計(jì)算機(jī)視覺(jué)概況

計(jì)算機(jī)視覺(jué)概況孟春嬋測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器一、定義

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)機(jī)理獲取和處理信息的能力。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備對(duì)生物視覺(jué)的一種模擬。它的主要任務(wù)就是通過(guò)對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息，就像人類(lèi)和許多其他類(lèi)生物每天所做的那樣。計(jì)算機(jī)視覺(jué)要達(dá)到的基本目的至少有三個(gè)：

1.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖象計(jì)算出觀察點(diǎn)到目標(biāo)物體的距離;

2.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖象計(jì)算出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

3.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖象計(jì)算出目標(biāo)物體的表面物理特性；

要達(dá)到的最終目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)于三維景物世界的理解,即實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)系統(tǒng)的某些功能。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的本質(zhì)問(wèn)題——利用二維投影圖象來(lái)重構(gòu)三維物體的可視部分。計(jì)算機(jī)視覺(jué)既是工程領(lǐng)域，也是科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)富有挑戰(zhàn)性重要研究領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一門(mén)綜合性的學(xué)科，它已經(jīng)吸引了來(lái)自各個(gè)學(xué)科的研究者參加到對(duì)它的研究之中。其中包括計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程、信號(hào)處理、物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)，神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)等。

二、計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究方法與內(nèi)容1、交叉學(xué)科涉及幾何(射影幾何、空間解析幾何)、線性代數(shù)、概率、隨機(jī)過(guò)程、優(yōu)化方法、信息論、生理學(xué)、心理學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等2、主要方法從簡(jiǎn)化世界出發(fā)(早期的主要手段)恢復(fù)精確三維形狀3、研究?jī)?nèi)容立體視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)視覺(jué)、ShapefromX、高層表示與推理、視覺(jué)學(xué)習(xí)、主動(dòng)視覺(jué)三、視覺(jué)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式很大程度上依賴于其具體應(yīng)用方向。有些是獨(dú)立工作的，用于解決具體的測(cè)量或檢測(cè)問(wèn)題；也有些作為某個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)的組成部分出現(xiàn)，比如和機(jī)械控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，人機(jī)接口設(shè)備協(xié)同工作。計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法同時(shí)也由其功能決定——是預(yù)先固定的抑或是在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)學(xué)習(xí)調(diào)整。盡管如此，有些功能卻幾乎是每個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都需要具備的：

1、圖像獲取一幅數(shù)字圖像是由一個(gè)或多個(gè)圖像感知器產(chǎn)生，這里的感知器可以是各種光敏攝像機(jī)，包括遙感設(shè)備，X射線斷層攝影儀，雷達(dá)，超聲波接收器等。去絕不與同的感知器，產(chǎn)生的圖片可以是普通的二維圖像，三維圖組或者一個(gè)圖像序列。圖片的像素值往往對(duì)應(yīng)于光在一個(gè)或多個(gè)光譜段上的強(qiáng)度（灰度圖或彩色圖），但也可以是相關(guān)的各種物理數(shù)據(jù)，如聲波，電磁波或核磁共振的深度，吸收度或反射度。

2、預(yù)處理在對(duì)圖像實(shí)施具體的計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法來(lái)提取某種特定的信息前，一種或一些預(yù)處理往往被采用來(lái)使圖像滿足后繼方法的要求。例如：二次取樣保證圖像坐標(biāo)的正確；平滑去噪來(lái)濾除感知器引入的設(shè)備噪聲；提高對(duì)比度來(lái)保證實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息可以被檢測(cè)到；調(diào)整尺度空間使圖像結(jié)構(gòu)適合局部應(yīng)用。3、特征提取從圖像中提取各種復(fù)雜度的特征。例如：線、邊緣提取；局部化的特征點(diǎn)檢測(cè)如邊角檢測(cè)，斑點(diǎn)檢測(cè)；更復(fù)雜的特征可能與圖像中的紋理形狀或運(yùn)動(dòng)有關(guān)。4、檢測(cè)分割在圖像處理過(guò)程中，有時(shí)會(huì)需要對(duì)圖像進(jìn)行分割來(lái)提取有價(jià)值的用于后繼處理的部分，例如：篩選特征點(diǎn)；分割一或多幅圖片中含有特定目標(biāo)的部分。5、高級(jí)處理到了這一步，數(shù)據(jù)往往具有很小的數(shù)量，例如圖像中經(jīng)先前處理被認(rèn)為含有目標(biāo)物體的部分。這時(shí)的處理包括：驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)是否符合前提要求；估測(cè)特定系數(shù)，比如目標(biāo)的姿態(tài)，體積；對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)。四、主要研究的問(wèn)題比如簡(jiǎn)單幾何圖形識(shí)別，人臉識(shí)別，印刷或手寫(xiě)文件識(shí)別或者車(chē)輛識(shí)別。1、識(shí)別一個(gè)計(jì)算機(jī)視覺(jué)，圖像處理和機(jī)器視覺(jué)所共有的經(jīng)典問(wèn)題便是判定一組圖像數(shù)據(jù)中是否包含某個(gè)特定的物體，圖像特征或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2、運(yùn)動(dòng)基于序列圖像的對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)包含多種類(lèi)型，諸如：自體運(yùn)動(dòng)：監(jiān)測(cè)攝像機(jī)的三維剛性運(yùn)動(dòng)。圖像跟蹤：跟蹤運(yùn)動(dòng)的物體。3、場(chǎng)景重建給定一個(gè)場(chǎng)景的二或多幅圖像或者一段錄像，場(chǎng)景重建尋求為該場(chǎng)景建立一個(gè)計(jì)算機(jī)模型/三維模型。最簡(jiǎn)單的情況便是生成一組三維空間中的點(diǎn)。更復(fù)雜的情況下會(huì)建立起完整的三維表面模型。4、圖像恢復(fù)圖像恢復(fù)的目標(biāo)在于移除圖像中的噪聲，例如儀器噪聲，模糊等。五、視覺(jué)系統(tǒng)研究的三個(gè)層次計(jì)算機(jī)視覺(jué)就是用各種成象系統(tǒng)代替視覺(jué)器官作為輸入敏感手段，由計(jì)算機(jī)來(lái)代替大腦完成處理和解釋。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的最終研究目標(biāo)就是使計(jì)算機(jī)能象人那樣通過(guò)視覺(jué)觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力。1、計(jì)算理論層次信息處理的計(jì)算理論，研究的是對(duì)什么信息進(jìn)行計(jì)算和為什么要進(jìn)行這些計(jì)算。2、表達(dá)與算法層次

研究的是如何進(jìn)行所要求的計(jì)算，也就是要設(shè)計(jì)特定的算法，能把某種實(shí)體或某幾類(lèi)信息表達(dá)清楚的形式化系統(tǒng)。

3、硬件實(shí)現(xiàn)層次

研究完成某一特定算法的計(jì)算機(jī)構(gòu)。六、視覺(jué)信息處理的三個(gè)階段

按視覺(jué)信息的表示，可將視覺(jué)信息處理分為三個(gè)階段：1、初始簡(jiǎn)圖檢測(cè)亮度的變化，表示并分析局部的幾何結(jié)構(gòu)，以及檢測(cè)光源、強(qiáng)光部和透明度等照明效應(yīng)等，這一步得到的表示稱(chēng)為初始簡(jiǎn)圖。未處理的初始簡(jiǎn)圖：邊緣、線、點(diǎn)等，基元圖完全的初始簡(jiǎn)圖：對(duì)原始的基元進(jìn)行選擇、聚合和概括等過(guò)程來(lái)構(gòu)成更大、更為抽象的標(biāo)記。2、2.5維簡(jiǎn)圖建立包括表面朝向，觀察者的距離，以及朝向