计算机视觉技术概述.doc

1、计算机视觉现状及应用发展研究目 录摘 要 2绪 论 2第一章 概述 21.1 计算机视觉技术是什么 .21.2 计算机视觉技术的原 理 .2第二章 计算机视觉技术的发展 22.1 计算机视觉技术的发展 .22.2 计算机视觉现状 .2第三章 计算机视觉技术的应用 23.1 应用概述 .23.2 视觉测试技术 .23.3 计算机视觉在工农业检测中的应用 .2第四章 计算机视觉技术的图像处理方发 24.1 图像的增强 .24.2 图像的平滑 224.3 图像的数据编码和传输 .24.4 边缘锐化 .24.5 图像的分割 .24.5.1 数据驱动的分割 .24.5.2 模型驱动的分割 .24.5.3

2、 图像分割的半自动方法 .24.6 图像的识别 .24.7 视觉技术的研究 24.7.1 计算机视觉研究的对象与方法 .24.7.2 计算机视觉的应用领域 .2第五章 计算机视觉的发展趋势 25.1 计算机视觉的发展趋势 .2参考文献 23摘 要计算机视觉技术集数字图像处理、数字信号处理、光学、物理学、几何学、应用数学、模式识别7XA工智能等知识于一体其应用已经涉及到计算几何、计算机图形学、图像处理、机器人学等领域。文中简要地回顾了计算机视觉技术的发展史。利用工业摄像镜头替代目视作为传感器，通过图像采集。图像处理，图像识别等一系列操作。达到在线对包装产品进行标签检测的目的。关键词 计算机视觉

3、图像处理 视觉系统 图像识别 检测 标签4绪 论计算机视觉系统一般有光源、摄像机、采集卡及 PC 软件系统等组成，可以完成图像的采集与处理、目标的识别功能，视觉系统的结构一般是从系统的模型的角度理解的。计算机视觉既是工程领域，也是科学领域中的一个富有挑战性重要研究领域。计算机视觉是一门综合性的学科，它已经吸引了来自各个学科的研究者参加到对它的研究之中。其中包括计算机科学和工程、信号处理、物理学、应用数学和统计学，神经生理学和认知科学等。计算机视觉学所研究的对象,简单地说就是研究如何让计算机通过图象传感器或其它光传感器来感知、分析和理解周围环境。人类感知外界环境主要通过视觉,听觉和触觉等四大感觉

4、系统。其中视觉系统是最复杂的。人类从外界获得的信息中视觉信号量最大。模仿人类的视觉系统,计算机视觉系统中信息的处理和分析大致可以分成两个阶段：图象处理阶段又称视觉处理中的低水平和中水平阶段；图象分析、理解阶段又称视觉处理中的高水平处理阶段。在图象分析和理解阶段,计算机根据事先存贮在数据库中的预知识模型,识别出各个基元或某些基元组合所代表的客观世界中的某些实体称之为模型匹配以及根据图象中各基元之间的关系在预知识的指导下得出图象所代表的实际景物的含义,得出图象的解释或描述。必须强调,预知识在视觉系统中起着相当重要的作用。在预知识库中存放着各种实际可能遇到的物体的知识模型,和实际景物中各种物体之间的

5、约束关系。计算机的作用是根据被分析的图象中的各基元及其关系,利用预知识作为指导,通过匹配,搜索和推理等手段,最终得到对图象的描述。在整个过程中预知识时刻提供处理的样板和证据。每一步的处理结果随时同预知识进行对比。有时,处理的中间结果和最终结果还要馈送给预知识库作为知识的更新和积累。5第一章 概述1.1 计算机视觉技术是什么计算机视觉（Computer Vision, CV）是一门研究如何让计算机达到人类那样“看”的学科。更准确点说，它是利用摄像机和电脑代替人眼使得计算机拥有类似于人类的那种对目标进行分割、分类、识别、跟踪、判别决策的功能。计算 机 视 觉 是 使 用 计 算 机 及 相 关 设

6、 备 对 生 物 视 觉 的 一 种 模 拟 ， 是人工智能领域的一个重要部分，它的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。计算机视觉是以图象处理技术、信号处理技术、概率统计分析、计算几何、神经网络、机器学习理论和计算机信息处理技术等为基础，通过计算机分析与处理视觉信息。作为一个新兴学科，计算机视觉是通过对相关的理论和技术进行研究，从而试图建立从图像或多维数据中获取“信息”的人工智能系统。计算机视觉是一门综合性的学科，它已经吸引了来自各个学科的研究者参加到对它的研究之中。其中包括计算机科学和工程、信号处理、物理学、应用数学和统计学，神经生理学和认知科学等。计算机视觉也是当前计

7、算机科学中的一个非常活跃的领域，计算机视觉领域与图像处理，模式识别，投影几何，统计推断，统计学习等学科密切相关，近年来，与计算机图形学，三维表现等学科也发生了很强的联系。目前，计算机视觉技术已经应用在制造业、工业检验、文档分析、医疗诊断、军事目标跟踪、自主导航等系统当中1.2 计算机视觉技术的原 理计算机视觉就是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释。计算机视觉的最终研究目标就是使计算机能象人那样通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力。要经过长期的努力才能达到的目标。因此，在实现最终目标以前，人们努力的中期目标是建立一种视觉系统，这个系统能依据视觉

8、敏感和反馈的某种程度的智能完成一定的任务。例如，计算机视觉的一个重要应用领域就是自主车辆的视觉导航，还没有条件实现象人那样能识别和理解任何环境，完成自主导航的系统。因此，人们努力的研究目标是实现在高速公路上具有道路跟踪能力，可避免与前方车辆碰撞的视觉辅助驾驶系统。这里要指出的一点是在计算机视觉系统中计算机起6代替人脑的作用，但并不意味着计算机必须按人类视觉的方法完成视觉信息的处理。计算机视觉可以而且应该根据计算机系统的特点来进行视觉信息的处理。但是，人类视觉系统是迄今为止，人们所知道的功能最强大和完善的视觉系统。如在以下的章节中会看到的那样，对人类视觉处理机制的研究将给计算机视觉的研究提供启发

9、和指导。因此，用计算机信息处理的方法研究人类视觉的机理，建立人类视觉的计算理论，也是一个非常重要和信人感兴趣的研究领域。这方面的研究被称为计算视觉（Computational Vision） 。计算视觉可被认为是计算机视觉中的一个研究领域。7第二章 计算机视觉技术的发展2.1 计算机视觉技术的发展计算机视觉是在 20 世纪 50 年代从统计模式识别开始的当时的工作主要集中在二维图像分析和识别上，如光学字符识别工件表面、显微图片和航空图片的分析和解释等60 年代，Roberts(1965) 通过计算机程序从数字图像中提取出诸如立方体、楔形体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系

10、进行描述Roberts 1965。到了 70 年代，已经出现了一些视觉应用系统Guzman 1969，Maekworth 1973， 。70 年代中期，麻省理工学院(MIT) 人工智能(AI)实验室正式开设 “机器视觉”(Machine Vision)课程，由国际著名学者BK PHom 教授讲授。 80 年代以来，计算机视觉的研究已经历 r 从实验室走向实际应用的发展阶段。而计算机工业水平的飞速提高以及人工智能、并行处理和神经元网络等学科的发展，更促进了计算机视觉系统的实用化和涉足许多复杂视觉过程的研究。目前，计算机视觉技术正在广泛的应用于计算几何、计算机图形学、图像处理、机器人学等多个领域中

11、。二十年前，计算机的出现使工作场所出现革命化发展。直到现在，约 75的办公室工作通过计算机和互联网来实现。1990 年，大约 15美国家庭拥有了一台计算机，现在增加到 70。计算机视觉(Computer v|si0n)一词最早出现在PHWestonl 975 年的论文中。计算机视觉是以视觉处理理论为中心，属于人工智能范畴的一个新领域 。它也是以图像处理、模式识别、计算机技术和生理学心理学为基础的信息处理科学中的一个重要分支。计算机视觉技术集数字图像处理、数字信号处理、光学、物理学、几何学、应用数学、模式识别及人工智能等知识于一体，其应用已经涉及到计算几 何、计算机图形学、图像处理、机器人学等领

12、域。计算机视觉既是工程领域，也 是科学领域中的一个富有挑战性重要研究领域。 计算机视觉研究的目标有两个：一个是开发从输入的图像数据自动构造场景描述的图像理解系统，另一个是理解人类视觉，以便有朝一日用机器代替人去作人类难以达到或根本无法达到的工作。当前，计算机视觉也是人工智能及机器人科学中颇为活跃的和卓有成效的热门研究课题。 视觉理解是计算机视觉系统的一个重要处理环节，当前，具有视党反馈功能的机器人已能代替人完成各种复杂的任务，如：产品的自动装配、焊接和检验、生物医学中的自动诊断、遥感照片的自动解释、各种车辆的自动导航等。8这种赋予机器以类似人的视觉信息处理能力并为人类自身服务的美好愿望在一定范

13、围或特定任务下已部分地成为现实。今天，计算机视觉的应用已渗透到机器人、天文、地理、医学、化学、物理等宏观及微观世界的各个研究领域。有人预言，计算机视觉是实现智能机器人和第五代计算机的关键因素之一。 计算机视觉是一个复杂的处理过程，景物理解及景物分析是其处理要点之一。用机器实现景物理解必须将输入的图像和预先存入的有关物体结构和环境约束知识进行交互作用，建立明确而有意义的描述理解。这种过程可归结为从一幅图像中提取景物信息，完成某些计算，在不同阶段的理解过程引入相关的先验知识，从而完成理解处理。类似的工作实际上早在 50 年代就已经开始了。目前，三维物体及景物分析工作的重点在三维物体与自然景物的识

14、与分析上。80 年代，在计算机视觉研究中占主导地位的是 Mart 教授提出的视觉计算理论框架，在这种框架下，Marr 认为视觉可看做是三个层次的信息处理过程，而且要从计算理论、算法描述及硬件实现三个方面去实现三个层次的工作。三维物体识别研究自 Mart 教授创立视觉计算理论后取得了重大进展。这一理论的要点在于把视觉看成一个过程，它从外部世界的图像逐步产生对景物的三个层次的描述，即： a)初始简图 这是基本意义的灰度变动的局部几何性质，以线条勾画出的草图形式出现 b)二维半简图 该图主要描述物体可视面的表面方向和观察点到表面的距离 c)三维模型表示 这是物体形状的全部而清晰的描述。有人认为，Ma

15、rr 教授的视觉计算理论是肘计算机视觉研究的最杰出的贡献。 90 年代，Rosenfeld 认为应重视三个方面的工作，一是计算的鲁棒性问题，二是主动视觉(active vision)的研究，三是定性视觉的研究(qualitative vision)。有人把视觉定义为“根据获得的图像理解景物信息的处理过程 ，而计算机视觉主要是利用计算机提供的手段和方法去完成这一信息处理过程。具体包括：视觉信息的获取 图像预处理、分割、描述、识别理解等几步工作。1965 年，LRoberts 关于 “三维物体的感知”一文提出了几种获取三维信息的基本方法。这些基本方法至今还被计算机视觉研究领域普遍采用。目前，获取视

16、觉信息的主要方法有主动法和被动法两大类，主动法需要对测试物体加入特殊的人造光源 其中包括：三角光法、结构光法和飞行时间法。三角光法类似三角测量法，此法需逐点测量，费时较多。结构光法是把已知结构的图像投影到被渊物体表面，由于该物体表面的取向不同，标准图案会产生畸变，利用这畸变可算出物体表面的三维坐标。标准图像一般用细线、方格等。这种方法最早由日本学者YShirai 提出，具体做法可采用激光扫描或投影仪来实现。飞行时间测距法是以雷达原理为基础的方法。这种方法可直接测得物体表面距离而获得三维信息，9它不涉及图像处理问题。具体实现可采用激光雷达或超声雷达，超声雷达的缺点是聚焦比较困难，但是处理方法比较

17、简单。 被动法是在自然光条件下获得三维信息的方法。其中包括：体视法、阴影恢复形状法、由运动恢复形状法、纹理恢复形状和灰度体视法等。体视法与人的视觉原理有许多相似之处，由不同位置上的摄像机获取两幅(或多幅)图像，根据三角测量原理，利用立体图像中的对应点的视差计算出景物的三维信息。因此，两幅图像的匹配是体视法的关键。早期的匹配主要基于区域的灰度相关计算，现代方法则侧重于特征匹配。因而，只能获得稀疏的特征信息，要用各种内插法获取整幅图像的三维信息。体视法体现了 Marr 教授的理论精髓。形状分析法是根据图像中灰度阴影分布、物体的运动、纹理结构等信息分析计算景物的三维信息。运动序列图像分析法是依靠物体

18、或摄像机运动时得到多幅序列图像，通过对三维运动参数的计算分析获取三维信息。此方法基本属于形状分析法，它在计算机视觉研究中较受重视，已成为一个重要分支。总之，三维信息获取是计算机视觉研究的基础，也是目前非常活跃的课题之一。无论在理论上还是实践上都有举足轻重的作用 三维信息获取中的重要环节 三维定标系统研究也是极受重视的课题。为提高定标的精度曾做了大量的研究工作，并提出了不少算法。2.2 计算机视觉现状计算机视觉领域的突出特点是其多样性与不完善性。这一领域的先驱可追溯到更早的时候，但是直到 20 世纪 70 年代后期，当计算机的性能提高到足以处理诸如图像这样的大规模数据时，计算机视觉才得到了正式的

19、关注和发展。然而这些发展往往起源于其他不同领域的需要，因而何谓“计算机视觉问题” 始终没有得到正式定义，很自然地， “计算机视觉问题 ”应当被如何解决也没有成型的公式。尽管如此，人们已开始掌握部分解决具体计算机视觉任务的方法，可惜这些方法通常都仅适用于一群狭隘的目标（如：脸孔、指纹、文字等） ，因而无法被广泛地应用于不同场合。对这些方法的应用通常作为某些解决复杂问题的大规模系统的一个组成部分（例如医学图像的处理，工业制造中的质量控制与测量） 。在计算机视觉的大多数实际应用当中，计算机被预设为解决特定的任务，然而基于机器学习的方法正日渐普及，一旦机器学习的研究进一步发展，未来“泛用型” 的电脑视

20、觉应用或许可以成真。10人工智能所研究的一个主要问题是：如何让系统具备“计划” 和“决策能力”？从而使之完成特定的技术动作（例如：移动一个机器人通过某种特定环境） 。这一问题便与计算机视觉问题息息相关。在这里，计算机视觉系统作为一个感知器，为决策提供信息。另外一些研究方向包括模式识别和机器学习（这也隶属于人工智能领域，但与计算机视觉有着重要联系） ，也由此，计算机视觉时常被看作人工智能与计算机科学的一个分支。物理是与计算机视觉有着重要联系的另一领域。计算机视觉关注的目标在于充分理解电磁波主要是可见光与红外线部分遇到物体表面被反射所形成的图像，而这一过程便是基于光学物理和固态物理，一些尖端的图像

21、感知系统甚至会应用到量子力学理论，来解析影像所表示的真实世界。同时，物理学中的很多测量难题也可以通过计算机视觉得到解决，例如流体运动。也由此，计算机视觉同样可以被看作是物理学的拓展。另一个具有重要意义的领域是神经生物学，尤其是其中生物视觉系统的部分。在整个 20 世纪中，人类对各种动物的眼睛、神经元、以及与视觉刺激相关的脑部组织都进行了广泛研究，这些研究得出了一些有关“天然的” 视觉系统如何运作的描述（尽管仍略嫌粗略） ，这也形成了计算机视觉中的一个子领域人们试图建立人工系统，使之在不同的复杂程度上模拟生物的视觉运作。同时计算机视觉领域中，一些基于机器学习的方法也有参考部分生物机制。计算机视觉

22、的另一个相关领域是信号处理。很多有关单元变量信号的处理方法，尤其是对时变信号的处理，都可以很自然的被扩展为计算机视觉中对二元变量信号或者多元变量信号的处理方法。但由于图像数据的特有属性，很多计算机视觉中发展起来的方法，在单元信号的处理方法中却找不到对应版本。这类方法的一个主要特征，便是他们的非线性以及图像信息的多维性，以上二点作为计算机视觉的一部分，在信号处理学中形成了一个特殊的研究方向。除了上面提到的领域，很多研究课题同样可被当作纯粹的数学问题。例如，计算机视觉中的很多问题，其理论基础便是统计学，最优化理论以及几何学。如何使既有方法通过各种软硬件实现，或说如何对这些方法加以修改，而使之获得合

23、理的执行速度而又不损失足够精度，是现今电脑视觉领域的主要课题。11第三章 计算机视觉技术的应用3.1 应用概述智能计算机不但使计算机更便于为人们所使用，同时如果用这样的计算机来控制各种自动化装置特别是智能机器人，就可以使这些自动化系统和智能机器人具有适应环境，和自主作出决策的能力。这就可以在各种场合取代人的繁重工作，或代替人到各种危险和恶劣环境中完成任务。应用范围从任务，比如工业机器视觉系统，比方说，检查瓶子上的生产线加速通过，研究为人工智能和计算机或机器人，可以理解他们周围的世界。计算机视觉和机器视觉领域有显著的重叠。计算机视觉涉及的被用于许多领域自动化图像分析的核心技术。机器视觉通常指的是

24、结合自动图像分析与其他方法和技术，以提供自动检测和机器人指导在工业应用中的一个过程。在许多计算机视觉应用中，计算机被预编程，以解决特定的任务，但基于学习的方法现在正变得越来越普遍。计算机视觉应用的实例包括用于系统：（1）控制过程，比如，一个工业机器人 ；（2）导航，例如，通过自主汽车或移动机器人；（3）检测的事件，如，对视频监控和人数统计 ；（4 ）组织信息，例如，对于图像和图像序列的索引数据库；（5）造型对象或环境，如，医学图像分析系统或地形模型；（6）相互作用，例如，当输入到一个装置，用于计算机人的交互；（7）自动检测，例如，在制造业的应用程序。其中最突出的应用领域是医疗计算机视觉和医学图

25、像处理。这个区域的特征的信息从图像数据中提取用于使患者的医疗诊断的目的。通常，图像数据是在形式显微镜图像，X 射线图像，血管造影图像，超声图像和断层图像。的信息，可以从这样的图像数据中提取的一个例子是检测的肿瘤，动脉粥样硬化或其他恶性变化。它也可以是器官的尺寸，血流量等。这种应用领域还支持通过提供新的信息，医学研究的测量例如，对脑的结构，或约医学治疗的质量。计算机视觉在医疗领域的应用还包括增强是由人类的解释，例如超声图像或 X 射线图像，以降低噪声的影响的图像。第二个应用程序区域中的计算机视觉是在工业，有时也被称为机器视觉，在那里信息被提取为支撑的制造工序的目的。一个例子是质量控制，其中的信息

26、或最终产品被以找到缺陷自动检测。另一个例子是，被拾取的位置和细节取12向测量由机器人臂。机器视觉也被大量用于农业的过程，从散装材料，这个过程被称为去除不想要的东西，食物的光学分拣。军事上的应用很可能是计算机视觉最大的地区之一。最明显的例子是探测敌方士兵或车辆和导弹制导。更先进的系统为导弹制导发送导弹的区域，而不是一个特定的目标，并且当导弹到达基于本地获取的图像数据的区域的目标做出选择。现代军事概念，如“战场感知” ，意味着各种传感器，包括图像传感器，提供了丰富的有关作战的场景，可用于支持战略决策的信息。在这种情况下，数据的自动处理，用于减少复杂性和融合来自多个传感器的信息，以提高可靠性。一个较

27、新的应用领域是自主车，其中包括潜水，陆上车辆（带轮子，轿车或卡车的小机器人） ，高空作业车和无人机（UAV ） 。自主化水平，从完全独立的（无人）的车辆范围为汽车，其中基于计算机视觉的系统支持驱动程序或在不同情况下的试验。完全自主的汽车通常使用计算机视觉进行导航时，即知道它在哪里，或用于生产的环境（地图 SLAM）和用于检测障碍物。它也可以被用于检测特定任务的特定事件，例如，一个 UAV 寻找森林火灾。支承系统的例子是障碍物警报系统中的汽车，以及用于飞行器的自主着陆系统。数家汽车制造商已经证明了系统的汽车自动驾驶，但该技术还没有达到一定的水平，就可以投放市场。有军事自主车型，从先进的导弹，无人

28、机的侦察任务或导弹的制导充足的例子。太空探索已经正在使用计算机视觉，自主车比如，美国宇航局的火星探测漫游者和欧洲航天局的 ExoMars 火星漫游者。3.2 视觉测试技术非接触测试技术很多,特别值得一提的是视觉测试技术。现代视觉理论和技术的发展,不仅在于模拟人眼能完成的功能,更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作,所以视觉技术作为当今最新技术,在电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上得到迅速发展。视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同,视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量,如轿车白车身三维尺寸的测量、

29、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。视觉测试技术在国外发展很快,早在20 世纪80 年代,美国国家标准局就预计,检测任务的90 %将由视觉测试系统来完成。美国在80 年代就有100 多家公司跻身于视觉测试系统的经营市场,可见视觉测试系统确实很有前途。在1999 年10 月的北京国际机床博览会上已见到国外利用视觉检测技术研制的仪器,如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统、非接触式光学三坐标测量机等先进器。133.3 计算机视觉在工农业检测中的应用由于计算机视觉技术具有非接触、获得信息量大、作用距离远等特点

30、,特别是随着计算机图像处理技术的不断发展,近几十年来,它在工业、农业、科学研究、军事等方面都获得了十分广泛的应用。下面主要介绍一下计算机视觉技术在工业检测中的应用概况。工业检测: 图像识别技术在工业领域的应用,主要用于能够代替人眼的计算机系统。在高速、大批量、连续自动化生产流水线,往往需要视觉系统进行质量检查、零件辨识和尺寸测量;实际上 ,在发达国家,几乎任何产品的生产,从半导体芯片到食品饮料,甚至人工钻石,都越发依赖视觉系统的应用,可以用于基于图像处理技术的非接触精密测量、产品表面质量检测与监控、基于机器视觉的工业自动化闭环控制、流水线产品外观质量检测设备、复杂形状非接触精密测量设备。医疗:

31、 B 超、 CT、X 光、 ECT、内窥镜、病理分析、医学影像、血管造影,细胞图像分析系统等。采用医疗图像分析系统,可对血液细胞自动分类计数、染色体分析、癌症细胞识别等。公安: 指纹识别、痕迹辨认、电子警察、图像自动跟踪、安全监控等。石油: 岩石图像分析系统,能够分析含油数量等信息。金融: 印章支票真伪判别、票证处理、柜员机自动检测、金库监控、运钞车现场自动检测与传输等。其中纸币印刷质量检测系统利用图像处理技术,通过对纸币生产流水线上的纸币 20 多项特征( 号码、盲文、颜色、图案等) 进行比较分析,检测纸币的质量,替代传统的人眼辨别的方法。交通: 汽车车牌识别、高速公路收费、违章闯红灯检测、

32、交通管制系统等。采用智能交通管理系统,通过在交通要道放置摄像头,当有违章车辆(如闯红灯) 时,摄像头将车辆的牌照拍摄下来,传输给中央管理系统,系统利用图像处理技术,对拍摄的图片进行分析,提取出车牌号,存储在数据库中,可以供管理人员进行检索。体育： 足球越位及出界报警、保龄球道计分、运动人体动作分析等方面。商标管理：可以建立商标图像库,利用图像检索技术,对新申请的商标与图像库里的注册商标进行分析,检查是否设计相似或雷同。数字图书馆：数字多媒体内容的发布和管理。金相分析:金相图像分析系统能对金属或其它材料的基体组织、杂质含量、组织成分等进行精确、客观地分析,为产品质量提供可靠的依据。瓶装啤酒生产流

33、水线检测系统：可以检测啤酒是否达到标准的容量、啤酒标签是否完整等。14第四章 计算机视觉技术的图像处理方发计算机视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法，它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。4.1 图像的增强图像的增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质量。通常采用灰度直方图修改技术进行图像增强。图像的灰度直方图是表示一幅图像灰度分布情况的统计特性图表，与对比度紧密相连。通过灰度直方图的形状，能判断该图

34、像的清晰度和黑白对比度。如果获得一幅图像的直方图效果不理想，可以通过直方图均衡化处理技术作适当修改，即把一幅已知灰度概率分布图像中的像素灰度作某种映射变换，使它变成一幅具有均匀灰度概率分布的新图像，实现使图像清晰的目的。4.2图像的平滑图像的平滑处理技术即图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中因成像设备和环境所造成的图像失真，提取有用信息。众所周知，实际获得的陶像在形成、传输、接收和处理的过程中，不可避免地存在着外部干扰和内部干扰，如光电转换过程中敏感元件灵敏度的不均匀性、数字化过程的量化噪声、传输过程中的误差以及人为因素等均会使图像变质。因此，去除噪声，恢复原始图像是图像处理中的一个

35、重要内容。4.3 图像的数据编码和传输数字图像的数据量是相当庞大的，一幅 512。512 个像素的数字图像的数据量为 256 K 字节，若假设每秒传输 25 帧图像，则传输的信道速率为 524M 比特秒。高信道速率意味瞢高投资，也意味著普及难度的增加，因此。传输过程中，对图像数据进行压缩显得非常重要。数据的压缩主要通过图像数据的编霄和变换压缩完成。图像数据编码一般采用预测编码即将图像数据的空间变15化规律和序列变化规律用一个预测公式表示如果知道了，某一像素的前面各相邻像素值之后可以用公式预测该像素值。该方法可将一幅图像的数据压缩到为数不多的几十个特传输，在接收端再变换回去即可。4.4 边缘锐化

36、图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的。它是早期视觉理论和算法中的基本问题也是中期和后期视觉成败的重要因素之一。4.5 图像的分割图像分割是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面在进行分割时每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。某本质是将像素进行分类。分类的依据是像素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特性或纹理特性等。图像分割是图像处理技术的基本方法之一，应用于诸如染色体分类、景物理解系统、机器视觉等方面。图像分割主要有两种方法：一是鉴于度量宅问的灰度闾值分割法。它是根据图像灰度直方图来决

37、定图像空间域像素聚类。二是空间域区域增长分割方法。它是对在某种意义上(如灰度级、组织、梯度等)具有相似性质的像素连通集构成分割区域，该方法有很好的分割效果，但缺点是运算复杂处理速度慢。4.5.1 数据驱动的分割常见的数据驱动分割包括基于边缘检测的分割、基于区域的分割、边缘与区域相结合的分割等。对于基于边缘检测的分割,其基本思想是先检测图像中的边缘点,再按一定策略连接成轮廓,从而构成分割区域。难点在于边缘检测时抗噪声性能和检测精度的矛盾,若提高检测精度,则噪声产生的伪边缘会导致不合理的轮廓; 若提高抗噪声性能,则会产生轮廓漏检和位置偏差。为此 ,人们提出各种多尺度边缘检测方法,根据实际问题设计多

38、尺度边缘信息的结合方案,以较好地兼顾抗噪声性能和检测精度。基于区域的分割的基本思想是根据图像数据的特征将图像空间划分成不同的区域。常用的特征包括:直接来自原始图像的灰度或彩色特征 ;由原始灰度或彩色值变换得到的特征。方法有阈值法、区域生长法、聚类法、松弛法等。16边缘检测能够获得灰度或彩色值的局部变化强度,区域分割能够检测特征的相似性与均匀性。将两者结合起来,通过边缘点的限制,避免区域的过分割;同时通过区域分割补充漏检的边缘,使轮廓更加完整。例如,先进行边缘检测与连接,再比较相邻区域的特征(灰度均值、方差),若相近则合并; 对原始图像分别进行边缘检测和区域生长,获得边缘图和区域片段图后,再按一

39、定的准则融合,得到最终分割结果。4.5.2 模型驱动的分割常见的模型驱动分割包括基于动态轮廓(Snakes)模型、组合优化模型、目标几何与统计模型。Snakes 模型用于描述分割目标的动态轮廓。由于其能量函数采用积分运算,具有较好的抗噪声性,对目标的局部模糊也不敏感,因而适用性很广。但这种分割方法容易收敛到局部最优,因此要求初始轮廓应尽可能靠近真实轮廓。近年来对通用分割方法的研究倾向于将分割看作一个组合优化问题,并采用一系列优化策略完成图像分割任务。主要思路是在分割定义的约束条件之外,根据具体任务再定义一个优化目标函数,所求分割的解就是该目标函数在约束条件下的全局最优解。以组合优化的观点处理分

40、割问题,主要是利用一个目标函数综合表示分割的各种要求和约束,将分割变为目标函数的优化求解。由于目标函数通常是一个多变量函数,可采用随机优化方法。基于目标几何与统计模型的分割是将目标分割与识别集成在一起的方法,常称作目标检测或提取。基本思想是将有关目标的几何与统计知识表示成模型,将分割与识别变为匹配或监督分类。常用的模型有模板、特征矢量模型、基于连接的模型等。这种分割方法能够同时完成部分或全部识别任务,具有较高的效率。然而由于成像条件变化,实际图像中的目标往往与模型有一定的区别,需要面对误检与漏检的矛盾,匹配时的搜索步骤也颇为费时。4.5.3 图像分割的半自动方法从人工参与程度来看,图像分割可分

41、为人工、半自动、自动等三种类型。其中人工分割完全由操作者利用鼠标勾画出分割区域的轮廓,费时费力,且容易受操作者主观因素的影响,重复性差。自动分割不需人机交互,但适应性差,很难实现对一批图像同时获得满意的分割效果。半自动分割将人机交互与自动分割相结合,能够适应不同的图像和需求,且有效降低计算复杂度。目前半自动分割中人机交互的方式有:勾画目标的大致轮廓,构成自动分割的初始化 ;根据特定的图像和任务调整算法参数;在分割过程中加入人工交互节等。总之 ,从实用化的角度看,自动分割仍是长期努力的方向。目前更为现实的是在自动分割前或分割过程中17加入人机交互的半自动分割。其发展方向为尽可能少和简便的人机交互

42、。可见,图像分割是图像处理和机器视觉必不可少的重要环节,也是图像理论发展的瓶颈之一。随着计算机速度与容量的快速进展,图像处理与机器视觉实用化系统硕果累累。例如,基于内容的图像检索系统、智能监视系统、视觉引导的智能交通系统、手写体字符/人脸/指纹/虹膜识别系统等。然而有关的理论研究并没有取得突破性进展。4.6 图像的识别图像的识别过程实际上可以看作是一个标记过程，即利用识别算法来辨别景物中已分割好的各个物体给这螳物体赋予特定的标记，它是汁算机视觉系统必须完成的一个任务。按照网像识别从易到难町分为 i 类问题?第一类识别问题中图像中的像素表达了某一物体的某种特定信息。第二类问题中，待识别物是有形的

43、整体。二维图像信息已经足够识别该物体如文字识别、某些具有稳定可视表面的三维体识别等。第三类问题是由输入的二维图、要素图、2x5维图等得出被测物体的三维表示。这里存着如何将隐含的三维信息提取出来的问题当是今研究的热点。目前用于图像识别的方法主要分为决策理论和结构方法。决策理论方法的基础是决策函数，利用它对模式向量进行分类识别是以定时描述(如统计纹理)为基础的：结构方法的核心是将物体分解成模式或模式基元，而不同的物体结构有不同的基元串(或称字符串)，通过对未知物体利用给定的模式基元求出编码边界，得到字符串，冉根据字符串判断它的属类。这是一种依赖于符号描述被测物体之间关系的方法。4.7 视觉技术的研

44、究人类很多研究都是以延伸人类能力为目的的,早期的工作是在体力上延伸,计算机发明以来,就拓展到对人类脑力和感知能力的延伸上。对人类视觉感知能力的计算机模拟导致了计算机视觉的产生。计算机视觉也经常被称为图像理解,是指研究完成一项任务所需的视觉信息及如何从图像中获取这些信息的研究领域。其基本目的有三个:(1)根据一幅或多幅二维投影图像计算出观察点到目标物体的距离;(2)根据一幅或多幅二维投影图像计算出观察点到目标物体的运动参数;(3)根据一幅或多幅二维投影图像计算出观察点到目标物体的表面物理特性。要达到的最终目的是实现对于三维景物世界的理解,即实现人的视觉系统的某些功能。也就是利用二维投影图像来重构

45、三维物体的可视部分。184.7.1 计算机视觉研究的对象与方法4.7.1.1 以模型世界为主要对象的视觉基本方法研究这个阶段以 Roberts 的开创性工作为标志。在 Roberts 的工作中引入了三维物体与二维成像的关系,采用了一些简单的边缘特征提取方法并引入了组合线段的方法。这些早期的工作对视觉的发展起了促进作用,但对于稍微复杂的景物便难于奏效。为他对三维关系的分析仅仅是靠简单的边缘线段的约束关系,并没有充分考虑人类或其他动物视觉系统感知三维空间关系的方式。4.7.1.2 以计算理论为核心的视觉模型研究20 世纪 70 年代开始,对计算机视觉的研究进入更为理性化的阶段,主要集中于各种本征特

46、性的恢复,包括三维形状、运动、光源等的恢复。主要出发点是从生理学、光学和射影几何的方法出发,研究成像及其逆问题。在这一阶段中,以Marr 为代表的一些研究者提出了以表示为核心、以算法为中间转换过程的一般性视觉处理模型。在其理论中强调表示的重要性以及从不同层次上去研究信息处理问题,在计算理论和算法实现上又特别强调计算理论的重要性。在三维信息的感知方面,根据人类感知深度的不同提出了一系列 ShapefromX 的方法。4.7.2 计算机视觉的应用领域计算机视觉的应用领域主要包括对照片、视频资料如航空照片、卫星照片、视频片段等的解释、精确制导、移动机器人视觉导航、医学辅助诊断、工业机器人的手眼系统、

47、地图绘制、物体三维形状分析与识别及智能人机接口等。早期进行数字图像处理的目的之一就是要通过采用数字技术提高照片的质量,辅助进行航空照片和卫星照片的读取判别与分类。由于需要判读的照片数量很多,于是希望有自动的视觉系统进行判读解释,在这样的背景下,产生了许多航空照片和卫星照片判读系统与方法。自动判读的进一步应用就是直接确定目标的性质,进行实时的自动分类,并与制导系统相结合。目前常用的制导方式包括激光制导、电视制导和图像制导,在导弹系统中常常将惯性制导与图像制导结合,利用图像进行精确的末制导。工业机器人的手眼系统是计算机视觉应用最为成功的领域之一,由于工业现场的诸多因素,如光照条件、成像方向均是可控

48、的,因此使得问题大为简化,有利于构成实际的系统。与工业机器人不同,对于移动机器人而言,由于它具有行为能力,于是就必须解决行为规划问题,即是对环境的了解。随着移动式机器人的发展,越来越多地要求提供视觉能力,包括道路跟踪、回避障碍、特定目标识别等。目前移动机器人视觉系统研究仍处于实验阶段,大多采用遥控和远视方法。19在医学上采用的图像处理技术大致包括压缩、存储、传输和自动/辅助分类判读,此外还可用于医生的辅助训练手段。与计算机视觉相关的工作包括分类、判读和快速三维结构的重建等方面。长期以来,地图绘制是一件耗费人力、物力和时间的工作。以往的做法是人工测量,现在更多的是利用航测加上立体视觉中恢复三维形

49、状的方法绘制地图,大大提高了地图绘制的效率。同时,通用物体三维形状分析与识别一直是计算机视觉的重要研究目标,并在景物的特征提取、表示、知识的存储、检索以及匹配识别等方面都取得了一定的进展,构成了一些用于三维景物分析的系统。近年来,基于生物特征(biometrics)的鉴别技术得到了广泛重视,主要集中在对人脸、虹膜、指纹、声音等特征上,这其中大多都与视觉信息有关。与生物特征识别密切相关的另一个重要应用是用于构成智能人机接口。现在计算机与人的交流还是机械式的,计算机无法识别用户的真实身份,除键盘、鼠标外,其他输入手段还不成熟。利用计算机视觉技术可以使计算机检测到用户是否存在、鉴别用户身份、识别用户的体势(如点头、摇头)。此外,这种人机交互方式还可推广到一切需要人机交互的场合,如入口安全控制、过境人员的验放等。20第五章 计算机视觉的发展趋势5.1 计算机视觉的发展趋势计算机视觉研究经历了近 40 年的过程,仍面临许多问题。主要由于这一方向是多学科的交叉与结合,同时视觉是一个涉及生理、心理的复杂过程,不仅与眼睛有关,还和大脑的推理、学习有关。研究计算机视觉的目的是要实现对人类视觉的模拟和延伸。对于人类而言,视觉是一个轻而易举的功能,对机器却不同。视觉过程很难用类似于问题求解