圖像測(cè)量技術(shù)綜述

摘要：圖像測(cè)量技術(shù)是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體的綜合測(cè)量技術(shù)。圖像測(cè)量該技術(shù)把圖像作為信息傳遞的載體，依據(jù)視覺的原理和數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)物體的成像圖像進(jìn)行分析研究，得到需要測(cè)量的信息，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于幾乎所有的領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要地介紹了圖像測(cè)量技術(shù)的歷史背景，詳細(xì)地總結(jié)了視頻測(cè)量系統(tǒng)硬件和軟件的發(fā)展現(xiàn)狀，尤其是各種類型傳感器的原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域。并指出了視頻測(cè)量技術(shù)存在的問題及今后發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：視頻測(cè)量，傳感器，圖像處理，算法

 Summary of Image Measurement Technique

Abstract:  Image measurement technology is a comprehensive measuring technology. It's based on optics, and combined with optoelectronics, computer graphics, information processing, machine vision and other modern technologies. Image measurement means that the images are taken as the carrier of information, based on the theory of vision and the technique of digital image processing to analyze the pictures carrying the information of objects, which has been succeed in almost all fields. This paper briefly introduced the background of the image measurement technology. For the video measuring system, hardware and software developments are summarized in detail. Especially about  principles、characteristics and application areas of different sensors. Finally, we pointed out problems and future development trends of this technology.

Key words: Video Measurement, Sensor, Image Processing, Algorithm

?

1. 引言

圖像測(cè)量技術(shù)是近年來在測(cè)量領(lǐng)域中新興的一種高性能測(cè)量技術(shù)。它以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)等多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)融合為一體，構(gòu)成光、機(jī)、電、算綜合體的測(cè)量系統(tǒng)。所謂的圖像測(cè)量，就是把測(cè)量對(duì)像圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞信息的手段或載體加以利用的精確測(cè)量技術(shù)。是一種結(jié)合視頻圖像和計(jì)算機(jī)識(shí)別的圖像處理技術(shù)，是測(cè)量被測(cè)對(duì)象時(shí)，把圖像當(dāng)作檢測(cè)和傳遞的手段或載體加以利用的測(cè)量方法，其目的是從圖像中提取有用的信號(hào)。它通過對(duì)于獲得的二維圖像進(jìn)行處理和分析，得到需要的三維場(chǎng)景的信息，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的。目前視頻圖像的測(cè)量理論還沒有通用的方法和算法，針對(duì)不同測(cè)量對(duì)象和條件，要研究不同的實(shí)用方法和算法。

視頻測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能交通、安防、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)方法和手段也日新月異。本文簡(jiǎn)要地介紹了圖像測(cè)量技術(shù)的歷史背景和目前狀況，并對(duì)該技術(shù)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

?

2.圖像測(cè)量背景

隨著人類文明時(shí)代的到來，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)活動(dòng)的大規(guī)模開展及一系列重大突破催生并發(fā)展了測(cè)量這一學(xué)科。同時(shí)，測(cè)量器具、技術(shù)和理論的發(fā)展又促進(jìn)了生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展。近代科學(xué)和工業(yè)化的發(fā)展促使測(cè)量學(xué)科一方面需要進(jìn)行專業(yè)化分工；同時(shí)，測(cè)試技術(shù)也要求突破經(jīng)典的測(cè)量方法和技術(shù)，尋求新的測(cè)試原理與手段.如求助于電學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)等，從單一學(xué)科發(fā)展為多學(xué)科間的相互借鑒和滲透，形成綜合各學(xué)科研究成果的新型測(cè)量系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的幾何量測(cè)量方法，是根據(jù)測(cè)量頭與被測(cè)件是否接觸可分為接觸式與非接觸式兩大類。其中非接觸式測(cè)量方法以前主要有光學(xué)式和氣動(dòng)式兩種。目前，對(duì)測(cè)量技術(shù)的精度，測(cè)量效率以及測(cè)量自動(dòng)化程度的要求也越來越高，傳統(tǒng)的檢測(cè)原理和技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)這個(gè)新的要求。特別是在某些特定場(chǎng)合，如微小尺寸，曲面輪廓等的在線測(cè)試課題，已成為傳統(tǒng)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)的難題。因此，探索新的測(cè)量方法，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近二十余年來，隨著激光技術(shù)，精密計(jì)量光柵制造技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像獲取和處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)開始將它們應(yīng)用到高精度測(cè)量領(lǐng)域，并形成了新的測(cè)量技術(shù)—圖像測(cè)量技術(shù)。圖像測(cè)量技術(shù)以光學(xué)為基礎(chǔ)、融入了光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，組成光、機(jī)、電、算和控制技術(shù)一體化的綜合測(cè)量系統(tǒng)。

圖像測(cè)量技術(shù)作為一種新興的非接觸測(cè)量方法有著獨(dú)特的優(yōu)越性，它通過把被測(cè)對(duì)象的圖像作為檢測(cè)和傳遞信息的手段，從圖像中提取有用信息進(jìn)而獲得待測(cè)參數(shù)。光電攝像器件的產(chǎn)生和普及使圖像測(cè)量技術(shù)成為可能，特別是電荷藕合器件(Charge Coupled Device，CCD)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了圖像測(cè)量技術(shù)的形成和發(fā)展。

電荷藕合器件(CCD)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件，近30年來發(fā)展迅速，成為近代光電成像領(lǐng)域中非常重要的獲取圖像的技術(shù)手段?；贑CD器件圖像測(cè)量技術(shù)的使用范圍和測(cè)試精度均比現(xiàn)有的機(jī)械式、光學(xué)式或電磁式的測(cè)量技術(shù)優(yōu)越得多，可以滿足測(cè)量速度快，精度高，非接觸式及動(dòng)態(tài)的自動(dòng)測(cè)量的要求，它使加工、檢測(cè)和控制融為一體成為可能。

?

3. 圖像測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

圖像測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn):

(l)與被觀測(cè)的對(duì)象無接觸：對(duì)觀測(cè)與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠，這是其他測(cè)量方式無法比擬的。

(2)提高測(cè)量的精度：利用各種圖像目標(biāo)模式定位方法，特別是亞像素定位技術(shù)，可以明顯地提高圖像目標(biāo)的定位精度。

(3)可測(cè)量傳統(tǒng)方法不易測(cè)量的物理量：許多肉眼無法分辨的物理量，例如與待測(cè)相位有關(guān)的干涉條紋的亮度變化量，異形區(qū)域的面積，連續(xù)變化的亮度場(chǎng)、色彩場(chǎng)、條紋方位場(chǎng)等都可以利用圖像測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；另外，人無法長(zhǎng)時(shí)間或在某些惡劣環(huán)境下觀察的對(duì)象，也可以通過采集圖像的方式進(jìn)行研究。

(4)對(duì)成像系統(tǒng)的高精度標(biāo)定和修正：成像系定和誤差修正是精密測(cè)量的重要環(huán)節(jié)之一。用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像系統(tǒng)高精度的標(biāo)定和誤差修正，為高精度光學(xué)測(cè)量提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(5)動(dòng)化程度高：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類圖像采集、處理新硬件的出現(xiàn)為圖像測(cè)量技術(shù)提供了新的方法和手段，再加上處理算法自動(dòng)化程度效率的提高，使得該技術(shù)處理分析的自動(dòng)化程度大大提高，這樣極大地減少了處理的工作量和時(shí)間，為在線測(cè)量贏得了時(shí)間。

?

4. 當(dāng)前圖像測(cè)量研究現(xiàn)狀

對(duì)圖像測(cè)量的研究,日本，德國(guó)，美國(guó)等國(guó)家開始的比較早，提出了許多測(cè)量原理和方法，而我國(guó)在這方面的研究則開展的較晚一些.我國(guó)是從80年代中期開始圖像測(cè)量技術(shù)研究的，當(dāng)時(shí)典型的應(yīng)用是使用線陣電荷藕合器件(CCD)進(jìn)行長(zhǎng)度的在線測(cè)量，如對(duì)鋼絲直徑的測(cè)量，但由于每個(gè)像素的間距不可能太小，因此精度并不高。而由于當(dāng)時(shí)面陣CCD的價(jià)格昂貴，因而基于二維攝像圖像測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用較少。

最近二十幾年來，圖像測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，已廣泛應(yīng)用到幾何量的尺寸測(cè)量，精密復(fù)雜零件的微尺寸測(cè)量和外觀檢測(cè)，航空遙感測(cè)量，以及光波干涉圖、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)狀態(tài)分布圖等許多方面。圖像測(cè)量技術(shù)的迅速崛起和發(fā)展除了由于應(yīng)用需求領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展外，還得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的日臻完善。反之，由于CCD制造工藝和IC技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，使基于CCD攝像的圖像測(cè)量系統(tǒng)不僅性能越來越高，而且其成本有所下降，這更進(jìn)一步刺激著這一技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

圖像測(cè)量系統(tǒng)的高分辨率、高靈敏度、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特性是傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x所無法比擬的。圖像測(cè)量技術(shù)對(duì)環(huán)境沒有特殊要求，非常適合于一些傳統(tǒng)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合應(yīng)用。

?

5. 圖像測(cè)量技術(shù)原理

圖像測(cè)量的基本原理就是通過傳感器將被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的圖像信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的邊緣紋理等特征進(jìn)行處理，提取對(duì)象的特征參數(shù)，從而達(dá)到測(cè)量的目的。因此，傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)成為圖像測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

4.1 圖像測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4.1 圖像測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖4.1所示，圖像測(cè)量系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩部分組成，硬件系統(tǒng)包括：傳感器、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，軟件系統(tǒng)視具體情況而定，功能主要包括控制圖像卡、采集圖像和處理計(jì)算圖像三大部分。

圖像測(cè)量系統(tǒng)按照所用傳感器的不同可分為紅外成像、CCD成像、激光成像、聲納成像等，其中以CCD成像在光學(xué)圖像測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。這是由于CCD本身的自掃描、高分辨率、高精度、高靈敏度、高可靠性、低噪聲、長(zhǎng)壽命、尺寸小、動(dòng)態(tài)范圍大、堅(jiān)固耐沖擊等特點(diǎn)所決定的。 

4.2 常用成像技術(shù)

一、CCD成像：CCD是60年代末期由貝爾試驗(yàn)室發(fā)明,它的中文名字叫電荷耦合器件，是一種特殊的半導(dǎo)體材料,它是由大量獨(dú)立的光敏元件組成，這些光敏元件通常是按矩陣排列的。開始作為一種新型的PC存儲(chǔ)電路，很快CCD具有許多其他潛在的應(yīng)用，包括信號(hào)和圖像（硅的光敏性）處理。大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)使用的感光元件是CCD。

CCD成像是根據(jù)物體的光電效應(yīng)，它的特點(diǎn)如下：

(1)自掃描特性:CCD通過自身的掃描功能將獲取的光像信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)電荷，并在光電藕合器件內(nèi)部完成信號(hào)電荷的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移，使信號(hào)電荷最終在器件的輸出檢測(cè)出來。

(2)高分辨率、高精度:CCD本身像元尺寸小，幾何精度高，配以適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)成像系統(tǒng)可獲得很高的空間分辨率，這是CCD在高精度圖像測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行非接觸在線檢測(cè)、自動(dòng)跟蹤的最大特點(diǎn)。

(3)動(dòng)態(tài)范圍大：CCD以積分方式工作，積分時(shí)間在很寬的范圍內(nèi)可調(diào)，使用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。

(4)輸出電信號(hào)易于信號(hào)處理并便于直接輸入計(jì)算機(jī)：CCD雖然按照接受光像中像點(diǎn)的形式分為面陣CCD和線陣CCD，按照輸出電信號(hào)形式又分為模擬CCD和數(shù)字CCD，但最終都是將接受的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成在幅值上按模擬量變化、在時(shí)間上等間距離散的脈沖序列輸出，易于與計(jì)算機(jī)接口，大大擴(kuò)大了CCD的應(yīng)用范圍。

二、紅外成像：紅外線位于電磁波譜中的可見光譜段的紅端以外，介于可見光與微波之間，波長(zhǎng)為0.76～1000um，不能引起人眼的視覺。在實(shí)際應(yīng)用中，常將其分為三個(gè)波段：近紅外線，波長(zhǎng)范圍為0.76～1.5um；中紅外線，波長(zhǎng)范圍為1.5～5.6um；遠(yuǎn)紅外線，波長(zhǎng)范圍為5.6～1000μm。它們產(chǎn)生的機(jī)理不太一致。我們知道溫度高于絕對(duì)零度的物體的分子都在不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生熱輻射，故自然界中的物體都能輻射出不同頻率的紅外線。如相機(jī)、紅外線膠片自身等。在常溫下，物體輻射出的紅外線位于中、遠(yuǎn)紅外線的光譜區(qū)，易引起物體分子的共振，有顯著的熱效應(yīng)。因此，又稱中、遠(yuǎn)紅外線為熱紅外。當(dāng)物體溫度升高到使原子的外層電子發(fā)生躍遷時(shí)，將會(huì)輻射出近紅外線。如太陽、紅外燈等高溫物體的輻射中就含有大量的近紅外線。借助不同波段的紅外線的不同物理性質(zhì)，可制成不同功能的遙感器。

紅外遙感是指借助對(duì)紅外線敏感的探測(cè)器，不直接接觸物體，來記錄物體對(duì)紅外線的輻射、反射、散射等信息，通過分析，揭示出物體的特征及其變化的技術(shù)。紅外成像系統(tǒng)突破了照度和光譜響應(yīng)范圍對(duì)人眼的視覺限制，擴(kuò)展了人眼的視覺機(jī)能。

由于紅外成像系統(tǒng)依靠目標(biāo)和背景的紅外輻射差產(chǎn)生景物圖像，不需要外界光源的照射，因此可以全天候工作；而且紅外成像系統(tǒng)屬于被動(dòng)成像，因此具有良好的隱蔽性；由于紅外成像系統(tǒng)工作在長(zhǎng)波段，比可見光的光輻射具有更強(qiáng)的煙霧透過率，因此紅外成像系統(tǒng)的作用距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。紅外遙感技術(shù)中能獲得圖像信息的儀器有：使用紅外線膠片的照相機(jī)，具有紅外攝影功能的數(shù)碼相機(jī)，熱像儀等。雖然它們都利用紅外線工作，但成像原理和所成的圖像的物理意義有很大的區(qū)別。

紅外攝影通常指利用紅外線膠片和數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行的攝影；前者屬于光學(xué)攝影類，后者屬于光電攝影類。紅外攝影所行成的紅外像利用了景物反射的近紅外線，體現(xiàn)了景物的幾何形狀；熱像儀對(duì)人體成的熱圖，是利用人體自身熱輻射獲得的表示人體表面溫度分布的圖像。是兩個(gè)不同的概念。

三、激光成像：就激光成像的成像方式而言, 激光成像可分為干涉儀成像、激光掃描成像和激光照明焦平面成像三種。

干涉儀成像：它利用激光的相干性, 在監(jiān)視空域形成相干條紋。當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入條紋區(qū)域時(shí), 目標(biāo)上的每一個(gè)散射點(diǎn)將條紋強(qiáng)度的空域分布特性轉(zhuǎn)換成時(shí)域上的回波信號(hào)序列, 不同位置散射點(diǎn)的信號(hào)可以從回波信號(hào)序列形式或相位加以區(qū)別。因此, 對(duì)回波信號(hào)經(jīng)過一定程序的處理, 就可以還原出目標(biāo)的散射點(diǎn)的分布及它們各自的散射強(qiáng)度。激光干涉儀成像目前尚在發(fā)展之中，如能完善并投入使用，則同其他的成像方法相比, 有以下顯著優(yōu)點(diǎn)^[2]：

1) 分辨率不受天線孔徑和激光束束寬的限制, 可以在遠(yuǎn)距離上實(shí)現(xiàn)更高的分辨率；

2) 成像速率優(yōu)于掃描成像方式, 且不需要機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)；

3) 接收系統(tǒng)使用常規(guī)單元探測(cè)器, 比激光照明焦平面成像方式更簡(jiǎn)單易行。

這些優(yōu)點(diǎn)使得在10～15km的作用距離上, 用成像方式確切識(shí)別目標(biāo)成為可能。激光干涉儀成像主要將在戰(zhàn)術(shù)防御、光電對(duì)抗等軍事領(lǐng)域發(fā)揮作用；在民用領(lǐng)域(如機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航) 也可能找到應(yīng)用前景。

激光掃描成像^[2]：激光掃描成像系統(tǒng)主要由激光源、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)以及視頻信號(hào)存儲(chǔ)和顯示設(shè)備等組成。是一種可以提供三維地形影像的機(jī)載激光成像系統(tǒng)，它的工作原理基于激光束對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行掃描，接收?qǐng)鼍胺瓷涞募す廨椛?，產(chǎn)生連續(xù)的模擬信號(hào)，饋送給電視型顯示器，在顯示器上將連續(xù)的模擬電信號(hào)再還原成實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)場(chǎng)景的圖像。與此同時(shí)，用周期信號(hào)調(diào)制激光束，然后將地面反射的激光信號(hào)的相位與基準(zhǔn)相位進(jìn)行比較，獲得至地面的斜距，斜距信息再與二維影像進(jìn)行組合，得到地面場(chǎng)景的三維影像信息數(shù)據(jù)。

激光照明焦平面成像：所謂激光照明焦平面是將激光探測(cè)器與信號(hào)處理電路結(jié)合在一起，置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上形成具有電路自掃描功能的激光成像器件。用激光焦平面陣列構(gòu)成的激光成像系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、靈敏度高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，它是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的新一代激光探測(cè)器。

四、聲納成像：在太空中和陸地上，通常采用光學(xué)或電磁波成像；物體內(nèi)部的探測(cè)多采用X射線成像和超聲波成像等；在水下，由于電磁波或光波受到強(qiáng)烈的衰減而無法用于較遠(yuǎn)距離的探測(cè)，所以水下較遠(yuǎn)距離的成像均采用水聲成像技術(shù)。

水聲成像設(shè)備也稱為圖像聲納。圖像清晰、作用距離遠(yuǎn)是對(duì)圖像聲納的基本和主要要求。要獲得清晰的圖像，要求圖像聲納具有足夠高的空間分辨力。圖像聲納的分辨力分為距離向分辨力和方位向分辨力。距離向分辨力是指聲波傳播方向的距離分辨能力，方位向分辨力一般是指與聲波傳播方向垂直的方向的角度分辨能力。

用虛擬的孔徑代替真實(shí)的孔徑，既能解決孔徑尺寸的問題，又能解決遠(yuǎn)距離方位向分辨力的問題，這就出現(xiàn)了合成孔徑技術(shù)（Synthetic Apertures Sonar，SAS），相應(yīng)的聲納就是合成孔徑聲納。與普通成像聲納相比，合成孔徑聲納的主要優(yōu)點(diǎn)就是它可以得到很高的方位向空間分辨能力，因此 合成孔徑聲納研究受到了充分重視。

合成孔徑聲納的基本原理是利用小尺寸基陣沿空間勻速直線運(yùn)動(dòng)來虛擬大孔徑基陣，在運(yùn)動(dòng)軌跡的順序位置發(fā)射并接收回波信號(hào)，根據(jù)空間位置和相位關(guān)系對(duì)不同位置的回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運(yùn)動(dòng)方向(方位向)的高分辨力。圖3.2為合成孔徑聲納原理示意圖。  

圖4.2 合成孔徑聲納原理示意圖

設(shè)基陣的實(shí)際孔徑為D，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得距離R處的方位向空間分辨力為：

ρ=（1）

根據(jù) (1) 式，從原理上來說，合成孔徑聲納的方位向空間分辨能力與聲納的工作頻率和作用距離都沒有關(guān)系，而僅與基陣的實(shí)際聲學(xué)孔徑有關(guān)。由于分辨力與距離無關(guān)，因而可對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，而且遠(yuǎn)距離與近距離空間分辨率一樣，所以可以獲得比較均勻的空間分辨力。換句話說，就是成像的保真度比較高。由于分辨力與工作頻率無關(guān)，故可以采用較低工作頻率，特別適合掩埋物和底質(zhì)探測(cè)。由于合成孔徑聲納對(duì)目標(biāo)的探測(cè)是采用多次照射和相干積累處理實(shí)現(xiàn)的，所以點(diǎn)目標(biāo)信噪比改善較大，適合于漫散射背景下孤立目標(biāo)的檢測(cè)（如混響背景下水雷的探測(cè)）。

聲納圖像是三維空間物體形狀（由反射系數(shù)描述）向二維圖像空間的映射。成像聲納根據(jù)回波信號(hào)解算出聲納圖像(反射系數(shù)矩陣)的過程是圖像重建過程，相應(yīng)的計(jì)算方法稱為成像算法或圖像重建算法。在合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Apertures Radar，SAR）方面，已經(jīng)研究出了多種成像算法，許多算法可以移植到合成孔徑聲納中來。但是由于合成孔徑聲納常采用寬帶信號(hào)，使得合成孔徑雷達(dá)中的一些窄帶信號(hào)處理方法在合成孔徑聲納中不再適用，需要對(duì)已有的成像算法進(jìn)行改進(jìn)或者研究新的成像算法。目前，圖像重建算法主要有：?jiǎn)谓邮贞嘢AS成像算法、多接收子陣SAS成像算法、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與自聚焦算法等。

五、X線成像： X線影像的形成，是基于以下三個(gè)基本條件：首先，X線具有一定的穿透力，能穿透人體的組織結(jié)構(gòu)；第二，被穿透的組織結(jié)構(gòu)，存在這密度和厚度的差異，X線在穿透過程中被吸收的量不同，以致剩余下來的X線量有差別；第三，這個(gè)有差別的剩余X線，是不可見的，經(jīng)過顯像過程，例如經(jīng)過X線片的現(xiàn)實(shí)，就能獲得具有黑白對(duì)比、層次差異的X線圖像。

影像接收器采用屏/膠結(jié)構(gòu)形式已100多年的歷史了，隨著CR、DR、DDR的先后出現(xiàn)，屏/膠結(jié)構(gòu)形式的影像接收器已逐漸由CR的IP板、IDDR與DDR的平板接收器及DDR的線掃描接收器所取代。從而使常規(guī)X線成像在向數(shù)字化方向發(fā)展^[6]。

廣義的DR成像系統(tǒng)包括間接轉(zhuǎn)換型DR和直接轉(zhuǎn)換型DR。間接轉(zhuǎn)換型DR系統(tǒng)是最近幾年開發(fā)研制出來的新的數(shù)字X線攝影系統(tǒng)，應(yīng)用到臨床僅僅只有三四年的時(shí)間，其發(fā)展速度非常之快。IDR成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是獲取圖像的平板探測(cè)器，它主要由X線轉(zhuǎn)換層與非晶硅光電二極管、薄膜晶體管、信號(hào)儲(chǔ)存基本像素單元及信號(hào)放大與信號(hào)讀取等組成。早期的像素尺寸為143×143μm，現(xiàn)有127×127μm像素尺寸的平板探測(cè)器，平板探測(cè)器現(xiàn)在有17×17英寸的了，可以用于各種部位的普通X線數(shù)字?jǐn)z影。生產(chǎn)這種平板探測(cè)器廠家有VARINA、GE、TRIXELL、CANON等，但在國(guó)內(nèi)用得較多的是VARINA生產(chǎn)的。圖像處理軟件也在日趨完善。這種平板探測(cè)器已有許多廠家采用，作為普通X線數(shù)字?jǐn)z影。

直接轉(zhuǎn)換型DR系統(tǒng)也是最近幾年開發(fā)研制出來的新的直接數(shù)字X線攝影系統(tǒng)，應(yīng)用到臨床不到三年的時(shí)間，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。DR系統(tǒng)目前有兩種，一種為線掃描，一種為平板面成像探測(cè)器。線掃描成像探測(cè)器，它有兩種形式，一種為多絲正比室，一種是電離室。線掃描的動(dòng)態(tài)范圍與系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和密度分辨率有關(guān)，線掃描獨(dú)特的大動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)顯示器質(zhì)量很高時(shí)可以觀察到120倍以上的動(dòng)態(tài)對(duì)比圖像，比傳統(tǒng)X線機(jī)更好，可以清晰地在一次拍片中同時(shí)再現(xiàn)密度懸殊的軟、硬組織。線掃描成像技術(shù)X線被嚴(yán)格限制在很窄的縫隙中，克服了散射線造成的干擾，本底噪聲為“0”，探測(cè)靈敏度高，使原本被本底噪聲淹沒的微弱的X線也能被檢測(cè)出來，能夠分辨出面成像不能看到的人體組織更加細(xì)微的密度差別，密度分辨率高。由于線掃描成像需一定的掃描時(shí)間，一張14×17英寸大小的區(qū)域最快需2秒鐘，所以不能實(shí)現(xiàn)適時(shí)掃描，不適應(yīng)心臟攝影。

4.3 圖像處理技術(shù)

一、圖像預(yù)處理：被測(cè)對(duì)象經(jīng)過傳感器變換以及由視頻采集卡送到計(jì)算機(jī)的過程中，常受到各種噪聲源的影響和干擾，使圖像的質(zhì)量變差，不僅影響圖像的視覺效果，而且還會(huì)影響目標(biāo)信息的獲取及進(jìn)一步處理。因此，在進(jìn)行邊緣檢測(cè)、圖像分割、特征提取、模式識(shí)別等處理之前，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ詼p少圖像噪聲是至關(guān)重要的預(yù)處理步驟^[7]。因?yàn)樵肼暿沟迷揪鶆蚝瓦B續(xù)變化的圖像灰度分布突然變大或變小，造成一些虛假的物體邊緣或輪廓。消除噪聲、改善圖像質(zhì)量的處理過程通常稱為圖像平滑。

圖像平滑可用噪聲濾波器實(shí)現(xiàn)，常用的噪聲濾波器從整體上可以分線性濾波器和非線性濾波器兩類。目前，最常用的圖像去噪工具是均值濾波器和和中值濾波器，他們各是線性濾波器和非線性濾波器的典型代表。

二、圖像后期處理：根據(jù)對(duì)被測(cè)對(duì)象測(cè)量的要求不同，圖像后期處理算法的選取各不相同。目前，這些算法主要有邊緣檢測(cè)、圖像分割、特征提取、模式識(shí)別等。其中，邊緣檢測(cè)方法有：閾值法、微分法（Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、LOG算子、Canny算子等等）、更高精度的亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、小波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等；圖像分割技術(shù)有：門限分割技術(shù)、邊緣分割技術(shù)、區(qū)域分割技術(shù)、輪廓跟蹤等；特征提取法有：基于紋理、顏色、形狀的特征提取，采用頻域特征查詢等方法；模式識(shí)別方法有：句法模式和模糊集合等。

?

6. 圖像測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

隨著各種新型傳感器的發(fā)明與推廣，視頻測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，對(duì)環(huán)境的要求也越來越低。從國(guó)防、安防、醫(yī)療、工業(yè)到地質(zhì)測(cè)量，無論是天空、陸地還是海洋，不管是白天還是黑夜，利用合適的傳感器和圖像處理技術(shù)，都能實(shí)現(xiàn)都目標(biāo)的視頻測(cè)量。

例如，CCD成像技術(shù)的應(yīng)用有：智能交通系統(tǒng)中車牌的檢測(cè)與跟蹤、近海視頻測(cè)量、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的在線檢測(cè)、人臉識(shí)別、大樓監(jiān)控、路燈監(jiān)控等。

紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用有：鋼套爐窯中的在線監(jiān)測(cè)、石化裝置中的在線監(jiān)測(cè)、鍋爐監(jiān)測(cè)、航空遙感等；激光成像技術(shù)的應(yīng)用有：夜間偵察、敵我識(shí)別、地形測(cè)繪、夜間搜尋與救援以及環(huán)境的保護(hù)與監(jiān)視等；聲納成像技術(shù)的應(yīng)用有：衛(wèi)星遙感、導(dǎo)彈成像制導(dǎo)、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、礦物資源勘探、海底底質(zhì)分類^[11]、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)監(jiān)測(cè)等。

X線成像技術(shù)適合于綜合性醫(yī)院門診、大量胸部拍片、體檢的需要，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透視機(jī)；適合于兒童的拍片、體檢、透視的需要，保護(hù)少年兒童；適合于胸部、肺部、腫瘤?？漆t(yī)院；適合于對(duì)育齡婦女計(jì)劃生育的檢查；適合于婚前體檢，代替胸部透視。這種裝置目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制生產(chǎn)并投入使用，其探測(cè)器為多絲正比室。北京航天中興醫(yī)療系統(tǒng)有限公司可提供系列產(chǎn)品。

SDI信號(hào)的視頻測(cè)量：數(shù)字視頻信號(hào)測(cè)量是為了讓圖像更加準(zhǔn)確，保證圖像質(zhì)量。在視頻圖像信號(hào)傳輸過程中，包含的錯(cuò)誤信息來自于A／D、D／A轉(zhuǎn)換、串并行切換、誤碼率、格式錯(cuò)誤、抖動(dòng)以及幀丟失等。SDI信號(hào)對(duì)于分析數(shù)字電視傳輸質(zhì)量至關(guān)重要。SDI信號(hào)的測(cè)量包括以下項(xiàng)目：1) 電氣性能：SDI眼圈、SDI抖動(dòng)、SDI漂移：2)視頻格式和內(nèi)容：SDI格式監(jiān)視、SDI附屬數(shù)據(jù)分析、SDI附屬數(shù)據(jù)分配分析、SDI波形、SDI閃電、SDI音頻測(cè)量；3)定時(shí)：SD1通道間定時(shí)、SD1音頻，視頻定時(shí)。

?

7. 圖像測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)

雖然視頻測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，但是在很多方面也存在著一些需要改進(jìn)的地方。例如：如何改善CCD成像的精度和實(shí)時(shí)性；合成孔徑聲納技術(shù)中，如何更穩(wěn)定地、經(jīng)濟(jì)地獲得具有高而且均勻的空間分辨率的性能；激光掃描三維成像技術(shù)還不成熟等。

隨著時(shí)代對(duì)制造技術(shù)和測(cè)量技術(shù)提出要求的不斷提高，專家們預(yù)計(jì)，21世紀(jì)圖像測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)大致如下:

(1)測(cè)量精度由微米級(jí)向納米級(jí)發(fā)展，進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率；

(2)由點(diǎn)測(cè)量向面測(cè)量過渡，提高整體測(cè)量精度(即由長(zhǎng)度的精密測(cè)量擴(kuò)展至形狀的精密測(cè)量)；

(3)采用在線測(cè)量以逐步替代線外測(cè)量，采用實(shí)時(shí)測(cè)量并將測(cè)量信息反饋用于過程控制，構(gòu)造高精度、智能化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

(4)微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化視頻測(cè)量系統(tǒng)，使測(cè)量精度、自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。

總之，圖像測(cè)量技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)高精度化，同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)高速化和高效率化。因此，高效率測(cè)量與智能化測(cè)量將成為本世紀(jì)圖像測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向。

?

8. 小結(jié)

隨著時(shí)代對(duì)制造技術(shù)和測(cè)量技術(shù)提出要求的不斷提高，專家們預(yù)計(jì)21世紀(jì)，圖像測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度將會(huì)由微米級(jí)向納米級(jí)發(fā)展，進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率；會(huì)由點(diǎn)測(cè)量向面測(cè)量過渡，提高整體測(cè)量精度（即由長(zhǎng)度的精密測(cè)量擴(kuò)展至形狀的精密測(cè)量）；采用在線測(cè)量以逐步替代線外測(cè)量，采用實(shí)時(shí)測(cè)量并根據(jù)測(cè)量信息反饋于加工過程。圖像測(cè)量技術(shù)目前已經(jīng)廣泛地參與到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域，在一些新生領(lǐng)域（如納米材料、微機(jī)電器件）也已開始呼喚這一方面的技術(shù)。本文簡(jiǎn)要的介紹了圖像測(cè)量技術(shù)的背景，并從硬件和軟件兩個(gè)方面闡述了其發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了該技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)。圖像測(cè)量技術(shù)突破了人眼視覺的限制，擴(kuò)展了人眼的視覺機(jī)能；實(shí)現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)，解決了人工檢測(cè)的繁重和成本大等重大問題。圖像測(cè)量技術(shù)作為一種新興的非接觸測(cè)量方法，有廣闊的發(fā)展前景。作為一種重要的無損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)其有效的采用不僅可以在工業(yè)生產(chǎn)中獲得直接經(jīng)濟(jì)效益，而且可以在防止事故發(fā)生以及保障安全等方面獲得間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉上乾，冀芳，高精度圖像測(cè)量技術(shù)[D]. 西安電子科技大學(xué)，20070101

[2] 李田澤，激光掃描成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析及應(yīng)用[J]. 紅外技術(shù),2004, 26 (4):16-19

[3] 張春華，劉紀(jì)元，合成孔徑聲納成像及其研究進(jìn)展[J]. 聲納技術(shù)及其應(yīng)用專題，2006，36(5)：408-413

[4] 王景，楊橋新，丁翔，SDI信號(hào)的視頻測(cè)量[J].計(jì)量檢測(cè)，2005，12

[5] 張鎖平，張春田，近海視頻測(cè)量與應(yīng)用[J]. 海洋技術(shù)，2006，25(1):11-19

[6] 黃德中，紅外熱成像原理及在設(shè)備監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用. 現(xiàn)代物理知識(shí)[J]，2007，14(3):30

[7] 劉晨晨，高分辨率成像聲納圖像識(shí)別技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2006，08