[科普中国]-影像增强

影像增强又称图像增强，通过调整、变换影像密度或色调，用以改善影像目视质量或突出某种特征的处理过程。目的在于提高影像判读性能和效果。

方法内容很广，主要有缩放、立体效应、彩色增强、反差增强（反差扩展）、边缘增强（影像锐化）、影像平滑化和清晰化、影像运算（比值影像）等。方法也很多，如代数运算、反差变换、滤波和彩色处理等，可通过一系列技术和设备来实现。一般设备有两大类，即光学—电子设备和数字影像处理设备。前者简单、方便，成本低、易推广，但处理精度相对较低；后者灵活、快速、重现性好、精度高，但设备昂贵。光学—电子影像增强主要有彩色合成、密度分割、相关掩模等。数字影像增强方法主要有：①直方图修正法（均衡化、规定化），用于改善影像反差；②空间域滤波（平滑算子、拉普拉斯算子、梯度算子），用于边缘增强；③频率域滤波（高通滤波、低通滤波），用于边缘增强或突出影像线状特征等。1

发展状况在借鉴国外相对成熟理论体系和技术应用体系的条件下，国内的增强技术和应用也有了很大的发展。总体来说，影像增强技术的发展大致经历了初创期、发展期、普及期和应用期4个阶段。

初创期开始于20世纪60年代，当时的影像采用像素型光栅进行扫描显示，大多采用中、大型机对其进行处理。在这一时期由于影像存储成本高，处理设备造价高，因而其应用面很窄。

20世纪70年代进入了发展期，开始大量采用中、大型机进行处理，影像处理也逐渐改用光栅扫描显示方式，特别是出现了CT和卫星遥感影像，对影像增强处理提出了一个更高的要求。

到了20世纪80年代，影像增强技术进入普及期，此时的计算机已经能够承担起图形影像处理的任务。

20世纪90年代进入了应用期，人们运用数字影像增强技术处理和分析遥感影像，以有效地进行资源和矿藏的勘探、调查、农业和城市的土地规划、作物估产、气象预报、灾害及军事目标的监视等。

在生物医学工程方面，运用影像增强技术对X射线影像、超声影像和生物切片显微影像等进行处理，提高影像的清晰度和分辨率。在工业和工程方面，主要应用于无损探伤、质量检测和过程自动控制等方面。在公共安全方面，人像、指纹及其他痕迹的处理和识别，以及交通监控、事故分析等都在不同程度上使用了影像增强技术。

影像增强是影像处理的重要组成部分，传统的影像增强方法对于改善影像质量发挥了极其重要的作用。随着对影像技术研究的不断深入和发展，新的影像增强方法不断出现。例如一些学者将模糊映射理论引入到影像增强算法中，提出了包括模糊松弛、模糊熵、模糊类等增强算法来解决增强算法中映射函数选择问题，并且随着交互式影像增强技术的应用，可以主观控制影像增强效果。同时利用直方图均衡技术的影像增强也有许多新的进展：例如提出了多层直方图结合亮度保持的均衡算法、动态分层直方图均衡算法。这些算法通过分割影像，然后在子层影像内做均衡处理，较好地解决了直方图均衡过程中的对比度过拉伸问题，并且可以控制子层灰度映射范围，增强效果较好。1

影响因素影响影像质量清晰程度有很多因素，室外光照度不均匀会造成影像灰度过于集中；摄像头获得的影像经过数/模转换，线路传输时都会产生噪声污染，影像质量不可避免降低，轻者表现为影像伴有噪点，难于看清影像细节；重者影像模糊不清，连大概物体面貌轮廓都难以看清。因此，对影像进行分析处理之前，必须对影像进行改善，即增强影像。影像增强并不考虑影像质量下降的原因，只是将影像中感兴趣的重要特征有选择性的突出出来，同时衰减不需要的特征，目的就是提高影像的可懂度。2

应用概况影像处理在40多年的时间里，迅速发展成一门独立的有强大生命力的学科，影像增强技术已逐步涉及人类生活和社会生产的各个方面，下面我们仅就几个方面的应用举些例子。

航空航天领域早在60年代初期，第3代计算机的研制成功和快速傅里叶变换的提出，使影像增强技术可以在计算机上实现。

1964美国喷气推进实验室(JPL)的科研人员使用IBM7094计算机以及其它设备，采用集合校正、灰度变换、去噪声、傅里叶变换以及二维线性滤波等方法对航天探测器“徘徊者7号”发回的几千张月球照片成功的进行了处理。随后他们又对“徘徊者8号”和“水手号”发回地球的几万张照片进行了较为复杂地数字影像处理，使影像质量得到进一步的提高，从此影像增强技术进入了航空航天领域的研究与应用。

同时影像增强技术的发展也推动了硬件设备的提高，比如1983年LANDSAT-4的分辨率为30m，而如今发射的卫星分辨率可达到3-5m的范围内。影像采集设备性能的提高，使采集影像的质量和数据的准确性和清晰度得到了极大地提高。2

生物医学领域影像增强技术在生物医学方面的应用有两类，其中一类是对生物医学的显微光学影像进行处理和分析，比如对红细胞、白细胞、细菌、虫卵的分类计数以及染色体的分析；另一类应用是对X射线影像的处理，其中最为成功的是计算机断层成像。1973年英国的EMI公司在制造出第一台X射线断层成像装置。由于人体的某些组织，比如心脏、乳腺等软组织对X射线的衰减变化不大，导致影像灵敏度不强。由此影像增强技术在生物医学影像中得到广泛的应用。2

工业生产领域影像增强在工业生产的自动化设计和产品质量检验中得到广泛应用，比如机械零部件的检查和识别、印刷电路板的检查、食品包装出厂前的质量检查、工件尺寸测量、集成芯片内部电路的检测等等。此外计算机视觉也可以应用到工业生产中，将摄像机拍摄图片经过增强处理、数据编码、压缩送入机器人中，通过一系列的控制和转换可以确定目标的位置、方向、属性以及其它状态等，最终实现机器人按照人的意志完成特殊的任务。2

公共安全领域在社会安全管理方面，影像增强技术的应用也十分广泛，如无损安全检查、指纹、虹膜、掌纹、人脸等生物特征的增强处理等等。影像增强处理也应用到交通监控中，通过电视跟踪技术锁定目标位置，比如对有雾影像、夜视红外影像、交通事故的分析等等。2

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院