第一章--绪论-数字成像技术及系统

1、数字成像技术与系统数字成像技术与系统主讲：主讲： 聂亮聂亮Email: 课程介绍课程介绍课程性质课程性质： 数字成像技术与系统是光信息科学与技术专业的专业数字成像技术与系统是光信息科学与技术专业的专业课。本课程隶属于光电信息技术课群。课。本课程隶属于光电信息技术课群。课程主线：课程主线： 数字影像的输入；数字影像的输入； 数字影像的输出；数字影像的输出； 数字影像的处理；数字影像的处理； 数字成像技术的综合应用。数字成像技术的综合应用。课程介绍课程介绍基础课程：基础课程： 大学物理、物理光学、应用光学、信号与系统、光大学物理、物理光学、应用光学、信号与系统、光电信号检测、数字信号处理、数字图像

2、处理等。电信号检测、数字信号处理、数字图像处理等。教学目的教学目的: 通过学习本课使学生掌握数字成像系统的主要组通过学习本课使学生掌握数字成像系统的主要组成部分。通过学习典型数字成像系统的基本原理及成部分。通过学习典型数字成像系统的基本原理及应用，掌握从光电信息获取、传输、信息处理、显应用，掌握从光电信息获取、传输、信息处理、显示、控制等环节的主要技术。为今后进入社会从事示、控制等环节的主要技术。为今后进入社会从事光电相关专业的研究工作打下好基础。光电相关专业的研究工作打下好基础。课程介绍课程介绍 基本原则：基本原则： 由于光电技术发展很快，就目前我们的学习而由于光电技术发展很快，就目前我们的

3、学习而言，我们应着眼于基础理论和关键技术，对最具言，我们应着眼于基础理论和关键技术，对最具代表性的主要数字成像系统作专题讲述。如果在代表性的主要数字成像系统作专题讲述。如果在以后的工作或学习中需要其他应用，则根据课程以后的工作或学习中需要其他应用，则根据课程中所讲基本原理加上相应的技术资料进行解决。中所讲基本原理加上相应的技术资料进行解决。 参考书籍参考书籍n数字成像基础及系统技术数字成像基础及系统技术，晏磊等，电子工业出版社，晏磊等，电子工业出版社。n现代空间光电系统及其应用现代空间光电系统及其应用，宋丰华等，国防工业出，宋丰华等，国防工业出版社版社。n现代光电信息实用技术现代光电信息实用技

4、术，雷玉堂，电子工业出版社。，雷玉堂，电子工业出版社。n目标探测与识别目标探测与识别周立伟，北京理工大学出版社周立伟，北京理工大学出版社.n光电图像处理光电图像处理，刘文耀，电子工业出版社。，刘文耀，电子工业出版社。n光电仪器设计光电仪器设计，高明等编著，高明等编著.西北工业大学出版社。西北工业大学出版社。n现代实用光学系统现代实用光学系统，陈海清主编，陈海清主编，华中科技大学，华中科技大学出版出版社社。 第第1 1章章 数字成像技术与系统概述数字成像技术与系统概述1.1影像与信息科学1.2 数字成像技术历史1.3 数字成像系统现状1.1影像与信息科学1.2 数字成像技术历史n20世纪60年代

5、，美国最早推出CCD芯片；n20世纪90年代，数字成像技术的“爆发”时代液晶LCD市场化数字影像输入输出组合技术迅速发展。影像科学发展转折点：n 20世纪90年代以前化学感光（胶片）n 20世纪90年代以后数字成像技术1.3 数字成像系统现状n1.3.1数字影像获取技术数字影像获取技术n1.3.1.1静态获取静态获取扫描与缩微扫描与缩微 1、数字扫描技术、数字扫描技术平板式扫描仪扫描仪原理n扫描仪扫描图像的步骤是扫描仪扫描图像的步骤是:首先将欲扫描的原稿正首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，原稿可以是文字稿件面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，原稿可以是文字稿件或者图纸照片或者图纸照片;然

6、后启动扫描仪驱动程序后，安装在然后启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。为了均匀照扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿y方向扫过整个方向扫过整个原稿原稿;照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成沿缝隙，形成沿x方向的光带，又经过一组反光镜，由方向的光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的三条彩色光带分别照到各自的C

7、CD上，上，CCD将将RGB光带转变为模拟电子信号，此光带转变为模拟电子信号，此信号又被信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。变换器转变为数字电子信号。 扫描仪分类三维扫描仪2、数字缩微技术n缩微摄影技术是利用拍照的原理，高倍缩小档案尺缩微摄影技术是利用拍照的原理，高倍缩小档案尺寸，采用化学成像法，将档案原文存储在胶片上，将寸，采用化学成像法，将档案原文存储在胶片上，将纸质载体档案转化为胶片为载体的档案，利用时根据纸质载体档案转化为胶片为载体的档案，利用时根据一定的编排规则查阅所需文件资料，将胶片放到阅片一定的编排规则查阅所需文件资料，将胶片放到阅片机上拷贝复制。缩微摄影技术经过多年的不断发

8、展和机上拷贝复制。缩微摄影技术经过多年的不断发展和完善，已成为档案管理的主要技术手段。完善，已成为档案管理的主要技术手段。现如今，文档拍摄仪在借鉴缩微摄影技术的基础上，现如今，文档拍摄仪在借鉴缩微摄影技术的基础上，省去了胶片的环节，直接以数字格式存储于电脑中，省去了胶片的环节，直接以数字格式存储于电脑中，为文档的保存管理提供了更为便捷的方法。为文档的保存管理提供了更为便捷的方法。 1.3.1.2 数字影像的动态获取n1、数字摄像技术CCD/CMOS2、数字照相技术、数字照相技术数字化摄影机（照相机）的基本构成数字化摄影机（照相机）的基本构成: 镜镜头头芯芯片片CCDCPU自自动动调调焦焦存存储

9、储器器LCD彩彩色色录录象象机机PC数数码码相相机机摄录象机摄录象机光圈控制1.3.2数字影像输出技术n分为：硬拷贝和软拷贝。分为：硬拷贝和软拷贝。1.3.2.1 数字影像的硬拷贝输出数字影像的硬拷贝输出1、数字打印技术、数字打印技术n针式打印方式；针式打印方式；n喷墨打印方式；喷墨打印方式；n激光打印方式。激光打印方式。n针式打印方式：针式打印方式： 针式打印机的打印原理是通过打印针对色带的针式打印机的打印原理是通过打印针对色带的机械撞击，在打印介质上产生小点，最终由小机械撞击，在打印介质上产生小点，最终由小点组成所需打印的对象。点组成所需打印的对象。 喷墨打印方式n喷墨打印机的关键技术是墨

10、头技术，而墨头类喷墨打印机的关键技术是墨头技术，而墨头类型一般是热汽泡或微压电技术。型一般是热汽泡或微压电技术。n存在问题：速度慢，对普通纸张打印质量低。存在问题：速度慢，对普通纸张打印质量低。激光打印机 n激光打印机采用的是电子照相技术。该技术利用激光束扫激光打印机采用的是电子照相技术。该技术利用激光束扫描光鼓，通过控制激光束的开与关使传感光鼓吸与不吸墨描光鼓，通过控制激光束的开与关使传感光鼓吸与不吸墨粉，光鼓再把吸附的墨粉转印到纸上而形成打印结果。粉，光鼓再把吸附的墨粉转印到纸上而形成打印结果。n激光打印机的整个打印过程可以分为控制器处理阶段、墨激光打印机的整个打印过程可以分为控制器处理阶

11、段、墨影及转印阶段。影及转印阶段。n优点：优点：n（1）高密度。）高密度。4800dpin（2）高速度。一般为）高速度。一般为16ppmn（3）噪音低。一般在）噪音低。一般在53dB以下以下n（4）处理能力强。控制器中有）处理能力强。控制器中有CPU，有内存，控制器相，有内存，控制器相当于计算机的主板，所以它可以进行复杂的文字处理、图当于计算机的主板，所以它可以进行复杂的文字处理、图像处理、图形处理。像处理、图形处理。 2、数字复印技术n首先通过首先通过CCD（电荷耦合器件）传感器对通过暴光、扫描（电荷耦合器件）传感器对通过暴光、扫描产生的原稿的光学模拟图像信号进行光电转换，然后将经产生的原稿

12、的光学模拟图像信号进行光电转换，然后将经过数字技术处理的图像信号输入到激光调制器，调制后的过数字技术处理的图像信号输入到激光调制器，调制后的激光束对被充电的感光鼓进行扫描，在感光鼓上产生有点激光束对被充电的感光鼓进行扫描，在感光鼓上产生有点组成的静电潜像，再经过显影、转印、定影等步骤，完成组成的静电潜像，再经过显影、转印、定影等步骤，完成复印过程。复印过程。 3、数字传真技术n数字传真与普通传真的区别：从过去的模拟传输，变成了数字传真与普通传真的区别：从过去的模拟传输，变成了先进的数字传输。即可以联接到目前的互联网上进行通信先进的数字传输。即可以联接到目前的互联网上进行通信，因而具有图像质量好

13、，传输速度高等优点。，因而具有图像质量好，传输速度高等优点。4、数字感光扩印技术n数字感光扩印机其基本工作原理简单的说来就是在扩印机数字感光扩印机其基本工作原理简单的说来就是在扩印机前端加一个电子计算机，将各种来源的图像的光电信号转前端加一个电子计算机，将各种来源的图像的光电信号转换成模拟信号，再将这模拟信号通过电子计算机前端的模换成模拟信号，再将这模拟信号通过电子计算机前端的模数转换器，转换成电子计算机可以认别的数字信号，由数转换器，转换成电子计算机可以认别的数字信号，由电子计算机进行分析处理，再通过制图软件对所输入的数电子计算机进行分析处理，再通过制图软件对所输入的数字图片信号进行修改、加

14、工，对加工好的图片信号通过曝字图片信号进行修改、加工，对加工好的图片信号通过曝光系统，把影像投射到感光相纸上，最后通过冲洗工艺制光系统，把影像投射到感光相纸上，最后通过冲洗工艺制成照片。成照片。 数字感光机用的还是传统的彩色照相纸，不同的是相纸的数字感光机用的还是传统的彩色照相纸，不同的是相纸的曝光已经改为由计算机控制的特殊光源将图像信息投射到曝光已经改为由计算机控制的特殊光源将图像信息投射到相纸上进行曝光的数码曝光系统，接下来的事情仍然是传相纸上进行曝光的数码曝光系统，接下来的事情仍然是传统的显影、定影的冲洗工艺，就这样，一张张数码照片就统的显影、定影的冲洗工艺，就这样，一张张数码照片就出来

15、了！出来了！ 1.3.2.2 数字影像的软拷贝输出n1、数字投影机技术、数字投影机技术nCRT、LCD、DLPn（1）CRT显示器显示器(学名为学名为“阴极射线显像管阴极射线显像管”)是这样是这样一种装置，它主要由一种装置，它主要由电子枪电子枪、偏转线圈偏转线圈、荫罩荫罩、高压石墨、高压石墨电极和电极和荧光粉荧光粉涂层和涂层和玻璃玻璃外壳五部分组成。其中玻璃外壳外壳五部分组成。其中玻璃外壳也叫也叫荧光屏荧光屏。（2）LCDnLCD液晶投影机液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单

16、元的透射率及反射率，从而产电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达生不同灰度层次及多达1670万种色彩的靓丽万种色彩的靓丽图像。图像。LCD投影机的主要成像器件是液晶板。投影机的主要成像器件是液晶板。 （3）DLPnDLP是是“Digital Light Procession”的缩写，即为数的缩写，即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI（德州仪（德州仪器）公司开发的数字微镜元件器）公司开发的数字微镜元件DMD（Digital Micromu

17、rror Device）来完成显示数字可视信息的）来完成显示数字可视信息的技术。说得具体点，就是技术。说得具体点，就是DLP投影技术投影技术应用了数字微应用了数字微镜晶片（镜晶片（DMD）来作为主要关键元件以实现数字光）来作为主要关键元件以实现数字光学处理过程。其原理是将灯光发射出的光源通过冷凝学处理过程。其原理是将灯光发射出的光源通过冷凝透镜，将光均匀化，然后通过一个色轮（透镜，将光均匀化，然后通过一个色轮（Color Wheel），将光分成），将光分成RGB三色（或者更多色），再将三色（或者更多色），再将色彩由透镜投射在色彩由透镜投射在DND上，最后经过投影镜头投影成上，最后经过投影镜头投

18、影成像。像。DMD2、数字投影电视技术n 投影机作为终端显示设备，若具备接收、投影机作为终端显示设备，若具备接收、解调由数字电视信号调制的射频信号，并能解解调由数字电视信号调制的射频信号，并能解码、显示数字电视视频信号，就称为电视投影码、显示数字电视视频信号，就称为电视投影机。机。3、数字投影光引擎技术1.3 数字成像技术的应用n1.3.1 虚拟与增强现实虚拟与增强现实n增强现实增强现实(AR)技术将计算机生成的虚技术将计算机生成的虚拟对象与真实世界进行融合拟对象与真实世界进行融合,构造出虚构造出虚实结合的虚拟空间。有三个特点：真实结合的虚拟空间。有三个特点：真实和虚拟结合实和虚拟结合,实时交互实时交互,真实和虚拟真实和虚拟对象进行定位对象进行定位.1.3.2 遥感成像系统1.3.3 电子稳像技术n电子稳像技术广泛应用于机器人远程遥控系统、无电子稳像技术广泛应用于机器人远程遥控系统、无人车辆导航系统、视频侦察系统、导弹电视制导系人车辆导航系统、视频侦察系统、导弹电视制导系统以及车载火控系统中的观瞄系统等统以及车载火控系统中的观瞄系统等,是电视精确是电视精确制导、目标检测与跟踪的关键预处理技术制导、目标检测与跟踪的关键预处理技术,是移动是移动成像系统不可缺少的一种重要视频增强技术。成像系统不可缺少的一种重要视频增强技术。 n电子稳像系统主要是由图像预处理、运动估计和运