图像识别技术

1.3.5　图像识别技术

随着微电子技术及计算机技术的蓬勃发展，图像识别技术得到了广泛的应用和普遍的重视，现已广泛应用于遥感、文件处理、工业检测、机器人视觉、军事、生物医学、地质、海洋、气象、农业、灾害治理、货物检测、邮政编码、金融、公安、银行、工矿企业、冶金、渔业、机械、交通、电子商务、多媒体网络通信等领域。

1.图像识别技术原理

图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。人的视觉系统就是一个观测系统，通过它得到的图像就是客观景物在人心目中形成的影像。我们生活在一个信息时代，科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75%来自视觉系统，也就是从图像中获得的。这里的图像是比较广义的范畴，如照片、绘图等都属于图像的范畴。

在获得图像后，可以对其进行如图1-12所示的三方面的操作，即图像处理、图像识别和图像理解。

图1-12　图像处理、识别和理解

1)图像处理

在研究图像时，首先要对获得的图像信息进行预处理(前处理)，以滤去干扰、噪声，作几何、彩色校正等，这样可提高信噪比。有时由于信息微弱，无法辨识，还得对图像进行增强。增强的作用在于提供一个满足一定要求的图像，或对图像进行变换，以便人、机分析。为了从图像中找到需要识别的东西，还得对图像进行分割，也就是进行定位和分离，以分出不同的东西。为了给观察者以清晰的图像，还要对图像进行改善，即进行复原处理，把已经退化了的图像加以重建或恢复，以便改进图像的保真度。在实际处理中，由于图像的信息量非常大，在存储及传送时，还要对图像信息进行压缩。

上述工作必须用计算机进行，因而要进行编码等工作。编码的作用是用最少数量的编码位(亦称比特)表示单色和彩色图像，以便更有效地传输和存储。

以上所述都属于图像处理的范畴。因此，图像处理包括图像编码、图像增强、图像压缩、图像复原、图像分割等。对图像处理环节来说，输入的是图像，输出的也是图像，也就是处理后的图像，如图1-12(a)所示。

2)图像识别

图像识别是对上述处理后的图像进行分类，确定类别名称，在分割的基础上选择需要提取的特征，并对某些参数进行测量，然后再提取这些特征;最后根据提取的特征进行分类。为了更好地识别图像，还要对整个图像作结构上的分析，对图像进行描述，以便对图像的主要信息得到一个解释和理解，并通过许多对象相互间的结构关系对图像加深理解，以便更好地帮助识别。

因而对图像识别环节来说，输入的是图像(一般是经过上述处理过的图像)，输出的是类别和图像的结构分析，见图1-12(b)。而结构分析的结果则是对图像作描述，以便得到对图像的重要信息的一种理解和解释。

3)图像理解

所谓图像理解是一个总称。上述图像处理及图像识别的最终目的就在于对图像作描述和解释，以便最终理解它是什么图像。所以它是在图像处理及图像识别的基础上，再根据分类作结构句法分析，去描述图像和解释图像。因而图像理解包括图像处理、图像识别和结构分析。对理解部分来说，输入的是图像，输出的则是图像的描述与解释，如图1-12(c)所示。

实质上，图像理解属于人工智能的范畴。图像理解也要作图像处理、识别及结构分析。如与计算机下棋，就需要做这些工作。首先要把人的智慧存储在计算机中，教给它多少智慧，它就存有多少智慧。这是机器固有的，但是计算机在接受了一部分“智慧”后，便能根据逻辑推理进行分析、推断等工作。

图像识别、图像处理与图像理解有着紧密的关系。图像理解是一个总称，它是一个系统。其中每一部分和其前面的一部分都有一定的关系，也可以说有一种反馈作用，如分割可以在预处理中进行，而且系统不是孤立的，为了发挥其功能，它时时刻刻需要来自外界的必要信息，以便使每个部分能有效地工作。这些外界信息是指处理问题及解决问题的看法、设想、方法等。例如，根据实际图像，在处理部分需要采用什么样的预处理，在识别部分需要怎样分割，抽取什么样的特征及怎样抽取特征，怎样进行分类，要分多少类，以及最后提供结构分析所需的结构信息等。

在该系统中，预处理、分割一般可以算作图像处理;特征抽取、分类属于图像识别;而图像识别所涉及的内容则是从识别到结构分析，整个系统所得到的结果是图像的描述及解释。当某个新的对象(图像)被送进系统时，就可以进行解释，说明它是什么。

2.图像技术的应用领域

目前的图像识别技术主要应用在以下几个方面。

1)遥感技术

图像识别现阶段的典型应用主要是图像遥感技术。多光谱图像的综合处理和像素区的模式分类为基础的遥感图像处理，是对地球的全体环境进行监控的有力手段。它同时可为国家计划部门提供精确、客观的各种农作物的生长情况、收获估计、林业资源、地质、水文、海洋等各种宏观的调查、监测资料。

例如，在气象卫星云图的处理与应用遥感技术中，以前许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上感兴趣的地区进行大量的空中摄影，对由此得来的照片进行判读分析需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来进行判读分析，既节省人力，又加快了速度，还可以从照片中提取人工所不能发现的大量的有用情报。目前，遥感技术尤其是卫星遥感，已经在资源调查、灾害监测、农业规划、城市规划、环境保护等方面取得了很大的应用效果。我国也在以上诸方面的实际应用中取得了良好的成果，对我国国民经济的发展起到了相当大的作用。

在遥感技术中，应用图像处理和识别的领域有遥感图像识别的应用、地质遥感图像的处理与应用、森林遥感图像的处理与应用、国土资源遥感图像的处理与应用、海洋遥感图像的处理与应用。

2)医用图像处理

医学上，不管是基础科学还是临床应用，都是图像处理种类极多的领域。例如，对生物医学的显微图像的处理分析方面，如红白细胞和细菌、染色体分析。另外，像胸部X线照片的鉴别、眼底照片的分析，以及超声波图像的分析等都是医疗辅助诊断的有力工具，目前，这类应用已经发展到专用的软件和硬件设备，最普遍使用的是计算机层析成像，亦称为CT技术，它是由英国的Hounsfield和美国的Cormack发明的。通过CT，可以获取人体剖面图，使得肌体病变特别是肿瘤诊断起到了革命性的变化。近年来出现的核磁共振CT，使人体免受各种射线的伤害，并且图像更为清晰。

利用图像重叠技术进行无损探伤也应用在工业无损探伤和检验中。智能化的材料图像分析系统将有助于人类深入地了解材料的微观性质，促进新型功能材料的诞生。

医疗微观手术使用微型外科手术器械进行血管内、脏器内的微观手术，其中一个基础就是医用图像。特制的图像内窥镜、体外X光监视和测量保证了手术的安全性和准确性。不仅如此，术前的图像分析和术后的图像监测都是手术成功的保证。

3)工业领域中的应用

在工业领域中的应用一般有以下几个方面:工业产品的无损探伤、表面和外观的自动检查和识别、装配和生产线的自动化、弹性力学照片的应力分析、流体力学图片的阻力和升力分析。其中最值得注意的是计算机视觉，它采用摄影和输入二维图像的机器人，可以确定物体的位置、方向、属性以及其他状态等。它不但可以完成普通的材料搬运、产品集装、部件装配、生产过程自动监控，还可以在人不宜进入的环境里进行喷漆、焊接、自动检测等。现在已发展到具备视觉、听觉和触觉反馈的智能机器人。

4)军事公安方面

主要应用是各种侦察照片的判读、运动目标的图像自动跟踪技术。例如，目前电视跟踪技术已经装备到导弹和军舰上，并在实践和演习中取得了很好的效果。另外，还有公安业务图片的判读分析，如指纹识别、不完整图片的复原等，在公安中的跟踪、监视、交通监控、事故分析中都已经用到了图像处理与识别技术。

5)文化艺术方面

在文化艺术方面，有电视画面的数字编辑、动画片的制作、服装的花纹设计制作、文物资料的复制和修复;在体育方面，有运动员的训练、动作分析和评分等，这些都用到了图像处理及识别技术。

从所列举的图像技术的多方面应用及其理论基础可以看出，它们无一不涉及高科技的前沿课题，充分说明了图像技术是前沿性与基础性的有机统一。

可以预期，图像技术将深入人们的生活，创造新的文化环境，成为提高生产的自动化、智能化水平的基础科学之一。