圖像處理在航天航空中的應(yīng)用 結(jié)業(yè)論文

1、論文題目：圖像處理在航天和航空技術(shù)方面的運(yùn)用 學(xué)院：機(jī)械電氣工程學(xué)院班級(jí)： 2012級(jí)機(jī)制3班 姓名： 張 娜 學(xué)號(hào)： 20125009077 摘要：圖像處理技術(shù)的研究和應(yīng)用越來越受到社會(huì)發(fā)展的影響，并以自身的技術(shù)特點(diǎn)反過來影響整個(gè)社會(huì)技術(shù)的進(jìn)步。本文主要簡單概括了數(shù)字圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢，列舉了數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域并詳細(xì)介紹了其在航天航空領(lǐng)域中的發(fā)展。關(guān)鍵字：圖像處理簡介 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 發(fā)展技術(shù)應(yīng)用1、 引言 數(shù)字圖像處理是通過計(jì)算機(jī)采用一定的算法對圖像圖形進(jìn)行處理的技術(shù)，它已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域上都有了較廣泛的應(yīng)用。圖像處理的信息量很大，對處理速度要求也很高。本文就簡單的介紹圖像處理技術(shù)及

2、其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，詳細(xì)說明圖像處理在航天航空技術(shù)方面的應(yīng)用。2、 數(shù)字圖像處理簡介 （一）圖像的概念 圖像包含了它所表達(dá)的物體的描述信息。我們生活在一個(gè)信息時(shí)代，科學(xué)研究和統(tǒng)計(jì)表明，人類從外界獲得的信息約有百分之七十來自視覺系統(tǒng)，也就是從圖像中獲得，即我們平常所熟知的照片，繪畫，動(dòng)畫。視像等。 （二）數(shù)字圖像處理技術(shù) 數(shù)字圖像處理又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行處理的過程。圖像處理技術(shù)著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換，主要目標(biāo)是要對圖像進(jìn)行各種加工以改善圖像的視覺效果并為其后的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別打基礎(chǔ)，或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼以減少圖像存儲(chǔ)所需要的空間或圖像傳輸所需

3、的時(shí)間。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級(jí)上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。數(shù)字圖像處理的早期應(yīng)用是對宇宙飛船發(fā)回的圖像所進(jìn)行的各種處理。到了70年代，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用迅速從宇航領(lǐng)域擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、教育、藝術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域與行業(yè)，對經(jīng)濟(jì)、軍事、文化及人們的日常生活產(chǎn)生重大的影響。1 （三）數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本特點(diǎn) 1.處理信息量很大 數(shù)字圖像處理的信息大多是二維信息，處理信息量很大。如一幅256×256低分辨率黑白圖像，要求約64kbit的數(shù)據(jù)量；對高分辨率彩色512×512圖像，則要求768kbit數(shù)據(jù)量；

4、如果要處理30幀/秒的電視圖像序列，則每秒要求500kbit22.5Mbit數(shù)據(jù)量。因此對計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量等要求較高。 2.占用頻帶較寬 數(shù)字圖像處理占用的頻帶較寬。與語言信息相比，占用的頻帶要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如電視圖像的帶寬約5.6MHz，而語音帶寬僅為4kHz左右。所以在成像、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本亦高，這就對頻帶壓縮技術(shù)提出了更高的要。3. 各像素相關(guān)性大 數(shù)字圖像中各個(gè)像素是不獨(dú)立的，其相關(guān)性大。在圖像畫面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。就電視畫面而言，同一行中相鄰兩個(gè)像素或相鄰兩行間的像素，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9以上，而相鄰兩幀之間的

5、相關(guān)性比幀內(nèi)相關(guān)性一般說還要大些。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。 4.無法復(fù)現(xiàn)三維景物的全部幾何信息 由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖象本身不具備復(fù)現(xiàn)三維景物的全部幾何信息的能力，很顯然三維景物背后部分信息在二維圖像畫面上是反映不出來的。因此，要分析和理解三維景物必須作合適的假定或附加新的測量，例如雙目圖像或多視點(diǎn)圖像。在理解三維景物時(shí)需要知識(shí)導(dǎo)引，這也是人工智能中正在致力解決的知識(shí)工程問題。2 5.受人的因素影響較大 數(shù)字圖像處理后的圖像一般是給人觀察和評價(jià)的，因此受人的因素影響較大。由于人的視覺系統(tǒng)很復(fù)雜，受環(huán)境條件、視覺性能、人的情緒愛好以及知識(shí)狀況影響很大，作為圖像質(zhì)量的評價(jià)

6、還有待進(jìn)一步深入的研究。另一方面，計(jì)算機(jī)視覺是模仿人的視覺，人的感知機(jī)理必然影響著計(jì)算機(jī)視覺的研究。例如，什么是感知的初始基元，基元是如何組成的，局部與全局感知的關(guān)系，優(yōu)先敏感的結(jié)構(gòu)、屬性和時(shí)間特征等，這些都是心理學(xué)和神經(jīng)心理學(xué)正在著力研究的課題。三、數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) （一）再現(xiàn)性好數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于,它不會(huì)因圖像的存儲(chǔ)、傳輸或復(fù)制等一系列變換操作而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時(shí)準(zhǔn)確地表現(xiàn)了原稿,則數(shù)字圖像處理過程始終能保持圖像的再現(xiàn)。 （二）處理精度高按目前的技術(shù),幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組,這主要取決于圖像數(shù)字化設(shè)備的能力?，F(xiàn)代掃描儀

7、可以把每個(gè)像素的灰度等級(jí)量化為16 位甚至更高,這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達(dá)到滿足任一應(yīng)用需求。對計(jì)算機(jī)而言,不論數(shù)組大小,也不論每個(gè)像素的位數(shù)多少,其處理程序幾乎是一樣的。換言之,從原理上講不論圖像的精度有多高,處理總是能實(shí)現(xiàn)的,只要在處理時(shí)改變程序中的數(shù)組參數(shù)就可以了?；叵胍幌聢D像的模擬處理,為了要把處理精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí),就要大幅度地改進(jìn)處理裝置,這在經(jīng)濟(jì)上是極不合算的。（三）適用面寬圖像可以來自多種信息源,它們可以是可見光圖像,也可以是不可見的波譜圖像(例如X 射線圖像、射線圖像、超聲波圖像或紅外圖像等) 。從圖像反映的客觀實(shí)體尺度看,可以小到電子顯微鏡圖像,大到航空照片、遙感圖像甚

8、至天文望遠(yuǎn)鏡圖像。這些來自不同信息源的圖像只要被變換為數(shù)字編碼形式后,均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像(彩色圖像也是由灰度圖像組合成的,例如RGB 圖像由紅、綠、藍(lán)三個(gè)灰度圖像組合而成) 組合而成,因而均可用計(jì)算機(jī)來處理。即只要針對不同的圖像信息源,采取相應(yīng)的圖像信息采集措施,圖像的數(shù)字處理方法適用于任何一種圖像。3（四）靈活性高圖像處理大體上可分為圖像的像質(zhì)改善、圖像分析和圖像重建三大部分,每一部分均包含豐富的內(nèi)容。由于圖像的光學(xué)處理從原理上講只能進(jìn)行線性運(yùn)算,這極大地限制了光學(xué)圖像處理能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。而數(shù)字圖像處理不僅能完成線性運(yùn)算,而且能實(shí)現(xiàn)非線性處理,即凡是可以用數(shù)學(xué)公式或邏輯關(guān)系來表達(dá)的一

9、切運(yùn)算均可用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)。四、數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴(kuò)大，主要包括： （一）航天和航空技術(shù)方面 從60年代末以來，美國及一些國際組織發(fā)射了資源遙感衛(wèi)星（如LANDSAT系列）和天空實(shí)驗(yàn)室（如SKYLAB），由于成像條件受飛行器位置、姿態(tài)、環(huán)境條件等影響，圖像質(zhì)量總不是很高。因此，以如此昂貴的代價(jià)進(jìn)行簡單直觀的判讀來獲取圖像是不合算的，而必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。如LANDSAT系列陸地衛(wèi)星，采用多波段掃描器（MSS，在900km高空對

10、地球每一個(gè)地區(qū)以18天為一周期進(jìn)行掃描成像，其圖像分辨率大致相當(dāng)于地面上十幾米或100米左右（如1983年發(fā)射的LANDSAT-4，分辨率為30m）。這些圖像在空中先處理（數(shù)字化，編碼）成數(shù)字信號(hào)存入磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時(shí)再高速傳送下來，然后由處理中心分析判讀。許多國家也每天派出很多偵察飛機(jī)對地球上有興趣的地區(qū)進(jìn)行大量的空中攝影。對由此得來的照片進(jìn)行處理分析，用配備有高級(jí)計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)來判讀分析，既節(jié)省人力，又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報(bào)。這些圖像無論是在成像、存儲(chǔ)、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須采用很多數(shù)字圖像處理方法?，F(xiàn)在世界各國都在利用陸

11、地衛(wèi)星所獲取的圖像進(jìn)行資源調(diào)查（如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等），災(zāi)害檢測（如病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等），資源勘察（如石油勘查、礦產(chǎn)量探測、大型工程地理位置勘探分析等），農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤營養(yǎng)、水份和農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的估算等），城市規(guī)劃（如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水源及環(huán)境分析等）。4除了JPL對月球、火星照片的處理之外，許多國家每天派出很多偵察飛機(jī)對地球上有興趣的地區(qū)進(jìn)行大量的空中攝影。對由此得來的照片進(jìn)行處理分析，以前需要雇用幾千人，而現(xiàn)在改用配備有高級(jí)計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)來判讀分析，既節(jié)省人力，又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報(bào)。我國也陸續(xù)開展了以上諸

12、方面的一些實(shí)際應(yīng)用，并獲得了良好的效果。如，上海浦東新區(qū)繼2003年第一次運(yùn)用遙感技術(shù)對河道及水面積進(jìn)行了調(diào)查后，2004年進(jìn)行了復(fù)測，通過數(shù)字圖像處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了水面積減少的問題，并且引起了重視。再比如，通過遙感衛(wèi)星影像分析結(jié)合實(shí)地考察，由中國科學(xué)院、中國林業(yè)科學(xué)研究院、甘肅省治沙研究所、蘭州大學(xué)等單位聯(lián)合組織的庫姆塔格沙漠科考隊(duì)，初步探明庫姆塔格沙漠的精確面積為22917.2平方公里。在目前石油資源缺乏的大背景下，數(shù)字圖像處理技術(shù)更是在石油勘探方面發(fā)揮了不可忽視的作用。中國石油勘探開發(fā)研究院石油遙感所，先后在塔里木、四川、中原、柴達(dá)木、冀東、南方14省中小盆地等開展地質(zhì)研究，還有對東北裂谷

13、、百色盆地等區(qū)域開展的遙感構(gòu)造地質(zhì)研究與油氣資源評價(jià)，為油氣勘探提供了重要的參考依據(jù). （二）其他領(lǐng)域的應(yīng)用 數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程、通信工程、工業(yè)和工程、軍事公安、文化藝術(shù)、機(jī)器人視覺、視頻和多媒體系統(tǒng)、科學(xué)可視化、電子商務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛，而且很有成效。醫(yī)用顯微圖像的處理分析以及在X光肺部圖像增晰、超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學(xué)診斷方面都廣泛地應(yīng)用圖像處理技術(shù)；將電話、電視和計(jì)算機(jī)以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通信網(wǎng)上傳輸并傳送彩色圖像信號(hào)必須通過圖像處理采用編碼技術(shù)來壓縮信息；圖像處理技術(shù)也對自動(dòng)裝配線中檢測零件的質(zhì)量、印刷電路板疵病檢查以及彈性力學(xué)照片的應(yīng)力分析作出了很大貢獻(xiàn)；公安業(yè)務(wù)圖片的判讀分析，指紋識(shí)別，人臉鑒別，不完整圖片的復(fù)原，以及交通監(jiān)控、事故分析都涉及到圖像處理技術(shù)。5五、總結(jié)其實(shí)，數(shù)字圖像處理在航空航天方面的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，航天器對目標(biāo)的精確定位、GPS衛(wèi)星對交通情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還有許多方面是離不開數(shù)字圖像處理技術(shù)的?；蛟S細(xì)心留意，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)生活中的各個(gè)方面都已經(jīng)與這門學(xué)科建立了深度的聯(lián)系。我相信數(shù)字圖像