章毓晉

(清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

圖像工程是一個系統(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，并根據(jù)其內(nèi)容進行了統(tǒng)一的分類和統(tǒng)計，撰寫成文.所查閱的文章構(gòu)成了一個中國圖像工程的年度文獻綜述系列(見文獻［1-16］).本文在此基礎(chǔ)上，將這15年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合起來，進行統(tǒng)計和分析，進一步歸納出當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.

1 圖像工程和綜述目的

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)進行綜合集成的研究和應(yīng)用應(yīng)當在一個整體框架下進行，這個框架就是圖像工程［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、對整個圖像領(lǐng)域進行研究應(yīng)用的新學(xué)科.事實上，圖像技術(shù)多年來的發(fā)展和積累為圖像工程學(xué)科的建立打下了堅實的基礎(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別上進行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大.圖像分析則進入了中層，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進行運算，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)成了一個年度文獻綜述系列.這個工作的主要目的有3點:

1)概括我國圖像工程發(fā)展現(xiàn)狀.

期刊是一類獨具特色的信息載體，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、進展以及前沿動態(tài)［17］，因此通過對有關(guān)圖像工程重要期刊上刊載文獻的統(tǒng)計分析，不僅可以幫助人們了解我國圖像工程研究和應(yīng)用的總體情況及當前關(guān)注焦點［18］，還能夠為制定相關(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.

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］.因為作為一門比較新的學(xué)科，圖像工程內(nèi)容新，覆蓋面大，有關(guān)文獻的內(nèi)容涉及領(lǐng)域?qū)挘墨I的分布也較廣，所以通過對重要期刊上有關(guān)文獻的歸納分類可以方便研究應(yīng)用人員進行文獻查閱，定期掌握專業(yè)動向，以達到共同發(fā)展我國圖像工程事業(yè)的目的.

3)為期刊編者和文獻作者提供有用的參考信息.

由于對期刊文獻的統(tǒng)計結(jié)果可反映出當前該學(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)合文獻計量學(xué)原理和方法的分析(如文獻［19］)，可進一步了解學(xué)科的進展和相關(guān)研究人員的情況［20］、期刊的水平特點［21］和文獻作者群的情況［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;對文獻的作者來說，由于發(fā)表科研文獻的主要目的是傳播研究成果，促進技術(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，本文可對科研人員投稿起參考和導(dǎo)向作用.

2 期刊和文獻選取

作為對特定期刊上相關(guān)文獻的綜述系列的綜合分析，先介紹一下這些期刊和文獻的選取原則.

2.1 期刊的選取

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，文獻分布也比較廣.本文在選擇期刊時主要考慮了3點:

1)讀者較廣.選擇了發(fā)行比較廣泛的國內(nèi)中文一次文獻期刊;

2)學(xué)術(shù)水平較高.主要選擇國內(nèi)一級學(xué)會的會刊，或相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域中重要的二級學(xué)會會刊;

3)信息較多.指期刊內(nèi)有關(guān)圖像工程的文獻比較集中，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)計的一致性，雖然近年來相關(guān)的新期刊時有出現(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)計數(shù)據(jù)有較好的可比性.

2.2 文獻的選取

綜述文章在選取相關(guān)文獻時首要考慮的是文獻內(nèi)容，即參與統(tǒng)計的文獻要與圖像工程學(xué)科有關(guān)，其次考慮到期刊登載的文獻有許多種類，為反映中國圖像工程研究和應(yīng)用的情況，在選取時還考慮了以下3點:1)以中文發(fā)表的(各刊上僅用英文寫的文獻和直接從外文翻譯的譯文未考慮)、主要報道國內(nèi)研究工作的文獻;2)屬于學(xué)術(shù)論文、研究簡報、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)進展的文獻(未包括科普普及類型和介紹性講座類型的文獻);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.

2.3 各刊文獻選取的情況

表1歸納了根據(jù)前述期刊選取原則和文獻選取原則而得到的結(jié)果(另有19期增刊或英文?？瘺]有統(tǒng)計，另有690篇英文或譯文或講座文獻沒有統(tǒng)計).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)計源.對這15種期刊上有關(guān)圖像工程文獻的統(tǒng)計結(jié)果分為5列:1)選取期數(shù)是指各期刊用于統(tǒng)計的期數(shù);2)文獻總數(shù)是指各刊所選取期上所有發(fā)表的滿足上述文獻選取準則的文獻數(shù)量;3)選取數(shù)量是指各刊從文獻總數(shù)中選取出來的圖像工程文獻數(shù)量;4)選取率是指從各刊所選取的圖像工程文獻數(shù)與該刊文獻總數(shù)的比值(以上4項均與各對應(yīng)期刊相關(guān));5)文獻比例是指從該刊中選取的圖像工程文獻數(shù)量在所有15種期刊中選取的文獻總數(shù)里所占的比例.

表1 15種期刊圖像工程文獻選取結(jié)果Table 1 Selected image engineering publications for 15 journals

對表1的統(tǒng)計數(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》的選取率最大(76.2%).這表明《中國圖象圖形學(xué)報》是圖像工程的最專門的一種期刊.選取率其次的為《模式識別與人工智能》(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》、《信號處理》和《CT理論與應(yīng)用研究》(均超過20%).

2)在文獻計量學(xué)中，期刊載文量是對科技期刊在科學(xué)活動和文獻交流中所起作用及其質(zhì)量進行評價常用的7個指標中的第1個［19］.表1中的各刊文獻比例是該刊在(15種期刊)圖像工程文獻載文中所占的比例，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.從這個意義上講，文獻比例最高的《中國圖象圖形學(xué)報》在反映我國圖像工程領(lǐng)域研究的進展、報道該領(lǐng)域科技的成果等方面都起到了重要的作用.此外，文獻比例較高的期刊分別為《電子與信息學(xué)報》和《電子學(xué)報》，考慮到圖像是特殊的電子信號，這2種期刊排名在前也很好理解.

3)根據(jù)文獻離散律［19］，某一學(xué)科的學(xué)術(shù)文獻會大量集中在少數(shù)主要期刊上，而其余少量文獻則分散在較多的其他期刊上.從對圖像工程15年文獻的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，其分布也符合這個規(guī)律.由表1中各刊的選取數(shù)量和文獻比例可見，發(fā)表在文獻比例最高的3種期刊，即《中國圖象圖形學(xué)報》、《電子與信息學(xué)報》和《電子學(xué)報》上的圖像工程文獻數(shù)量比其余12種期刊還要多.

2.4 各年文獻選取的情況

表2給出綜述系列15年間統(tǒng)計得到的15種期刊所登載文獻的數(shù)量(文獻總數(shù))、所選取的圖像工程文獻數(shù)量(選取數(shù)量)和選取率(選取數(shù)量與文獻總數(shù)的比值)結(jié)果.

從表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出以下特點:

1)各年15種期刊所登載的文獻總數(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)最重要的一點是，這15種期刊的文獻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)域的多個方面，圖像工程文獻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)展和進展更為迅速.

表2 1995年～2009年圖像工程文獻選取結(jié)果Table 2 Selected image engineering publications from 1995 to 2009

3 文獻分類統(tǒng)計和分析

圖像工程文獻涉及內(nèi)容多，覆蓋面廣，合理的文獻分類方案至關(guān)重要.根據(jù)合理的文獻分類方案才能獲得有意義的統(tǒng)計結(jié)果.

3.1 文獻分類方案

綜述系列設(shè)計了一個2級分類方案.首先，圖像工程有3個層次，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級將文獻分為5個大類: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，為進一步詳細且準確地了解圖像工程的進展和熱點，在分大類的基礎(chǔ)上，還根據(jù)文獻自身的研究內(nèi)容、主要技術(shù)特點或應(yīng)用領(lǐng)域進一步分入小類.目前共有23個小類(包括最后一大類僅對應(yīng)的一小類).這些小類比較細致和全面地描述了圖像工程的各個主要研究和應(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，下面分別給出文獻分大類和分小類的統(tǒng)計結(jié)果.

3.2 文獻分大類統(tǒng)計結(jié)果

表3給出對5個大類的圖像工程文獻的統(tǒng)計結(jié)果.其中“總數(shù)”為對應(yīng)大類15年來的文獻總數(shù)量，“百分比”給出對應(yīng)大類15年來的文獻總數(shù)量在所有圖像工程文獻中的比例，“平均值”給出對應(yīng)大類平均每年的文獻數(shù)量.

表3 5個大類圖像工程文獻統(tǒng)計表Table 3 Statistics of 5 categories of image engineering publications

由表3可見，圖像處理的文獻約占總數(shù)的33.1%;圖像分析的文獻約占總數(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.

3.3 文獻分小類統(tǒng)計結(jié)果

表4給出對23個小類的圖像工程文獻的統(tǒng)計結(jié)果.“小類代號”中第1個字母對應(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［1-16］.相關(guān)名稱和概念的定義見文獻［24］.需要注意，有些小類是隨著綜述的進行而在近年增加上的，對這些小類，在計算“平均值”時僅考慮了其存在的年份.

通過對表4統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析可以看出:

1)在所有小類中，文獻總數(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熱點和難點，具有很強的挑戰(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，今后圖像分割仍會是一個關(guān)注的焦點.

2)在所有小類中，文獻總數(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年前達到頂峰后，正在緩慢下降.如果沒有新的動力和焦點，其榜眼位置將會不保.2009年該小類的數(shù)量僅與23個小類的平均值持平.

表4 文獻分小類統(tǒng)計表Table 4 Sub-categories and statistics of publications

3)與前面討論的2個小類不同，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)知識產(chǎn)權(quán)保護的內(nèi)容迅速成為圖像技術(shù)中的一個重要研究熱點，其數(shù)量的增加非?？?再如小類“B5:人體生物特征提取和驗證”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.在該類文獻中，有關(guān)人臉識別的占據(jù)了大多數(shù)(一些基本原理和具體方法見文獻［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［28］).

4)值得關(guān)注的小類分別是“A3:圖像增強和恢復(fù)等”和“C1:圖像匹配和融合等”.這2個領(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)用的不斷擴展激發(fā)了一些新的研究方向.例如，對圖像質(zhì)量的評價，圖像修補/修復(fù)(inpainting)以及圖像認證等都給小類“A3:圖像增強和恢復(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)展和計算機運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、測繪”的文獻數(shù)量保持在較高的水平.

4 結(jié)論

通過對過去15年綜述數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計，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)文獻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作在一定程度上揭示了國際上的動態(tài)，從中分析得出的研究熱點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值.

［1］章毓晉.中國圖像工程:1995［J］.中國圖象圖形學(xué)報，1996，1(1):78-83.ZHANG Yujin.Image engineering in China:1995 ［J］.Journal of Image and Graphics，1996，1(1):78-83.

［2］章毓晉.中國圖像工程:1995(續(xù))［J］.中國圖象圖形學(xué)報，1996，1(2):170-174.ZHANG Yujin.Image engineering in China:1995(Supplement) ［J］.Journal of Image and Graphics，1996，1(2):170-174.

［3］章毓晉，中國圖像工程:1996［J］.中國圖象圖形學(xué)報，1997，2(5):336-344.ZHANG Yujin.Image engineering in China:1996 ［J］.Journal of Image and Graphics，1997，2(5):336-344.

［4］章毓晉.中國圖像工程:1997［J］.中國圖象圖形學(xué)報，1998，3(5):404-414.ZHANG Yujin.Image engineering in China:1997 ［J］.Journal of Image and Graphics，1998，3(5):404-414.

［5］章毓晉.中國圖像工程:1998［J］.中國圖象圖形學(xué)報，1999，4(5):427-438.ZHANG Yujin.Image engineering in China:1998 ［J］.Journal of Image and Graphics，1999，4(5):427-438.

［6］章毓晉.中國圖像工程:1999［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2000，5A(5):359-373.ZHANG Yujin.Image engineering in China:1999 ［J］.Journal of Image and Graphics，2000，5A(5):359-373.

［7］章毓晉.中國圖像工程:2000［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2001，6A(5):409-424.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2000 ［J］.Journal of Image and Graphics，2001，6A(5):409-424.

［8］章毓晉.中國圖像工程:2001［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2002，7A(5):417-433.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2001 ［J］.Journal of Image and Graphics，2002，7A(5):417-433.

［9］章毓晉.中國圖像工程:2002［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2003，8A(5):481-498.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2002 ［J］.Journal of Image and Graphics，2003，8A(5):481-498.

［10］章毓晉.中國圖像工程:2003［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2004，9(5):513-531.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2003［J］.Journal of Image and Graphics，2004，9(5):513-531.

［11］章毓晉.中國圖像工程:2004［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2005，10(5):537-560.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2004［J］.Journal of Image and Graphics，2005，10(5):537-560.

［12］章毓晉.中國圖像工程:2005［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2006，11(5):601-623.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2005［J］.Journal of Image and Graphics，2006，11(5):601-623.

［13］章毓晉.中國圖像工程:2006［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2007，12(5):753-775.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2006［J］.Journal of Image and Graphics，2007，12(5):753-775.

［14］章毓晉.中國圖像工程:2007［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2008，13(5):825-852.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2007［J］.Journal of Image and Graphics，2008，13(5):825-852.

［15］章毓晉.中國圖像工程:2008［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2009，14(5):809-857.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2008［J］.Journal of Image and Graphics，2009，14(5):809-837.

［16］章毓晉.中國圖像工程:2009［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2010，15(5):689-722.ZHANG Yujin.Image engineering in China:2009［J］.Journal of Image and Graphics，2010，15(5):689-722.

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［22］章毓晉，李睿.對《中國圖象圖形學(xué)報》論文和作者的統(tǒng)計分析［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2000，5A(1):6-10.ZHANG Yujin，LI Rui.Statistical analysis on the articles and authors of＂China Journal of Image and Graphics＂［J］.Journal of Image and Graphics，2000，5A(1):6-10.

［23］章毓晉，胡峰.對《中國圖象圖形學(xué)報》創(chuàng)刊10年來文章和作者的統(tǒng)計分析［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2006，11(1):1-7.ZHANG Yujin，HU Feng.Ten years＇statistical analysis on the articles and authors of＂Journal of Image and Graphics＂since its first publication［J］.Journal of Image and Graphics，2006，11(1):1-7.

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［26］ZHANG Yujin，et al.Advances in image and video segmentation［M］.Hershey:IRM Press，2006.

［27］章毓晉，等.基于子空間的人臉識別［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.ZHANG Yujin，et al.Subspace-based face recognition［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2009.

［28］ZHANG Yujin，et al.Advances in face image analysis:techniques and technologies［M］.Hershey:IGI Global，2010.