现代成像原理与技术（微课视频版）

现代成像原理与技术讨论关于如何获取模拟和数字影像的理论与方法。从信号的角度讲，成像(Imaging)涵盖二维、三维甚至高维信号的采集、存储、传输、处理与显示等范畴。随着物理、数学、新材料、计算机、微电子等学科的快速发展，以及互联网 、物联网、云计算、嵌入式系统等新一代信息技术的不断成熟和普及，成像领域呈现出不断向高、精、尖方向飞速发展的势头，新的成像理论和技术层出不穷。但是，能够反映这种发展趋势的教材建设却相对滞后。究其原因，主要有以下几点。

第一，基于不同物理现象的成像手段众多，可以利用的成像手段有光、声、电、磁、核等。全面介绍各种成像理论、方法和技术，需要体量巨大的学科领域知识和交叉学科知识，难度较大。

第二，影像信息是信息科学中非常重要的组成部分，成像原理与技术在民用、军事、航空航天、导航、测绘、监控、安全、医学等众多领域都有着重要的应用。但是，现有的大部分图书侧重于某一应用领域，例如光学成像原理、医学成像原理等。由于早期相关专著和教材逐渐退出人们视野，导致综合介绍现代成像原理与技术的专著和教材非常缺乏。

第三，成像领域的新思想和新技术发展迅猛，从太赫兹成像到量子成像、从光声耦合成像到计算摄影成像，如何将前沿的成像理论和技术及时地介绍给学生，建设教材和科普书籍是较为有效的手段。

为了适应成像领域的快速发展，编者在“现代成像技术”课程讲义的基础上，调整与编排讲授内容，形成了本书。从电子信息类专业本科教学的知识体系看，成像原理与技术属于专业基础课程内容。通过该课程的学习，学生不仅可以巩固低维数字信号处理的相关知识，也有助于掌握关于高维信号采集、传输与显示的知识和方法。

全书共分10章： 

第1章绪论，介绍现代成像原理与技术的发展过程和趋势。

第2章光学成像基础，主要介绍几何光学成像原理、物像关系以及光学像差。

第3章人眼视觉系统，主要介绍人眼视觉的形成机理与特性，以及彩色视觉和彩色模型。

第4章照相机成像原理与技术，主要介绍传统照相机与数码照相机的成像原理、系统结构、成像特点及技术分类。

第5章电视成像原理与技术，主要介绍视频信号的概念与特点、视频信号的传输与电视制式、视频显示技术和数字电视的发展趋势。

第6章红外成像原理与技术，主要介绍红外线的物理属性与成像特点、主动式红外成像系统、被动式红外成像系统及微光成像系统。

第7章X射线成像原理与技术，主要介绍X射线的物理属性与成像特点、常规的X射线成像技术如X射线透视、X射线摄影、数字减影血管造影(DSA)等，重点介绍X射线计算机断层成像(XCT)。

第8章核磁共振成像原理与技术，主要介绍核磁共振现象的物理原理、核磁共振的信号提取、核磁共振系统设备的结构组成、脉冲序列设计、图像重建方法以及一些核磁共振成像的新技术。

第9章超声成像原理与技术，主要介绍超声波的物理特性、超声波声场的分布、基于回波检测的超声成像模式(A超、B超、M超)，以及基于多普勒效应的超声血流成像方法。

第10章其他现代成像技术，主要包括太赫兹成像技术、量子成像技术、光场成像技术和光声成像技术，一定程度上可以反映现代成像原理与技术的发展趋势。

本书具有以下特点： 

第一，注重成像基本原理和系统结构的介绍，使读者在掌握基本物理概念的基础上，能够了解各种现代成像仪器的系统设计和工程考虑。同时，对基于不同物理现象的成像系统加以比较，使读者对相关知识能够融会贯通。

第二，主要从各种成像系统的成像机理和光、机、电系统结构进行较为详细的阐述，同时简单介绍了一些有代表性的新的成像原理与技术。

限于编者的知识背景和学术水平，书中仅涉及部分常见的成像原理与技术，很多其他重要的成像技术（如雷达成像、激光成像、分子成像等）均无涉及，希望在后续的再版工作中能够补充相关内容。

本书由山东科技大学白培瑞任主编，刘庆一和青岛大学任延德任副主编。编写组成员有山东科技大学的闵晓琳、韩超、傅颖霞老师，以及青岛大学附属医院的王成健医师。具体撰写任务的分工如下： 第1、5、10章由白培瑞编写，第8章由任延德编写，第3、9章由刘庆一编写，第2、6章由闵晓琳编写，第4章由韩超编写，第7章由王成健编写。傅颖霞老师负责全书的统稿和文字校对。

在本书的编写过程中，得到了山东科技大学图像处理与模式识别研究所全体教师和研究生的大力支持。在此感谢孙农亮、范迪、滕升华、赵增顺、赵猛、毕丽君和李晶老师的帮助，同时感谢硕士研究生蒋炜宏、李易轩、汤同宵、杜红萱在插图和文字编排方面的帮助。

清华大学出版社的曾珊编辑为本书的出版付出了辛勤的劳动，在此表示衷心的感谢。

本书的出版得到了国家自然科学基金面上项目(No.61471225)、山东科技大学“优秀教学团队”项目和山东科技大学电子信息工程学院“优秀教学团队”项目的部分资助，在此表示感谢。

由于编者水平有限，本书难免存在不足和错误，欢迎同行专家和读者批评指正。

编者

2022年10月

本书内容涉及光学成像基础、人眼视觉系统、传统照相成像原理与技术、数码成像原理与技术、红外成像原理与技术、X射线成像原理与技术、超声成像原理与技术以及核磁共振成像原理与技术等现代成像技术，从基础原理和实际应用两方面比较全面的介绍了该领域目前的现状。

白培瑞，硕士研究生导师，中国图像图形学学会、中国生物医学工程学会会员。主持国家自然科学基金1项、主持山东省自然科学基金项目1项，承担国家863计划、国际合作项目等重大科研项目多项。目前从事三维成像技术、图像处理与分析、嵌入式技术应用方面的研究。

第1章绪论

1.1成像技术发展回顾

1.2成像质量评价指标

1.3现代成像技术的发展趋势

1.4本书内容安排

本章小结

思考题

第2章光学成像基础

2.1几何光学基本定律

2.1.1光波、光线与光束

2.1.2几何光学的基本定律

2.1.3费马原理

2.1.4马吕斯定律

2.2几何光学成像基础

2.2.1光学系统

2.2.2光学成像的基本概念

2.2.3单个折射球面成像

2.2.4透镜成像

2.3理想光学系统

2.3.1理想光学系统的定义

2.3.2理想光学系统的物像关系

2.4光学像差

2.4.1球差

2.4.2彗差

2.4.3像散

2.4.4场曲

2.4.5畸变

2.4.6色像差

2.5典型光学成像系统

2.5.1放大镜

2.5.2显微镜成像

2.5.3望远镜成像

本章小结

思考题

第3章人眼视觉系统

3.1光源与色温

3.2人眼的构造

3.3人眼视觉机理

3.3.1人眼视觉形成过程

3.3.2亮度、颜色与立体感觉

3.3.3人眼视觉特性

3.4人眼的彩色视觉

3.4.1彩色三要素

3.4.2三基色原理与混色方法

3.4.3配色方程

3.4.4彩色模型

本章小结

思考题

第4章照相机成像原理与技术

4.1传统照相机发展回顾

4.2传统照相机成像原理与技术

4.2.1针孔照相机

4.2.2传统照相机的基本结构

4.3数码照相机成像原理与技术

4.3.1数码照相机的特点

4.3.2数码照相机的分类

4.3.3数码照相机的技术指标

4.3.4数码照相机的系统结构

4.4全息成像技术

4.4.1全息成像的基本原理

4.4.2全息成像的优势和应用

本章小结

思考题

第5章电视成像原理与技术

5.1电视基础

5.1.1视频信号

5.1.2像素传输

5.1.3电子扫描

5.1.4光电变换与电光变换

5.2模拟电视信号

5.2.1黑白电视信号

5.2.2彩色电视信号

5.3模拟电视制式

5.3.1彩色电视制式

5.3.2亮度信号与色差信号

5.3.3彩色电视频带压缩原理

5.3.4色度信号与色同步信号

5.3.5兼容制彩色电视制式

5.4模拟电视广播系统

5.4.1电视信号的摄取

5.4.2电视信号的处理

5.4.3视频全电视信号和射频全电视信号

5.4.4电视信号的发射

5.4.5电视信号的传输

5.4.6电视信号的接收

5.4.7有线电视系统

5.5数字电视系统

5.5.1数字电视的基本概念

5.5.2模拟电视信号数字化

5.5.3数字电视信号频带压缩

5.5.4电视信号的数字处理

5.5.5数字电视信号接收

5.6电视显示技术

5.6.1电子显示器件的分类

5.6.2液晶显示器

5.7高清晰度电视

5.7.1高清晰度电视的基本概念

5.7.2几种HDTV制式

本章小结

思考题

第6章红外成像原理与技术

6.1引言

6.2红外辐射的物理性质

6.2.1红外辐射的基本概念

6.2.2红外辐射定律及特性

6.2.3红外辐射在大气中的传输

6.3主动式红外成像系统

6.3.1红外光学系统

6.3.2红外变像管

6.3.3直流高压电源

6.3.4红外探照灯

6.3.5红外选通技术

6.4红外热成像系统

6.4.1热成像光学系统

6.4.2红外热成像系统的摄像方式

6.4.3红外检测器

6.4.4制冷器

6.4.5信号处理与显示

6.4.6基本技术参数 

6.5微光成像系统

6.5.1微光夜视仪

6.5.2微光电视

本章小结

思考题

第7章X射线成像原理与技术

7.1X射线成像的物理基础

7.1.1X射线的性质

7.1.2X射线管

7.1.3X射线与人体的作用机制

7.1.4X射线的衰减规律

7.2模拟X射线成像

7.2.1X射线透视

7.2.2X射线摄影

7.2.3特殊X射线摄影

7.3数字化X射线成像

7.3.1X射线数字透视系统

7.3.2计算机X射线摄影系统

7.3.3数字化X射线摄影系统

7.4X射线计算机断层成像

7.4.1概述

7.4.2XCT成像原理

7.4.3XCT图像重建算法

7.4.4XCT图像的后处理技术

7.4.5螺旋XCT

7.4.6双源XCT

7.4.7XCT成像的优缺点

7.4.8XCT成像质量的评估参数

本章小结

思考题

第8章核磁共振成像原理与技术

8.1核磁共振原理

8.1.1核磁共振现象

8.1.2静磁场的分类

8.1.3射频脉冲的作用

8.1.4自由感应衰减过程

8.2核磁共振成像设备结构

8.2.1主磁体及匀场线圈

8.2.2梯度线圈

8.2.3射频线圈

8.2.4计算机系统

8.2.5其他辅助设备

8.3核磁共振成像的脉冲序列设计

8.3.1脉冲序列的基本概念

8.3.2磁共振成像的脉冲序列

8.4磁共振图像重建

8.4.1磁共振信号空间定位

8.4.2磁共振加权成像

8.4.3磁共振成像的特点与局限

8.5磁共振图像的质量评估

8.5.1磁共振信号的影响因素

8.5.2磁共振图像质量的评价指标

8.5.3磁共振成像生物安全性的因素

8.6磁共振成像新技术

8.6.1磁共振血管造影和灌注成像技术

8.6.2磁共振水成像技术

8.6.3功能磁共振成像技术 

8.6.4磁共振波谱成像技术

本章小结

思考题

第9章超声成像原理与技术

9.1超声成像的物理基础

9.1.1超声波的分类

9.1.2超声波的描述参量

9.1.3超声波在生物组织中的传播

9.2超声换能器与辐射声场

9.2.1超声换能器

9.2.2超声辐射场

9.3基于回波检测的超声成像技术

9.3.1A型超声诊断仪

9.3.2M型超声诊断仪

9.3.3B型超声诊断仪

9.3.4专用超声成像仪

9.4多普勒型超声检测仪

9.4.1超声多普勒测量原理

9.4.2多普勒血流信息的提取

9.4.3超声多普勒血流测量仪

9.5超声成像新技术

9.5.1超声谐波成像技术

9.5.2三维超声成像技术

9.5.3超声弹性成像技术

本章小结

思考题

第10章其他现代成像技术

10.1太赫兹成像技术

10.1.1太赫兹时域光谱成像技术

10.1.2太赫兹光电实时取样成像技术

10.1.3太赫兹近场扫描光谱成像技术

10.1.4太赫兹连续波成像技术

10.2量子成像技术

10.3光场成像技术

10.3.1光场定义及其获取方式

10.3.2基于光场的数字重聚焦技术

10.3.3基于光场的合成孔径成像技术

10.3.4基于光场的显微成像技术

10.4光声成像技术

10.4.1光声层析成像技术

10.4.2光声显微成像技术

10.4.3光声成像的性能指标

本章小结

思考题

参考文献

本书内容涉及光学成像基础、人眼视觉系统、传统照相成像原理与技术、数码成像原理与技术、红外成像原理与技术、X射线成像原理与技术、超声成像原理与技术以及核磁共振成像原理与技术等现代成像技术，从基础原理和实际应用两方面比较全面的介绍了该领域目前的现状。

白培瑞，硕士研究生导师，中国图像图形学学会、中国生物医学工程学会会员。主持国家自然科学基金1项、主持山东省自然科学基金项目1项，承担国家863计划、国际合作项目等重大科研项目多项。目前从事三维成像技术、图像处理与分析、嵌入式技术应用方面的研究。