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1、,中国科学技术大学自动化系,汪 增 福,图像测量技术,第一章 概论,第一章 概论,测量的定义和分类 图像的定义和分类 图像测量的定义和分类 图像测量的主要内容 图像测量系统的基本构成 图像测量和相关的学科领域 图像测量的应用领域,测量的定义和分类,几个实例：,需要对所用的米量及水量进行测量。另外，为了实现对时间和火候的控制，也需要对时间和温度进行测量。,需要对所用素材和调味品的数量以及对时间和温度进行测量。,需要完成对来球的方向、速度以及旋转等参数的测量。,需要完成对距离的测量以及对地形条件和场地的软硬程度等的测量。,需要完成对尺寸的测量。,需要完成对障碍物有无的测量。,烹调,家具制作,高尔夫
2、球,棒球,盲人探路,煮饭,测量的定义和分类,完成测量的方法：,借助于使用某种测量工具。例如，像用来计量体积的量器、用来测量时间的时钟、用来测量温度的温度计、用来测量距离的测距仪、用来测量物体运动速度的速度计以及用来探路的棍棒等。,根据以往的视觉经验或是其它的感觉经验。,测量的定义和分类,被测量的种类：,物理量,面部表情言语声调表情身段姿态表情,物体的长度事象所经历的时间物体的空间位置物体的运动速度物体表面的温度分布,非物理量,测量的定义和分类,测量的定义,所谓测量是指通过一定的技术手段确定被测对象的空间、时间、温度、速度、功能、心理素质和情绪等有关参数或者特性的过程。,测量的定义和分类,解决测
3、量问题的关键所在,确立一定的手段以给出被测量的有关数值。,所谓一定的手段包含两个方面的内容,把特定的被测量按一定的规律转换成某种可用信息输出。,对输出的可用信息进行处理以确定被测量的有关数值。,测量的定义和分类,（1）按测量过程中是否与被测对象相接触可以将测量分为接触式和非接触式两大类。,用接触式测量法测量东西的长度,用非接触式测量法测量来球的方向和速度,测量的分类,测量的定义和分类,测量的分类,非接触式测量的优点：通过非接触式测量，我们可以方便地完成接触式测量方法不能胜任的许多任务。,用红外测距原理测量照相机到被摄对象的大致距离以实现照相机的实时自动变焦功能。,根据雷达测距原理检测远在数百公
4、里之外的飞机、舰船等动目标以达到对其进行实时监视之目的。,测量的定义和分类,（2）按所用方法测量被测量的能力可以将测量分为点式和分布式两大类。,测量的分类,用点式测量法测量火焰的温度,用分布式测量法测量火焰的温度分布,测量的定义和分类,分布式测量方法的优点：相比于点式测量一次仅能够获得单个被测量的测量数值而言，分布式测量一次能够对分布在空间的多个被测量同时进行测量。,测量的分类,测量的定义和分类,（3）按所用测量方法是否主动投射能量或是使用某种辅助工具可以将测量分为主动式和被动式两大类。,测量的分类,音源分布的被动测量,用雷达实现主动式测量,测量的定义和分类,测量的分类,主、被动式两种测量方法
5、各有特点：被动式测量依据一定的几何和物理定律，对直接来自被测对象的、不受观测者控制的某种可用信息进行处理以获得被测对象有关参量的数值。而主动式测量除了被动式测量的有关特征之外，通过投射能量或是使用某种辅助工具等手段主动地对被测对象施加影响以求获得更好的测量效果。,测量的定义和分类,测量的分类,被动式测量不需要向被测对象投射能量。因此，其隐蔽性好、适应能力强，不受被测对象特性的影响，能工作于各种实际的环境。但是，和主动式测量相比，其稳定性及测量精度一般较差，计算代价也较高。,主动式测量利用向被测对象投射能量等方式来完成所要求的测量任务。一般而言，其稳定性好、可靠性及测量精度高，计算代价相对也低。
6、但是，由于要向被测对象投射包括可见光在内的电磁波和超声波等形式的能量，其隐蔽性差，而且易受被测对象反射特性的影响。,测量的定义和分类,（4）其它的一些分类方法,测量的分类,心理测量电子测量电磁测量地形测量机械测量化学测量,图像的定义和分类,图像的定义：,所谓图像是指用各种可能的观测系统以各种可能的方式和手段对外部世界进行观测所获得的关于被测对象的一种初始的描述和真实的记录。,在数学上，一幅图像可以用一个定义在二维空间XY上的实函数f(x,y)来表示。所述的二维空间XY被称作图像平面，图像平面上的点(x,y)被称作像点，而定义在二维空间XY上的实函数f(x,y)则被称作图像函数。图像函数在各像点
7、处的取值反映了被测对象在三维空间中相应点处的某种特性。,图像的定义和分类,例如，对于一幅单色图片而言，图像函数在各像点处的取值表示被测对象在相应空间点处的灰度：这里，代表实际成像系统中的像场，为视觉系统的相对视敏函数，即视觉系统的光谱响应。,图像的定义和分类,有时候需要用多个图像函数来表示一幅图像。例如，彩色图像和多光谱图像就属于这种情况。对于这样的图像我们用下述图像函数向量来表示：上面所涉及到的图像函数是在空间和取值上连续的图像函数。相应的图像称之为模拟图像。在实际应用中，为了能用数字计算机对输入图像进行处理，一般需要对输入模拟图像在空间和取值上进行相应的离散化处理。为了有别于模拟图像，我们
8、把经离散化处理后所得到的图像称之为数字图像。,图像的定义和分类,图像的数字化 Step 1.对连续图像的空间坐标进行离散化处理。Step 2.对图像函数的灰度值进行离散化处理。,图像的定义和分类,可以根据图像的种类、形式以及产生方法的差异等因素对图像进行分类。,图像测量的定义和分类,图像测量的定义：所谓图像测量是指以图像输入及其图像处理为手段以确定被测对象的空间、时间、温度、速度、功能、心理素质和情绪等有关参数或者特性的过程。,图像测量的定义和分类,按照上面对测量的分类，图像测量显然应属于分布式测量的范畴。而且，在大多数情况下图像测量的过程中不存在与被测对象进行接触的问题，因此，图像测量又可以
9、归属于非接触式测量的范畴。图像测量所具有的上述特点使得图像测量具有许多明显的优点。例如，由于不需要重复多次地进行测量即可方便地得到被测量的空间分布，因此，测量效率高；同时由于在测量过程中不需要和被测对象进行接触，因此，具有较大的使用灵活性等等。因此，它在广泛的领域内获得了很好的应用。,图像测量的主要内容,图像测量图像采集图像处理前者把特定的被测量按一定的物理效应转换成可用的图像信息输出。后者则通过对输出的可用图像信息进行处理以确定被测量空间分布的有关数值。从被测量到可用图像信息之间的转换是完成图像测量的基础。而从可用图像信息出发经过计算以得到所需测量结果的过程则是图像测量的精华所在。为了实现从
10、被测量到可用图像信息之间的转换，需要了解成像过程中的各种物理效应和几何关系。,图像测量的主要内容,概论（2学时）图像和图像模型（8学时）图像测量系统（5学时）图像预处理技术（15学时）三维测量的原理和手法（15学时）基于二值图像的测量手法（2学时）基于灰度图像的测量手法（3学时）基于彩色图像的测量手法（2学时）基于距离图像的测量手法（3学时）三维形状建模和物体识别（2学时）图像测量在相关领域中的应用（3学时）,图像测量系统的基本构成,照明,图像采集,图像处理,结果输出,图像存储,图像表示,A/D变换,强度,构造等,图 像 处 理,照明控制,图像测量和相关的学科领域,从系统的角度来看，图像传感器
11、和计算机构成了图像测量系统的硬件基础。离开了图像传感器、计算机和包括图像存储器在内的相应的外部设备，图像测量系统只能是纸上谈兵，也就无任何实用性可言。图像测量和图像处理、模式识别以及机器人视觉等学科之间，无论从系统构成还是从处理内容来看，均存在着千丝万缕的联系。它们之间的关系是互补的，既相互渗透、相互作用，又存在区别。,图像测量和相关的学科领域,从狭义的意义上来说，数字图像处理是指对输入图像进行加工将其变换成质量上有所改善的图像的过程。从广义的意义上来看，数字图像处理则包括了更为广泛的内容。它不仅包括了上述图像变换的内容，也包括了图像分割和描述的内容以及属于图像测量、计算机视觉和模式识别领域的
12、大部分内容。在这种情形下，系统的输出结果不再仅仅是图像，它也可以是关于输入图像的某种描述或者是某种分类结果。,图像传感器,被测对象,输入图像,输出图像,图像变换,图像测量和相关的学科领域,图像测量是指从输入图像中检测出被测对象并确定出它的有关参数或者特性的过程。输出可以是以图像形式表示的测量结果（比如，表示被测对象空间位置分布的距离图像。但不是简单的图像变换），也可以是关于被测对象的个数、面积、形状等参数或特性的数值描述。,图像测量和相关的学科领域,以图像为处理对象的模式识别的任务是从输入图像中抽取出感兴趣的物体，并根据该物体的诸如尺寸、面积、形状等图像特征以及关于这些特征间的结构信息对其进行
13、分类或给出关于该物体的描述。,图像变换,被测对象,输入图像,模式表达,图像测量,模式识别,样本模式,特征抽取,图像传感器,图像测量和相关的学科领域,计算机视觉的目的是让计算机系统能够具有人类视觉的某些机能。即像人类一样能够从观测到的图像信息理解外部的三维世界。因此，计算机视觉也被称作图像理解。从广义的意义上说，图像理解包括了文字识别等在内的二维图像识别的内容。但是，它更侧重于包括三维信息在内的物体的不变特征的提取，并由此出发根据知识来达到理解外部的三维世界之目的。,被测对象,输入图像,预处理,图像,特征抽取,被测对象,的描述,图像测量,图像理解,知识库,图像传感器,图像变换,图像测量和相关的学
14、科领域,计算机图形学：涉及用计算机根据由概念或数学描述所表示的物体模型，生成并显示物体图像的过程。其侧重点在于根据给定的物体描述模型、光照条件以及想象中的摄像机的成像几何，生成特定情况下的逼真的或虚拟的图像。,图像测量和相关的学科领域,图像测量的应用领域,交通管制,三维信息获取,产品外观检查,工业自动化,图像识别与制导,宇宙探测,机器人感知,农业自动化,运动物体检测,预测预报,图像测量的应用领域,图像识别与制导,图像测量的应用领域,预测预报,图像测量的应用领域,运动物体检测,图像测量的应用领域,三维信息获取,图像测量的应用领域,宇宙探测,图像测量的应用领域,宇宙探测,图像测量的应用领域,机器人感知,图像测量的应用领域,工业自动化,图像测量的应用领域,图像检索,图像测量的应用领域,对象提取,图像测量的应用领域,其它的应用举例 柔性生产线 产品外观检查 农业自动化 交通管制,END,
