視覺檢測系統(tǒng)報(bào)告

1、視覺檢測系統(tǒng)報(bào)告年春季學(xué)期研究生課程考核（閱讀報(bào)告、研究報(bào)告）考核 科目：視覺測量系統(tǒng)學(xué)所在院（系）：電氣工程及自動(dòng)化學(xué) 院學(xué)生所在學(xué)科:儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：*學(xué) 號(hào)：10S001*學(xué)生類別：工學(xué)碩士考核結(jié)果：閱卷人：視覺 測量系統(tǒng)課程報(bào)告第一部分視覺測量系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀綜述機(jī)器視覺 自起步發(fā)展到現(xiàn)在，已有15年的發(fā)展歷史。應(yīng)該說機(jī)器視覺作為 一種應(yīng)用系統(tǒng)，其功能特點(diǎn)是隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展而逐漸完善 和發(fā)展的。目前全球整個(gè)視覺市場總量大概在6070億美元，是按照每 年8、896的增長速度增長的。而在中國，這個(gè)數(shù)字目前看來似乎 有些龐大，但是隨著加工制造業(yè)的發(fā)展，中國對(duì)于機(jī)器視覺的需 求將承上升

2、趨勢。一、機(jī)器視覺的定義及特點(diǎn)簡言之，機(jī)器視覺就是用機(jī)器代 替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖 像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏 色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn) 算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng) 作。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一 些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的 場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過 程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺 檢測方法可以大大

3、提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器 視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自 動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn) 代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān) 視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。在中國，這種應(yīng)用也在逐漸被 認(rèn)知，且?guī)碜钪苯拥姆磻?yīng)就是國內(nèi)對(duì)于機(jī)器視覺的需求將越來 越多。二、機(jī)器視覺在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀在國外，機(jī)器視覺的應(yīng)用 普及主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%50%都集中在 半導(dǎo)體行業(yè)。具體如PCB印刷電路：各類生產(chǎn)印刷電路板組裝技 術(shù)、設(shè)備；單、雙面、多層線路板，覆銅板

4、及所需的材料及輔 料；輔助設(shè)施以及耗材、油墨、藥水藥劑、配件；電子封裝技術(shù) 與設(shè)備；絲網(wǎng)印刷設(shè)備及絲網(wǎng)周邊材料等。SMT表面貼裝：SMT X 藝與設(shè)備、焊接設(shè)備、測試儀器、返修設(shè)備及各種輔助工具及配 件、SMT材料、貼片劑、膠粘劑、焊劑、焊料及防氧化油、焊膏、 清洗劑等；再流焊機(jī)、波峰焊機(jī)及自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備。電子生產(chǎn) 加工設(shè)備：電子元件制造設(shè)備、半導(dǎo)體及集成電路制造設(shè)備、元 器件成型設(shè)備、電子工模具。機(jī)器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測的各個(gè) 方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且其產(chǎn)品在應(yīng)用中占據(jù)著舉足輕 重的地位。除此之外，機(jī)器視覺還用于其他各個(gè)領(lǐng)域。而在中國，以上行業(yè)本身就屬于新興的領(lǐng)域，再加之機(jī)器視 覺產(chǎn)

5、品技術(shù)的普及不夠，導(dǎo)致以上各行業(yè)的應(yīng)用幾乎空白，即便 是有，也只是低端方面的應(yīng)用。目前在我國隨著配套基礎(chǔ)建設(shè)的 完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對(duì)采用圖像和機(jī)器視覺技術(shù) 的工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求開始廣泛出現(xiàn)，國內(nèi)有關(guān)大專院校、 研究所和企業(yè)近兩年在圖像和機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了積極思索 和大膽的嘗試，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。其主要應(yīng)用于制 藥、印刷、礦泉水瓶蓋檢測等領(lǐng)域。這些應(yīng)用大多集中在如藥品 檢測分裝、印刷色彩檢測等。真正高端的應(yīng)用還很少，因此，以 上相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用空間還比較大。當(dāng)然、其他領(lǐng)域如指紋檢測等 等領(lǐng)域也有著很好的發(fā)展空間。三、中國機(jī)器視覺未來發(fā)展趨勢在機(jī)器視覺賴以普及發(fā)展的 諸

6、多因素中，有技術(shù)層面的，也有商業(yè)層面的，但制造業(yè)的需求 是決定性的。制造業(yè)的發(fā)展，帶來了對(duì)機(jī)器視覺需求的提升；也 決定了機(jī)器視覺將由過去單純的采集、分析、傳遞數(shù)據(jù)，判斷動(dòng) 作，逐漸朝著開放性的方向發(fā)展，這一趨勢也預(yù)示著機(jī)器視覺將 與自動(dòng)化更進(jìn)一步的融合。需求決定產(chǎn)品，只有滿足需求的產(chǎn)品才有生存的空間，這是 不變的規(guī)律。機(jī)器視覺也是如此。未來，中國機(jī)器視覺發(fā)展主要表現(xiàn)為以下一些特性：1、隨著產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展對(duì)機(jī)器視覺的需求將呈上升趨勢機(jī)器 視覺發(fā)展空間較大的部分在半導(dǎo)體和電子行業(yè)，而據(jù)我國相關(guān)數(shù) 據(jù)顯示，全球集成電路產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇跡象明顯；與此同時(shí)，全球經(jīng)濟(jì) 衰退使我國集成電路產(chǎn)業(yè)獲取了市場優(yōu)勢、成本優(yōu)勢

7、、人才回流 等優(yōu)勢；國家加大對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)這一戰(zhàn)略領(lǐng)域的規(guī)劃力度，“信息化帶動(dòng)工業(yè)化”，走“新興工業(yè)化道路”為集成電路產(chǎn)業(yè) 帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，特別是高端產(chǎn)品和創(chuàng)新產(chǎn)品市場空間巨 大，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、國家戰(zhàn)略領(lǐng)域、3c應(yīng)用領(lǐng)域、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)類應(yīng)用領(lǐng) 域成為集成電路產(chǎn)業(yè)未來幾年的重點(diǎn)投資領(lǐng)域。此外，中國已成為全球集成電路的一個(gè)重要需求市場。據(jù)相 關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2002年我國集成電路市場需求規(guī)模為1135、5億元人民幣，占世界市場規(guī)模的9、76%o 2002年中國集成電路市場總銷量為283、2億塊，總銷售額為1135、5億元，同比增長26、2%。中國已成為近年來世界半導(dǎo)體投資的熱點(diǎn)。在全國 許多地區(qū)，特別是

8、長江三角洲地區(qū)，都有新的IC制造線和封裝測 試線投資興建，IC設(shè)計(jì)公司的數(shù)量每年成倍增長。在產(chǎn)業(yè)政策的 引導(dǎo)下，上海、北京、天津和深圳等地出現(xiàn)投資IC的好勢頭：天 津Motorola投資15億美元，月投2、5萬片的8英寸芯片生產(chǎn)線和上海中芯國際投資14億美 元，月投8英寸芯片硅片4、2萬片的項(xiàng)目已經(jīng)投入運(yùn)行。另外，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) 最新調(diào)研數(shù)據(jù)表明，2000年6月到2002年8月兩年間，中國IC 產(chǎn)業(yè)的投資總額約300億元，相當(dāng)于過去40年的投資總和。全國 IC設(shè)計(jì)單位數(shù)量兩年之間翻兩番，已激增到389家，收入過億元 的達(dá)78家；專業(yè)測試公司已有10家左右，我國的IC測試業(yè)初 具雛形。就以上

9、數(shù)據(jù)顯示，中國的半導(dǎo)體和電子市場已初具規(guī)模，而 如此強(qiáng)大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將需要高質(zhì)量的技術(shù)做后盾。同時(shí)他對(duì)于 產(chǎn)品的高質(zhì)量、高集成度的要求將越來越高。恰巧，機(jī)器視覺將 能幫助他們解決以上的問題，因此該行業(yè)將是機(jī)器視覺最好的用 武之地。同時(shí)，對(duì)于機(jī)器視覺的需求將蒸蒸日上。2、統(tǒng)一開放的標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)器視覺發(fā)展的原動(dòng)力目前國內(nèi)有近 數(shù)家機(jī)器視覺產(chǎn)品廠商，與國外機(jī)器視覺產(chǎn)品相比，國內(nèi)產(chǎn)品最 大的差距并不單純是在技術(shù)上，而且還包括品牌和知識(shí)產(chǎn)權(quán)上。 另一現(xiàn)狀是目前國內(nèi)的機(jī)器視覺產(chǎn)品主要以代理國外品牌為主， 以此來逐漸朝著自主研發(fā)產(chǎn)品的路線靠近，起步較晚。未來，機(jī) 器視覺產(chǎn)品的好壞不能夠通過單一因素來衡量，應(yīng)該逐

10、漸按照國 際化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)判定，隨著中國自動(dòng)化的逐漸開放，將帶領(lǐng)與其 相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)也逐漸開放。因此，依靠封閉的技術(shù)難以促進(jìn)整 個(gè)行業(yè)的發(fā)展，只有形成統(tǒng)一而開放的標(biāo)準(zhǔn)才能讓更多的廠商在 相同的平臺(tái)上開發(fā)產(chǎn)品，這也是促進(jìn)中國機(jī)器視覺朝國際化水平 發(fā)展的原動(dòng)力。3、基于嵌入式的產(chǎn)品將取代板卡式產(chǎn)品 從產(chǎn)品本身看，機(jī) 器視覺會(huì)越來越趨于依靠PC技術(shù)，并且與數(shù)據(jù)采集等其他控制和 測量的集成會(huì)更緊密。且基于嵌入式的產(chǎn)品將逐漸取代板卡式產(chǎn) 品，這是一個(gè)不斷增長的趨勢。主要原因是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微 電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是 其具備低功耗技術(shù)的特點(diǎn)得到人們的重視。另外，嵌入式操作

11、系 統(tǒng)絕大部分是以C語言為基礎(chǔ)的，因此使用C高級(jí)語言進(jìn)行嵌入 式系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)帶有基礎(chǔ)性的工作，使用高級(jí)語言的優(yōu)點(diǎn)是可 以提高工作效率，縮短開發(fā)周期，更主要的是開發(fā)出的產(chǎn)品可靠 性高、可維護(hù)性好、便于不斷完善和升級(jí)換代等。因此，嵌入式 產(chǎn)品將會(huì)取代板卡式產(chǎn)品。4、標(biāo)準(zhǔn)化、一體化解決方案也將是機(jī)器視覺的必經(jīng)之路另 外，由于機(jī)器視覺是自動(dòng)化的一部分，沒有自動(dòng)化就不會(huì)有機(jī)器 視覺，機(jī)器視覺軟硬件產(chǎn)品正逐漸成為協(xié)作生產(chǎn)制造過程中不同 階段的核心系統(tǒng)，無論是用戶還是硬件供應(yīng)商都將機(jī)器視覺產(chǎn)品 作為生產(chǎn)線上信息收集的工具，這就要求機(jī)器視覺產(chǎn)品大量采用 “標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)”，直觀的說就是要隨著自動(dòng)化的開放而逐漸開

12、 放，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行二次開發(fā)。當(dāng)今，自動(dòng)化企業(yè)正在 倡導(dǎo)軟硬一體化解決方案，機(jī)器視覺的廠商在未來5-6年內(nèi)也應(yīng) 該不單純是只提供產(chǎn)品的供應(yīng)商，而是逐漸向一體化解決方案的 系統(tǒng)集成商邁進(jìn)。在未來的幾年內(nèi)，隨著中國加工制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)于機(jī)器視 覺的需求也逐漸增多；隨著機(jī)器視覺產(chǎn)品的增多，技術(shù)的提高， 國內(nèi)機(jī)器視覺的應(yīng)用狀況將由初期的低端轉(zhuǎn)向高端。由于機(jī)器視 覺的介入，自動(dòng)化將朝著更智能、更快速的方向發(fā)展。另外，由 于用戶的需求是多樣化的，且要求程度也不相同。那么，個(gè)性化 方案和服務(wù)在競爭中將日益重要，即用特殊定制的產(chǎn)品來代替標(biāo) 準(zhǔn)化的產(chǎn)品也是機(jī)器視覺未來發(fā)展的一個(gè)取向。機(jī)器視覺的應(yīng)用 也將

13、進(jìn)一步促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)向智能化發(fā)展。第二部分圖像傳感器 （相機(jī)）及其產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀綜述目前主流的影像傳感器（圖像傳感器）主要有CCD和QIOS兩種。是數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像 頭等產(chǎn)品的核心部件。CCD是電荷藕合器件圖像傳感器的簡稱， CMOS是互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體的簡稱，它們都采用高感光度的半 導(dǎo)體材料制成。能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，然后轉(zhuǎn)為信號(hào)。兩者的生 產(chǎn)工藝和所使用的設(shè)備和計(jì)算機(jī)芯片差不多，所以目前很多主流 CMOS/CCD的廠商同時(shí)也是芯片制造商。隨著近幾年半導(dǎo)體制造工藝的成熟，CCD/CMOS產(chǎn)品成本逐漸 降低，主要體現(xiàn)在制造工藝上從5、2微米逐步向45nm演進(jìn)，使得單位面積的CCD/CMOS能

14、夠 承載更多的像素單位，目前市場上800萬像素的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)很 常見。在成本上跟電腦內(nèi)存差不多，容量18個(gè)月翻一番，價(jià)格卻 在持續(xù)下降。最近幾年數(shù)碼影像產(chǎn)品的價(jià)格已經(jīng)跌倒普通消費(fèi)者能夠接受 的水平，向一般家庭普及。傳統(tǒng)相機(jī)由于技術(shù)的局限，已經(jīng)無法 取得突破性的進(jìn)步，在成本和性能都被采用影像傳感器的新興影 像設(shè)備所取代，目前傳統(tǒng)影像設(shè)備已經(jīng)逐漸從市場上消失，僅在 高端市場上堅(jiān)守最后一塊陣地。目前影像傳感技術(shù)已經(jīng)普及到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，比如醫(yī) 療影像、軍事偵查、衛(wèi)星拍攝、氣象預(yù)報(bào)、安防產(chǎn)業(yè)、光學(xué)檢 測、工業(yè)自動(dòng)化控制、指紋檢查等。和現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟 件技術(shù)、光學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將促進(jìn)影像傳感

15、器的進(jìn)一步普及， 更多的新應(yīng)用將呈現(xiàn)在人們的眼前。CMOS技術(shù)發(fā)展迅速有可能成為未來主流當(dāng)前CCD在成像質(zhì)量上優(yōu)于CMOS,所以在數(shù)碼相機(jī)、醫(yī)療影 像、衛(wèi)星拍攝等對(duì)分辨率要求較高的領(lǐng)域CCD是主流，而另一方 面由于CMOS采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)成本低，耗電少， 普遍用在手機(jī)和電腦攝像頭。由于技術(shù)差異，CCD較多得用于靜態(tài) 影像，如拍照；CMOS則擅長于動(dòng)態(tài)影像，如視頻監(jiān)控；另外CMOS 還可以把一些周邊電路集成到芯片中，在便攜式設(shè)備中大量使 用。對(duì)比兩種技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，筆者認(rèn)為未來CMOS將是主 流。我們可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行思考：一、CMOS影像傳感器技術(shù)演進(jìn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于CCD

16、技術(shù)。CCD 技術(shù)的像素從5、2微米演進(jìn)至1、7微米耗時(shí)12年之久，而CMOS技術(shù)完成這一變化則只用 T 3年時(shí)間。二、從市場的擴(kuò)張速度來看，CMOS也高于CCD, xx年預(yù)計(jì)圖 像傳感器市場交貨總額為7、12億美元，總體市場份額中CCD出貨量從40%減少到30% 左右。三、CMOS已經(jīng)在成像的通透性、對(duì)實(shí)物的色彩還原能力等方 面迎頭趕上，總體性能的超越似乎只是時(shí)間問題。四、目前CMOS已經(jīng)主導(dǎo)手機(jī)拍照市場。CCD在過去三年已經(jīng) 是成熟的技術(shù)，由于其技術(shù)的獨(dú)特性，改進(jìn)困難，在成本上已經(jīng) 很難與CMOS競爭，由于其必須采用高于10伏的電壓，功率較 高，很難集成到一些便捷式產(chǎn)品中。五、CCD技術(shù)主

17、要掌握在日本人的手中，阻礙了技術(shù)的傳播， 而幾乎一般的半導(dǎo)體制造商都可以制造CMOS,所以成本下降很 快，也有利于技術(shù)進(jìn)步。因此，CMOS取代CCD是市場的發(fā)展趨勢，06年的時(shí)候，美光 影像集團(tuán)新市場開發(fā)總監(jiān)Paul Gallagher更是斷言，CMOS技術(shù)將 最終取代CCD技術(shù)，在未來45年內(nèi)，CCD市場將不斷下滑，預(yù) 計(jì)在10年后CCD市場份額將僅剩10%左右。全球市場競爭格局和近幾年發(fā)展趨勢目前CCD市場的主要廠商為索尼、夏普、松下等日本廠商, 后來進(jìn)入圖像傳感器領(lǐng)域的廠商基本上都采用CMOS技術(shù)，因?yàn)樗?采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝，技術(shù)門檻相對(duì)校低，并且技術(shù)進(jìn)步快， 被大多數(shù)公司看好。索尼牢

18、牢占據(jù)著CCD第一大供應(yīng)商的位置。跟CCD濃重的日本色彩不同，CMOS廠商則散布于美歐日等發(fā) 達(dá)國家，以xx年為例，CMOS供應(yīng)商按產(chǎn)值的排名如下：美國 OmniVision.美國美光半導(dǎo)體、歐洲意法半導(dǎo)體、日本東芝、日 本索尼。根據(jù)表二所示，去年OmniVision以7、25億美元的銷售收入躍居第一位，增長了 34%o美光、意 法半導(dǎo)體、東芝均出現(xiàn)了不同程度的下滑。索尼在積極補(bǔ)課 CMOS,索尼的熊本新廠于07年開始完工并量產(chǎn)，把索尼拉進(jìn)了 CMOS前五。全文結(jié)束年9月 日本的調(diào)查公司TechnoSystemResearch 統(tǒng)計(jì)指出，xx年CMOS傳感器的全球市場規(guī)模達(dá)4億3440萬個(gè)，

19、為20xx年的2、2倍；金額則為13億2300萬美元（約1480億日?qǐng)A），為 20xx年的1、7倍。其市場規(guī)模在數(shù)量上已超越CCD。根據(jù)市場調(diào)研公 司In-Stat 07年提供的數(shù)據(jù)，雖然數(shù)碼相機(jī)增長強(qiáng)勁，但手機(jī)仍 是圖像傳感器的主要市場，占總出貨量的75%以上。據(jù)市場調(diào)研公 司IC Insights數(shù)據(jù)，xx年可拍照手機(jī)的出貨量將從xx年的3、65億部增長到4、75億部，而且可拍照手機(jī)在總體手機(jī)市場中所占的比例也 在不斷上升。據(jù)IC Insights的報(bào)告，xx年可拍照手機(jī)占總體手 機(jī)出貨量的比例將達(dá)54%左右，而xx年是45%。自2002至xx年全球圖像傳感器市場大約以35%的速度在發(fā) 展

20、，主要得益于拍照手機(jī)的全面普及，還有數(shù)碼相機(jī)需求的飆 漲。于是乎，在這種形勢下，各大廠商紛紛增加產(chǎn)量，而xx年卻 迎來了市場的寒冬。年，CCD和CMOS圖像傳感器合并銷售下降 7%,主要由于上半年攝像手機(jī)庫存清理，市場需求增長放緩，以 及工業(yè)和辦公設(shè)備應(yīng)用中的銷售疲軟，比如制造系統(tǒng)中圖像機(jī) 器、復(fù)印機(jī)和掃描儀等。CMOS銷售下滑12%, CCD增長為零。ICInsights公司今年四月份發(fā)布的分析報(bào)告指出，xx年圖像 傳感器市場將出現(xiàn)反彈。預(yù)計(jì)xx年圖像傳感器市場規(guī)模將達(dá)76 億美元，比xx年增長10%o ICInsights分析員RobLineback表 示，預(yù)計(jì)xx年CMOS圖像傳感器銷售

21、將上升19%,達(dá)到44億美 元；同時(shí)，預(yù)計(jì)xx年CCD市場下降1%,為32億美元。不過該報(bào) 告在撰寫的時(shí)候可能沒考慮到下半年歐美會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重金融危機(jī)， 全球需求萎縮的情況，實(shí)際情況要等明年的分析報(bào)告。根據(jù)信產(chǎn) 部提供的數(shù)據(jù)今年整體手機(jī)銷量嚴(yán)重下滑，多家國產(chǎn)手機(jī)廠商生 存艱難，國外品牌也被迫降價(jià)，深圳山寨機(jī)庫存嚴(yán)重，一系列消 息，都讓人對(duì)今年的CMOS市場感到擔(dān)憂。國內(nèi)現(xiàn)狀與思考中國在圖像傳感器領(lǐng)域目前還處于起步階段，仍有很長的路 要走，由于圖像傳感器屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一部分，因此，影像傳 感器的發(fā)展取決于國內(nèi)芯片制造技術(shù)的進(jìn)步。目前具有臺(tái)灣背景 的中芯國際、和艦科技、臺(tái)積電等廠商在大陸的芯片廠已經(jīng)

22、頗具 規(guī)模，歐美的因特爾、意法半導(dǎo)體也相繼在中國大連和深圳設(shè) 廠。根據(jù)最新的消息今明兩年臺(tái)灣有可能開放12英寸晶圓及0、 13微米制程甚至90納米制程技術(shù)到大陸投資，勢必會(huì)進(jìn)一步促進(jìn) 中國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在技術(shù)選擇方面，無疑CMOS必選的方向， CCD技術(shù)一直掌握日本人手中，歐美發(fā)達(dá)國家廠商多年來都無法在 該領(lǐng)域分一杯羹，我們應(yīng)該吸取教訓(xùn)，選對(duì)方向。年IBM向中芯 國際授權(quán)45納米大批量CMOS技術(shù)，xx年10月中芯國際宣布成功 開發(fā)0、11微米CMOS圖像傳感器工藝技術(shù)，在此工藝下生產(chǎn)的器 件，其分辨率、暗光噪聲和相對(duì)照度都將得到增強(qiáng)。無疑，中國 本土廠商進(jìn)軍影像傳感器產(chǎn)業(yè)的號(hào)角已經(jīng)吹響！第

23、三部分?jǐn)z像機(jī) 模型的Matlab實(shí)現(xiàn)在機(jī)器視覺中，剛體變換經(jīng)常用于計(jì)算一個(gè)經(jīng) 過旋轉(zhuǎn)和平移后的新坐標(biāo)。比較常用的旋轉(zhuǎn)矩陣的表示形式有歐 拉角表示法和四元素表示法。一、歐拉角表示法用旋轉(zhuǎn)矩陣表示剛體的旋轉(zhuǎn)變換簡化了許 多運(yùn)算，但它需要9個(gè)元素來完全描述這種旋轉(zhuǎn)變換。被稱為歐 拉角的三個(gè)角度能很好描述剛體的旋轉(zhuǎn)變換。相應(yīng)的Matlab程序 如下:x=0123 0123 0123 0123；y=0 0 0 0111122223333；z=1231231231231231；%定義任意 16 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)P= X；y； z ； wx=pi/6；wy=pi/6； wz=pi/6； %分別設(shè)定偏轉(zhuǎn)、俯仰、 側(cè)傾

24、角度值rll=cos(wz)*cos(wy)；rl2=cos(wz)*sin(wy)*sin(wx)-sin(wz)；rl3=cos(wz)*sin(wy)*cos(wx)-sin(wz)*sin(wx)；r21=sin(wz)*cos(wy)；r22=sin(wz)*sin(wy)*s in(wx)+cos(wz)*cos(wx)；r23=sin(wz)*sin(wy)*cos(wx)+cos(wz )*sin(wx) ；r31=-sin(wy)；r32=cos(wy)*sin(wx)；r33=cos(wy)*cos(wx)；R=rll,rl 2,rl3；r21,r22,r23；r31,r3

25、2,r33；%求解歐拉角表示法的旋轉(zhuǎn)矩 陣 t =0 00000000000000 0； 0000000000 0 0 0 0 0 0； 000000000000000 0； %設(shè)定平移 量pz=R*p+t；xz=pz(1),pz(4),pz(7),pz(10),pz(13),pz(16),pz (19 ),pz (22),pz(25),pz(28),pz(31),pz(34),pz(37),pz(40),pz(43) ,pz(46) ；yz=pz(2) ,pz (5) ,pz(8) ,pz(ll) ,pz(14) ,pz(17) ,pz (20 ),pz(23),pz(26),pz(29),

26、 pz(32),pz(35),pz(38),pz(41), pz(44) ,pz(47) ；zz=pz(3),pz (6),pz(9), pz(12), pz(15) ,pz(18), pz (21 ),pz(24),pz(27),pz(30),pz(33),pz(36),pz(39),pz(42),pz (45) ,pz (48)；%經(jīng)坐標(biāo)變換后的坐標(biāo)figure；subplot(1,2,1)；grid,stem3(x,y,z)；axis(-1414)；subplot(1,2,2)；grid,stem3(xz,yz,zz)；axis(-1414)； 首先定義16個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，分別為001,

27、 102, 203,301, 012, 113, 211, 312, 023, 121, 222,323, 031, 132, 233, 333 <, 而后設(shè)定偏轉(zhuǎn)、俯仰、側(cè) 傾角度值，本程序?qū)⑷齻€(gè)角度值都設(shè)為30度，平移量設(shè)為0。程 序仿真后的圖形如下：左側(cè)圖為原坐標(biāo)，右側(cè)圖為經(jīng)變換后的坐標(biāo)。得出變換后的16 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為0、1250, 0、6495, 0、7500,1、 0000,1、 7321,1、 0000,1、 8750,2、 8146,1、 2500,2、 3750,1、 9486, -0、 7500 , -0、 0335,2、 1740,1、 9330 , 0、 8415

28、,3、 2566,2、 1830,1、 3415,2、 3905, 0、 1830,2、 2465,3、 4731, 0、 4330 , -0、 1920,3、 6986,3、 1160 , 0、 3080,2、 8325,1、 1160,1、 1830,3、 9151,1、 3360,2、 0580,4、 9976,1、 6160 , -0、 7255,3、 2745,2、 0490 , 0、 1495,4、 3571,5、 2990,1、 0245,5、 4396,2、5490,1、 52454、 5736 0、 5490o二、四元素表示法四元素是一個(gè)四元矢量，可用來描述坐標(biāo) 旋轉(zhuǎn)，實(shí)踐證

29、明，對(duì)于旋轉(zhuǎn)與定位求解問題，用四元素法可以很 好的數(shù)值解。由以上16個(gè)點(diǎn)的前后變換坐標(biāo)，可得出四元素法的 變換矩陣。程序如下:tl=t(l),t(4),t(7)； t(2),t(5),t(8)； t (3), t(6) ,t(9)；pl=p(l) ,p(4) ,p(7) ； p(2) ,p(5) ,p(8)； p(3) ,p(6) ,p(9)；pzl=pz(l) ,pz (4) ,pz(7) ； pz(2) ,pz (5) ,pz(8)； pz (3), pz (6), pz (9) ； Rq= (pzl-tl) *pinv(pl) ； % 求逆矩陣% 加入噪 聲干擾變換后的坐標(biāo)pzlpz2=

30、pzl(1),pzl(2),pzl(3),pzl(4),pzl(5),pzl(6),pzl (7), pzl (8),pzl (9)；pz3=pz2+rand(l,9)；pz4=pz3(l),pz3(4),pz3(7 )；pz3(2),pz3(5),pz3(8)； pz3(3),pz3(6),pz3(9)；Rql=(pz4- tl)*pinv(pl)；歐拉角法的變換矩陣為四元素法求得的變換矩陣 同樣為 對(duì)空間坐標(biāo)加入rand產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲后，將程序運(yùn)行3 次，求得的變換矩陣分別為由數(shù)據(jù)可分析出，噪聲誤差對(duì)變換矩 陣的影響還是很大的，因此在用變換坐標(biāo)求相應(yīng)的變換矩陣時(shí)， 應(yīng)盡量提高測量精度，減少

31、誤差帶來的影響。三、攝像機(jī)線性模型攝像機(jī)通過成像透鏡將三維場景投影到 攝像機(jī)二維像平面上，這個(gè)投影可用成像變換描述，即攝像機(jī)成 像模型。攝像機(jī)模型可將空間點(diǎn)的世界坐標(biāo)變換為圖像坐標(biāo)及像 素坐標(biāo)。線性模型程序如下:U=1316；V=1035；dX=0.0000068；dY=O. 0000068；uO=U/2； vO=V/2； %設(shè)定像素 UV,像素尺 寸dXdY及uOvO%給出空間點(diǎn)的世界坐標(biāo)Xw=5 ； Yw=5 ； Zw=5 ； %給出外 部參數(shù)wx=0；wy=0；wz=0； %分別設(shè)定偏轉(zhuǎn)、俯仰、側(cè)傾角度值 rll=cos(wz)*cos(wy)；rl2=cos(wz)*sin(wy)*s

32、in(wx)- sin(wz)；rl3=cos(wz)*sin(wy)*cos(wx)-sin(wz)*sin(wx)；r21=sin(wz)*cos(wy)；r22=sin(wz)*sin(wy)*s in(wx)+cos(wz)*cos(wx)；r23=sin(wz)*sin(wy)*cos(wx)+cos(wz )*sin(wx) ； r31=-sin(wy)；r32=cos(wy)*sin(wx)；r33=cos(wy)*cos(wx)；R=rll,rl 2,rl3；r21,r22,r23；r31,r32,r33；t=0；0；0；M2=R,t；0 0 01;%求攝像機(jī)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)

33、camora_xyz=M2*Xw； Yw；Zw； 1 ；%設(shè)定焦距，求圖像坐標(biāo) f=0、 012；P=f 0 0 0；0 f 0 0；0 01 0；image_xyz=P*camora_xyz；%t 空間點(diǎn)的圖像坐標(biāo)X=image_xyz(1)/image_xyz(3)；Y=image_xyz(2)/image_xyz(3)；% 設(shè)定內(nèi)參，求像素坐標(biāo)Ml=1/dX 0 u0；01/dY v0；001；pixel_xyz=Ml*X；Y；1；u=pixel_xyz(1)；v=pixel_xyz (2)；給 出空間點(diǎn)世界坐標(biāo)，設(shè)定外部參數(shù)(歐拉角表示法三角均為0 度，位移為0),便可求得點(diǎn)的圖像坐標(biāo)

34、及像素坐標(biāo)。給定9個(gè)點(diǎn) 的空間世界坐標(biāo)分別為1, 2, 3, 2, 2, 3, -1, -3, 3, 1, -2, 4, -5, 5, 5, 0、 5, 0、 6, 0、 7, 30, 31, 32, 0, 0, 40, 100, 120, 130 o運(yùn)行程序后，得相應(yīng)的圖 像坐標(biāo)分別為0、0040, 0、0080, 0、0080, 0、0080, -0、 0024, -0、 0072, 0、 0030, -0、 0060, -0、 0120, 0、 0120, 0、 0086, 0、 0103, 0、 0113, 0、 0116, 0, 0, 0、0092, 0、0111o像素坐標(biāo)分別為12

35、46、 2, 1694、 0, 1834、 5, 1694、 0, 350、 0588, -541、 3235, 1099、 2, -364、 8529, -1106. 7, 2282、 2, 1918、 5, 2030、 1, 2312、 4, 2227、 1, 658, 517、 5, xx、 5, 2146、5o四、攝像機(jī)非線性模型實(shí)際上，由于實(shí)際的鏡頭并不是理想 的透視成像，而是帶有不同程度的畸變，加入畸變參數(shù)的模型即 為非線性模型。程序如下：為1316性=1035；程=0、0000068；dY=0. 0000068；uO=U/2； vO=V/2； %設(shè)定像素 UV,像素尺 寸dXdY

36、及uOvO%給出空間點(diǎn)的世界坐標(biāo)Xw=5 ； Yw=5 ； Zw=5 ； %給出外 部參數(shù)wx=0；wy=0；wz=0； %分別設(shè)定偏轉(zhuǎn)、俯仰、側(cè)傾角度值rll=cos(wz)*cos(wy)；rl2=cos(wz)*sin(wy)*sin(wx)-sin(wz)；rl3=cos(wz)*sin(wy)*cos (wx)-sin(wz)*sin(wx)；r21=sin(wz)*cos(wy)；r22=sin(wz)*sin(wy)*s in(wx)+cos(wz)*cos(wx)；r23=sin(wz)*sin(wy)*cos(wx)+cos(wz )*sin(wx) ；r31=-sin(wy

37、)；r32=cos(wy)*sin(wx)；r33=cos(wy)*cos(wx)；R=rll,rl 2,rl3；r21,r22,r23；r31,r32,r33；t=0；0；0；M2=R,t；0 0 01；%求攝像機(jī)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)camora_xyz=M2*Xw； Yw；Zw； 1 ；%設(shè)定焦距，求圖像坐標(biāo) f=0> 012；P=f 0 0 0； 0 f 0 0； 0 01 0 ； image_xyz=P*camora_xyz；%<. 空間點(diǎn)的圖像坐標(biāo)fa1e_X= image_xyz(l)/image_xyz(3)；fa1e_Y= image_xyz (2)/imag e_x

38、yz(3) ；%加入非線性畸變影響kl=0>001；r2=fale_X 2+fale_Y 2；derta_x=fale_X*kl*r2；derta_y=fal e_Y*kl*r2；X=fale_X+derta_x； Y=fale_Y+derta_y；%設(shè)定內(nèi)參，求 像素坐標(biāo) Ml=1/dX 0 u0；01/dY v0；001；pixel_xyz=Ml*X；Y；1；u=pixel_xyz(1)；v=pixel_xyz(2)；設(shè) 畸變系數(shù)k=0、001,上述9個(gè)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)分別為：0、0040, 0、 0080, 0、 0080, 0、 0080, -0、 0024, -0、 0072, 0

39、、 0030, -0、 0060, -0、 0120, 0、 0120, 0、 0086, 0、0103, 0、 0113, 0、 0116, 0, 0, 0、 0092, 0、 0111。像 素坐標(biāo)分別為1246、 2, 1694、 0, 1834、 5, 1694、 0,350、 0588, -541、 3235, 1099、 2, -364、 8529, -1106. 7, 2282、 2, 1918、 5, 2030、 1, 2312、 4, 2227、 1, 658, 517、 5, xx、 5, 2146、5o由數(shù)據(jù)可得，當(dāng)畸變系數(shù)較小時(shí)，對(duì)坐標(biāo)幾乎沒有 影響，但畸變系數(shù)較大或圖像

40、處于透鏡邊緣時(shí)，對(duì)坐標(biāo)還是有影 響的。第四部分單目運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)光點(diǎn)排序問題一、問題描述基于立體靶標(biāo)單目運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，靶標(biāo)上有LED光點(diǎn)11個(gè)，沿 光軸方向呈高低分布，其中6個(gè)低點(diǎn)、5個(gè)高點(diǎn)，且垂直投影到像 面為一條直線，從左至右6個(gè)低點(diǎn)的編號(hào)分別為(1) (2)(3)、 (9) (10) (11) , 5 個(gè)高點(diǎn)為(4) (5) (6) (7)（8）,要現(xiàn)實(shí)的功能是：正常情況下，11個(gè)光點(diǎn)均可見，快速搜 索光點(diǎn)并排序。非正常情況下，即一個(gè)或多個(gè)光點(diǎn)被暫時(shí)遮擋， 快速搜索光點(diǎn)并排序。二、光點(diǎn)搜索及排序依據(jù)的基本原理系統(tǒng)基于濾光攝像機(jī)完 成，因此攝入的圖像背景為黑色，只光點(diǎn)可見。解決方案中光點(diǎn) 搜索采用

41、灰度值方式，即以像素為單位進(jìn)行搜索，背景灰度值為 0,當(dāng)搜索到不為0的像素時(shí)，則認(rèn)為找到了某個(gè)光點(diǎn)，而后再做 進(jìn)一步處理。排序基于像素坐標(biāo)值，找到光點(diǎn)后，以其像素坐標(biāo) 值的大小來排列光點(diǎn)。如規(guī)定像素坐標(biāo)系從左向右水平方向?yàn)閄 軸正方向，從下向上垂直方向?yàn)閅軸正方向，則11個(gè)點(diǎn)中X軸坐 標(biāo)最小的為（1）號(hào)點(diǎn)，最大的為（11）號(hào)點(diǎn)（此種情況僅為初始 位置時(shí)及剛體旋轉(zhuǎn)角在180度以內(nèi)時(shí)）。以上為光點(diǎn)無遮擋時(shí)， 當(dāng)光點(diǎn)遮擋時(shí)，11個(gè)點(diǎn)不完整，排序不能靠坐標(biāo)值。本解決方案 采用直線與距離雙定位法來完成排序?？臻g兩個(gè)點(diǎn)可確定一條直 線，設(shè)第三個(gè)空間點(diǎn)同樣在這條直線上，已知空間兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo) 及第三個(gè)點(diǎn)分別到

42、兩個(gè)點(diǎn)的距離，運(yùn)用空間解析幾何的知識(shí)，便 可求得第三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。三、具體排序過程由于本問題基于快速攝像系統(tǒng)來完成，相 鄰兩幀圖像的光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不會(huì)太快，下一幀的目標(biāo)可在前一幀目標(biāo) 的周圍進(jìn)行搜索，不必全局搜索。1、初始狀態(tài)的光點(diǎn)搜索及排序初始狀態(tài)時(shí)，光點(diǎn)不動(dòng)，排列 為一直線，對(duì)光點(diǎn)采用全局搜索，即以像素為單位，從像素坐標(biāo) 系的原點(diǎn)開始，沿X軸正方向搜索，當(dāng)搜索完一行后，將Y軸坐 標(biāo)值加1,再進(jìn)行行搜索，直到將整個(gè)像平面搜索完畢。搜索過程 中，灰度值不為0的區(qū)域有11個(gè)，將區(qū)域中亮度最大的像素點(diǎn)坐 標(biāo)標(biāo)定為光點(diǎn)的坐標(biāo)，存儲(chǔ)坐標(biāo)值為X, Y。11個(gè)坐標(biāo)值全都搜 索存儲(chǔ)后，按X軸坐標(biāo)的大小排序，從左至右

43、依次為(1)至(11)號(hào)點(diǎn)。初始狀態(tài)時(shí)還需要將各點(diǎn)間的相互距離數(shù)值存儲(chǔ)， 目的是在光點(diǎn)被遮擋后，用來估計(jì)被遮擋點(diǎn)的大概坐標(biāo)位置，進(jìn) 而采用局部搜索的方法，當(dāng)光點(diǎn)重新出現(xiàn)時(shí)，可快速定位排序。 11個(gè)光點(diǎn)之間的距離互不相同，將相鄰兩點(diǎn)間距離及相隔1個(gè)點(diǎn) 的兩點(diǎn)間距離計(jì)算存儲(chǔ)，即如(1 ) (2) ( 3) (4)四個(gè) 點(diǎn)，將(1) (2)間距、(2) (3)間距、(3) (4)間 距及(1) (3)間距、(2) (4)間距存儲(chǔ)。如11個(gè)點(diǎn)，共 存儲(chǔ)19個(gè)間距數(shù)值。2、正常無遮擋情況下的光點(diǎn)搜索及排序當(dāng)剛體運(yùn)動(dòng)后，高速 攝像系統(tǒng)拍攝每秒100幀左右的圖像，由于拍攝速度很高，相對(duì) 的光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移很小，因此搜索光點(diǎn)時(shí)不用全局搜索，僅在前一 幀光點(diǎn)周圍搜索即可。具體方法是以前一幀光點(diǎn)為圓心，向四周 搜索，此時(shí)設(shè)定一個(gè)邊界域值，例如可設(shè)域值為10個(gè)像素(域值 根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度及拍攝速度調(diào)整)，搜索范圍在圓心以外上、 下、左、右10個(gè)像素的矩形區(qū)域內(nèi)。無遮擋時(shí)下一幀光點(diǎn)必在這 一區(qū)域內(nèi)，搜索到新的光點(diǎn)后同樣以灰度值最高的為新的光點(diǎn)坐 標(biāo)，