第一章--緒論-數(shù)字成像技術及系統(tǒng)

1、數(shù)字成像技術與系統(tǒng)數(shù)字成像技術與系統(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)字成像技術與系統(tǒng)是光信息科學與技術專業(yè)的專業(yè)數(shù)字成像技術與系統(tǒng)是光信息科學與技術專業(yè)的專業(yè)課。本課程隸屬于光電信息技術課群。課。本課程隸屬于光電信息技術課群。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)字成像技術的綜合應用。數(shù)字成像技術的綜合應用。課程介紹課程介紹基礎課程：基礎課程： 大學物理、物理光學、應用光學、信號與系統(tǒng)、光大學物理、物理光學、應用光學、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。教學目的教學目的: 通過學習本課使學生掌握數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組通過學習本課使學生掌握數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分。通過學習典型數(shù)字成像系統(tǒng)的基本原理及成部分。通過學習典型數(shù)字成像系統(tǒng)的基本原理及應用，掌握從光電信息獲取、傳輸、信息處理、顯應用，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。為今后進入社會從事示、控制等環(huán)節(jié)的主要技術。為今后進入社會從事光電相關專業(yè)的研究工作打下好基礎。光電相關專業(yè)的研究工作打下好基礎。課程介紹課程介紹 基本原則：基本原則： 由于光電技術發(fā)展很快，就目前我們的學習而由于光電技術發(fā)展很快，就目前我們的

3、學習而言，我們應著眼于基礎理論和關鍵技術，對最具言，我們應著眼于基礎理論和關鍵技術，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習中需要其他應用，則根據(jù)課程以后的工作或?qū)W習中需要其他應用，則根據(jù)課程中所講基本原理加上相應的技術資料進行解決。中所講基本原理加上相應的技術資料進行解決。 參考書籍參考書籍n數(shù)字成像基礎及系統(tǒng)技術數(shù)字成像基礎及系統(tǒng)技術，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)及其應用現(xiàn)代空間光電系統(tǒng)及其應用，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)代光電信息實用技術現(xiàn)代光電信息實用技

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

5、，美國最早推出CCD芯片；n20世紀90年代，數(shù)字成像技術的“爆發(fā)”時代液晶LCD市場化數(shù)字影像輸入輸出組合技術迅速發(fā)展。影像科學發(fā)展轉(zhuǎn)折點：n 20世紀90年代以前化學感光（膠片）n 20世紀90年代以后數(shù)字成像技術1.3 數(shù)字成像系統(tǒng)現(xiàn)狀n1.3.1數(shù)字影像獲取技術數(shù)字影像獲取技術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、數(shù)字掃描技術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、后啟動掃描儀驅(qū)動程序后，安裝在然后啟動掃描儀驅(qū)動程序后，安裝在掃描儀內(nèi)部的可移動光源開始掃描原稿。為了均勻照掃描儀內(nèi)部的可移動光源開始掃描原稿。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方向掃過整個方向掃過整個原稿原稿;照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個很窄的照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個很窄的縫隙，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，由光學透鏡聚焦并進入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍三色光學透鏡聚焦并進入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍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n縮微攝影技術是利用拍照的原理，高倍縮小檔案尺縮微攝影技術是利用拍照的原理，高倍縮小檔案尺寸，采用化學成像法，將檔案原文存儲在膠片上，將寸，采用化學成像法，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，將膠片放到閱片機上拷貝復制。縮微攝影技術經(jīng)過多年的不斷發(fā)

8、展和機上拷貝復制?？s微攝影技術經(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手段。完善，已成為檔案管理的主要技術手段。現(xiàn)如今，文檔拍攝儀在借鑒縮微攝影技術的基礎上，現(xiàn)如今，文檔拍攝儀在借鑒縮微攝影技術的基礎上，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)字影像的動態(tài)獲取n1、數(shù)字攝像技術CCD/CMOS2、數(shù)字照相技術、數(shù)字照相技術數(shù)字化攝影機（照相機）的基本構成數(shù)字化攝影機（照相機）的基本構成: 鏡鏡頭頭芯芯片片CCDCPU自自動動調(diào)調(diào)焦焦存存儲

9、儲器器LCD彩彩色色錄錄象象機機PC數(shù)數(shù)碼碼相相機機攝錄象機攝錄象機光圈控制1.3.2數(shù)字影像輸出技術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、數(shù)字打印技術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： 針式打印機的打印原理是通過打印針對色帶的針式打印機的打印原理是通過打印針對色帶的機械撞擊，在打印介質(zhì)上產(chǎn)生小點，最終由小機械撞擊，在打印介質(zhì)上產(chǎn)生小點，最終由小點組成所需打印的對象。點組成所需打印的對象。 噴墨打印方式n噴墨打印機的關鍵技術是墨

10、頭技術，而墨頭類噴墨打印機的關鍵技術是墨頭技術，而墨頭類型一般是熱汽泡或微壓電技術。型一般是熱汽泡或微壓電技術。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 n激光打印機采用的是電子照相技術。該技術利用激光束掃激光打印機采用的是電子照相技術。該技術利用激光束掃描光鼓，通過控制激光束的開與關使傳感光鼓吸與不吸墨描光鼓，通過控制激光束的開與關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激光打印機的整個打印過程可以分為控制器處理階段、墨激光打印機的整個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：優(yōu)點：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。控制器中有）處理能力強?？刂破髦杏蠧PU，有內(nèi)存，控制器相，有內(nèi)存，控制器相當于計算機的主板，所以它可以進行復雜的文字處理、圖當于計算機的主板，所以它可以進行復雜的文字處理、圖像處理、圖形處理。像處理、圖形處理。 2、數(shù)字復印技術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)生的原稿的光學模擬圖像信號進行光電轉(zhuǎn)換，然后將經(jīng)產(chǎn)生的原稿

12、的光學模擬圖像信號進行光電轉(zhuǎn)換，然后將經(jīng)過數(shù)字技術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行掃描，在感光鼓上產(chǎn)生有點激光束對被充電的感光鼓進行掃描，在感光鼓上產(chǎn)生有點組成的靜電潛像，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，完成復印過程。復印過程。 3、數(shù)字傳真技術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，變成了先進的數(shù)字傳輸。即可以聯(lián)接到目前的互聯(lián)網(wǎng)上進行通信先進的數(shù)字傳輸。即可以聯(lián)接到目前的互聯(lián)網(wǎng)上進行通信，因而具有圖像質(zhì)量好

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

14、工，對加工好的圖片信號通過曝字圖片信號進行修改、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)改為由計算機控制的特殊光源將圖像信息投射到曝光已經(jīng)改為由計算機控制的特殊光源將圖像信息投射到相紙上進行曝光的數(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)字投影機技術、數(shù)字投影機技術nCRT、LCD、DLPn（1）CRT顯示器顯示器(學名為學名為“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液晶投影機液晶投影機是液晶顯示技術和投影技術相是液晶顯示技術和投影技術相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應，通過結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應，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生不同灰度層次及多達1670萬種色彩的靚麗萬種色彩的靚麗圖像。圖像。LCD投影機的主要成像器件是液晶板。投影機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，也就是說這種技術要先把影像信號經(jīng)過數(shù)字光處理，也就是說這種技術要先把影像信號經(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。說得具體點，就是技術。說得具體點，就是DLP投影技術投影技術應用了數(shù)字微應用了數(shù)字微鏡晶片（鏡晶片（DMD）來作為主要關鍵元件以實現(xiàn)數(shù)字光）來作為主要關鍵元件以實現(xiàn)數(shù)字光學處理過程。其原理是將燈光發(fā)射出的光源通過冷凝學處理過程。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，然后通過一個色輪（透鏡，將光均勻化，然后通過一個色輪（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n 投影機作為終端顯示設備，若具備接收、投影機作為終端顯示設備，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。機。3、數(shù)字投影光引擎技術1.3 數(shù)字成像技術的應用n1.3.1 虛擬與增強現(xiàn)實虛擬與增強現(xiàn)實n增強現(xiàn)實增強現(xiàn)實(AR)技術將計算機生成的虛技術將計算機生成的虛擬對象與真實世界進行融合擬對象與真實世界進行融合,構造出虛構造出虛實結(jié)合的虛擬空間。有三個特點：真實結(jié)合的虛擬空間。有三個特點：真實和虛擬結(jié)合實和虛擬結(jié)合,實時交互實時交互,真實和虛擬真實和虛擬對象進行定位對象進行定位.1.3.2 遙感成像系統(tǒng)1.3.3 電子穩(wěn)像技術n電子穩(wěn)像技術廣泛應用于機器人遠程遙控系統(tǒng)、無電子穩(wěn)像技術廣泛應用于機器人遠程遙控系統(tǒng)、無人車輛導航系統(tǒng)、視頻偵察系統(tǒng)、導彈電視制導系人車輛導航系統(tǒng)、視頻偵察系統(tǒng)、導彈電視制導系統(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、目標檢測與跟蹤的關鍵預處理技術制導、目標檢測與跟蹤的關鍵預處理技術,是移動是移動成像系統(tǒng)不可缺少的一種重要視頻增強技術。成像系統(tǒng)不可缺少的一種重要視頻增強技術。 n電子穩(wěn)像系統(tǒng)主要是由圖像預處理、運動估計和運