成像技术是信息产业中最热门的话题，也是空间技术等领域中需求最大的高新技术组合体.直观形象的图像是人们最容易记忆的一种信息载体，也是包含信息最丰富而准确的记录方式.成像技术自诞生起就不停地进行着改进和革新.经历了机械化、电子化(以胶片式为主)成像技术阶段，自动化成像(以APS:Advanced Photo System)磁记录成像为最高特征)技术阶段，数字成像阶段.下面将具体分析成像技术的这3个发展阶段. 1.1 机械化、电子化(以胶片式为主)成像技术

胶片式成像技术是银盐为主的化学感光成像技术，作为一种经典技术，胶片式成像通过卤化银为感光材料记录光信号.卤化银晶体具有一经曝光其化学组成发生变化的特性：胶片一经曝光立即产生潜影——一种看不见的影像，通过显影即得到其记录的影像.

照相机就是运用这项技术最典型的例子之一.自从达盖尔发明的“银板摄影法”问世以来，照相机技术发生了翻天覆地的变化，从1950年前后至今，由于微电子技术、显示技术、电脑及工程材料技术等逐渐进入照相机技术的应用领域，使得这种胶片式成像技术得到极大的发展.而目前的镜头设计、多层镀膜技术、内置测光和自动对焦技术等，都标 志着照相技术的整体水平都已经发展到一个相当的高度. 1.2 自动化(以APS磁记录成像为最高特征)阶段

20世纪90年代，数字成像技术尚未取得突破应用，人们寻求一种新的技术手段，使摄影时既保持胶片式成像的低价、历史真实性及高分辨率的优势，同时又具有数字成像的数字通讯优势.于是APS成像技术应运而生.

APS技术沿用了感光材料成本低、分辨率高、历史保真性好的特点，继续采用感光胶片.但该胶片反面涂有磁层，用于记录拍照时的主要技术信息，冲扩时扩印机读取拍照记录的数据并进行技术处理，自动达到高成像质量.该技术汲取了电子成像自动化通讯与处理的部分优点.需要注意的是，它还隐含着一种更高分辨率、低成本的数字成像技术——磁成像技术可能性.APS磁记录感光胶卷的诞生是照相机、扩印机由电子化向相互通讯自动化发展的必然产物，也是感光成像技术数字化、信息化、智能化革新的标志成果. 1.3 数字成像阶段

数字成像技术是20世纪末出现的最激动人心的技术之一^[1]，它是用一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)来替代传统的感光胶片，它将传统的光信号转换成对应的电信号，经过A/D转换部件将模拟量转换为数字量，再生成相应的数字图像.数字成像技术作为一种新兴的成像技术，具有无限的发展潜力.由于CCD的制造成本相对高，国际上已经开发出成本更低的CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)——互补金属氧化物半导体^[2]器件用于替代CCD部件.

和传统的胶片式成像技术相片相比，数字成像技术得到的影像具有:(1)数字通讯特性，即数字照片可以通过计算机由网络传递到别的计算机上，且传输具有及时性和高保真性；(2)图像修改特性，数字图像可以通过计算机进行修改，直到满意为止；而胶片式图像一旦曝光，底片上的潜影是不可更改的. 2 胶片式向磁记录转变

APS先进摄影系统具有胶片摄影的优势又具有数字成像系统数字通讯的优势.由于APS和胶片式都需要使用化学感光胶片，但是APS胶片反面涂有磁层记录拍照信息，因此可以理解为APS是对胶片式成像方式的革新.

20世纪80年代末，柯达公司通过调查发现传统胶片式成像技术在装片、构图、扩印、放大等方面存在先天性不足，这些不足主要体现在：(1)胶片有效利用面积太小.在135系统中的胶片，两条齿轮占去胶片面积多达35%；(2)暗盒体积大，暗盒里面空间浪费很多；(3)摄影者与照片冲印人员无法沟通.冲印人员冲印出来的照片往往达不到摄影者的要求，因此很多专业人士都希望自己加工照片，或专门雇佣洗印技师；(4)不能与迅速发展的数字技术相结合.

基于以上缺点，柯达公司得出结论：只有创立一种全新的系统，才能满足消费者的种种要求，于是一种先进的APS智能摄影系统应运而生.

APS胶卷盒外型和传统的135不一样，是椭圆柱状，且体积减少28%以上,如图1所示^[3].在感光度标识、曝光状态标识等几方面也有技术上的革新.

图 1

Fig. 1

图1 APS胶卷暗盒 APS film case

APS智能摄影系统的核心是胶片技术，而胶片的创新在于磁记录信息应用即APS胶片的信息交换功能，即在胶片背面涂磁，且胶片暗盒可以从相机取出放入其它相机并自动回到原来曝光的下一帧胶片位置.该方式既独特又实用，而工艺又非常简单，就是在胶片的背面全幅面均匀地涂有透明磁介质，而仅用胶片两边的磁道来读写信息.透明是由于其正面感光成像的需要，全幅面则是因为其工艺简单.

APS胶片的最重要特征是背面涂有磁记录层.虽然各个厂家都使用自己的技术，但APS磁层都是由防静电层和润滑保护层构成.防静电层提高了胶片防静电(磁信息噪音)效率；润滑保护层提高了接受磁信息的可信赖性，并具有磁头清洗(head cleaning)功能.乳剂层和磁层相对于片基非常薄，不会产生灰雾,如图2示^[4].

图 2

Fig. 2

图2 APS胶片断面图 Sectional drawings of APS film

APS智能摄影系统的磁记录包括两个基本过程：磁写过程和磁读过程.其中磁写过程是磁头中流过信号电流，介质磁化，将信息写入介质；而磁读过程是用磁头监测介质磁状态，将信号读出.

APS全幅面涂有磁层的胶卷能使我们按照各种应用要求提供信息量极大的技术数据；APS为图像传感器研究及其图像获取与处理技术提供了一种新的途径；并且APS为一种更高分辨率、低成本的数字通讯技术——磁成像研究提供了可能.因此受到了世界各大照相跨国公司的重视.

APS的研究目标是用磁记录智能感光胶卷取代100多年以来沿用的常规135等感光胶卷，从技术上来看是照相机、扩印机由自动化控制阶段向相互通讯智能化发展的必然产物.因为相关的磁带磁盘技术比较成熟，磁介质又有数字化特性，为磁成像研究提供可能空间.基于此启示，成像技术还有进一步向纳米成像甚至分子成像发展的趋势.其中分子成像^[5]是近年来出现的一个将分子生物学与在体成像相结合的新领域，而纳米成像技术^[6]是现代分析化学对单原子和单细胞进行观测及测控研究的主要技术和手段之一. 3 基于空间分辨率的胶片式与数字两用型技术

随着全球数字化的高速发展，数字图像因其具有的易编辑性和易保存性而越来越受到人们的青睐，人们对信息的处理能力也在迅速增强，图像信息的高效表达对于人们更好地应用信息和表达信息具有不可替代的重要作用.但胶片、感光相纸输出技术也有批量化程度强、技术成熟、影像质感柔和等特点^[7].随着数字图像市场的日益扩张，必定要求有相应的影像输出系统兼顾两类优点和市场需求.而基于空间分辨率的胶片式与数字两用型技术就是兼顾传统影像输出和数字影像的输出、集两类输出方式优势为一体的一种新兴技术.

所谓空间分辨率(Spatial Resolution)来自遥感领域的概念，是指影像上能够识别的两个相邻地物的最小距离，可以引申到其它成像领域，亦可称为几何分辨率.胶片式航空摄影仪具有非常高级的光学系统、稳定平台系统、定位定姿系统.为了在保证胶片航摄能力的前提下，具有数字成像能力，因此考虑设计一个使用CCD传感器的数字系统，将二者优势进行集成，达到数字航摄较高的基高比(决定了航摄高程精度)与严格中心投影(极大影响平面与高程精度及畸变校正水平)，从而获得高空间分辨率.

图3展示了胶片相机系统和数字相机系统的组成.其中胶片相机系统由目视导航设备、控制单元、稳定平台和胶卷暗盒4个部分构成；数字相机系统由目视导航设备、控制单元、稳定平台和CCD传感器4个部分构成.这种基于空间分辨率的胶片式与数字两用型技术可以在不同情况下根据需要使用胶片和数字成像手段进行拍摄作业.

图 3

Fig. 3

图3 胶片相机系统和数字相机系统构成 Component of film camera system and digital camera system

图4为这种基于空间分辨率的胶片式与数字两用型技术的原理图.在这种两用型技术中，首次使用了二次成像技术.所谓二次成像技术，首先通过大镜头的胶片相机在数字底片上得到一个大尺寸影像，然后通过4个CCD相机捕捉这个大尺寸影像而得到的输出结果.所谓数字底片，是区别于传统胶片相机的底片，可以由LCD或者毛玻璃构成的一种平面结构.

图 4

Fig. 4

图4 基于空间分辨率的胶片式与数字两用型技术原理图 The functional block diagram of film and digital dual-purpose technique based on spatial resolution

作为一种新型技术，基于空间分辨率的胶片式与数字两用型技术涉及了电学、机械学、光学以及软件算法4个方面，是一门综合性很强的技术.这种技术已经取得成功. 4 基于辐射、光谱、时间分辨率的数字成像技术

最近20年来，数字成像技术在推动空间信息发展的同时，其辐射分辨率、光谱分辨率、时间分辨率这3个重要的特征参数也成为了该领域关注的焦点.以下我们总结分析一下基于这3种分辨率的相关成像技术. 4.1 基于辐射分辨率的相关技术

辐射分辨率(Radiometric Resolution)是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量.偏振是辐射分辨率中的一部分.偏振遥感利用目标辐射和反射的偏振强度值、偏振度、偏振角、偏振椭率和辐射率信息，可以解决传统光度学探测无法解决的一些问题^[9,10,11].这些偏振光的特性使得偏振光在遥感中能够解决许多实际问题.

偏振通常表述有线偏振、圆偏振或椭圆偏振^[12,13]等，均属于偏振光(有完全偏振和部 分偏振之分)，一般情况下自然光线是非偏振光.偏振遥感中常用Stokes矢量法表示光的偏振态，用I、Q、U、V这4个分量表示，I为辐射总强度的度量，Q为用于计量水平方向的线偏振度，U为用于计量与水平夹角45度的线偏振量，V表示右旋还是左旋圆偏振分量占优势.基于上述，我们综合图5的4个分量影像发现了许多单一影像难以显现的新信息.

图 5

Fig. 5

图5 树枝的全偏振Stokes 4个矢量同步获取的图像 Synchronic branch image acquisition by full-stokes-vector

光谱分辨率(Spectral Resolution)指遥感器接受目标辐射时能分辨的最小波长间隔.间隔越小，分辨率越高.光谱分辨率是指传感器所能分辨的波段数、波长及波段宽度.在一定波长范围内，被分割的波段数越多，即波谱取样点越多，则光谱曲线越接近于连续波谱曲线.高光谱分辨率(简称高光谱)遥感的发展是过去20年中人类在对地观测方面所 取得的重大技术突破之一，是当前遥感的前沿技术^①.

例如，连续的窄波段成像为背景制成的成像光谱仪，它在空间成像的同时，以相同的空间分辨率记录下几十或者成百的光谱通道数据，它们叠合在一起就构成了高光谱图像立方体，从高光谱图像立方体的每个像元均可提取一条连续的光谱曲线，如下页图6所示，这是美国海军NEMO计划中高光谱传感器测量的每个像元的反射光谱曲线示意图.成像光谱仪的显著特点是在特定光谱区域以高光谱分辨率同时获取连续的地物光谱图像，从而使得遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息研究，定量分析地球表层生物物理化学过程和参数^[14].

图 6

Fig. 6

图6 高光谱影像立方体 High-spectrum imagery cube

时间分辨率(Temporal Resolution)是关于遥感影像间隔时间的一项性能指标.遥感探测器按一定的时间周期重复采集数据，这种重复周期又称回归周期,它是由飞行器的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数所决定,这种重复观测的最小时间间隔称为时间分辨率.时间间隔大，时间分辨率低，反之时间分辨率高.

时间分辨率在航天遥感中体现为重访周期，根据地球资源与环境动态信息变化的快慢，可选择适当的时间分辨率范围.按研究对象的自然历史演变和社会生产过程的周期划分为5种类型：(1)超短期的.如台风、寒潮、海况、鱼情、城市热岛等，需以小时计；(2)短期的.如洪水、冰凌、旱涝、森林火灾或虫害、作物长势、绿被指数等，要求以日数计；(3)中期的.如土地利用、作物估产、生物量统计等，一般需要以月或季度计；(4)长期的.如水土保持、自然保护、冰川进退、湖泊消长、海岸变迁、沙化与绿化等，则以年计；(5)超长期的.如新构造运动、火山喷发等地质现象，可长达数十年以上.

在航空遥感中时间分辨率体现为航片的航向重叠度,航向重叠是航空摄影中沿同一航线的相邻像片上有同一地面影像部分(如图7).沿航向重叠部分与像片长度之比，称为“航向重叠度”，以百分数表示.根据面积航空摄影的要求，沿同一航线上相邻像片间的航向重叠一般应达到60%，至少不小于53%.

图 7

Fig. 7

图7 同一航线上的航向重叠航片 Forward overlap photograph on the same air route

当今，空天成像信息成为人们获取地球空间信息最重要的手段,与飞速发展的成像信息获取技术相比，成像信息处理的手段相对滞后的矛盾日益突出与尖锐.自动、快速是目前社会经济发展对空天成像信息处理提出的迫切要求，使得多源成像信息集成是目前研究的趋势.因此，图像协同处理机理研究是成像自动处理的关键.

成像自动处理过程包括多个环节，成像效果是各环节的合作贡献.目前各环节细节的研究很深入，但局限在各个局部环节导致整体分析的弱化，缺乏一种统一的技术方法将所有部分有效地连接起来.因此，将控制论引入成像处理各环节中，会取得较好的效果. 成像自动处理的技术核心是多源数据信息的智能化及实时处理.在研究成像各环节的基础上，实现传感器、观测对象、信息处理的一体自动化并消除人工环节，最终基于时空反馈控制论，建立成像信息一体化实时获取的闭环模型，实现目标成像数据对成像传感器参数调节的反馈控制.主要研究包括如下内容：

(1)自动处理序列化输入过程模型：组合方式下多源信息协同处理的机理.基于各种空天参数体系(轨道高度、轨道倾角、传感器波谱特性、成像宽度等)，研究需求牵引的空天观测网络柔性组合优化原理，实现空天观测网络的泛函表征，并基于泛函分析与最优化理论，讨论空天观测网络的柔性优化组合；在理论研究的基础上，发展空天观测网络柔性优化组合算法，进行优化建模仿真.

(2)自动处理序列化输出过程模型：成像参数非平稳时空随机模型及联合解算机制.研究信号相关理论、尺度空间理论、算法适应性与调度策略，对多源空天成像信息进行有效可靠的精确配准，然后完成多源空天成像信息的配准、融合，最后实现多源成像信息的协同数据处理.研究非平稳随机模型的时间相关性、空间相关性及时空相关性研究，非平稳随机序列的突变点或变化趋势研究，非平稳随机序列中随机模型的稳健最优估计.

(3)观测对象融入自动处理序列化模型：基于地表特征视觉感知模型的空间信息时空有效性评价机制.开展成像参数非平稳时空随机模型研究，包括非随机误差的参数化模型建立与最优估计，不同类成像参数及地表特征参数的一体化求解，模型参数自适应最优估计等基础问题.开展多传感器成像参数联合处理算法研究，建立非平稳时空随机模型最优估计与空天成像参数联合求解软件试验系统.

(4)传感器融入自动处理序列化模型：空天观测网络柔性组合优化原理与方法.研究范畴特征的提取、多尺度分层结构模型、多分类器组合的差异性测度、遥感光谱特征和信息的时间序列构建、精度指标的空间分布及内插计算方法、异质和多尺度数据处理方法.

(5)消除人工环节：传感器、观测对象、自动处理一体化时空闭环控制模型模拟及重大灾害观测目标对空天传感器重构的反馈控制仿真.

成像自动处理控制理论的主要内容如图8所示.

图 8

Fig. 8

图8 成像自动处理控制理论的主要内容示意图 Schematic diagram of the Automatic Imaging processing control theory

人类社会发展到今天，已经进入信息化时代.信息的快速获取与传输已经成为时代发展的一个典型特征^[15].视觉是人类最重要的信息感知方式，图像是视觉的基础，随着社会信息化的进步，图像在大型应用领域中的需求不断增长，成像技术已逐渐上升为信息时代的主体内容^[7].成像技术主要分为胶片式、数字成像、磁成像等，它们分别代表着成熟、发展、起步的技术产业,这3种技术的共性、各自本质特征、相互技术关联、前景等，是影像技术界关注的热点问题，对成像技术发展起着至关重要的导向作用.

从1888年美国柯达公司生产出了新型感光材料“胶卷”，成像技术就以不可遏制的状态飞速发展并充斥在社会的任意角落.传统的胶片式成像是一种纯机械式的成像方式，以附着银盐感光材料的胶片作为载体，拍摄后要经过冲洗才能得到照片.随着磁带磁盘技术的成熟，到了20世纪90年代初，一种新的胶片技术应运而生，即APS智能摄影系统，它的技术核心是在胶片背面涂磁^[3]，减小了体积，在感光度标识、曝光状态标识等几方面也有技术上的革新.近年来，磁成像技术还有进一步向分子成像甚至是纳米成像发展的趋势.同时，由于全球数字化的高速发展，20世纪60年代美国Fairchild公司最早推出CCD(Charge Coupled Device)芯片是数字成像的开端；30多年来，数字成像技术成为了20世纪后半期出现的最激动人心的技术之一；而已经过去的21世纪的11年间，数字成像技术在取得百姓化普及应用的同时，空间、辐射、光谱、时间分辨率这4个重要的参数特征也成为了领域内关注的焦点.