图像测量的基本原理就是通过传感器将被测对象转换成计算机可识别的图像信号，再由计算机对图像的边缘纹理等特征进行处理，提取对象的特征参数，从而达到测量的目的。因此，传感器技术和图像处理技术成为图像测量系统的基础和关键。
4.1
图像测量系统的结构
图
4.1
图像测量系统结构框图
如图4.1所示，图像测量系统一般由硬件和软件两部分组成，硬件系统包括：传感器、图像采集卡和计算机，软件系统视具体情况而定，功能主要包括控制图像卡、采集图像和处理计算图像三大部分。
图像测量系统按照所用传感器的不同可分为红外成像、CCD成像、激光成像、声纳成像等，其中以CCD成像在光学图像测量系统中应用最为广泛。这是由于CCD本身的自扫描、高分辨率、高精度、高灵敏度、高可靠性、低噪声、长寿命、尺寸小、动态范围大、坚固耐冲击等特点所决定的。
4.2
常用成像技术
一、CCD成像：CCD是60年代末期由贝尔试验室发明
,
它的中文名字叫电荷耦合器件，是一种特殊的半导体材料
,
它是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。开始作为一种新型的PC存储电路，很快CCD具有许多其他潜在的应用，包括信号和图像（硅的光敏性）处理。大部分数码相机使用的感光元件是CCD。
CCD
成像是根据物体的光电效应，它的特点如下：
(1)
自扫描特性:CCD通过自身的扫描功能将获取的光像信号转换成相应的信号电荷，并在光电藕合器件内部完成信号电荷的存储、转移，使信号电荷最终在器件的输出检测出来。
(2)
高分辨率、高精度:CCD本身像元尺寸小，几何精度高，配以适当的光学成像系统可获得很高的空间分辨率，这是CCD在高精度图像测量系统中进行非接触在线检测、自动跟踪的最大特点。
(3)
动态范围大：CCD以积分方式工作，积分时间在很宽的范围内可调，使用灵活，适应性强。
(4)
输出电信号易于信号处理并便于直接输入计算机：CCD虽然按照接受光像中像点的形式分为面阵CCD和线阵CCD，按照输出电信号形式又分为模拟CCD和数字CCD，但最终都是将接受的光信号转化成在幅值上按模拟量变化、在时间上等间距离散的脉冲序列输出，易于与计算机接口，大大扩大了CCD的应用范围。
二、红外成像：
红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外，介于可见光与微波之间，波长为
0.76
～
1000um
，不能引起人眼的视觉。在实际应用中，常将其分为三个波段：近红外线，波长范围为
0.76
～
1.5um
；中红外线，波长范围为
1.5
～
5.6um
；远红外线，波长范围为
5.6
～
1000
μ
m
。它们产生的机理不太一致。我们知道温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动，并产生热辐射，故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线。如相机、红外线胶片自身等。在常温下，物体辐射出的红外线位于中、远红外线的光谱区，易引起物体分子的共振，有显著的热效应。因此，又称中、远红外线为热红外。当物体温度升高到使原子的外层电子发生跃迁时，将会辐射出近红外线。如太阳、红外灯等高温物体的辐射中就含有大量的近红外线。借助不同波段的红外线的不同物理性质，可制成不同功能的遥感器。
红外遥感是指借助对红外线敏感的探测器，不直接接触物体，来记录物体对红外线的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出物体的特征及其变化的技术。红外成像系统突破了照度和光谱响应范围对人眼的视觉限制，扩展了人眼的视觉机能。
由于红外成像系统依靠目标和背景的红外辐射差产生景物图像，不需要外界光源的照射，因此可以全天候工作；而且红外成像系统属于被动成像，因此具有良好的隐蔽性；由于红外成像系统工作在长波段，比可见光的光辐射具有更强的烟雾透过率，因此红外成像系统的作用距离远，抗干扰能力强。红外遥感技术中能获得图像信息的仪器有：使用红外线胶片的照相机，具有红外摄影功能的数码相机，热像仪等。虽然它们都利用红外线工作，但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别。
红外摄影通常指利用红外线胶片和数码相机进行的摄影；前者属于光学摄影类，后者属于光电摄影类。红外摄影所行成的红外像利用了景物反射的近红外线，体现了景物的几何形状；热像仪对人体成的热图，是利用人体自身热辐射获得的表示人体表面温度分布的图像。是两个不同的概念。
三、激光成像：就激光成像的成像方式而言
,
激光成像可分为干涉仪成像、激光扫描成像和激光照明焦平面成像三种。
干涉仪成像：它利用激光的相干性
,
在监视空域形成相干条纹。当运动目标进入条纹区域时
,
目标上的每一个散射点将条纹强度的空域分布特性转换成时域上的回波信号序列
,
不同位置散射点的信号可以从回波信号序列形式或相位加以区别。因此
,
对回波信号经过一定程序的处理
,
就可以还原出目标的散射点的分布及它们各自的散射强度。激光干涉仪成像目前尚在发展之中，如能完善并投入使用，则同其他的成像方法相比
,
有以下显著优点
[2]
：
1)
分辨率不受天线孔径和激光束束宽的限制
,
可以在远距离上实现更高的分辨率；
2)
成像速率优于扫描成像方式
,
且不需要机械扫描机构；
3)
接收系统使用常规单元探测器
,
比激光照明焦平面成像方式更简单易行。
这些优点使得在
10
～
15km
的作用距离上
,
用成像方式确切识别目标成为可能。激光干涉仪成像主要将在战术防御、光电对抗等军事领域发挥作用；在民用领域
(
如机场导航
)
也可能找到应用前景。
激光扫描成像
[2]
：激光扫描成像系统主要由激光源、接收机、发射机以及视频信号存储和显示设备等组成。是一种可以提供三维地形影像的机载激光成像系统，它的工作原理基于激光束对目标场景进行扫描，接收场景反射的激光辐射，产生连续的模拟信号，馈送给电视型显示器，在显示器上将连续的模拟电信号再还原成实时显示目标场景的图像。与此同时，用周期信号调制激光束，然后将地面反射的激光信号的相位与基准相位进行比较，获得至地面的斜距，斜距信息再与二维影像进行组合，得到地面场景的三维影像信息数据。
激光照明焦平面成像：所谓激光照明焦平面是将激光探测器与信号处理电路结合在一起，置于光学系统的焦平面上形成具有电路自扫描功能的激光成像器件。用激光焦平面阵列构成的激光成像系统具有工作稳定可靠、灵敏度高、性能好等优点，它是当今国内外重点发展的新一代激光探测器。
四、声纳成像：在太空中和陆地上，通常采用光学或电磁波成像；物体内部的探测多采用
X
射线成像和超声波成像等；在水下，由于电磁波或光波受到强烈的衰减而无法用于较远距离的探测，所以水下较远距离的成像均采用水声成像技术。
水声成像设备也称为图像声纳。图像清晰、作用距离远是对图像声纳的基本和主要要求。要获得清晰的图像，要求图像声纳具有足够高的空间分辨力。图像声纳的分辨力分为距离向分辨力和方位向分辨力。距离向分辨力是指声波传播方向的距离分辨能力，方位向分辨力一般是指与声波传播方向垂直的方向的角度分辨能力。
用虚拟的孔径代替真实的孔径，既能解决孔径尺寸的问题，又能解决远距离方位向分辨力的问题，这就出现了合成孔径技术（
Synthetic Apertures Sonar
，
SAS
），相应的声纳就是合成孔径声纳。与普通成像声纳相比，合成孔径声纳的主要优点就是它可以得到很高的方位向空间分辨能力，因此
合成孔径声纳研究受到了充分重视。
合成孔径声纳的基本原理是利用小尺寸基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径基阵，在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号，根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理，从而形成等效的大孔径，获得沿运动方向
(
方位向
)
的高分辨力。图
3.2
为合成孔径声纳原理示意图。
图
4.2
合成孔径声纳原理示意图
设基阵的实际孔径为
D
，经过数学推导可得距离
R
处的方位向空间分辨力为：
ρ=
（
1
）
根据
(1)
式，从原理上来说，合成孔径声纳的方位向空间分辨能力与声纳的工作频率和作用距离都没有关系，而仅与基阵的实际声学孔径有关。由于分辨力与距离无关，因而可对远距离目标实现高分辨率成像，而且远距离与近距离空间分辨率一样，所以可以获得比较均匀的空间分辨力。换句话说，就是成像的保真度比较高。由于分辨力与工作频率无关，故可以采用较低工作频率，特别适合掩埋物和底质探测。由于合成孔径声纳对目标的探测是采用多次照射和相干积累处理实现的，所以点目标信噪比改善较大，适合于漫散射背景下孤立目标的检测（如混响背景下水雷的探测）。
声纳图像是三维空间物体形状（由反射系数描述）向二维图像空间的映射。成像声纳根据回波信号解算出声纳图像
(
反射系数矩阵
)
的过程是图像重建过程，相应的计算方法称为成像算法或图像重建算法。在合成孔径雷达（
Synthetic Apertures Radar
，
SAR
）方面，已经研究出了多种成像算法，许多算法可以移植到合成孔径声纳中来。但是由于合成孔径声纳常采用宽带信号，使得合成孔径雷达中的一些窄带信号处理方法在合成孔径声纳中不再适用，需要对已有的成像算法进行改进或者研究新的成像算法。目前，图像重建算法主要有：单接收阵
SAS
成像算法、多接收子阵
SAS
成像算法、运动补偿与自聚焦算法等。
五、
X
线成像：
X
线影像的形成，是基于以下三个基本条件：首先，
X
线具有一定的穿透力，能穿透人体的组织结构；第二，被穿透的组织结构，存在这密度和厚度的差异，
X
线在穿透过程中被吸收的量不同，以致剩余下来的
X
线量有差别；第三，这个有差别的剩余
X
线，是不可见的，经过显像过程，例如经过
X
线片的现实，就能获得具有黑白对比、层次差异的
X
线图像。
影像接收器采用屏
/
胶结构形式已
100
多年的历史了，随着
CR
、
DR
、
DDR
的先后出现，屏
/
胶结构形式的影像接收器已逐渐由
CR
的
IP
板、
IDDR
与
DDR
的平板接收器及
DDR
的线扫描接收器所取代。从而使常规
X
线成像在向数字化方向发展
[6]
。
广义的
DR
成像系统包括间接转换型
DR
和直接转换型
DR
。间接转换型
DR
系统是最近几年开发研制出来的新的数字
X
线摄影系统，应用到临床仅仅只有三四年的时间，其发展速度非常之快。
IDR
成像系统的关键部件是获取图像的平板探测器，它主要由
X
线转换层与非晶硅光电二极管、薄膜晶体管、信号储存基本像素单元及信号放大与信号读取等组成。早期的像素尺寸为
143×143μm
，现有
127×127μm
像素尺寸的平板探测器，平板探测器现在有
17×17
英寸
的了，可以用于各种部位的普通
X
线数字摄影。生产这种平板探测器厂家有
VARINA
、
GE
、
TRIXELL
、
CANON
等，但在国内用得较多的是
VARINA
生产的。图像处理软件也在日趋完善。这种平板探测器已有许多厂家采用，作为普通
X
线数字摄影。
直接转换型
DR
系统也是最近几年开发研制出来的新的直接数字
X
线摄影系统，应用到临床不到三年的时间，有很好的推广应用价值。
DR
系统目前有两种，一种为线扫描，一种为平板面成像探测器。线扫描成像探测器，它有两种形式，一种为多丝正比室，一种是电离室。线扫描的动态范围与系统的探测灵敏度和密度分辨率有关，线扫描独特的大动态范围，当显示器质量很高时可以观察到
120
倍以上的动态对比图像，比传统
X
线机更好，可以清晰地在一次拍片中同时再现密度悬殊的软、硬组织。线扫描成像技术
X
线被严格限制在很窄的缝隙中，克服了散射线造成的干扰，本底噪声为
“0”
，探测灵敏度高，使原本被本底噪声淹没的微弱的
X
线也能被检测出来，能够分辨出面成像不能看到的人体组织更加细微的密度差别，密度分辨率高。由于线扫描成像需一定的扫描时间，一张
14×17
英寸
大小的区域最快需
2
秒钟，所以不能实现适时扫描，不适应心脏摄影。
4.3
图像处理技术
一、图像预处理：被测对象经过传感器变换以及由视频采集卡送到计算机的过程中，常受到各种噪声源的影响和干扰，使图像的质量变差，不仅影响图像的视觉效果，而且还会影响目标信息的获取及进一步处理。因此，在进行边缘检测、图像分割、特征提取、模式识别等处理之前，采用适当的方法以减少图像噪声是至关重要的预处理步骤
[7]
。因为噪声使得原本均匀和连续变化的图像灰度分布突然变大或变小，造成一些虚假的物体边缘或轮廓。消除噪声、改善图像质量的处理过程通常称为图像平滑。
图像平滑可用噪声滤波器实现，常用的噪声滤波器从整体上可以分线性滤波器和非线性滤波器两类。目前，最常用的图像去噪工具是均值滤波器和和中值滤波器，他们各是线性滤波器和非线性滤波器的典型代表。
二、图像后期处理：根据对被测对象测量的要求不同，图像后期处理算法的选取各不相同。目前，这些算法主要有边缘检测、图像分割、特征提取、模式识别等。其中，边缘检测方法有：阈值法、微分法（
Roberts
算子、
Sobel
算子、
Prewitt
算子、
LOG
算子、
Canny
算子等等）、更高精度的亚像素边缘检测技术、数学形态学、小波法、神经网络法等；图像分割技术有：门限分割技术、边缘分割技术、区域分割技术、轮廓跟踪等；特征提取法有：基于纹理、颜色、形状的特征提取，采用频域特征查询等方法；模式识别方法有：句法模式和模糊集合等。
