數(shù)字圖像模糊失真原因研究

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越發(fā)達(dá)的今天，人們希望無論在何時何地都能方便快捷的和對方進(jìn)行通信。由于數(shù)字圖像較之文字表達(dá)更加的直觀、生動、易于理解，它不僅能傳達(dá)出圖片中所能看到的基本信息，而且更能很好的傳達(dá)人們的感情色彩，再加上多媒體通信的快速發(fā)展，使得人們越來越青睞于數(shù)字圖像。自然，在人們青睞的同時，提高數(shù)字圖像質(zhì)量也就成了當(dāng)務(wù)之急，對數(shù)字圖像模糊失真原因的也就成了必做功課。

模糊是整個數(shù)字圖像的整體失真。人們在進(jìn)行觀看時，會感到數(shù)字圖像模糊不清、某些細(xì)節(jié)一團(tuán)糊、物體不突出，不能很好的感受數(shù)字圖像，沒有很好的視覺效果。其主要的特點(diǎn)是數(shù)字圖像的邊緣銳度下降和空間細(xì)節(jié)缺少，導(dǎo)致物體與物體之間的界限不明顯，不能凸顯各個物體及數(shù)字圖像的灰度顏色變化，甚至削弱某些細(xì)節(jié)，丟失細(xì)節(jié)描述。

模糊是由原始的數(shù)字圖像信號在傳輸或處理等過程中，其高頻率信號被削弱或刪除，高空間頻率在頻譜衰減造成的。造成數(shù)字圖像模糊失真的原因是多方面的，如壓縮解壓、傳輸、運(yùn)動等均可能產(chǎn)生模糊失真。以下分別介紹各類模糊失真類型及原因。

一、壓縮解壓引起的模糊失真

我們知道，之所以可以進(jìn)行壓縮編碼，是因?yàn)樵嫉臄?shù)據(jù)中包含一定的冗余。在圖像的數(shù)據(jù)文件中包含有大量的冗余信息，換句話說，在實(shí)際獲取的原始數(shù)據(jù)中，包含有多余信息。這些冗余來自于數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，或者來自于人的視覺特性，這就為數(shù)據(jù)壓縮提供了可能。

數(shù)據(jù)壓縮的理論基礎(chǔ)是信息論。從信息論的角度看，壓縮就是去除信息中的冗余，減少承載信息的數(shù)據(jù)量，用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。

在圖像數(shù)據(jù)中，根據(jù)采用矩陣方式描述圖像的特點(diǎn)，一般存在以下三種冗余：

（一）編碼冗余

如果一個圖像的灰度級編碼，使用了多于實(shí)際需要的編碼符號，就稱該圖像包含了編碼冗余，其通常是為了以某個標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行圖像描述時產(chǎn)生的。

（二）像素冗余

圖像信號相比于其他信號有一個非常明顯的特點(diǎn)，就是像素之間存在非常大的相關(guān)性。由于存在相關(guān)性，因此任何給定的像素值，原理上都可以通過它的鄰接像素預(yù)測得到。這樣，對一幅圖像，如果描述每個像素的數(shù)據(jù)量是相等的，并且是相互獨(dú)立的，則由于像素相關(guān)性使得該數(shù)據(jù)量對視覺的貢獻(xiàn)一定存在一定的冗余，稱這種像素之間的內(nèi)在相關(guān)性所導(dǎo)致的冗余為像素冗余。

（三）視覺心理冗余

最終觀測圖像的對象是人，而人的視覺存在一定的主觀心理冗余。當(dāng)人在觀察一幅圖像時，一些信息在一般視覺處理中比其他信息的相對重要程度要小，因此這部分信息往往被忽視。將這種對視覺感知影響很小的信息稱為視覺心理冗余。

從上面給出的不同類型的圖像冗余可以得到，圖像壓縮編碼的核心就是去除或減少圖像中的冗余信息。而在去除這些冗余信息時，也就會因?yàn)閴嚎s算法與壓縮比例而分為有損壓縮、無損壓縮等。

二、信號傳輸引起的模糊失真

在信息技術(shù)越來越普及、發(fā)達(dá)的現(xiàn)在，人們越來越依靠網(wǎng)絡(luò)來交流各種信息數(shù)據(jù)。眾所周知，人們要通過網(wǎng)絡(luò)來交換信息，就必須借助各種軟、硬件來進(jìn)行通信，即通信的雙方先要在硬件上連接起來，再通過各種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、軟件來完成數(shù)據(jù)的傳輸。

雙方在進(jìn)行通信時，通信的信息數(shù)據(jù)要由數(shù)字比特流通過調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換為模擬信號，再通過傳輸信道，如：雙絞線、光纜、微波等傳到對方所在系統(tǒng)，此時傳過來的模擬信號再由調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流，最后才顯示給對方。而在傳輸?shù)倪^程中，信號則會在傳輸媒介上衰減，或者受到外磁場、天氣、其他用戶、信道本身等產(chǎn)生的噪聲干擾，而且還可能存在碼間串?dāng)_，前一碼元波形拖尾干擾到了后一碼元，從而導(dǎo)致接收方的信號失真。

數(shù)字圖像系統(tǒng)的信道模型可以從兩個層面上進(jìn)行分析：物理層信道模型和鏈路層信道模型。其中物理層信道又包括電磁波層信道、調(diào)制/解調(diào)層信道和編解碼層信道。鏈路層信道是在并不可靠的物理層信道的基礎(chǔ)上，通過將數(shù)據(jù)打包成幀格式、差錯控制、重傳策略以及流量控制等方法，為網(wǎng)絡(luò)層提供較為可靠的邏輯信道。

目前數(shù)字圖像的傳輸通道包括雙絞線傳輸通道、微波傳輸通道、光纜傳輸通道等。這些不同傳輸方式，都有自己的實(shí)際通道特性，但具有共同的概念是：都是描述輸入的數(shù)字圖像特性和輸出的數(shù)字圖像特性的傳輸關(guān)系。顯然，理想的信號傳輸應(yīng)該是把輸入的數(shù)字圖像信號1：1的、100%的傳輸過去，而實(shí)際傳輸與理想傳輸?shù)牟町?，就是“失真”。在傳輸設(shè)備和器材工程應(yīng)用中，數(shù)字圖像信號是多環(huán)節(jié)傳輸與轉(zhuǎn)換的，失真度是一步一步積累的，數(shù)字圖像質(zhì)量也隨之一步一步惡化。

三、運(yùn)動引起的模糊失真

圖像最初是經(jīng)過器材的拍攝形成的。而在拍攝的過程中，由于天氣、人為、器材本身等各項(xiàng)原因，如：天氣陰暗、器材的分辨率低、人們在拍攝時人機(jī)之間的相對運(yùn)動、手的抖動、拍攝技術(shù)使用不當(dāng)?shù)?，都會造成拍攝的圖像模糊失真，達(dá)不到清晰的效果。

造成圖像模糊失真的原因很多，如果是因?yàn)樵跀z像時相機(jī)和被攝景物之間有相對運(yùn)動而造成的圖像模糊則稱為運(yùn)動模糊。運(yùn)動模糊是成像過程中普遍存在的問題，在飛機(jī)或宇宙飛行器上拍下來的照片，用照相機(jī)拍攝高速運(yùn)動物體的照片，在突發(fā)事件的場合通常用于偵破，以及戰(zhàn)場上飛行中的導(dǎo)彈均可能存在這種現(xiàn)象。

運(yùn)動模糊是景物圖像中的移動效果。它比較明顯地出現(xiàn)在長時間暴光或場景內(nèi)的物體快速移動的情形里。攝影機(jī)的工作原理是在很短的時間里把場景在膠片上暴光。場景中的光線投射在膠片上，引起化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生圖片。這就是暴光。如果在暴光的過程中，場景發(fā)生變化，則就會產(chǎn)生模糊的畫面。當(dāng)拍攝目標(biāo)和相機(jī)之間存在相對運(yùn)動時，拍攝出來的圖像會變得模糊，圖像質(zhì)量下降。

綜上所訴，對于模糊失真原因的了解，有助于我們更好的對圖像進(jìn)行模糊失真檢測，提出更好的方法，從而更好的應(yīng)用于天文、數(shù)學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、傳輸?shù)雀鞣N領(lǐng)域，對數(shù)字圖像模糊失真的檢測研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。