[科普中國]-成像與顯示

簡介

成像與顯示的目的是通過某種方式或技術(shù)得到要研究的對象的圖像，再通過有關(guān)顯示技術(shù)將圖像把顯示出來。在人工智能中，對研究對象進(jìn)行成像與顯示處理，主要是為了通過有關(guān)算法進(jìn)行對象檢測，便于分析和解釋。

成像方法聲成像利用聲波照射物體來得到該物體可見圖像的一種聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)。聲波同x射線一樣是肉眼看不見的，都有穿透物質(zhì)的本領(lǐng)。x射線成像與光成像相比必須多一個把不可見的x射線像轉(zhuǎn)化為可見像的步驟，聲成像也必須把不可見的聲像轉(zhuǎn)化為可見像。擔(dān)任聲成像照射的聲波主要是超聲波，一般約為數(shù)兆赫至數(shù)十兆赫。完成聲成像的工作主要是超聲顯像儀，如切面掃描成像儀、超聲顯微鏡、光聲顯微鏡、聲全息照相設(shè)備等。超聲顯像儀是用超聲探頭將一定頻率的超聲波照射到物體上，由于物體內(nèi)部各處聲學(xué)特性(如聲速、聲阻抗、對聲的反射和吸收等)的差異，便對照射的超聲作出不同的反應(yīng)，通過接收來自物體內(nèi)部對超聲反應(yīng)的信號(即攜帶物體內(nèi)部信息的反射波或透射波)——這就是物體的聲像，再利用聲波的某些物理化學(xué)效應(yīng)(如電聲效應(yīng)、聲光效應(yīng)、聲熱效應(yīng)等)由儀器把聲像轉(zhuǎn)化為可見像顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)聲成像。這樣物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或缺陷便清楚、直觀地展現(xiàn)出來。聲成像有以下特點(diǎn)。①聲波能在所有媒質(zhì)中傳播，聲成像能夠顯示出不透光物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性。②對物體無損害，對人體無傷害，可作動態(tài)成像觀測，方便、直觀、及時(shí)，這是x射線成像所不能比擬的。③聲成像在顯微技術(shù)中(如超聲顯微鏡)采用了波長極短的超聲波，從而達(dá)到與光成像可比擬的分辨率。④聲成像和光成象兩者可以互相補(bǔ)充，從而提供對物體結(jié)構(gòu)更全面的認(rèn)識。由于這些特點(diǎn)，聲成像技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在化學(xué)、生物、材料科學(xué)中廣泛用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；在地質(zhì)科學(xué)中用于資源勘探和地震觀測；在工業(yè)上用于無損檢測；在臨床醫(yī)學(xué)中廣泛用于人體內(nèi)部疾病診斷1。

太赫茲波成像太赫茲波和其他波段的電磁輻射一樣，可以用來對物體成像，而且因?yàn)樘掌澆ǖ母咄感?、無損性以及 大多數(shù)物質(zhì)在太赫茲波段都有指紋譜等特性，使太赫茲成像相比其他成像方式更具優(yōu)勢。太赫茲波成像方 法有很多分類方式，如脈沖成像或連續(xù)波成像、逐行掃描成像或焦平面成像、時(shí)域成像或頻域成像等。

1995年Hu和Nuss在太赫茲波時(shí)閾光譜系統(tǒng)中增加二維掃描平移臺，首次實(shí)現(xiàn)了脈沖太赫茲波時(shí)域 光譜成像，并成功地對樹葉、芯片等樣品進(jìn)行了成像。這種成像方法獲得的是樣品的光譜信息，不僅能夠 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)成像，而且能夠?qū)崿F(xiàn)功能成像。因此，在這次成功的實(shí)驗(yàn)以后，再加上人們對太赫茲波射線相對于 其他波段電磁波的新特性的深入了解，太赫茲波成像技術(shù)快速發(fā)展起來，已經(jīng)有大量的新技術(shù)產(chǎn)生，如太赫 茲波二維電光取樣成像、層析成像、太赫茲波啁啾脈沖時(shí)域場成像、近場成像、時(shí)域太赫茲波逆向變換成像技 術(shù)等，可以適用于眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，包括生物醫(yī)學(xué)、質(zhì)量檢測、安全檢查、無損檢測等2。

核磁共振成像核磁共振成像（英語：Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱NMRI），又稱自旋成像（英語：spin imaging），也稱磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI），臺灣又稱磁振造影，香港又稱磁力共振成像，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，簡稱NMR）原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。將這種技術(shù)用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學(xué)診斷工具?？焖僮兓奶荻却艌龅膽?yīng)用，大大加快了核磁共振成像的速度，使該技術(shù)在臨床診斷、科學(xué)研究的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，極大地推動了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。

質(zhì)譜成像質(zhì)譜成像是以質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)的成像方法，該方法通過質(zhì)譜直接掃描生物樣品成像，可以在同一張組織切片或組織芯片上同時(shí)分析數(shù)百種分子的空間分布特征。簡單而言，質(zhì)譜成像技術(shù)就是借助于質(zhì)譜的方法，再配套上專門的質(zhì)譜成像軟件控制下，使用一臺通過測定質(zhì)荷比來分析生物分子的標(biāo)準(zhǔn)分子量的質(zhì)譜儀來成像的方法。

顯示顯示是通過圖象顯示系統(tǒng)，根據(jù)需要顯現(xiàn)出計(jì)算機(jī)的存貯、運(yùn)算中間過程、最終結(jié)果或圖象。某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)有顯示終端，通常利用電視熒光屏顯 示計(jì)算機(jī)存貯器傳來的信息。有 的顯示終端還附有一個打字鍵盤 和一個光筆，設(shè)計(jì)人員可直接把信息打入計(jì)算機(jī)，或用光筆修改顯示的圖象。在設(shè)計(jì)工作和工業(yè)控制中，大力發(fā)展圖象顯示系統(tǒng)，可以直接把設(shè)計(jì)方案圖形顯示出來，或直接觀測生產(chǎn)過程的狀況，給設(shè)計(jì)和操作人員帶來極大的方便。顯示技術(shù)是利用電子技術(shù)提供變換靈活的視覺信息的技術(shù)。人的感覺器官中接受信息最多的是視覺器官（眼睛）。在生產(chǎn)和生活中，人們需要越來越多地利用豐富的視覺信息。顯示技術(shù)的任務(wù)是根據(jù)人的心理和生理特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ǜ淖児獾膹?qiáng)弱、光的波長（即顏色）和光的其他特征，組成不同形式的視覺信息。視覺信息的表現(xiàn)形式一般為字符、圖形和圖像。

視覺感受因素從人的生理上和心理上有效地接受變換的視覺信息的要求稱為視覺感受因素，包括：光度學(xué)參數(shù)，如光強(qiáng)、光通量、照度、亮度和灰度等測量顯示器件重要指標(biāo)的一些參數(shù)；非光度學(xué)的視覺參數(shù)，如清晰度、視覺敏銳度、彩色和閃爍率等主要從視覺感受的有效性來考慮的一些參數(shù)；還有一些涉及顯示設(shè)備實(shí)用要求的參數(shù)，如準(zhǔn)確度、精度、線性度、重復(fù)度、圖像漂移、抖動、噪聲、觀察距離、觀察角和符號尺寸等。這些參數(shù)往往相互關(guān)聯(lián)。

顯示器件不同的顯示器件依據(jù)的是不同的物理原理。任何電子顯示方法都是改變光的某些特性。有源顯示器件是器件自身發(fā)光；無源顯示器件是靠外部光源的照射而實(shí)現(xiàn)顯示。還有一些顯示方法是利用光的折射、衍射或偏振來實(shí)現(xiàn)的。電子束管顯示器件是由真空中的電子束轟擊熒光粉而發(fā)光。不同的熒光粉具有不同的顏色和余輝。矩陣控制的平板型顯示器件有電致發(fā)光顯示、等離子體顯示、發(fā)光二極管顯示和液晶顯示等。這些顯示器件都是在電場的激勵下實(shí)現(xiàn)顯示的。為了變換快速靈活，要求顯示器件的響應(yīng)速度高、驅(qū)動功率小、具有可擦除特性；為了增強(qiáng)人們接受視覺信息的有效性，要求顯示器件具有彩色顯示功能。

對象檢測對象檢測是指利用圖像處理與模式識別等領(lǐng)域的理論和方法，檢測出圖像中存在的目標(biāo)對象，確定這些目標(biāo)對象的語義類別，并標(biāo)定出目標(biāo)對象在圖像中的位置。對象檢測是對象識別的前提。只有檢測到對象才能對對象進(jìn)行識別。在計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域，對象檢測一般可以分為圖形對象檢測和視頻對象檢測，利用圖像處理與模式識別等領(lǐng)域的理論和方法，從圖像或視頻中分離出有一定意義的實(shí)體——對象，如人、物體等。在對象檢測中有一類通用的對象檢測方法， 似物性度量(Objectness measure)， 利用矩形框?qū)D像中所有可能存在的對象區(qū)域定位出來并給出這個窗口內(nèi)包含對象的概率。例如，通過貝葉斯框架將多種圖像信息進(jìn)行融合， 定量地計(jì)算出每個窗口包含對象的概率3。

圖像目標(biāo)類別檢測技術(shù)，又稱類別級目標(biāo)檢測（category-level object detection）或 目 標(biāo) 檢 測（object detection），旨在利用圖像處理與模式識別等領(lǐng)域的理論和方法，檢測出圖像中存在的目標(biāo)對象，確定這些目標(biāo)對象的語義類別，并標(biāo)定出目標(biāo)對象在圖像中的位置。目標(biāo)對象的位置一般使用邊界框進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)目標(biāo)對象的可形變能力， 目標(biāo)可以分為兩類：（1）結(jié)構(gòu)類，例如瓶子、建筑、人體、馬等，它們具有接近的形狀和大小。（2）非結(jié)構(gòu)類，例如天空、草地、云朵等，這類對象沒有固定的形狀和大小。