计算机视觉概况

第一章绪论

1.1 计算机视觉概况

计算机视觉（computer vision）就是用计算机来模拟人的视觉机理获取和处理信息的能力。计算机视觉是一门研究如何使机器“看”的科学，更进一步的说，就是是指用摄像机和电脑代替人对目标进行识别、跟踪和测量等，并进一步做图形处理，用电脑处理成为更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像。作为一个科学学科，计算机视觉研究相关的理论和技术，试图建立能够从图像或者多维数据中获取…信息‟的人工智能系统。计算机视觉也可以看作是研究如何使人工系统从图像或多维数据中“感知”的科学。

计算机视觉是使用计算机及相关设备对生物视觉的一种模拟。它的主要任务就是通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的信息，就像人类和许多其他类生物每天所做的那样。计算机视觉既是工程领域，也是科学领域中的一个富有挑战性重要研究领域。计算机视觉是一门综合性的学科，它已经吸引了来自各个学科的研究者参加到对它的研究之中。其中包括计算机科学和工程、信息处理、物理学、应用数学和统计学，神经生理学和认知科学等。

1.1.1 计算机视觉研究内容

视觉是各个应用领域，如检验、制造业、医疗诊断、文档分析和军事等领域中各种智能系统中不可分割的一部分。由于它的重要性，一些先进国家，例如美国把对计算机视觉的研究列为对经济和科学有广泛影响的科学和工程中的重大基本问题，即所谓的重大挑战（grand challenge）。计算机视觉的挑战是要为计算机和机器人开发具有与人类水平相当的视觉能力。机器视觉需要图象信号，纹理和颜色建模，几何处理和推理，以及物体建模。一个有能力的视觉系统应该把所有这些处理都紧密地集成在一起。

作为一门学科，计算机视觉开始于60年代初，但在计算机视觉的基本研究中的许多重要进展是在80年代取得的。计算机视觉与人类视觉密切相关，对人类视觉有一个正确的认识将对计算机视觉的研究非常有益。为此我们将先介绍人类视觉。

由于人类正在进入信息时代，计算机将越来越广泛地进入几乎所有领域。一方面是更多未经计算机专业训练的人也需要应用计算机，而另一方面是计算机的功能越来越强，使用方法越来越复杂。这就使人在进行交谈和通讯时的灵活性与目前在使用计算机时所要求的严格和死板之间产生了尖锐的矛盾。人可通过视觉和听觉，语言与外界交换信息，并且可用不同的方式表示相同的含义，而目前的计算机却要求严格按照各种程序语言来编写程序，只有这样计算机才能运行。为使更多的人能使用复杂的计算机，必须改变过去的那种让人来适应计算机，来死记硬背计算机的使用规则的情况。而是反过来让计算机来适应人的习惯和要求，以人所习惯的方式与人进行信息交换，也就是让计算机具有视觉、听觉和说话等能力。这时计算机必须具有逻辑推理和决策的能力。具有上述能力的计算机就是智能计算机。智能计算机不但使计算机更便于为人们所使用，同时如果用这样的计算机来控制各种自动化装置特别是智能机器人，就可以使这些自动化系统和智能机器人具有适应环境，和自主作出决策的能力。这就可以在各种场合取代人的

繁重工作，或代替人到各种危险和恶劣环境中完成任务。

1.1.2 计算机视觉的原理及其应用

计算机视觉就是用各种成象系统代替视觉器官作为输入信号，由计算机来代替人脑来完成、处理和解释。计算机视觉的最终研究目标就是使计算机能类似人那样通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力。要经过长期的努力才能达到的目标。

因此，在实现最终目标以前，人们努力的终期目标是建立一种视觉系统，这个系统能依据视觉敏感和反馈的某种程度的智能完成一定的任务。例如，计算机视觉的一个重要应用领域就是自主车辆的视觉导航，目前还没有条件实现象人那样能识别和理解任何环境，完成自主导航系统。因此，目前人们努力的研究目标是实现在高速公路上具有道路跟踪能力，可避免与前方车辆碰撞的视觉辅助驾驶系统。这里要指出的一点是在计算机视觉系统中计算机起代替人脑的作用，但并不意味着计算机必须按人类视觉的方法完成视觉信息的处理。计算机视觉可以而且应该根据计算机系统的特点来进行视觉信息的处理。但是，人类视觉系统是迄今为止，人们所知道的功能最强大和完善的视觉系统。用计算机信息处理的方法研究人类视觉的机理，建立人类视觉的计算理论，也是一个非常重要和信人感兴趣的研究领域。这方面的研究被称为计算视觉（Computational Vision）。计算视觉可被认为是计算机视觉中的一个研究领域。

计算机视觉技术正被广泛的应用于许多方面，需要人类视觉的场合几乎都有计算机视觉技术的应用，特别是在许多人类视觉无法感知的场合，如精确定量感知、危险场景感知、不可见物体感知等，计算机视觉更能突显其无可比拟的优越性。目前，计算机视觉主要应用于以下几个方面:

工业自动化生产线:工业环境的结构、照明等因素可以得到严格的控制，计算机视觉技术在自动化生产和装配、检测中得到了很好的应用，能够用于识别零件，为工业机器人或机械手提供定位、操作信息，以便机械手进行准确操作。

机器人自动导航：机器人可同时获取某一场景的两幅图像，并以此恢复场景的三维信息，利用这些信息来识别目标、识别道路、判断障碍等，实现道路规划、自主导航、与周围环境自主交互作用等.自动导航装置将立体图像对和运动信息组合起来，可以完成所要求的场景深度图，这种技术己经用于无人汽车、无人飞机、无人战车以及火星探测机器人等。

航空宇航：航空宇航图像包括这三个方面，航空摄影图像、气象卫星图像和资源卫星图像，这些图像的共同特点是在高空对地表或地层进行远距离成像，这三种图像的成像原理完全不同，计算机视觉技术在这三个方面都获得了成功的应用。

医学图像分析：目前，医学图像己经广泛应用于医学诊断，成像方法包括传统的X射线成像、计算机层析(computed tomography, CT)、核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、超声成像等。计算机视觉技术在医学图像诊断方面有两个方面的应用，一是对图像进行增强、标记、染色体处理来帮助医生诊断疾病，并协助医生对感兴趣的区域进行定量测量和比较;二是利用专家知识系统对图像或图像序列进行自动分析和解释，给出诊断结果。

安全鉴别、监视和跟踪:计算机视觉可用于车场监视、车辆识别、车牌号识别、探测并跟踪“可疑”目标;根据面孔、眼底、指纹等图像特征识别特定的人。

国防系统：计算机视觉在国防中的作用越来越重要，主要是可以分析大量先进成像传感器的输出，可以根据图像，作出各种决策，自主操作，如图像制导与