第一章--緒論-數(shù)字成像技術(shù)及系統(tǒng)

1、數(shù)字成像技術(shù)與系統(tǒng)數(shù)字成像技術(shù)與系統(tǒng)主講：主講： 聶亮聶亮Email: 課程介紹課程介紹課程性質(zhì)課程性質(zhì)： 數(shù)字成像技術(shù)與系統(tǒng)是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)數(shù)字成像技術(shù)與系統(tǒng)是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課。本課程隸屬于光電信息技術(shù)課群。課。本課程隸屬于光電信息技術(shù)課群。課程主線：課程主線： 數(shù)字影像的輸入；數(shù)字影像的輸入； 數(shù)字影像的輸出；數(shù)字影像的輸出； 數(shù)字影像的處理；數(shù)字影像的處理； 數(shù)字成像技術(shù)的綜合應(yīng)用。數(shù)字成像技術(shù)的綜合應(yīng)用。課程介紹課程介紹基礎(chǔ)課程：基礎(chǔ)課程： 大學(xué)物理、物理光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、信號與系統(tǒng)、光大學(xué)物理、物理光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、信號與系統(tǒng)、光電信號檢測、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像

2、處理等。電信號檢測、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理等。教學(xué)目的教學(xué)目的: 通過學(xué)習(xí)本課使學(xué)生掌握數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組通過學(xué)習(xí)本課使學(xué)生掌握數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分。通過學(xué)習(xí)典型數(shù)字成像系統(tǒng)的基本原理及成部分。通過學(xué)習(xí)典型數(shù)字成像系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用，掌握從光電信息獲取、傳輸、信息處理、顯應(yīng)用，掌握從光電信息獲取、傳輸、信息處理、顯示、控制等環(huán)節(jié)的主要技術(shù)。為今后進(jìn)入社會從事示、控制等環(huán)節(jié)的主要技術(shù)。為今后進(jìn)入社會從事光電相關(guān)專業(yè)的研究工作打下好基礎(chǔ)。光電相關(guān)專業(yè)的研究工作打下好基礎(chǔ)。課程介紹課程介紹 基本原則：基本原則： 由于光電技術(shù)發(fā)展很快，就目前我們的學(xué)習(xí)而由于光電技術(shù)發(fā)展很快，就目前我們的

3、學(xué)習(xí)而言，我們應(yīng)著眼于基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，對最具言，我們應(yīng)著眼于基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，對最具代表性的主要數(shù)字成像系統(tǒng)作專題講述。如果在代表性的主要數(shù)字成像系統(tǒng)作專題講述。如果在以后的工作或?qū)W習(xí)中需要其他應(yīng)用，則根據(jù)課程以后的工作或?qū)W習(xí)中需要其他應(yīng)用，則根據(jù)課程中所講基本原理加上相應(yīng)的技術(shù)資料進(jìn)行解決。中所講基本原理加上相應(yīng)的技術(shù)資料進(jìn)行解決。 參考書籍參考書籍n數(shù)字成像基礎(chǔ)及系統(tǒng)技術(shù)數(shù)字成像基礎(chǔ)及系統(tǒng)技術(shù)，晏磊等，電子工業(yè)出版社，晏磊等，電子工業(yè)出版社。n現(xiàn)代空間光電系統(tǒng)及其應(yīng)用現(xiàn)代空間光電系統(tǒng)及其應(yīng)用，宋豐華等，國防工業(yè)出，宋豐華等，國防工業(yè)出版社版社。n現(xiàn)代光電信息實(shí)用技術(shù)現(xiàn)代光電信息實(shí)用技

4、術(shù)，雷玉堂，電子工業(yè)出版社。，雷玉堂，電子工業(yè)出版社。n目標(biāo)探測與識別目標(biāo)探測與識別周立偉，北京理工大學(xué)出版社周立偉，北京理工大學(xué)出版社.n光電圖像處理光電圖像處理，劉文耀，電子工業(yè)出版社。，劉文耀，電子工業(yè)出版社。n光電儀器設(shè)計(jì)光電儀器設(shè)計(jì)，高明等編著，高明等編著.西北工業(yè)大學(xué)出版社。西北工業(yè)大學(xué)出版社。n現(xiàn)代實(shí)用光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代實(shí)用光學(xué)系統(tǒng)，陳海清主編，陳海清主編，華中科技大學(xué)，華中科技大學(xué)出版出版社社。 第第1 1章章 數(shù)字成像技術(shù)與系統(tǒng)概述數(shù)字成像技術(shù)與系統(tǒng)概述1.1影像與信息科學(xué)1.2 數(shù)字成像技術(shù)歷史1.3 數(shù)字成像系統(tǒng)現(xiàn)狀1.1影像與信息科學(xué)1.2 數(shù)字成像技術(shù)歷史n20世紀(jì)60年代

5、，美國最早推出CCD芯片；n20世紀(jì)90年代，數(shù)字成像技術(shù)的“爆發(fā)”時(shí)代液晶LCD市場化數(shù)字影像輸入輸出組合技術(shù)迅速發(fā)展。影像科學(xué)發(fā)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)：n 20世紀(jì)90年代以前化學(xué)感光（膠片）n 20世紀(jì)90年代以后數(shù)字成像技術(shù)1.3 數(shù)字成像系統(tǒng)現(xiàn)狀n1.3.1數(shù)字影像獲取技術(shù)數(shù)字影像獲取技術(shù)n1.3.1.1靜態(tài)獲取靜態(tài)獲取掃描與縮微掃描與縮微 1、數(shù)字掃描技術(shù)、數(shù)字掃描技術(shù)平板式掃描儀掃描儀原理n掃描儀掃描圖像的步驟是掃描儀掃描圖像的步驟是:首先將欲掃描的原稿正首先將欲掃描的原稿正面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上，原稿可以是文字稿件面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上，原稿可以是文字稿件或者圖紙照片或者圖紙照片;然

6、后啟動(dòng)掃描儀驅(qū)動(dòng)程序后，安裝在然后啟動(dòng)掃描儀驅(qū)動(dòng)程序后，安裝在掃描儀內(nèi)部的可移動(dòng)光源開始掃描原稿。為了均勻照掃描儀內(nèi)部的可移動(dòng)光源開始掃描原稿。為了均勻照亮稿件，掃描儀光源為長條形，并沿亮稿件，掃描儀光源為長條形，并沿y方向掃過整個(gè)方向掃過整個(gè)原稿原稿;照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的縫隙，形成沿縫隙，形成沿x方向的光帶，又經(jīng)過一組反光鏡，由方向的光帶，又經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶分別照到各自的三條彩色光帶分別照到各自的C

7、CD上，上，CCD將將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號，此光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號，此信號又被信號又被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號。變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號。 掃描儀分類三維掃描儀2、數(shù)字縮微技術(shù)n縮微攝影技術(shù)是利用拍照的原理，高倍縮小檔案尺縮微攝影技術(shù)是利用拍照的原理，高倍縮小檔案尺寸，采用化學(xué)成像法，將檔案原文存儲在膠片上，將寸，采用化學(xué)成像法，將檔案原文存儲在膠片上，將紙質(zhì)載體檔案轉(zhuǎn)化為膠片為載體的檔案，利用時(shí)根據(jù)紙質(zhì)載體檔案轉(zhuǎn)化為膠片為載體的檔案，利用時(shí)根據(jù)一定的編排規(guī)則查閱所需文件資料，將膠片放到閱片一定的編排規(guī)則查閱所需文件資料，將膠片放到閱片機(jī)上拷貝復(fù)制?？s微攝影技術(shù)經(jīng)過多年的不斷發(fā)

8、展和機(jī)上拷貝復(fù)制?？s微攝影技術(shù)經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和完善，已成為檔案管理的主要技術(shù)手段。完善，已成為檔案管理的主要技術(shù)手段。現(xiàn)如今，文檔拍攝儀在借鑒縮微攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)如今，文檔拍攝儀在借鑒縮微攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上，省去了膠片的環(huán)節(jié)，直接以數(shù)字格式存儲于電腦中，省去了膠片的環(huán)節(jié)，直接以數(shù)字格式存儲于電腦中，為文檔的保存管理提供了更為便捷的方法。為文檔的保存管理提供了更為便捷的方法。 1.3.1.2 數(shù)字影像的動(dòng)態(tài)獲取n1、數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)CCD/CMOS2、數(shù)字照相技術(shù)、數(shù)字照相技術(shù)數(shù)字化攝影機(jī)（照相機(jī)）的基本構(gòu)成數(shù)字化攝影機(jī)（照相機(jī)）的基本構(gòu)成: 鏡鏡頭頭芯芯片片CCDCPU自自動(dòng)動(dòng)調(diào)調(diào)焦焦存存儲

9、儲器器LCD彩彩色色錄錄象象機(jī)機(jī)PC數(shù)數(shù)碼碼相相機(jī)機(jī)攝錄象機(jī)攝錄象機(jī)光圈控制1.3.2數(shù)字影像輸出技術(shù)n分為：硬拷貝和軟拷貝。分為：硬拷貝和軟拷貝。1.3.2.1 數(shù)字影像的硬拷貝輸出數(shù)字影像的硬拷貝輸出1、數(shù)字打印技術(shù)、數(shù)字打印技術(shù)n針式打印方式；針式打印方式；n噴墨打印方式；噴墨打印方式；n激光打印方式。激光打印方式。n針式打印方式：針式打印方式： 針式打印機(jī)的打印原理是通過打印針對色帶的針式打印機(jī)的打印原理是通過打印針對色帶的機(jī)械撞擊，在打印介質(zhì)上產(chǎn)生小點(diǎn)，最終由小機(jī)械撞擊，在打印介質(zhì)上產(chǎn)生小點(diǎn)，最終由小點(diǎn)組成所需打印的對象。點(diǎn)組成所需打印的對象。 噴墨打印方式n噴墨打印機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是墨

10、頭技術(shù)，而墨頭類噴墨打印機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是墨頭技術(shù)，而墨頭類型一般是熱汽泡或微壓電技術(shù)。型一般是熱汽泡或微壓電技術(shù)。n存在問題：速度慢，對普通紙張打印質(zhì)量低。存在問題：速度慢，對普通紙張打印質(zhì)量低。激光打印機(jī) n激光打印機(jī)采用的是電子照相技術(shù)。該技術(shù)利用激光束掃激光打印機(jī)采用的是電子照相技術(shù)。該技術(shù)利用激光束掃描光鼓，通過控制激光束的開與關(guān)使傳感光鼓吸與不吸墨描光鼓，通過控制激光束的開與關(guān)使傳感光鼓吸與不吸墨粉，光鼓再把吸附的墨粉轉(zhuǎn)印到紙上而形成打印結(jié)果。粉，光鼓再把吸附的墨粉轉(zhuǎn)印到紙上而形成打印結(jié)果。n激光打印機(jī)的整個(gè)打印過程可以分為控制器處理階段、墨激光打印機(jī)的整個(gè)打印過程可以分為控制器處理階

11、段、墨影及轉(zhuǎn)印階段。影及轉(zhuǎn)印階段。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n（1）高密度。）高密度。4800dpin（2）高速度。一般為）高速度。一般為16ppmn（3）噪音低。一般在）噪音低。一般在53dB以下以下n（4）處理能力強(qiáng)。控制器中有）處理能力強(qiáng)。控制器中有CPU，有內(nèi)存，控制器相，有內(nèi)存，控制器相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的主板，所以它可以進(jìn)行復(fù)雜的文字處理、圖當(dāng)于計(jì)算機(jī)的主板，所以它可以進(jìn)行復(fù)雜的文字處理、圖像處理、圖形處理。像處理、圖形處理。 2、數(shù)字復(fù)印技術(shù)n首先通過首先通過CCD（電荷耦合器件）傳感器對通過暴光、掃描（電荷耦合器件）傳感器對通過暴光、掃描產(chǎn)生的原稿的光學(xué)模擬圖像信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后將經(jīng)產(chǎn)生的原稿

12、的光學(xué)模擬圖像信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后將經(jīng)過數(shù)字技術(shù)處理的圖像信號輸入到激光調(diào)制器，調(diào)制后的過數(shù)字技術(shù)處理的圖像信號輸入到激光調(diào)制器，調(diào)制后的激光束對被充電的感光鼓進(jìn)行掃描，在感光鼓上產(chǎn)生有點(diǎn)激光束對被充電的感光鼓進(jìn)行掃描，在感光鼓上產(chǎn)生有點(diǎn)組成的靜電潛像，再經(jīng)過顯影、轉(zhuǎn)印、定影等步驟，完成組成的靜電潛像，再經(jīng)過顯影、轉(zhuǎn)印、定影等步驟，完成復(fù)印過程。復(fù)印過程。 3、數(shù)字傳真技術(shù)n數(shù)字傳真與普通傳真的區(qū)別：從過去的模擬傳輸，變成了數(shù)字傳真與普通傳真的區(qū)別：從過去的模擬傳輸，變成了先進(jìn)的數(shù)字傳輸。即可以聯(lián)接到目前的互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行通信先進(jìn)的數(shù)字傳輸。即可以聯(lián)接到目前的互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行通信，因而具有圖像質(zhì)量好

13、，傳輸速度高等優(yōu)點(diǎn)。，因而具有圖像質(zhì)量好，傳輸速度高等優(yōu)點(diǎn)。4、數(shù)字感光擴(kuò)印技術(shù)n數(shù)字感光擴(kuò)印機(jī)其基本工作原理簡單的說來就是在擴(kuò)印機(jī)數(shù)字感光擴(kuò)印機(jī)其基本工作原理簡單的說來就是在擴(kuò)印機(jī)前端加一個(gè)電子計(jì)算機(jī)，將各種來源的圖像的光電信號轉(zhuǎn)前端加一個(gè)電子計(jì)算機(jī)，將各種來源的圖像的光電信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，再將這模擬信號通過電子計(jì)算機(jī)前端的模換成模擬信號，再將這模擬信號通過電子計(jì)算機(jī)前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電子計(jì)算機(jī)可以認(rèn)別的數(shù)字信號，由數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電子計(jì)算機(jī)可以認(rèn)別的數(shù)字信號，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，再通過制圖軟件對所輸入的數(shù)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，再通過制圖軟件對所輸入的數(shù)字圖片信號進(jìn)行修改、加

14、工，對加工好的圖片信號通過曝字圖片信號進(jìn)行修改、加工，對加工好的圖片信號通過曝光系統(tǒng)，把影像投射到感光相紙上，最后通過沖洗工藝制光系統(tǒng)，把影像投射到感光相紙上，最后通過沖洗工藝制成照片。成照片。 數(shù)字感光機(jī)用的還是傳統(tǒng)的彩色照相紙，不同的是相紙的數(shù)字感光機(jī)用的還是傳統(tǒng)的彩色照相紙，不同的是相紙的曝光已經(jīng)改為由計(jì)算機(jī)控制的特殊光源將圖像信息投射到曝光已經(jīng)改為由計(jì)算機(jī)控制的特殊光源將圖像信息投射到相紙上進(jìn)行曝光的數(shù)碼曝光系統(tǒng)，接下來的事情仍然是傳相紙上進(jìn)行曝光的數(shù)碼曝光系統(tǒng)，接下來的事情仍然是傳統(tǒng)的顯影、定影的沖洗工藝，就這樣，一張張數(shù)碼照片就統(tǒng)的顯影、定影的沖洗工藝，就這樣，一張張數(shù)碼照片就出來

15、了！出來了！ 1.3.2.2 數(shù)字影像的軟拷貝輸出n1、數(shù)字投影機(jī)技術(shù)、數(shù)字投影機(jī)技術(shù)nCRT、LCD、DLPn（1）CRT顯示器顯示器(學(xué)名為學(xué)名為“陰極射線顯像管陰極射線顯像管”)是這樣是這樣一種裝置，它主要由一種裝置，它主要由電子槍電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈偏轉(zhuǎn)線圈、蔭罩蔭罩、高壓石墨、高壓石墨電極和電極和熒光粉熒光粉涂層和涂層和玻璃玻璃外殼五部分組成。其中玻璃外殼外殼五部分組成。其中玻璃外殼也叫也叫熒光屏熒光屏。（2）LCDnLCD液晶投影機(jī)液晶投影機(jī)是液晶顯示技術(shù)和投影技術(shù)相是液晶顯示技術(shù)和投影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過電路控制液晶單

16、元的透射率及反射率，從而產(chǎn)電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及多達(dá)生不同灰度層次及多達(dá)1670萬種色彩的靚麗萬種色彩的靚麗圖像。圖像。LCD投影機(jī)的主要成像器件是液晶板。投影機(jī)的主要成像器件是液晶板。 （3）DLPnDLP是是“Digital Light Procession”的縮寫，即為數(shù)的縮寫，即為數(shù)字光處理，也就是說這種技術(shù)要先把影像信號經(jīng)過數(shù)字光處理，也就是說這種技術(shù)要先把影像信號經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來。它是基于字處理，然后再把光投影出來。它是基于TI（德州儀（德州儀器）公司開發(fā)的數(shù)字微鏡元件器）公司開發(fā)的數(shù)字微鏡元件DMD（Digital Micromu

17、rror Device）來完成顯示數(shù)字可視信息的）來完成顯示數(shù)字可視信息的技術(shù)。說得具體點(diǎn)，就是技術(shù)。說得具體點(diǎn)，就是DLP投影技術(shù)投影技術(shù)應(yīng)用了數(shù)字微應(yīng)用了數(shù)字微鏡晶片（鏡晶片（DMD）來作為主要關(guān)鍵元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光）來作為主要關(guān)鍵元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理過程。其原理是將燈光發(fā)射出的光源通過冷凝學(xué)處理過程。其原理是將燈光發(fā)射出的光源通過冷凝透鏡，將光均勻化，然后通過一個(gè)色輪（透鏡，將光均勻化，然后通過一個(gè)色輪（Color Wheel），將光分成），將光分成RGB三色（或者更多色），再將三色（或者更多色），再將色彩由透鏡投射在色彩由透鏡投射在DND上，最后經(jīng)過投影鏡頭投影成上，最后經(jīng)過投影鏡頭投

18、影成像。像。DMD2、數(shù)字投影電視技術(shù)n 投影機(jī)作為終端顯示設(shè)備，若具備接收、投影機(jī)作為終端顯示設(shè)備，若具備接收、解調(diào)由數(shù)字電視信號調(diào)制的射頻信號，并能解解調(diào)由數(shù)字電視信號調(diào)制的射頻信號，并能解碼、顯示數(shù)字電視視頻信號，就稱為電視投影碼、顯示數(shù)字電視視頻信號，就稱為電視投影機(jī)。機(jī)。3、數(shù)字投影光引擎技術(shù)1.3 數(shù)字成像技術(shù)的應(yīng)用n1.3.1 虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)n增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的虛技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬對象與真實(shí)世界進(jìn)行融合擬對象與真實(shí)世界進(jìn)行融合,構(gòu)造出虛構(gòu)造出虛實(shí)結(jié)合的虛擬空間。有三個(gè)特點(diǎn)：真實(shí)結(jié)合的虛擬空間。有三個(gè)特點(diǎn)：真實(shí)和虛擬結(jié)合實(shí)和虛擬結(jié)合,實(shí)時(shí)交互實(shí)時(shí)交互,真實(shí)和虛擬真實(shí)和虛擬對象進(jìn)行定位對象進(jìn)行定位.1.3.2 遙感成像系統(tǒng)1.3.3 電子穩(wěn)像技術(shù)n電子穩(wěn)像技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、無電子穩(wěn)像技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、無人車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、視頻偵察系統(tǒng)、導(dǎo)彈電視制導(dǎo)系人車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、視頻偵察系統(tǒng)、導(dǎo)彈電視制導(dǎo)系統(tǒng)以及車載火控系統(tǒng)中的觀瞄系統(tǒng)等統(tǒng)以及車載火控系統(tǒng)中的觀瞄系統(tǒng)等,是電視精確是電視精確制導(dǎo)、目標(biāo)檢測與跟蹤的關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù)制導(dǎo)、目標(biāo)檢測與跟蹤的關(guān)鍵預(yù)處理技術(shù),是移動(dòng)是移動(dòng)成像系統(tǒng)不可缺少的一種重要視頻增強(qiáng)技術(shù)。成像系統(tǒng)不可缺少的一種重要視頻增強(qiáng)技術(shù)。 n電子穩(wěn)像系統(tǒng)主要是由圖像預(yù)處理、運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)