第6章 視覺檢測技術(shù)

1、2022-3-72022-3-7第六章第六章 視覺及圖像檢測技術(shù)視覺及圖像檢測技術(shù) 人們從外界環(huán)境獲取的信息中，80%來自于視覺。其他來自于觸覺、聽覺、嗅覺、味覺等感覺器官，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)知識或經(jīng)撿，對信息進行加功、推理等處理工作，最后識別、理解周圍環(huán)境，包括環(huán)境內(nèi)的對象物，如運動物體、物體間的相對位置、形狀、大小、顏色、紋理、運動還是靜止等。 引言引言 因此，能夠模擬生物宏觀視覺功能的視覺傳感器逐漸得到越來越多的關(guān)注。近些年來，隨著計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機視覺理論發(fā)展極為迅速，視覺傳感器以及視覺檢測與控制系統(tǒng)不斷在各個領(lǐng)域得

2、到廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的個重要發(fā)展方向。 本章在對視覺檢測技術(shù)進行全面概括的基礎(chǔ)上，重點講述視覺傳感器、數(shù)字圖像檢測與處理的基本理論，并以機器人視覺系統(tǒng)和自動調(diào)焦系統(tǒng)為例，說明視覺檢測系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用。 6.1 6.1 視覺檢測技術(shù)概述視覺檢測技術(shù)概述 n6.1.1 6.1.1 視覺檢測及特點視覺檢測及特點 n 視覺檢測的基本任務(wù)基本任務(wù)就是要實現(xiàn)物體幾何尺寸的精確檢測或?qū)ξ矬w完成精確定位。n 視覺檢測技術(shù)就是利用圖像檢測器件(如CCD攝像器件) 采集圖像，并用計算機模擬人眼的視覺功能，從圖像或圖像序列中提取信息，對客觀世界的三維景物和物體進行形態(tài)和運動識別。 n 視覺檢測的

3、目的之一就是要尋找人類視覺規(guī)律，而開發(fā)出從圖像輸入到自然景物分析的圖像理解系統(tǒng)。n 視覺檢測具有非接觸、動態(tài)響應(yīng)快、量程大、可直接與計算機聯(lián)接等優(yōu)點，視覺檢測所能檢測的對象十分廣泛，可以說對對象是不加選擇的。 n6.1.2 6.1.2 視覺檢測系統(tǒng)的組成視覺檢測系統(tǒng)的組成 n視覺檢測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示。 狹義的視覺傳感器可以只包括攝像器件，廣義的視覺傳感器除了鏡頭和攝像器件外，還可以包括光源、圖像存儲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 用于視覺檢測的光源應(yīng)滿足以下幾點要求：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 n

4、（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、手動變焦距鏡頭、電動變焦距鏡頭；按光圈方式光圈方式可以分為固定光圈鏡頭、手動變光圈鏡頭、自動變光圈鏡頭；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、圖像存儲

5、體 n 圖像存儲體可以分為外置式和內(nèi)置式兩種。n 外置式圖像存儲體為獨立單元，它一般單獨供電，功能較為全面，可以適用于微機系統(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)置式圖像存儲體一般為卡式結(jié)構(gòu)，稱為圖像卡，可以直接插入計算機擴展槽內(nèi)，使用方便、成本低，并可以充分利用計算機的軟硬件資源。 n6.1.3 6.1.3 計算機視覺計算機視覺 n一、計算機視覺： 用計算機來模擬人的視覺機理獲取和處理信息的能力。 n二、計算機視覺要達到的目的： 1.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖像計算出觀察點到目標(biāo)物體的距離。 2.根據(jù)一幅或多幅二維投影圖像計算出目標(biāo)物體的運動參數(shù)。 3.根據(jù)一幅或多幅二維

6、投影圖像計算出目標(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。 計算機視覺要達到的最終目的是實現(xiàn)利用計算機對于三維景物世界的理解，即實現(xiàn)人的視覺系統(tǒng)的某些功能。 計算機視覺研究的本質(zhì)問題就是利用二維投影圖像來重構(gòu)三維物體的可視部分。 計算機視覺是一門研究如何使機器“看”的科學(xué)，更進一步的說，就是是指用攝影機和電腦代替人眼，對目標(biāo)進行識別、跟蹤和測量的機器視覺，并進一步做圖形處理，用電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測的圖像。作為一個科學(xué)學(xué)科，計算機視覺研究相關(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、實現(xiàn)計算機視覺的途徑

7、1.仿生學(xué)方法 2.工程方法 攝像器件稱為視覺傳感器。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)字或模擬電信號輸出。它是視覺檢測的核心部件。 6.2 6.2 視覺傳感器視覺傳感器 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、數(shù)

8、字相光電耦合器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機、數(shù)字相機、平板掃描儀、指紋機等。機、平板掃描儀、指紋機等。nCCDCCD光電耦合器件的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微光電耦合器件的發(fā)展促進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)、軍用等各個領(lǐng)域。軍用等各個領(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，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬

9、盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。 CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD 更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負責(zé)光強度感應(yīng)的桿細胞和色彩感應(yīng)的錐細胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。 CCD經(jīng)過長達42年（1969貝爾）的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生

10、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，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號，其基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時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，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號。 2022-3-72022-3-7二、如何獲取圖像信息？2022-3-

11、72022-3-7E電電子子能能量量導(dǎo)導(dǎo)帶帶價價帶帶禁禁帶帶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2022-3-72022-3-7注：注：勢阱的深度隨正偏壓升高而加大，勢阱的深度隨正偏壓升高而加大，勢阱的寬度取決于金屬電極的寬度。勢阱的寬度取決于金屬電極的寬度。 n當(dāng)光信號照射到當(dāng)光信號照射到CCDCCD硅片表面時，能量高

12、于半導(dǎo)硅片表面時，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。區(qū)，使耗盡區(qū)界面附近產(chǎn)生電子一空穴對。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）被排斥進入襯底，而電子被收集在勢阱里，形成信號電進入襯底，而電子被收集在勢阱里，形成信號電荷并存儲起來，存儲電荷多少正比于照射的光強。荷并存儲起來，存儲電荷多少正比于照射的光強。3、電荷的產(chǎn)生與存儲過程：、電荷的產(chǎn)生與存儲過程：2022-3-72022-3-7n一個一個MOSMOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOSMOS光敏元或一個像素，把

13、一光敏元或一個像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；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，每個元，每個金屬電極加電壓就形成成百上千個勢阱，產(chǎn)生金屬電極加電壓就形成成百上千個勢阱，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。電物理效應(yīng)基本原理。

14、2022-3-72022-3-7三、電荷耦合器信號輸出輸出結(jié)構(gòu)輸出結(jié)構(gòu)： 在輸出端在輸出端P P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管型硅襯底上擴散形成輸出二極管，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，通過負載變?yōu)殡妷狠敵?。通過負載變?yōu)殡妷狠敵觥?SDQIdt2022-3-72022-3-7光敏元曝光時光敏元曝光時光積分，金屬電極加正向脈沖電

15、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，光敏元俘獲，轉(zhuǎn)移控制柵打開，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 輸出過程輸出過程，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉；，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉；接著三個時鐘脈沖接著三個時鐘脈沖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，這一過程是一一位位輸出信息，這一過程是一串行輸出過程串行輸出過程。單單溝溝道道CCDCCD結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)電荷輸出控制波形

16、電荷輸出控制波形2022-3-72022-3-7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過程程并并行行轉(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時鐘鐘脈脈沖沖電電荷荷定定向向輸輸出出2022-3-72022-3-7輸輸出出光光敏敏元元件件陣陣列列轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

17、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)移移機機構(gòu)構(gòu)-CCD輸輸出出信信號號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 視覺檢測系統(tǒng)采用的攝像機分為電子管式攝像機和固體器件攝像機CCD兩種。CCD是利用內(nèi)光電效應(yīng)由單個光敏元件構(gòu)成的集成化光電傳感器。它集電荷存貯、移位和輸出為一體。應(yīng)用于成像技術(shù)、數(shù)據(jù)存貯和

18、信號處理電路等。 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 場傳輸面陣CCD和行傳輸面型CCD結(jié)構(gòu)原理如圖。 2022-3-72022-3-7n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）是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件，其輸出信號與光點在

19、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)來測量入射點的位置。目前在光學(xué)定位、跟蹤、位移、角度測量和虛擬現(xiàn)實設(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輸出信號和光點位置之間關(guān)系如圖所示。 nPSD具有以下幾個特點： 1.響應(yīng)速度高； 2.位置分辨率高； 3.位置輸出與光點強度及尺寸無關(guān)，只與其入射光點的位置有關(guān)； 4.可同時檢測入射光點的強度和位置，將輸出信號進行運算處理后可得到位置輸出信號，而將所有信號電極的輸出相加后得到與入射光強

20、成正比的輸出。 6.3 6.3 數(shù)碼照相機數(shù)碼照相機 數(shù)碼照相機又稱數(shù)字照相機，隨著電腦的普及對電腦圖像處理技術(shù)的認同，數(shù)碼照相機在視覺檢測方面得到了廣泛的應(yīng)用。 n6.3.1 6.3.1 數(shù)碼照相機的特點數(shù)碼照相機的特點 1.用途的多樣性 2.直接數(shù)字化 3.無污染 4.即拍即顯 5.圖、聲同時記錄 6.多樣呈現(xiàn) 7.快速遠距離傳送 8.應(yīng)用靈活性大 9.正常消耗低 n6.3.2 數(shù)碼照相機的組成原理n一、數(shù)碼照相機的組成原理 數(shù)碼照相機主要由光學(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）、圖像存儲器（Memory）、液晶顯示器（LCD）、端口、電源和閃

21、光燈等組成。 數(shù)碼照相機是利用光電傳感器(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，經(jīng)壓縮后儲存于內(nèi)建的存儲器上。 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.存儲器件 4.分辨率 5.色彩位數(shù) 6.信號輸出形式 （計算機圖形學(xué)領(lǐng)域表示在位圖或者視頻幀緩沖區(qū)中儲存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)碼照相機的發(fā)展數(shù)碼照相機的發(fā)展 照相機的設(shè)計方向是輕、細、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) n6.4.16.4.1圖像處理概述圖像處理概述 n一、圖

22、像的含義 圖像是指景物在某種成像介質(zhì)上再現(xiàn)的視覺信息，圖像是具有特定信息的某種集合體，本質(zhì)上可認為圖像是數(shù)據(jù)的集合。 n二、象素和灰度 象素是計算機屏幕上所能顯示的最小單位。用來表示圖像的單位。灰度使用黑色調(diào)表示物體。 每個灰度對象都具有從 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字節(jié)（8b）來表示。如把有黑-灰-白連續(xù)變化的灰度值量化為256個灰度級，灰度值的范圍為0255，表示亮度從深到淺，對應(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)用的不同，有各種不同的灰度層次。 2.色彩圖

23、像 按照色彩分類，可分為單色圖像和彩色圖像。 3.運動分類 按照運動分類，圖像可分為靜態(tài)圖像和動態(tài)圖像。 4.按時空分布分類 按時空分布分類，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)計算機混合處理 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)字影像的過程。 二、圖像變換 圖像變換如下： n6.4.3 6.4.3 圖像數(shù)據(jù)

24、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)上來說就是對要處理的圖像源數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則進行變換和組合，從而達到以盡可能少的代碼來表示盡可能多的數(shù)據(jù)信息。壓縮通過編碼來實現(xiàn)，或者說編碼帶來壓縮的效果。所以，一般把此項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)點可分為 n6.4.4 圖像增強和圖像復(fù)原 一、圖像增強 將原來不清晰的圖像變得清晰或強調(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、豐富信息量，加強圖像判讀和識別效果的圖像處理方法

25、。 增強圖象中的有用信息，它可以是一個失真的過程，其目的是要改善圖像的視覺效果，針對給定圖像的應(yīng)用場合，有目的地強調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來不清晰的圖像變得清晰或強調(diào)某些感興趣的特征，擴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，加強圖像判讀和識別效果，滿足某些特殊分析的需要。 圖像增強可分成兩大類：頻率域法和空間域法。前者把圖像看成一種二維信號，對其進行基于二維傅里葉變換的信號增強。采用低通濾波（即只讓低頻信號通過）法，可去掉圖中的噪聲；采用高通濾波法，則可增強邊緣等高頻信號，使模糊的圖片變得清晰。具有代表性的空間域算法有局部求平均值法和中值濾波（取

26、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)是通過計算機處理，對質(zhì)量下降的圖像加以重建或恢復(fù)的處理過程。因攝像機與物體相對運動、系統(tǒng)誤差、畸變、噪聲等因素的影響，使圖像往往不是真實景物的完善映像。在圖像恢復(fù)中，需建立造成圖像質(zhì)量下降的退化模型，然后運用相反過程來恢復(fù)原來圖像，并運用一定準(zhǔn)則來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階段，它所研究的是使用機器分析和識別周圍物體的視覺圖像，從而可得出結(jié)論性的判斷，也叫圖像識別。 n一、圖像分割 圖像分割的方法大致可以分為基于邊緣檢測的方

27、法和基于區(qū)域生成的方法兩大類。 1.邊緣檢測 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、線特征的過程。 2.區(qū)域生長法 區(qū)域生長（region growing）是指將成組的像素或區(qū)域發(fā)展成更大區(qū)域的過程。從種子點的集合開始，這些點的區(qū)域增長是通過將與每個種子點有相似屬性像強度、灰度級、紋理顏色等的相鄰像素合并到此區(qū)域。它是一個迭代的過程，這里每個種子像素點都迭代生長，直到處理過每個像素，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?。要使計算機具有識別的本領(lǐng)，就要得到圖像的各種特征，稱之為圖像特征提取。

28、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)用的實踐，形成了所謂的計算機視覺。 一、圖像理解的特點 1.分階段的信息處理帶來了信息的多層表示。 2.對圖像的解釋，是以某種形式的描述實現(xiàn)的。 3.圖像的正確解釋離不開知識的引導(dǎo)，這一點對人的視覺理解也適合，即經(jīng)驗對視覺理解的重要性。 二、應(yīng)考慮的幾個重要問題 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.在理解過程中計算機必須具有哪些知識。 4.最合適的圖像處理程序是什么。 5.知識以及各個階段圖像處理的結(jié)果如何表示。 6.5 6.5 視

29、覺檢測技術(shù)應(yīng)用視覺檢測技術(shù)應(yīng)用 n6.5.1 6.5.1 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用概述視覺檢測技術(shù)應(yīng)用概述 1.工業(yè)上的應(yīng)用 2.各類檢驗、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 機器人視覺系統(tǒng)機器人視覺系統(tǒng) 機器人就是由計算機控制的能模擬人的感覺、動作和具有自動行走能力而又足以完成有效工作的裝置。而對特殊的機器人來說，視覺系統(tǒng)是機器人在危險環(huán)境中自主規(guī)劃，完成復(fù)雜的作業(yè)所必不可少的。 它可分為六個主要部分：傳感、預(yù)處理、分割、描述、識別以及知識表達和解釋。n一、機器人視覺系統(tǒng)的組成 其總體結(jié)構(gòu)如圖所示，系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部

30、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、CCD像和超聲波傳感器、結(jié)構(gòu)化設(shè)備。 (2)視頻信號數(shù)字化設(shè)備：它是把攝像機、CCD像傳感器輸出的全電視信號轉(zhuǎn)化成計算機方便使用的數(shù)字信號。 (3)視頻信號快速處理器：完成視頻信號實時、快速、并行算法的硬件實現(xiàn)，包括 systolic 結(jié)構(gòu)、基于DSP的快速處理器及PIPE視覺處理機。 (4)計算機及其外部設(shè)備：根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計算機及其外部設(shè)，來滿足機器人視覺信息處理及機器人控制的需要。 (5)機器人或機器手及其控制器。 2.軟件 (1)機器人視覺信息處理算法：圖像預(yù)處理、

31、分割、描述、識別和解釋等算法。 (2)機器人控制軟件。 n二、機器人視覺技術(shù)的應(yīng)用 1.給裝配機器人(機器手)配備視覺裝置。 2.給行走機器人配備視覺裝置。n三、機器人視覺與觸覺的融合 n圖是一個典型手眼系統(tǒng)，一般工作可分為如下五個步驟。 n6.5.3 6.5.3 自動調(diào)焦系統(tǒng)自動調(diào)焦系統(tǒng) 圖像測量中的典型自動調(diào)焦系統(tǒng)原理圖如圖所示。 6.5.4 火災(zāi)探測火災(zāi)探測火災(zāi)檢測界面火災(zāi)檢測界面6.5.5 智能交通智能交通2022-3-72022-3-76.5.6 文字圖像識別系統(tǒng) 郵政編碼識別系統(tǒng)郵政編碼識別系統(tǒng)：寫有郵政編碼的信封放在傳：寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封

32、的運動方向送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運動方向垂直，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)信封運動時，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。封運動時，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，與計算機中存儲的讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計算機中存儲的數(shù)字特征比較，最后識別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計算數(shù)字特征比較，最后識別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計算機控制分類機構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。機控制分類機構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。2022-3-72022-3-7驅(qū)動電路驅(qū)動電路分類機構(gòu)分類機構(gòu)計算機計算機細化二值化細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郵政編碼識別系統(tǒng)郵政編碼識別系統(tǒng)2022-3-72022-3-7 光纖圖像傳感器是靠光纖傳像束實現(xiàn)圖像傳輸?shù)?。傳像束光纖圖