章毓晉
(清華大學(xué) 電子工程系,北京 100084)
圖像工程是一個(gè)系統(tǒng)研究各種圖像理論,開發(fā)各種圖像技術(shù)和使用各種圖像設(shè)備的綜合學(xué)科.作者逐年查閱1995年至今發(fā)表在國內(nèi)重要中文期刊上有關(guān)圖像工程研究和應(yīng)用的文獻(xiàn),并根據(jù)其內(nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)一的分類和統(tǒng)計(jì),撰寫成文.所查閱的文章構(gòu)成了一個(gè)中國圖像工程的年度文獻(xiàn)綜述系列(見文獻(xiàn)[1-16]).本文在此基礎(chǔ)上,將這15年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合起來,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,進(jìn)一步歸納出當(dāng)前我國圖像工程研究和應(yīng)用的總體情況.本文考慮了連續(xù)15年的全部數(shù)據(jù),用它們來分析變化及其趨勢應(yīng)該更為可靠和可信.
圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱.近年來圖像技術(shù)得到極大的重視和長足的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新理論、新方法、新算法、新手段、新設(shè)備、新應(yīng)用.對各種圖像技術(shù)進(jìn)行綜合集成的研究和應(yīng)用應(yīng)當(dāng)在一個(gè)整體框架下進(jìn)行,這個(gè)框架就是圖像工程[1-2].工程是指將自然科學(xué)的原理應(yīng)用到工業(yè)部門而形成的各學(xué)科的總稱.圖像工程學(xué)科則是一個(gè)將數(shù)學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的原理結(jié)合在圖像應(yīng)用中積累的經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的、將各種圖像技術(shù)集中結(jié)合起來的、對整個(gè)圖像領(lǐng)域進(jìn)行研究應(yīng)用的新學(xué)科.事實(shí)上,圖像技術(shù)多年來的發(fā)展和積累為圖像工程學(xué)科的建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),而各類圖像應(yīng)用也對圖像工程學(xué)科的建立提出了迫切的需要.
圖像工程的內(nèi)容非常豐富,覆蓋面廣,根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同可分為3個(gè)層次(見圖1):圖像處理、圖像分析和圖像理解.
圖1 圖像工程3個(gè)層次示意Fig.1 The three layers of image engineering
圖像處理是比較低層的操作,它主要在圖像的像素級(jí)別上進(jìn)行處理,處理的數(shù)據(jù)量非常大.圖像分析則進(jìn)入了中層,分割和特征提取把原來以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡潔的非圖形式的描述.圖像理解主要是高層操作,基本上是對從描述抽象出來的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,其處理過程和方法與人類的思維推理可以有許多類似之處.另外由圖1可見,隨著抽象程度的提高,數(shù)據(jù)量是逐漸減少的,即原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的處理過程逐步轉(zhuǎn)化為更有組織和用途的信息.在這個(gè)過程中,語義不斷引入,操作對象發(fā)生變化,數(shù)據(jù)量得到了壓縮.高層操作對低層操作有指導(dǎo)作用,能提高低層操作的效能.
從1996年開始,作者逐年撰寫了中國圖像工程的綜述性文章,構(gòu)成了一個(gè)年度文獻(xiàn)綜述系列.這個(gè)工作的主要目的有3點(diǎn):
1)概括我國圖像工程發(fā)展現(xiàn)狀.
期刊是一類獨(dú)具特色的信息載體,由于一門學(xué)科的重要期刊一般刊載大量相關(guān)學(xué)科的信息且水平較高,能夠反映該學(xué)科的最新研究成果、進(jìn)展以及前沿動(dòng)態(tài)[17],因此通過對有關(guān)圖像工程重要期刊上刊載文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析,不僅可以幫助人們了解我國圖像工程研究和應(yīng)用的總體情況及當(dāng)前關(guān)注焦點(diǎn)[18],還能夠?yàn)橹贫ㄏ嚓P(guān)學(xué)科發(fā)展方向和研究策略提供科學(xué)的依據(jù).
2)便于從事圖像工程研究和圖像技術(shù)應(yīng)用的人員查閱相關(guān)文獻(xiàn).
一門學(xué)科的重要期刊一般是受到該專業(yè)讀者特別關(guān)注的期刊[17].因?yàn)樽鳛橐婚T比較新的學(xué)科,圖像工程內(nèi)容新,覆蓋面大,有關(guān)文獻(xiàn)的內(nèi)容涉及領(lǐng)域?qū)?,文獻(xiàn)的分布也較廣,所以通過對重要期刊上有關(guān)文獻(xiàn)的歸納分類可以方便研究應(yīng)用人員進(jìn)行文獻(xiàn)查閱,定期掌握專業(yè)動(dòng)向,以達(dá)到共同發(fā)展我國圖像工程事業(yè)的目的.
3)為期刊編者和文獻(xiàn)作者提供有用的參考信息.
由于對期刊文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可反映出當(dāng)前該學(xué)科信息在各期刊中的分布狀況[17],因此對期刊的編者來說,通過結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)原理和方法的分析(如文獻(xiàn)[19]),可進(jìn)一步了解學(xué)科的進(jìn)展和相關(guān)研究人員的情況[20]、期刊的水平特點(diǎn)[21]和文獻(xiàn)作者群的情況[22-23],并從中確定期刊應(yīng)有的學(xué)術(shù)地位、作用和發(fā)展策略;對文獻(xiàn)的作者來說,由于發(fā)表科研文獻(xiàn)的主要目的是傳播研究成果,促進(jìn)技術(shù)交流,因此需要關(guān)注期刊的學(xué)術(shù)權(quán)威性和領(lǐng)域重點(diǎn),本文可對科研人員投稿起參考和導(dǎo)向作用.
作為對特定期刊上相關(guān)文獻(xiàn)的綜述系列的綜合分析,先介紹一下這些期刊和文獻(xiàn)的選取原則.
圖像工程涉及范圍廣泛,研究發(fā)展迅速,相關(guān)期刊比較多,文獻(xiàn)分布也比較廣.本文在選擇期刊時(shí)主要考慮了3點(diǎn):
1)讀者較廣.選擇了發(fā)行比較廣泛的國內(nèi)中文一次文獻(xiàn)期刊;
2)學(xué)術(shù)水平較高.主要選擇國內(nèi)一級(jí)學(xué)會(huì)的會(huì)刊,或相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域中重要的二級(jí)學(xué)會(huì)會(huì)刊;
3)信息較多.指期刊內(nèi)有關(guān)圖像工程的文獻(xiàn)比較集中,一般平均每期在2篇以上.
另外,考慮到綜述系列的連續(xù)性和統(tǒng)計(jì)的一致性,雖然近年來相關(guān)的新期刊時(shí)有出現(xiàn),但本文還是在連續(xù)15年中都選取了比較穩(wěn)定的期刊,這使得各年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有較好的可比性.
綜述文章在選取相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)首要考慮的是文獻(xiàn)內(nèi)容,即參與統(tǒng)計(jì)的文獻(xiàn)要與圖像工程學(xué)科有關(guān),其次考慮到期刊登載的文獻(xiàn)有許多種類,為反映中國圖像工程研究和應(yīng)用的情況,在選取時(shí)還考慮了以下3點(diǎn):1)以中文發(fā)表的(各刊上僅用英文寫的文獻(xiàn)和直接從外文翻譯的譯文未考慮)、主要報(bào)道國內(nèi)研究工作的文獻(xiàn);2)屬于學(xué)術(shù)論文、研究簡報(bào)、研究通信、技術(shù)應(yīng)用等介紹圖像工程最新研究成果與技術(shù)進(jìn)展的文獻(xiàn)(未包括科普普及類型和介紹性講座類型的文獻(xiàn));3)作為年度綜述系列,每年只選取在上一年出版的期刊(暫不考慮增刊[3])上發(fā)表的文獻(xiàn).
表1歸納了根據(jù)前述期刊選取原則和文獻(xiàn)選取原則而得到的結(jié)果(另有19期增刊或英文專刊沒有統(tǒng)計(jì),另有690篇英文或譯文或講座文獻(xiàn)沒有統(tǒng)計(jì)).在過去的15年中,綜述系列一直選取了15種重要期刊作為其統(tǒng)計(jì)源.對這15種期刊上有關(guān)圖像工程文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分為5列:1)選取期數(shù)是指各期刊用于統(tǒng)計(jì)的期數(shù);2)文獻(xiàn)總數(shù)是指各刊所選取期上所有發(fā)表的滿足上述文獻(xiàn)選取準(zhǔn)則的文獻(xiàn)數(shù)量;3)選取數(shù)量是指各刊從文獻(xiàn)總數(shù)中選取出來的圖像工程文獻(xiàn)數(shù)量;4)選取率是指從各刊所選取的圖像工程文獻(xiàn)數(shù)與該刊文獻(xiàn)總數(shù)的比值(以上4項(xiàng)均與各對應(yīng)期刊相關(guān));5)文獻(xiàn)比例是指從該刊中選取的圖像工程文獻(xiàn)數(shù)量在所有15種期刊中選取的文獻(xiàn)總數(shù)里所占的比例.
表1 15種期刊圖像工程文獻(xiàn)選取結(jié)果Table 1 Selected image engineering publications for 15 journals
對表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析如下:
1)各刊的選取率給出了15年來相應(yīng)期刊所刊載的有關(guān)圖像工程文獻(xiàn)的相對頻度,在一定程度上反映了在該刊所覆蓋的專業(yè)范圍中圖像工程學(xué)科所占的比例.由表1可見,《中國圖象圖形學(xué)報(bào)》的選取率最大(76.2%).這表明《中國圖象圖形學(xué)報(bào)》是圖像工程的最專門的一種期刊.選取率其次的為《模式識(shí)別與人工智能》(35.7%).其他選取率較高的期刊依次為《中國體視學(xué)與圖像分析》、《遙感學(xué)報(bào)》、《信號(hào)處理》和《CT理論與應(yīng)用研究》(均超過20%).
2)在文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)中,期刊載文量是對科技期刊在科學(xué)活動(dòng)和文獻(xiàn)交流中所起作用及其質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)常用的7個(gè)指標(biāo)中的第1個(gè)[19].表1中的各刊文獻(xiàn)比例是該刊在(15種期刊)圖像工程文獻(xiàn)載文中所占的比例,可以看作各刊的有效載文量,在一定程度上體現(xiàn)了該刊對圖像工程發(fā)展所起的作用和所做的貢獻(xiàn).從這個(gè)意義上講,文獻(xiàn)比例最高的《中國圖象圖形學(xué)報(bào)》在反映我國圖像工程領(lǐng)域研究的進(jìn)展、報(bào)道該領(lǐng)域科技的成果等方面都起到了重要的作用.此外,文獻(xiàn)比例較高的期刊分別為《電子與信息學(xué)報(bào)》和《電子學(xué)報(bào)》,考慮到圖像是特殊的電子信號(hào),這2種期刊排名在前也很好理解.
3)根據(jù)文獻(xiàn)離散律[19],某一學(xué)科的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)會(huì)大量集中在少數(shù)主要期刊上,而其余少量文獻(xiàn)則分散在較多的其他期刊上.從對圖像工程15年文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,其分布也符合這個(gè)規(guī)律.由表1中各刊的選取數(shù)量和文獻(xiàn)比例可見,發(fā)表在文獻(xiàn)比例最高的3種期刊,即《中國圖象圖形學(xué)報(bào)》、《電子與信息學(xué)報(bào)》和《電子學(xué)報(bào)》上的圖像工程文獻(xiàn)數(shù)量比其余12種期刊還要多.
表2給出綜述系列15年間統(tǒng)計(jì)得到的15種期刊所登載文獻(xiàn)的數(shù)量(文獻(xiàn)總數(shù))、所選取的圖像工程文獻(xiàn)數(shù)量(選取數(shù)量)和選取率(選取數(shù)量與文獻(xiàn)總數(shù)的比值)結(jié)果.
從表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出以下特點(diǎn):
1)各年15種期刊所登載的文獻(xiàn)總數(shù)是逐年增加的.這表明圖像工程及與圖像工程接近的領(lǐng)域的研究成果越來越多.
2)各年從這15種期刊所選取到的圖像工程文獻(xiàn)總數(shù)也是逐年增加的.這表明圖像工程自身領(lǐng)域的研究成果也越來越多.
3)最重要的一點(diǎn)是,這15種期刊的文獻(xiàn)選取率在這期間總的變化趨勢是快速上升的,15年間幾乎翻了一倍.也就是說,15年前,這15種期刊上每7篇文獻(xiàn)中有1篇與圖像工程有關(guān),而15年后,這15種期刊上每不到4篇文獻(xiàn)中就有1篇與圖像工程有關(guān).這不僅表明圖像工程方面的研究成果和投稿數(shù)量歷年都在不斷增加,而且也表明圖像工程學(xué)科在這15年得到了蓬勃的發(fā)展.上述15種期刊覆蓋了信息領(lǐng)域的多個(gè)方面,圖像工程文獻(xiàn)選取率的大幅增加說明相對其他信息領(lǐng)域研究方向,圖像工程方面得到的重視和關(guān)注更大,發(fā)展和進(jìn)展更為迅速.
表2 1995年~2009年圖像工程文獻(xiàn)選取結(jié)果Table 2 Selected image engineering publications from 1995 to 2009
圖像工程文獻(xiàn)涉及內(nèi)容多,覆蓋面廣,合理的文獻(xiàn)分類方案至關(guān)重要.根據(jù)合理的文獻(xiàn)分類方案才能獲得有意義的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.
綜述系列設(shè)計(jì)了一個(gè)2級(jí)分類方案.首先,圖像工程有3個(gè)層次,即圖像處理、圖像分析和圖像理解.作為一門工程學(xué)科,根據(jù)理論研究結(jié)果開展技術(shù)應(yīng)用是不可或缺的.另外,從文獻(xiàn)類型的角度,涉及跨類工作的綜述評論也有其特色.所以,第1級(jí)將文獻(xiàn)分為5個(gè)大類:圖像處理、圖像分析、圖像理解、技術(shù)應(yīng)用和綜述評論.
其次,為進(jìn)一步詳細(xì)且準(zhǔn)確地了解圖像工程的進(jìn)展和熱點(diǎn),在分大類的基礎(chǔ)上,還根據(jù)文獻(xiàn)自身的研究內(nèi)容、主要技術(shù)特點(diǎn)或應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步分入小類.目前共有23個(gè)小類(包括最后一大類僅對應(yīng)的一小類).這些小類比較細(xì)致和全面地描述了圖像工程的各個(gè)主要研究和應(yīng)用方向.
科技論文的發(fā)表是科研人員研究成果的一種體現(xiàn),所以各類文獻(xiàn)的數(shù)量在一定范圍內(nèi)反映了不同領(lǐng)域研究所受到的關(guān)注程度,下面分別給出文獻(xiàn)分大類和分小類的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.
表3給出對5個(gè)大類的圖像工程文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.其中“總數(shù)”為對應(yīng)大類15年來的文獻(xiàn)總數(shù)量,“百分比”給出對應(yīng)大類15年來的文獻(xiàn)總數(shù)量在所有圖像工程文獻(xiàn)中的比例,“平均值”給出對應(yīng)大類平均每年的文獻(xiàn)數(shù)量.
表3 5個(gè)大類圖像工程文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of 5 categories of image engineering publications
由表3可見,圖像處理的文獻(xiàn)約占總數(shù)的33.1%;圖像分析的文獻(xiàn)約占總數(shù)的29.6%,略少于總數(shù)的1/3;而圖像理解和技術(shù)應(yīng)用的文獻(xiàn)總百分比為36.9%,略多于總數(shù)的1/3(其中圖像理解與技術(shù)應(yīng)用之比約為2∶3).這些比例反映了圖像工程各層次目前的成果分布,圖像處理和圖像分析是圖像工程目前發(fā)展的主體,而圖像理解方面的研究還需要加強(qiáng).
表4給出對23個(gè)小類的圖像工程文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.“小類代號(hào)”中第1個(gè)字母對應(yīng)所屬的大類.第2列給出的名稱是基本名稱,其完整內(nèi)容可見各綜述文獻(xiàn)[1-16].相關(guān)名稱和概念的定義見文獻(xiàn)[24].需要注意,有些小類是隨著綜述的進(jìn)行而在近年增加上的,對這些小類,在計(jì)算“平均值”時(shí)僅考慮了其存在的年份.
通過對表4統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析可以看出:
1)在所有小類中,文獻(xiàn)總數(shù)排名第1的是“B1:圖像分割,邊緣等基元檢測”.圖像分割一直是圖像分析的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn),具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性,多年來人們投入其中的精力很大.目前看來,盡管對圖像分割的研究已取得了許多成果[25],但還有許多沒有解決和需要解決的問題,且更廣泛的研究正在深入開展[26].所以,今后圖像分割仍會(huì)是一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn).
2)在所有小類中,文獻(xiàn)總數(shù)排名第2的是“A4:圖像(視頻)壓縮編碼”.但與圖像分割的研究趨勢還在不斷上升不同,圖像編碼的研究在10年前達(dá)到頂峰后,正在緩慢下降.如果沒有新的動(dòng)力和焦點(diǎn),其榜眼位置將會(huì)不保.2009年該小類的數(shù)量僅與23個(gè)小類的平均值持平.
表4 文獻(xiàn)分小類統(tǒng)計(jì)表Table 4 Sub-categories and statistics of publications
3)與前面討論的2個(gè)小類不同,在“總數(shù)”一欄中排名第3至第8的小類與在“平均值”一欄中排名第3至第8的小類不完全對應(yīng).如前面指出的,有些小類是近些年才增加上的,對這些新增的小類,如果其“平均值”排名高于其“總數(shù)”排名,則說明這些小類在近年得到了更多的關(guān)注和研究.例如,小類“A5:圖像數(shù)字水印和圖像信息隱藏”在“總數(shù)”里排名第6而在“平均值”里排名第3.該小類是從2000年才加入的,但由于有關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的內(nèi)容迅速成為圖像技術(shù)中的一個(gè)重要研究熱點(diǎn),其數(shù)量的增加非???再如小類“B5:人體生物特征提取和驗(yàn)證”也是從2000年才加入的,但近幾年數(shù)量增加比較明顯,并在2009年榮登榜首,顯示出該類相關(guān)研究和應(yīng)用的突飛猛進(jìn).在該類文獻(xiàn)中,有關(guān)人臉識(shí)別的占據(jù)了大多數(shù)(一些基本原理和具體方法見文獻(xiàn)[27]),還有一部分與更廣泛的人臉圖像分析有關(guān)(國際上的一些相關(guān)工作見文獻(xiàn)[28]).
4)值得關(guān)注的小類分別是“A3:圖像增強(qiáng)和恢復(fù)等”和“C1:圖像匹配和融合等”.這2個(gè)領(lǐng)域原來已比較成熟(“總數(shù)”排名分別為3和4),但圖像應(yīng)用的不斷擴(kuò)展激發(fā)了一些新的研究方向.例如,對圖像質(zhì)量的評價(jià),圖像修補(bǔ)/修復(fù)(inpainting)以及圖像認(rèn)證等都給小類“A3:圖像增強(qiáng)和恢復(fù)等”加入了新的活力.另一方面,多傳感器圖像的融合隨著成像技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高而得到了廣泛的重視,遙感圖像的研究和應(yīng)用也快速增加,這些都使小類“C1:圖像匹配和融合等”以及相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用小類“D5:遙感、雷達(dá)、測繪”的文獻(xiàn)數(shù)量保持在較高的水平.
通過對過去15年綜述數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計(jì),對圖像工程在中國的發(fā)展情況給出了全面的評定,比已有的逐年綜述能更可靠地反映中國圖像工程進(jìn)展的趨勢.
隨著國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流的廣泛開展,信息傳播和分享技術(shù)手段的不斷發(fā)展,國內(nèi)外有關(guān)圖像工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越接近,所以基于國內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作在一定程度上揭示了國際上的動(dòng)態(tài),從中分析得出的研究熱點(diǎn)反映了國際上的趨勢,這些都對相關(guān)研究人員有較高的參考價(jià)值.
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