算机对图像进行处理和识别来获取需要的信息。得到的图像中会有部分因为距离太远，天气恶劣等原因，不能清晰的反映路况和车辆信息，这时就要用到图像复原对图像预处理，然后利用图像分割进行灰度变换，如增加车牌号和车牌颜色的对比度，才能有效获取目标特征，便于检测和追踪。

2.4 在无线通信中的应用分析

近年来，无线、移动通信的迅速发展给人们的生活方式带来了巨大影响, 手机上常见的3G、WLAN、蓝牙等都是无线通信技术的应用，在无线信道上传输实时图像信息是其中一个重要发展方向。移动通信便捷实用的特点吸引了大量的用户,使其成为世界上用户最多的通信形式。移动通信从1G模拟移动系统,发展到如今的4G高速移动通信系统，4G相比较前代的的优势在于交互式的多媒体业务和高速优质的数据传输,在无线网络环境中传输，由于传输途径多，覆盖范围广，会存在一定的误码率，我们可以利用数字图像处理技术，采用纠错编码对误码进行掩盖或直接重新传输，降低误码对图像信息带来的影响，保证图像质量。对于有媒体间同步需求的情况，如常见的音画不同步，会直接影响人们的视频观看体验，视频图像的分级编码可以很好地解决此类问题。