一、圖像形成的一般形式

大多數圖像的形成離不開一個照射源、場景元素以及一個探測器，場景元素對照射源能量的反射或吸收被探測器檢測到，就可以產生對應的圖像。

照射源可以是電磁能量源，例如紅外線、可見光和X射線與伽馬射線，也可以是超聲波，場景元素通常是現實世界的各種物體，反射或吸收是場景對于照射源的兩種反應方式，通常同時存在。

當然還有一些圖像，是由計算機生成的，用于建模或可視化。

二、可見光成像

2.1可見光

可見光是指人眼可感知的電磁波，可見光只占電磁波的一小部分，被分為6個較寬的區域：紫色、藍色、綠色、黃色、橙色和紅色。每種顏色不是突然中止，而是平滑地過渡到另一個相鄰的顏色。

電磁波能量可以用波長或頻率來表示，波長越短能量越大，紫色光波長約為0.43微米，紅色光波長約為0.79微米。

2.2可見光成像

可見光成像，照射源是可見光，自然界的物體就是場景元素，而人眼和相機就是感知可見光的探測器。

人眼觀察到的物體的顏色由物體反射的光的性質所決定，例如物體反射綠色光而吸收其他光，那么物體呈現的顏色就是綠色，而如果物體相對平衡地反射所有可見光，那么呈現的顏色就是白色。

人眼中的光感受器分為兩類：錐狀體和桿狀體，錐狀體對顏色高度敏感，桿狀體對顏色不敏感，沒有色覺。人眼在黑暗條件下看到的物體沒有顏色，就是因為此時只有桿狀體受到刺激，這種現象稱為暗視覺或微光視覺。

人眼與相機的成像過程非常相似：場景元素反射的可見光進入晶狀體（鏡頭），聚焦至視網膜（傳感器），最后由==大腦（計算機）==解碼，形成一副圖像。

人眼與相機的不同之處在于：

1. 晶狀體可改變形狀進行調焦，焦距的范圍為14~17mm，而相機的鏡頭的焦距是固定的，相機在調焦時是調整鏡頭的距離；
2. 人眼的灰度分辨率約為幾百到上千個灰度級，常見估值在700–1000級，大多數相機輸出的數字圖像的灰度級為256級，也可以做到更多灰度級；
3. 人眼的空間分辨率約為0.07~0.3mm（與距離有關），高精度工業相機的空間分辨率為0.01mm量級。

三、其他電磁波成像

3.1X射線成像

X射線能量一般為keV數量級，X射線成像通常用在醫學診斷和工業探傷領域，照射源即為X射線，場景元素為被照射人體或物體，探測器可以是感光膠片，也可以是數字成像探測器，例如閃爍體+CMOS，閃爍體將X射線轉換為可見光然后接上CMOS光傳感器。

成像過程一般是X射線穿過被測物體后，進入探測器被感知從而成像。

上圖為在X射線照射下形成的人手骨骼圖像，由于骨骼與肌肉的密度不同而對X射線的衰減程度不同，因此可以清晰地看到骨骼的形狀，從而進行醫學診斷。

X射線除對人體骨骼成像外，還有血管造影成像，是拍攝血管的影像。由于血管對X射線衰減很弱，直接在X射線照射下幾乎看不到血管，所以將對X射線衰減強的造影試劑注入血管，在X射線照射下就會顯示出清晰的血管影像。

3.2CT成像

3.2.1CT成像原理

CT全稱為Computed Tomography，計算機斷層掃描，也稱為CAT（Computed Axial Tomography，計算機軸向斷層掃描），原理上是使用X射線從許多不同的方向穿過物體從而得到該物體內部結構的圖像。

CT原理如上圖所示，假設物體待測平面簡化為3×3個小方格，每個方格都有一個X射線衰減系數，那么求出衰減系數就可以得到對應的圖像。
使用X射線分別從橫向、縱向、斜向照射物體，那么收集投影數據，就可以建立線性方程組，從而求解。

3.2.2CT成像與X射線成像對比

X射線成的像是將照射方向維度的信息壓縮成了一個點，因此損失了照射方向維度的信息，而CT成像通過對多個方向的投影建立方程求解從而還原圖像，可以拍攝X射線無法拍攝到的信息，分辨率也高于X射線成像。

此外還有一些輻射劑量、成本上的區別，本文不再贅述。

3.2.3CT生成三維描述

而且當物體沿X射線的照射平面的法線方向移動，那么就會產生大量切片圖像，這些切片組合到一起就可以得到物體的內部的三維描述。

3.3PET成像

PET全稱為Positron Emission Tomography，正電子放射斷層成像，原理是給病人注入放射性同位素，同位素衰變時發射正電子，正電子遇到電子，兩者湮滅發射出兩束能量相同、方向相反的伽馬射線，射線被病人周圍的環形探測器檢測到，重建出人體內部器官圖像。

PET成本雖然高昂，但是能反映代謝、血流、受體分布等功能信息，而不僅是解剖形態。