計(jì)算機(jī)視覺原理

計(jì)算機(jī)視覺是一門研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)，更進(jìn)一步的說(shuō)，就是是指用攝影機(jī)和電腦代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量等機(jī)器視覺，并進(jìn)一步做圖形處理，使電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測(cè)的圖像。作為一個(gè)科學(xué)學(xué)科，計(jì)算機(jī)視覺研究相關(guān)的理論和技術(shù)，試圖建立能夠從圖像或者多維數(shù)據(jù)中獲取‘信息’的人工智能系統(tǒng)。這里所 指的信息指Shannon定義的，可以用來(lái)幫助做一個(gè)“決定”的信息。因?yàn)楦兄梢钥醋魇菑母泄?a target="_blank">信號(hào)中提 取信息，所以計(jì)算機(jī)視覺也可以看作是研究如何使人工系統(tǒng)從圖像或多維數(shù)據(jù)中“感知”的科學(xué)。

計(jì)算機(jī)視覺就是用各種成像系統(tǒng)代替視覺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)視覺觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力。要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力才能達(dá)到的目標(biāo)。因此，在實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)以前，人們努力的中期目標(biāo)是建立一種視覺系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能依據(jù)視覺敏感和反饋的某種程度的智能完成一定的任務(wù)。例如，計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是自主車輛的視覺導(dǎo)航，還沒有條件實(shí)現(xiàn)像人那樣能識(shí)別和理解任何環(huán)境，完成自主導(dǎo)航的系統(tǒng)。因此，人們努力的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在高速公路上具有道路跟蹤能力，可避免與前方車輛碰撞的視覺輔助駕駛系統(tǒng)。這里要指出的一點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)起代替人腦的作用，但并不意味著計(jì)算機(jī)必須按人類視覺的方法完成視覺信息的處理。計(jì)算機(jī)視覺可以而且應(yīng)該根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行視覺信息的處理。但是，人類視覺系統(tǒng)是迄今為止，人們所知道的功能最強(qiáng)大和完善的視覺系統(tǒng)。如在以下的章節(jié)中會(huì)看到的那樣，對(duì)人類視覺處理機(jī)制的研究將給計(jì)算機(jī)視覺的研究提供啟發(fā)和指導(dǎo)。因此，用計(jì)算機(jī)信息處理的方法研究人類視覺的機(jī)理，建立人類視覺的計(jì)算理論，也是一個(gè)非常重要和信人感興趣的研究領(lǐng)域。這方面的研究被稱為計(jì)算視覺（Computational Vision）。計(jì)算視覺可被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)研究領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用

人類正在進(jìn)入信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)將越來(lái)越廣泛地進(jìn)入幾乎所有領(lǐng)域。一方面是更多未經(jīng)計(jì)算機(jī)專業(yè)訓(xùn)練的人也需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)，而另一方面是計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)，使用方法越來(lái)越復(fù)雜。這就使人在進(jìn)行交談和通訊時(shí)的靈活性與在使用計(jì)算機(jī)時(shí)所要求的嚴(yán)格和死板之間產(chǎn)生了尖銳的矛盾。人可通過(guò)視覺和聽覺，語(yǔ)言與外界交換信息，并且可用不同的方式表示相同的含義，而計(jì)算機(jī)卻要求嚴(yán)格按照各種程序語(yǔ)言來(lái)編寫程序，只有這樣計(jì)算機(jī)才能運(yùn)行。為使更多的人能使用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)，必須改變過(guò)去的那種讓人來(lái)適應(yīng)計(jì)算機(jī)，來(lái)死記硬背計(jì)算機(jī)的使用規(guī)則的情況。而是反過(guò)來(lái)讓計(jì)算機(jī)來(lái)適應(yīng)人的習(xí)慣和要求，以人所習(xí)慣的方式與人進(jìn)行信息交換，也就是讓計(jì)算機(jī)具有視覺、聽覺和說(shuō)話等能力。這時(shí)計(jì)算機(jī)必須具有邏輯推理和決策的能力。具有上述能力的計(jì)算機(jī)就是智能計(jì)算機(jī)。

智能計(jì)算機(jī)不但使計(jì)算機(jī)更便于為人們所使用，同時(shí)如果用這樣的計(jì)算機(jī)來(lái)控制各種自動(dòng)化裝置特別是智能機(jī)器人，就可以使這些自動(dòng)化系統(tǒng)和智能機(jī)器人具有適應(yīng)環(huán)境，和自主作出決策的能力。這就可以在各種場(chǎng)合取代人的繁重工作，或代替人到各種危險(xiǎn)和惡劣環(huán)境中完成任務(wù)。

應(yīng)用范圍從任務(wù)，比如工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)，比方說(shuō)，檢查瓶子上的生產(chǎn)線加速通過(guò)，研究為人工智能和計(jì)算機(jī)或機(jī)器人，可以理解他們周圍的世界。計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器視覺領(lǐng)域有顯著的重疊。計(jì)算機(jī)視覺涉及的被用于許多領(lǐng)域自動(dòng)化圖像分析的核心技術(shù)。機(jī)器視覺通常指的是結(jié)合自動(dòng)圖像分析與其他方法和技術(shù)，以提供自動(dòng)檢測(cè)和機(jī)器人指導(dǎo)在工業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)過(guò)程。在許多計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)被預(yù)編程，以解決特定的任務(wù)，但基于學(xué)習(xí)的方法現(xiàn)在正變得越來(lái)越普遍。計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的實(shí)例包括用于系統(tǒng)：

（1）控制過(guò)程，比如，一個(gè)工業(yè)機(jī)器人 ；

（2）導(dǎo)航，例如，通過(guò)自主汽車或移動(dòng)機(jī)器人；

（3）檢測(cè)的事件，如，對(duì)視頻監(jiān)控和人數(shù)統(tǒng)計(jì) ；

（4）組織信息，例如，對(duì)于圖像和圖像序列的索引數(shù)據(jù)庫(kù)；

（5）造型對(duì)象或環(huán)境，如，醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)或地形模型；

（6）相互作用，例如，當(dāng)輸入到一個(gè)裝置，用于計(jì)算機(jī)人的交互；

（7）自動(dòng)檢測(cè)，例如，在制造業(yè)的應(yīng)用程序。

其中最突出的應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療計(jì)算機(jī)視覺和醫(yī)學(xué)圖像處理。這個(gè)區(qū)域的特征的信息從圖像數(shù)據(jù)中提取用于使患者的醫(yī)療診斷的目的。通常，圖像數(shù)據(jù)是在形式顯微鏡圖像，X射線圖像，血管造影圖像，超聲圖像和斷層圖像。的信息，可以從這樣的圖像數(shù)據(jù)中提取的一個(gè)例子是檢測(cè)的腫瘤，動(dòng)脈粥樣硬化或其他惡性變化。它也可以是器官的尺寸，血流量等。這種應(yīng)用領(lǐng)域還支持通過(guò)提供新的信息，醫(yī)學(xué)研究的測(cè)量例如，對(duì)腦的結(jié)構(gòu)，或約醫(yī)學(xué)治療的質(zhì)量。計(jì)算機(jī)視覺在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還包括增強(qiáng)是由人類的解釋，例如超聲圖像或X射線圖像，以降低噪聲的影響的圖像。

第二個(gè)應(yīng)用程序區(qū)域中的計(jì)算機(jī)視覺是在工業(yè)，有時(shí)也被稱為機(jī)器視覺，在那里信息被提取為支撐的制造工序的目的。一個(gè)例子是質(zhì)量控制，其中的信息或最終產(chǎn)品被以找到缺陷自動(dòng)檢測(cè)。另一個(gè)例子是，被拾取的位置和細(xì)節(jié)取向測(cè)量由機(jī)器人臂。機(jī)器視覺也被大量用于農(nóng)業(yè)的過(guò)程，從散裝材料，這個(gè)過(guò)程被稱為去除不想要的東西，食物的光學(xué)分揀。

軍事上的應(yīng)用很可能是計(jì)算機(jī)視覺最大的地區(qū)之一。最明顯的例子是探測(cè)敵方士兵或車輛和導(dǎo)彈制導(dǎo)。更先進(jìn)的系統(tǒng)為導(dǎo)彈制導(dǎo)發(fā)送導(dǎo)彈的區(qū)域，而不是一個(gè)特定的目標(biāo)，并且當(dāng)導(dǎo)彈到達(dá)基于本地獲取的圖像數(shù)據(jù)的區(qū)域的目標(biāo)做出選擇?，F(xiàn)代軍事概念，如“戰(zhàn)場(chǎng)感知”，意味著各種傳感器，包括圖像傳感器，提供了豐富的有關(guān)作戰(zhàn)的場(chǎng)景，可用于支持戰(zhàn)略決策的信息。在這種情況下，數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，用于減少?gòu)?fù)雜性和融合來(lái)自多個(gè)傳感器的信息，以提高可靠性。

一個(gè)較新的應(yīng)用領(lǐng)域是自主車，其中包括潛水，陸上車輛（帶輪子，轎車或卡車的小機(jī)器人），高空作業(yè)車和無(wú)人機(jī)（UAV）。自主化水平，從完全獨(dú)立的（無(wú)人）的車輛范圍為汽車，其中基于計(jì)算機(jī)視覺的系統(tǒng)支持驅(qū)動(dòng)程序或在不同情況下的試驗(yàn)。完全自主的汽車通常使用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，即知道它在哪里，或用于生產(chǎn)的環(huán)境（地圖SLAM）和用于檢測(cè)障礙物。它也可以被用于檢測(cè)特定任務(wù)的特定事件，例如，一個(gè)UAV尋找森林火災(zāi)。支承系統(tǒng)的例子是障礙物警報(bào)系統(tǒng)中的汽車，以及用于飛行器的自主著陸系統(tǒng)。數(shù)家汽車制造商已經(jīng)證明了系統(tǒng)的汽車自動(dòng)駕駛，但該技術(shù)還沒有達(dá)到一定的水平，就可以投放市場(chǎng)。有軍事自主車型，從先進(jìn)的導(dǎo)彈，無(wú)人機(jī)的偵察任務(wù)或?qū)椀闹茖?dǎo)充足的例子。太空探索已經(jīng)正在使用計(jì)算機(jī)視覺，自主車比如，美國(guó)宇航局的火星探測(cè)漫游者和歐洲航天局的ExoMars火星漫游者。

其他應(yīng)用領(lǐng)域包括：

（1）支持視覺特效制作的電影和廣播，例如，攝像頭跟蹤（運(yùn)動(dòng)匹配）。

（2）監(jiān)視。