第6章 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)

1、2022-2-182022-2-18第六章第六章 視覺(jué)及圖像檢測(cè)技術(shù)視覺(jué)及圖像檢測(cè)技術(shù) 人們從外界環(huán)境獲取的信息中，80%來(lái)自于視覺(jué)。其他來(lái)自于觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等感覺(jué)器官，當(dāng)人們的眼睛從自己周圍的環(huán)境獲取大量信息、并傳入大腦后，由大腦根據(jù)知識(shí)或經(jīng)撿，對(duì)信息進(jìn)行加功、推理等處理工作，最后識(shí)別、理解周圍環(huán)境，包括環(huán)境內(nèi)的對(duì)象物，如運(yùn)動(dòng)物體、物體間的相對(duì)位置、形狀、大小、顏色、紋理、運(yùn)動(dòng)還是靜止等。 引言引言 因此，能夠模擬生物宏觀視覺(jué)功能的視覺(jué)傳感器逐漸得到越來(lái)越多的關(guān)注。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論發(fā)展極為迅速，視覺(jué)傳感器以及視覺(jué)檢測(cè)與控制系統(tǒng)不斷在各個(gè)領(lǐng)

2、域得到廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的個(gè)重要發(fā)展方向。 本章在對(duì)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行全面概括的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講述視覺(jué)傳感器、數(shù)字圖像檢測(cè)與處理的基本理論，并以機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)為例，說(shuō)明視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。 6.1 6.1 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)概述視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)概述 n6.1.1 6.1.1 視覺(jué)檢測(cè)及特點(diǎn)視覺(jué)檢測(cè)及特點(diǎn) n 視覺(jué)檢測(cè)的基本任務(wù)基本任務(wù)就是要實(shí)現(xiàn)物體幾何尺寸的精確檢測(cè)或?qū)ξ矬w完成精確定位。n 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)就是利用圖像檢測(cè)器件(如CCD攝像器件) 采集圖像，并用計(jì)算機(jī)模擬人眼的視覺(jué)功能，從圖像或圖像序列中提取信息，對(duì)客觀世界的三維景物和物體進(jìn)行形態(tài)和運(yùn)動(dòng)識(shí)別。 n 視覺(jué)檢

3、測(cè)的目的之一就是要尋找人類視覺(jué)規(guī)律，而開(kāi)發(fā)出從圖像輸入到自然景物分析的圖像理解系統(tǒng)。n 視覺(jué)檢測(cè)具有非接觸、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、量程大、可直接與計(jì)算機(jī)聯(lián)接等優(yōu)點(diǎn)，視覺(jué)檢測(cè)所能檢測(cè)的對(duì)象十分廣泛，可以說(shuō)對(duì)對(duì)象是不加選擇的。 n6.1.2 6.1.2 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的組成視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 n視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示。 狹義的視覺(jué)傳感器可以只包括攝像器件，廣義的視覺(jué)傳感器除了鏡頭和攝像器件外，還可以包括光源、圖像存儲(chǔ)體和微處理器等部分集成在一起的數(shù)字器件。 n一、光源 n1.光源的選擇 用于視覺(jué)檢測(cè)的光源應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：n （1）照度要適中 （2）亮度要均勻 n （3）亮度要穩(wěn)定 （4）不應(yīng)產(chǎn)生陰影

4、n （5）照度可調(diào) n2.光源的照明方式 光源的照明一般有以下幾種方式： (1)漫反射照明方式、(2)透射照明方式、(3)結(jié)構(gòu)光照明方式、(4)定向照明方式，如圖6.1所示。n二、鏡頭 1.鏡頭的作用n（1）成像功能（2）聚焦功能 （3）變焦功能 2.鏡頭的技術(shù)指標(biāo)n (1)焦距 (2)光圈 (3)安裝方式 3.鏡頭的種類 n 按照焦距大小焦距大小可以分為廣角鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長(zhǎng)焦距鏡頭；按變焦方式變焦方式可以分為固定焦距鏡頭、手動(dòng)變焦距鏡頭、電動(dòng)變焦距鏡頭；按光圈方式光圈方式可以分為固定光圈鏡頭、手動(dòng)變光圈鏡頭、自動(dòng)變光圈鏡頭；按安裝方式安裝方式可以分為普通安裝鏡頭、隱蔽安裝鏡頭。 n三、圖像

5、存儲(chǔ)體 n 圖像存儲(chǔ)體可以分為外置式和內(nèi)置式兩種。n 外置式圖像存儲(chǔ)體為獨(dú)立單元，它一般單獨(dú)供電，功能較為全面，可以適用于微機(jī)系統(tǒng)、筆記本電腦、微處理器和可編程控制器等，成本也較高。n 內(nèi)置式圖像存儲(chǔ)體一般為卡式結(jié)構(gòu)，稱為圖像卡，可以直接插入計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽內(nèi)，使用方便、成本低，并可以充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源。 n6.1.3 6.1.3 計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)算機(jī)視覺(jué) n一、計(jì)算機(jī)視覺(jué)： 用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)機(jī)理獲取和處理信息的能力。 n二、計(jì)算機(jī)視覺(jué)要達(dá)到的目的： 1.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖像計(jì)算出觀察點(diǎn)到目標(biāo)物體的距離。 2.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖像計(jì)算出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 3.根據(jù)一幅或多幅

6、二維投影圖像計(jì)算出目標(biāo)物體的表面物理性質(zhì)。 4.根據(jù)多幅二維投影圖像恢復(fù)出更大空間區(qū)域的投影圖像。 計(jì)算機(jī)視覺(jué)要達(dá)到的最終目的是實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)對(duì)于三維景物世界的理解，即實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)系統(tǒng)的某些功能。 計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的本質(zhì)問(wèn)題就是利用二維投影圖像來(lái)重構(gòu)三維物體的可視部分。 計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一門研究如何使機(jī)器“看”的科學(xué)，更進(jìn)一步的說(shuō)，就是是指用攝影機(jī)和電腦代替人眼，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量的機(jī)器視覺(jué)，并進(jìn)一步做圖形處理，用電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測(cè)的圖像。作為一個(gè)科學(xué)學(xué)科，計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究相關(guān)的理論和技術(shù)，試圖建立能夠從圖像或者多維數(shù)據(jù)中獲取信息的人工智能系統(tǒng)。 三、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的途

7、徑 1.仿生學(xué)方法 2.工程方法 攝像器件稱為視覺(jué)傳感器。它的作用相當(dāng)于人眼的視網(wǎng)膜。攝像器件的主要作用是將鏡頭所成的像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字或模擬電信號(hào)輸出。它是視覺(jué)檢測(cè)的核心部件。 6.2 6.2 視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器 6.2.1 CCD 6.2.1 CCD的基本工作原理的基本工作原理 CCD（電荷耦合元件 ）有兩種基本類型：一是一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道 CCD(SCCD)；二是二是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件(BCCD)。 n基于基于CCDCCD光電耦合器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

8、、數(shù)字相光電耦合器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)等。機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)等。nCCDCCD光電耦合器件的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微光電耦合器件的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。軍用等各個(gè)領(lǐng)域。n一、CCD光敏元件工作原理 CCD基本結(jié)構(gòu)圖 電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)

9、置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。 CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。 CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD 更接近于人眼對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。 CCD經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)42年（1969貝爾）的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能

10、力生產(chǎn) CCD 的公司分別為：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本廠商。 CCD是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)，其基本功能是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時(shí)CCD首先完成光電轉(zhuǎn)換即產(chǎn)生與入射光輻射量成線性關(guān)系的光電荷。CCD的工作原理是被攝物體反射光線到CCD器件上CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大處理，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)能表示敏感物體光強(qiáng)弱的電信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)。 2022-2-182022-2-18二、如何獲取圖像信息？202

11、2-2-182022-2-18E電電子子能能量量導(dǎo)導(dǎo)帶帶價(jià)價(jià)帶帶禁禁帶帶h空空穴穴電電子子ghE hgE感感光光單單元元（像像素素）12345678910光光敏敏元元件件陣陣列列襯襯底底SiP 型2SiO梳梳狀狀電電極極像素1像素2像素3像素4像素5LSiP型123nnnn 輸輸 入入二極管二極管S 輸輸 出出二極管二極管D電電子子少少子子空空穴穴多多子子:耗盡區(qū)耗盡區(qū) 電荷包電荷包2022-2-182022-2-18注：注：勢(shì)阱的深度隨正偏壓升高而加大，勢(shì)阱的深度隨正偏壓升高而加大，勢(shì)阱的寬度取決于金屬電極的寬度。勢(shì)阱的寬度取決于金屬電極的寬度。 n當(dāng)光信號(hào)照射到當(dāng)光信號(hào)照射到CCDCCD硅

12、片表面時(shí)，能量高于半導(dǎo)硅片表面時(shí)，能量高于半導(dǎo)體禁帶寬度的那些光子，作用到電極附近的耗盡體禁帶寬度的那些光子，作用到電極附近的耗盡區(qū)，使耗盡區(qū)界面附近產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。區(qū)，使耗盡區(qū)界面附近產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。n在柵極電壓作用下，多數(shù)載流子（空穴）被排斥在柵極電壓作用下，多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底，而電子被收集在勢(shì)阱里，形成信號(hào)電進(jìn)入襯底，而電子被收集在勢(shì)阱里，形成信號(hào)電荷并存儲(chǔ)起來(lái)，存儲(chǔ)電荷多少正比于照射的光強(qiáng)。荷并存儲(chǔ)起來(lái)，存儲(chǔ)電荷多少正比于照射的光強(qiáng)。3、電荷的產(chǎn)生與存儲(chǔ)過(guò)程：、電荷的產(chǎn)生與存儲(chǔ)過(guò)程：2022-2-182022-2-18n一個(gè)一個(gè)MOSMOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOSMOS

13、光敏元或一個(gè)像素，把一光敏元或一個(gè)像素，把一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包；個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包；CCDCCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，每個(gè)元，每個(gè)金屬電極加電壓就形成成百上千個(gè)勢(shì)阱，產(chǎn)生金屬電極加電壓就形成成百上千個(gè)勢(shì)阱，產(chǎn)生成百上千的電荷包；成百上千的電荷包；n 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的應(yīng)的光生電荷圖象光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。

14、電物理效應(yīng)基本原理。2022-2-182022-2-18三、電荷耦合器信號(hào)輸出輸出結(jié)構(gòu)輸出結(jié)構(gòu)： 在輸出端在輸出端P P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管加反壓，在加反壓，在PNPN結(jié)形成耗盡層。輸出柵結(jié)形成耗盡層。輸出柵U UOGOG加壓使電荷轉(zhuǎn)加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過(guò)負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。通過(guò)負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵觥?SDQIdt2022-2-182022-2-18光敏元曝光時(shí)光敏元曝光時(shí)

15、光積分，金屬電極加正向脈沖電壓光積分，金屬電極加正向脈沖電壓pp， 光敏元吸收光生電荷，積累很快結(jié)束；光敏元吸收光生電荷，積累很快結(jié)束；轉(zhuǎn)移控制柵加轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移控制柵加轉(zhuǎn)移脈沖T T ，轉(zhuǎn)移控制柵打開(kāi)，光敏元俘獲，轉(zhuǎn)移控制柵打開(kāi)，光敏元俘獲 的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制柵耦合到移位寄存器；這是一的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制柵耦合到移位寄存器；這是一并行并行 輸出過(guò)程輸出過(guò)程，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉；，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉；接著三個(gè)時(shí)鐘脈沖接著三個(gè)時(shí)鐘脈沖123123工作，讀出移位寄存器的輸出工作，讀出移位寄存器的輸出 端端GaGa一位位輸出信息，這一過(guò)程是一一位位輸出信息，這一過(guò)程是一串行輸出過(guò)程串行輸出過(guò)程。單單溝溝道道CCDC

16、CD結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)電荷輸出控制波形電荷輸出控制波形2022-2-182022-2-18單單元元）光光敏敏元元件件陣陣列列（光光積積分分（電電荷荷耦耦合合器器件件）CCD輸輸出出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移控控制制柵柵光光積積分分轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移控控制制柵柵光光敏敏單單元元梳梳狀狀電電極極C CC CD D電電極極低低電電平平高高電電平平電電極極工工作作過(guò)過(guò)程程并并行行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移高高電電平平低低電電平平高高電電平平形形成成電電子子通通道道確確定定電電子子流流向向定定向向輸輸出出低低電電平平電電子子通通道道消消失失高高電電平平迎迎接接下下一一次次光光積積分分時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖電電荷荷定定向向輸輸出出2022-2-182022-2-18

17、輸輸出出光光敏敏元元件件陣陣列列轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移控控制制柵柵12345678910（光光積積分分單單元元）不不透透光光的的電電荷荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)-CCD輸輸出出信信號(hào)號(hào)Ln二、電荷轉(zhuǎn)移原理二、電荷轉(zhuǎn)移原理 CCD轉(zhuǎn)移電壓 CCD電荷轉(zhuǎn)移原理 n三、三、CCDCCD的輸入輸出結(jié)構(gòu)的輸入輸出結(jié)構(gòu) 1.電荷注入 2.電荷輸出 n四、四、CCDCCD的特性參數(shù)的特性參數(shù) 1.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 2.工作頻率 n6.2.2 CCD6.2.2 CCD器件器件 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)采用的攝像機(jī)分為電子管式攝像機(jī)和固體器件攝像機(jī)CCD兩種。CCD是利用內(nèi)光電效應(yīng)由單個(gè)光敏元件構(gòu)成的集成化光電傳感器。它集電荷存貯、移位和輸

18、出為一體。應(yīng)用于成像技術(shù)、數(shù)據(jù)存貯和信號(hào)處理電路等。 n一、一、CCDCCD線陣攝像器件工作原理。線陣攝像器件工作原理。 線陣列固體攝像器件基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示。 線型CCD 攝像器件有兩種基本形式：一是單溝道線型 ICCD，另一是雙溝道線陣ICCD。 n二、面陣二、面陣ICCDICCD 場(chǎng)傳輸面陣CCD和行傳輸面型CCD結(jié)構(gòu)原理如圖。 2022-2-182022-2-18n三、三、ICCDICCD的基本特性參數(shù)的基本特性參數(shù) 1.轉(zhuǎn)換特性 2. 動(dòng)態(tài)范圍 3.分辨率 n6.2.3 6.2.3 光電位置傳感器光電位置傳感器(PSD)(PSD) 光電位置傳感器（PSD）是一種對(duì)入射到光敏面上的光

19、點(diǎn)位置敏感的光電器件，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。它利用半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)來(lái)測(cè)量入射點(diǎn)的位置。目前在光學(xué)定位、跟蹤、位移、角度測(cè)量和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。 PSD分為一維和二維兩種類型。 n一、一維一、一維PSDPSD的工作原理的工作原理 圖是PSD的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。n二、二維二、二維PSDPSD的工作原理的工作原理 二維PSD輸出信號(hào)和光點(diǎn)位置之間關(guān)系如圖所示。 nPSD具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1.響應(yīng)速度高； 2.位置分辨率高； 3.位置輸出與光點(diǎn)強(qiáng)度及尺寸無(wú)關(guān)，只與其入射光點(diǎn)的位置有關(guān)； 4.可同時(shí)檢測(cè)入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和位置，將輸出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后可得到位置輸出信號(hào)，而

20、將所有信號(hào)電極的輸出相加后得到與入射光強(qiáng)成正比的輸出。 6.3 6.3 數(shù)碼照相機(jī)數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼照相機(jī)又稱數(shù)字照相機(jī)，隨著電腦的普及對(duì)電腦圖像處理技術(shù)的認(rèn)同，數(shù)碼照相機(jī)在視覺(jué)檢測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。 n6.3.1 6.3.1 數(shù)碼照相機(jī)的特點(diǎn)數(shù)碼照相機(jī)的特點(diǎn) 1.用途的多樣性 2.直接數(shù)字化 3.無(wú)污染 4.即拍即顯 5.圖、聲同時(shí)記錄 6.多樣呈現(xiàn) 7.快速遠(yuǎn)距離傳送 8.應(yīng)用靈活性大 9.正常消耗低 n6.3.2 數(shù)碼照相機(jī)的組成原理n一、數(shù)碼照相機(jī)的組成原理 數(shù)碼照相機(jī)主要由光學(xué)鏡頭、感光傳感器（CCD或CMOS）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、圖像處理器（DSP）、圖像存儲(chǔ)器（Memory

21、）、液晶顯示器（LCD）、端口、電源和閃光燈等組成。 數(shù)碼照相機(jī)是利用光電傳感器(CCD或CMOS)的圖像感應(yīng)功能，將物體反射的光轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號(hào)，經(jīng)壓縮后儲(chǔ)存于內(nèi)建的存儲(chǔ)器上。 n其組成框圖如示。n二、主要部件及技術(shù)參數(shù) 1.鏡頭 2.快門 3.存儲(chǔ)器件 4.分辨率 5.色彩位數(shù) 6.信號(hào)輸出形式 （計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域表示在位圖或者視頻幀緩沖區(qū)中儲(chǔ)存1像素的顏色所用的位數(shù)，它也稱為位/像素（bpp）。色彩深度越高，可用的顏色就越多。 ）n6.3.3 6.3.3 數(shù)碼照相機(jī)的發(fā)展數(shù)碼照相機(jī)的發(fā)展 照相機(jī)的設(shè)計(jì)方向是輕、細(xì)、靈及快。 6.4 6.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) n6.4.16.

22、4.1圖像處理概述圖像處理概述 n一、圖像的含義 圖像是指景物在某種成像介質(zhì)上再現(xiàn)的視覺(jué)信息，圖像是具有特定信息的某種集合體，本質(zhì)上可認(rèn)為圖像是數(shù)據(jù)的集合。 n二、象素和灰度 象素是計(jì)算機(jī)屏幕上所能顯示的最小單位。用來(lái)表示圖像的單位?；叶仁褂煤谏{(diào)表示物體。 每個(gè)灰度對(duì)象都具有從 0%（白色）到 100%（黑色）的亮度值。 灰度與像素的關(guān)系 一般，像素值量化后用一個(gè)字節(jié)（8b）來(lái)表示。如把有黑-灰-白連續(xù)變化的灰度值量化為256個(gè)灰度級(jí)，灰度值的范圍為0255，表示亮度從深到淺，對(duì)應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。 三、圖像的分類 1.灰度圖像 按灰度分類有二值圖像和多灰度圖像，多層次灰度圖像按應(yīng)用的

23、不同，有各種不同的灰度層次。 2.色彩圖像 按照色彩分類，可分為單色圖像和彩色圖像。 3.運(yùn)動(dòng)分類 按照運(yùn)動(dòng)分類，圖像可分為靜態(tài)圖像和動(dòng)態(tài)圖像。 4.按時(shí)空分布分類 按時(shí)空分布分類，圖像可分為二維圖像（平面圖像）和三維圖像(立體圖像)。 四、常用的圖像處理方法 1.光信息處理 2.電學(xué)模擬處理 3.數(shù)字處理 4.光學(xué)計(jì)算機(jī)混合處理 n五、數(shù)字圖像處理及研究的主要內(nèi)容五、數(shù)字圖像處理及研究的主要內(nèi)容 數(shù)字圖像處理的基本構(gòu)成如圖所示。 n6.4.2 6.4.2 圖像數(shù)字化及圖像變換圖像數(shù)字化及圖像變換 一、圖像數(shù)字化 將連續(xù)色調(diào)的模擬圖像經(jīng)采樣量化后轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像的過(guò)程。 二、圖像變換 圖像變換如

24、下： n6.4.3 6.4.3 圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼 圖像編碼與壓縮從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是對(duì)要處理的圖像源數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則進(jìn)行變換和組合，從而達(dá)到以盡可能少的代碼來(lái)表示盡可能多的數(shù)據(jù)信息。壓縮通過(guò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者說(shuō)編碼帶來(lái)壓縮的效果。所以，一般把此項(xiàng)處理稱之為壓縮編碼。n一、圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼的必要性和可能性 n二、圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼的分類 1.若以信息保真為出發(fā)點(diǎn)可分為 (1)冗余度壓縮法 (2)熵壓縮法 2.若以具體編碼技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)可分為 n6.4.4 圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原 一、圖像增強(qiáng) 將原來(lái)不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些關(guān) 注的特征，抑制非關(guān)注的特征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息

25、量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果的圖像處理方法。 增強(qiáng)圖象中的有用信息，它可以是一個(gè)失真的過(guò)程，其目的是要改善圖像的視覺(jué)效果，針對(duì)給定圖像的應(yīng)用場(chǎng)合，有目的地強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來(lái)不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的特征，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果，滿足某些特殊分析的需要。 圖像增強(qiáng)可分成兩大類：頻率域法和空間域法。前者把圖像看成一種二維信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行基于二維傅里葉變換的信號(hào)增強(qiáng)。采用低通濾波（即只讓低頻信號(hào)通過(guò)）法，可去掉圖中的噪聲；采用高通濾波法，則可增強(qiáng)邊緣等高頻信號(hào)，使模糊的圖片變得清晰。具有代表性的

26、空間域算法有局部求平均值法和中值濾波（取局部鄰域中的中間像素值）法等，它們可用于去除或減弱噪聲。 二、圖像恢復(fù) 圖像恢復(fù)圖像恢復(fù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，對(duì)質(zhì)量下降的圖像加以重建或恢復(fù)的處理過(guò)程。因攝像機(jī)與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)、系統(tǒng)誤差、畸變、噪聲等因素的影響，使圖像往往不是真實(shí)景物的完善映像。在圖像恢復(fù)中，需建立造成圖像質(zhì)量下降的退化模型，然后運(yùn)用相反過(guò)程來(lái)恢復(fù)原來(lái)圖像，并運(yùn)用一定準(zhǔn)則來(lái)判定是否得到圖像的最佳恢復(fù)。 n6.4.5 6.4.5 數(shù)字圖像分析數(shù)字圖像分析 數(shù)字圖像分析是圖像處理的高級(jí)階段，它所研究的是使用機(jī)器分析和識(shí)別周圍物體的視覺(jué)圖像，從而可得出結(jié)論性的判斷，也叫圖像識(shí)別。 n一、圖像分割 圖

27、像分割的方法大致可以分為基于邊緣檢測(cè)的方法和基于區(qū)域生成的方法兩大類。 1.邊緣檢測(cè) 使用數(shù)學(xué)方法提取圖像像元中具有亮度值（灰度）空間方向梯度大的邊、線特征的過(guò)程。 2.區(qū)域生長(zhǎng)法 區(qū)域生長(zhǎng)（region growing）是指將成組的像素或區(qū)域發(fā)展成更大區(qū)域的過(guò)程。從種子點(diǎn)的集合開(kāi)始，這些點(diǎn)的區(qū)域增長(zhǎng)是通過(guò)將與每個(gè)種子點(diǎn)有相似屬性像強(qiáng)度、灰度級(jí)、紋理顏色等的相鄰像素合并到此區(qū)域。它是一個(gè)迭代的過(guò)程，這里每個(gè)種子像素點(diǎn)都迭代生長(zhǎng)，直到處理過(guò)每個(gè)像素，因此形成了不同的區(qū)域，這些區(qū)域它們的邊界通過(guò)閉合的多邊形定義。 二、圖像特征提取 圖像特征是指圖像的原始特征或?qū)傩?。要使?jì)算機(jī)具有識(shí)別的本領(lǐng)，就要得

28、到圖像的各種特征，稱之為圖像特征提取。 1.紋理特征提取 2.形狀特征提取 n6.4.6 6.4.6 圖像理解圖像理解 圖像理解的研究涉及或包含研究獲取圖像的方法、裝置和具體應(yīng)用的實(shí)踐，形成了所謂的計(jì)算機(jī)視覺(jué)。 一、圖像理解的特點(diǎn) 1.分階段的信息處理帶來(lái)了信息的多層表示。 2.對(duì)圖像的解釋，是以某種形式的描述實(shí)現(xiàn)的。 3.圖像的正確解釋離不開(kāi)知識(shí)的引導(dǎo)，這一點(diǎn)對(duì)人的視覺(jué)理解也適合，即經(jīng)驗(yàn)對(duì)視覺(jué)理解的重要性。 二、應(yīng)考慮的幾個(gè)重要問(wèn)題 1.從圖像中提取哪些信息。 2.這些信息在圖像中怎樣表示。 3.在理解過(guò)程中計(jì)算機(jī)必須具有哪些知識(shí)。 4.最合適的圖像處理程序是什么。 5.知識(shí)以及各個(gè)階段圖像

29、處理的結(jié)果如何表示。 6.5 6.5 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用 n6.5.1 6.5.1 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用概述視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用概述 1.工業(yè)上的應(yīng)用 2.各類檢驗(yàn)、監(jiān)視中的應(yīng)用 3.商業(yè)上的應(yīng)用 4.遙感方面的應(yīng)用 5.醫(yī)療方面的應(yīng)用 6.軍事方面的應(yīng)用 6.5.2 6.5.2 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng) 機(jī)器人就是由計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺(jué)、動(dòng)作和具有自動(dòng)行走能力而又足以完成有效工作的裝置。而對(duì)特殊的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，視覺(jué)系統(tǒng)是機(jī)器人在危險(xiǎn)環(huán)境中自主規(guī)劃，完成復(fù)雜的作業(yè)所必不可少的。 它可分為六個(gè)主要部分：傳感、預(yù)處理、分割、描述、識(shí)別以及知識(shí)表達(dá)和解釋。n一、機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的組成 其

30、總體結(jié)構(gòu)如圖所示，系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。 1.1.硬件組成及完成功能如下：硬件組成及完成功能如下： (1)景物和距離傳感器：常用的有攝像機(jī)、CCD像和超聲波傳感器、結(jié)構(gòu)化設(shè)備。 (2)視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備：它是把攝像機(jī)、CCD像傳感器輸出的全電視信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)方便使用的數(shù)字信號(hào)。 (3)視頻信號(hào)快速處理器：完成視頻信號(hào)實(shí)時(shí)、快速、并行算法的硬件實(shí)現(xiàn)，包括 systolic 結(jié)構(gòu)、基于DSP的快速處理器及PIPE視覺(jué)處理機(jī)。 (4)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備：根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)，來(lái)滿足機(jī)器人視覺(jué)信息處理及機(jī)器人控制的需要。 (5)機(jī)器人或機(jī)器手及其控制器。 2.軟件 (

31、1)機(jī)器人視覺(jué)信息處理算法：圖像預(yù)處理、分割、描述、識(shí)別和解釋等算法。 (2)機(jī)器人控制軟件。 n二、機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用 1.給裝配機(jī)器人(機(jī)器手)配備視覺(jué)裝置。 2.給行走機(jī)器人配備視覺(jué)裝置。n三、機(jī)器人視覺(jué)與觸覺(jué)的融合 n圖是一個(gè)典型手眼系統(tǒng)，一般工作可分為如下五個(gè)步驟。 n6.5.3 6.5.3 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng) 圖像測(cè)量中的典型自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)原理圖如圖所示。 6.5.4 火災(zāi)探測(cè)火災(zāi)探測(cè)火災(zāi)檢測(cè)界面火災(zāi)檢測(cè)界面6.5.5 智能交通智能交通2022-2-182022-2-186.5.6 文字圖像識(shí)別系統(tǒng) 郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)：寫(xiě)有郵政編碼的信封放在傳：寫(xiě)有郵政編碼的信

32、封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運(yùn)動(dòng)方向送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。封運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。 讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計(jì)算數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。2022-2-182022-2-18驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路分類機(jī)構(gòu)分類機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化細(xì)化二值化處理處理傳送帶傳送帶CCDCCD透鏡透鏡1 1分類箱分類箱2 23 3郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)2022-2-182022-2-18 光纖圖像傳感器是靠光纖傳像束實(shí)現(xiàn)圖像傳輸?shù)?。傳像束光纖圖像傳感器是靠