機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)

第一章緒論

1.1概述

人類在征服自然、改造自然和推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的過(guò)程中，面臨著自身能力、能量的局限

性，因而發(fā)明和創(chuàng)造了許多機(jī)器來(lái)輔助或代替人類完成任務(wù)。智能機(jī)器或智能機(jī)器人是這種

機(jī)器最理想的模式。

智能機(jī)器能模擬人類的功能、能感知外部世界，有效解決問(wèn)題。

人類感知外部世界：視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺

眼耳鼻舌身

所以對(duì)于智能機(jī)器，賦予人類視覺功能極其重要。

機(jī)器視覺：用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬生物（外顯或宏觀）視覺功能的科學(xué)和技術(shù)。

機(jī)器視覺目標(biāo)：用圖像創(chuàng)建或恢復(fù)現(xiàn)實(shí)世界模型，然后認(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界。

1.2機(jī)器視覺的研究?jī)?nèi)容

1輸入設(shè)備成像設(shè)備：攝像機(jī)、紅外線、激光、超聲波、X射線、CCD、數(shù)字掃描儀、

超聲成像、CT等

數(shù)字化設(shè)備

2低層視覺（預(yù)處理）：對(duì)輸入的原始圖像進(jìn)行處理（濾波、增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)），提取角

點(diǎn)、邊緣、線條色彩等特征。

3中層視覺：恢復(fù)場(chǎng)景的深度、表面法線，通過(guò)立體視覺、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、明喑特征、紋理

分析。系統(tǒng)標(biāo)定

4高層視覺：在以物體為中心的坐標(biāo)系中，恢復(fù)物體的完整三維圖，識(shí)別三維物體，并

確定物體的位置和方向。

5體系結(jié)構(gòu)：根據(jù)系統(tǒng)模型（非具體的事例）來(lái)研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。（某時(shí)期的建筑風(fēng)格一

據(jù)此風(fēng)格設(shè)計(jì)的具體建筑）

1.3機(jī)器視覺的應(yīng)用

工業(yè)檢測(cè)一文件處理，毫微米技術(shù)一多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)。

許多人類視覺無(wú)法感知的場(chǎng)合，精確定量感知，危險(xiǎn)場(chǎng)景，不可見物感知等機(jī)器視覺更

顯其優(yōu)越十足。

1零件識(shí)別與定位

生產(chǎn)線機(jī)器人足球賽

桃餐如t

2產(chǎn)品檢驗(yàn)

外形、表面、裝配位置、超聲探測(cè)內(nèi)部裂紋和氣孔

3移動(dòng)機(jī)器人

雙目識(shí)別恢復(fù)場(chǎng)景。無(wú)人駕駛汽車

4遙感圖像分析

航空攝影、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星

航空攝影：利用普通攝影機(jī)航拍。制圖、制導(dǎo)用

氣象衛(wèi)星：紅外成像、氣象云圖

海洋資源：合成孔徑雷達(dá)，獲取海辰形象。找礦農(nóng)作物調(diào)查，自然災(zāi)害測(cè)報(bào)，生態(tài)環(huán)境檢

測(cè)。

5醫(yī)學(xué)圖像分析

X射線、CT(ComputerTomography)、核磁共振MRI(magneticresonanceimaging)>超

聲成像。

作用：(1)圖像增強(qiáng)、標(biāo)記、染色

(2)專家系統(tǒng)，自動(dòng)研制

6安全鑒別、監(jiān)視跟蹤

車輛識(shí)別、車牌號(hào)識(shí)別

人臉、眼底、指紋、表情

7其他

體育運(yùn)動(dòng)分析：游泳

制衣(人體掃描)

~2~

桃餐如t

影視制作

1.4人類視覺簡(jiǎn)介

1人眼所能看到的光譜范圍，只是電磁波輻射范圍的很小的一部分，為380nm—780nm,可

見光譜

紫外3：()紫藍(lán)青綠黃橙紅71紅外、

2人眼的構(gòu)造

角膜占表面的1/6具有屈光作用

晶狀體、玻璃體等都有屈光作用

視網(wǎng)膜：桿狀細(xì)胞(暗)

錐狀細(xì)胞(明)

3視覺信息處理

(1)亮度(2)形狀(3)運(yùn)動(dòng)(4)顏色(5)深度感(6)通道(7)并行

人眼對(duì)運(yùn)動(dòng)物體特別敏感

錐狀細(xì)胞有三種，分別對(duì)430、540、570,敏感，構(gòu)成了三基色原理的基礎(chǔ)。

深度感因視差而產(chǎn)生視覺過(guò)程：

?3?

桃餐如t

(1)視覺的時(shí)間特性

視覺在時(shí)間上有累積效應(yīng)

對(duì)一般的物體進(jìn)行觀察時(shí)，接收光的總能量E與物體可見面積、表面寬度L和時(shí)間距

(觀察時(shí)間長(zhǎng)度)T成正比。

另外：人對(duì)光的感覺有潛伏期，多次閃光會(huì)導(dǎo)致閃爍的知覺。

降龍十八章

(2)視覺的空間特性

小而弱的光點(diǎn)單獨(dú)呈現(xiàn)時(shí)可能看不見,但當(dāng)多個(gè)連在一起作為一個(gè)大的光點(diǎn)時(shí)同時(shí)呈現(xiàn)

時(shí)便能看見了。

視覺度表示人所能看到景物細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性。

覺察定位

4?

桃餐如t

覺察：檢測(cè)在視野中的某個(gè)給定物體是否存在

定位：對(duì)兩物體相對(duì)位置精確辨別的能力

解像：對(duì)一視覺形狀各組成部分之間距離的辨別能力

認(rèn)知：綜合的能力和方法，包括明度識(shí)別，一定的解像力和定位能力。

（3）形狀知覺：輪廓、圖形、背景

輪廓：輪廓把物體與視野中的其它部分區(qū)分開來(lái)，輪廓不等于形狀。

輪廓只是邊界，是局部概念，而形狀則是全體概念。

主觀輪廓：

主觀輪廓產(chǎn)生的必要條件是有些不完整的因素出現(xiàn)將它完整起來(lái)就有一種把它變成簡(jiǎn)單和

穩(wěn)定正規(guī)圖案的傾向。

（4）視覺的相對(duì)性

視覺感知的結(jié)果不僅僅取決于刺激本身，還與經(jīng)驗(yàn)對(duì)比有關(guān)系。（早晨、中午的太陽(yáng)哪

個(gè)更近）

前景與背景：

前景：視覺關(guān)心的主體。

背景則是與前景相關(guān)聯(lián)的其它刺激

視覺知覺的對(duì)比：（1）前景和背景可相互置換

（2）前景受背景的影響

（5）視覺的選擇性

聽而不聞視而不見。依賴先驗(yàn)知識(shí)而取向。

（6）視覺的整體性

對(duì)部分感知之和而產(chǎn)生的一種整體知覺經(jīng)驗(yàn)

（7）視覺的恒常性

亮度恒常性：黑布、白布各自一半在陽(yáng)光下，一半在陰影中，我們?nèi)匀荒軌蚺卸ㄋ鼮?/p>

黑布白布。

機(jī)餐如t

大小恒常性：物體在視網(wǎng)膜上的象隨距離而變化，但我們的感覺則并不是大小的變化

而是距離的變化。(感覺到遠(yuǎn)方的牛仍然比近處的狗大)

形狀恒常性：直線投影為一點(diǎn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)加以矯正

顏色恒常性：在相當(dāng)寬的光明變化條件中，能夠感受到顏色的恒常。

(8)視覺的組織性

相似性

十OO

OO

。

十oO

接近性

ooo

OOOOOOOOO

oOo

四行點(diǎn)列°OOOOO

OOO三列點(diǎn)列

OOOOO0OOO

O

OO0OOOO0

oooo

oooooooo?

ooooooOoOoO

OOoOooOoOoO

OOOOoo按行ooooo按列

ooooooo

o°o0o

封閉性

封閉輪廓更容易夠成圖形。

連續(xù)性

?6?

桃餐如t

一條直線和曲線的多次交匯，心理上傾向于連續(xù)。

(9)錯(cuò)視現(xiàn)象

/

\

度

長(zhǎng)

/

b/

/

/

/

/

l,

i

—

o

---------“主從錯(cuò)覺

馬赫帶

桃餐如t

Hering方格錯(cuò)覺

(10)眼球微動(dòng)現(xiàn)象

1.5顏色和知覺

牛頓用三棱鏡研究白光的折射，就此便發(fā)現(xiàn)白光可被分解成一系列從紫到紅的連續(xù)光

譜。從而證明白光是由不同顏色的光線相混合而形成的，而這些光實(shí)際上是不同頻率的電磁

波。

(1)無(wú)顏色白―＞灰―黑黑白系列

顏色

(2)有顏色除黑白系列之外的各種顏色

色覺的產(chǎn)生：光源的光—反射或透射一視網(wǎng)膜一人腦解釋

物體均勻的反射各種光一白色

物體只反射某種或某幾種顏色—彩色

CIE國(guó)際明度委員會(huì)

R：700nm(570)

G：546.Inm(540)光的三基色

B：435.8nm(430)二基色疊加形成三補(bǔ)色

顏料的三基色正是光的三補(bǔ)色。

人眼的錐狀細(xì)胞有三種,分別對(duì)430,540,570光譜敏感。

設(shè)三種刺激量分別為：X、Y、Z則：

YXZ

V=，X=,Z=

Z+Y+ZX+Y+ZX+Y+Z

為刺激量的比例系數(shù)，稱為色系數(shù)?？梢?

x+y+z=l

CIE1931色度圖

①三色比例系數(shù)x、y、z均大于零。

②Y的數(shù)值正好是彩色光亮度。

③x=y=z表示標(biāo)準(zhǔn)白光。

這樣：

—8—

桃餐如t

■(X)'1.76891.75171.1302''R'

(Y)=1.04.59070.0601G

.(Z)00.05655.5943B

①每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種顏色。

0色度圖邊界上二點(diǎn)代表純顏色。

③連接兩端點(diǎn)直線上的點(diǎn)可由二端點(diǎn)顏色合成。

3端點(diǎn)三角形內(nèi)的顏色可由三端點(diǎn)顏色合成。

3基色不能組合出所有的顏色。

補(bǔ)色律：兩個(gè)以適當(dāng)比例混合能得到白色或灰色的顏色，互稱為補(bǔ)色。

中間色律：兩個(gè)非補(bǔ)色混合，便產(chǎn)生一個(gè)新的中間色或混合色，色調(diào)的混合比例確定。

代替律：如顏色

X+Y?B,A+B?C則有A+X+Y?C

顏色模型

①RGB模型（面向顯示器、打印機(jī)等硬設(shè)備）

規(guī)劃為單位正方體

則所有RGB的值在[0,1]

R=700nm

G=546.1nm

B=435.8nm

根據(jù)不同需要提出了：RGB、CMY、XYZ、

9~

桃餐如t

YIQ、HSV(HIS)

標(biāo)準(zhǔn)白色的RGB光通量，、九、OB為：

Or：0G：0B=1：4.5907：0.0601

這樣把光通量為ILm的紅色，4.5079流明的綠光，0.0601流明的藍(lán)光作為三基色的單

位基色量。

這樣某彩色光通量(C)=R(R)+G(G))+B(B)

(C)表示光的明亮程度，其色度只取決于R、G、B之間的比例關(guān)系。

.,.合

RG、B

r=------------,g=------------,b=------------

R+G+BR+G+BR+G+B

y

-1.5-1380nm0.511.5r

r、g、b為色度坐標(biāo)，r+g+b=1

②CMY

Y

黃

/—/紅

綠H——

r1/*M

/w藍(lán)

C

各種光也都可以用CMY三基色混合而成。

RGB,由黑一白，增色過(guò)程。

~10~

桃餐如t

CMY,由白—黑，減色過(guò)程。

④YIQ

保證彩色電視和黑白電視的兼容。NTSC(國(guó)際電視系統(tǒng))協(xié)會(huì)。

Y對(duì)應(yīng)于XYZ中的Y,為亮度信息。

選擇三色的基色量為R=0.299,G=0.587,B=0.114

Y=0.299R+0.587G+0.114B

規(guī)定：

I=0.74(R-Y)-0.27(B-Y)

Q=0.48(R-Y)+0.41(B-Y)

0.114R

-0.322G

0.312B

⑤HIS模型

H：色調(diào)。混合光譜中的主要波長(zhǎng)。

S：飽和度。一定色調(diào)的純度。純光譜色是

完全飽和，加入反光飽和度逐漸減小。

I：密度、亮度(與反射率成正比)

?11?

桃餐如t

RGB到HIS轉(zhuǎn)換

/=；(/?+G+6)

3

S=1-----------[min(R,G,8)]

R+G+B

“=arccos{~^…+…—

2j(H-GT+(R-G)(G-6)

HIS轉(zhuǎn)至ljRGB

5,/e[0,l]

8=/(l—S)

He[0,120°]

ScosH

R=/[l+

cos(600-HY

G=3I-(B+R)

發(fā)光強(qiáng)度定義：光源540x1()12%的單色光，在指定方向輻射強(qiáng)度為其83

1.6光度學(xué)

光度學(xué)：研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科。(Photometry)

當(dāng)光源足夠小，或足夠遠(yuǎn)，以至于眼睛無(wú)法分辨形狀時(shí)，光源為點(diǎn)光源。

點(diǎn)光源Q沿某個(gè)方向r的發(fā)光強(qiáng)度I定義為此方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量?！?。

單位為流明(Lm)。

以r為軸取一個(gè)立體角元dQ,dQ內(nèi)的光通量為d。沿r方向的發(fā)光強(qiáng)度為：

［二鮑(單位角內(nèi)的光通量)

dQ

發(fā)光強(qiáng)度的單位為cd(坎［德拉］),lcd=l0%

led發(fā)光強(qiáng)度的點(diǎn)發(fā)出的總光通量為4Jt1m。

sr為球面度，球心對(duì)球面的總球面度為4Jt。

~12~

桃餐如t

實(shí)際中的光源總有一定的發(fā)光面積—擴(kuò)展光源。擴(kuò)展光源表面的每個(gè)面元ds沿某個(gè)

方向r有一定發(fā)光強(qiáng)度di

沿r觀察，則ds'=dscos0投影面積

則面元ds沿r方向的光度學(xué)亮度B定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強(qiáng)度。

高度：

5=—=---=-------姓-----單位：囹1

dS'dScos0dQl-dS-cos0/”?

被照表面照度：一個(gè)被光線照射的表面上的照度，為照射在單位面積上的光通量，設(shè)面

積ds上的光通量為d6,則：

照度后=黑單位：IX（勒［克斯］）ILX=1%?lm/m2

照度

光學(xué)系統(tǒng)的像面照度和其他表面的照度是必須了解的光學(xué)量。參看圖1.4-1,從軸面上

的面元dAi、輻射到接收面卜一的面元dA2的輻射通量為：

t/（D2=LdA,dO,CosO

式中

dA2cos

dLl}=------------

生

~13~

桃餐如t

圖XX輻射的傳播

而從物面輻射到接收面的總輻射通量為

設(shè)物面是朗伯面，即L與面元dA］的位置無(wú)關(guān)，則

...r（cos3,cos（9,IA

①2=^1MlM2dA{dA2

力

=R"2S必陷

r\2

由此

今—4期朝MM

式中口2稱為輻射傳輸系數(shù)，它只與表面的形狀、位置、大小和方向有關(guān)。是一純粹幾何量。

F12是一二重積分量，很難計(jì)算，不過(guò)現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)一些典型情況，計(jì)算出了結(jié)果，并且列出

了表格，可供查閱。

像面照度

光學(xué)系統(tǒng)像面上.的照度會(huì)受兩方面的影響：（1）光學(xué)系統(tǒng)的會(huì)聚和發(fā)散作用；（2）光學(xué)

系統(tǒng)的吸收、反射.、散射和擋光的作用；為了簡(jiǎn)單起見，將忽略第（2）種影響，而對(duì)于第

（1）種影響將通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的幾何度G表示出來(lái)，并使這一計(jì)算變得很簡(jiǎn)單。

幾何度G的定義為

竺華也必的

G=4U,

=

式中

r\2

這是投影立體角，它是接收面dA2對(duì)物面dAi所張立體角在物面法線方向的投影的積分。

幾何度G只和光源的幾何尺寸、光源到光學(xué)系統(tǒng)的距離、光學(xué)系統(tǒng)的入瞳尺寸以及光

學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)光能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)且不存在損失時(shí)，G是不變量，即在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的

不同截面上，G都是相同的。若從圖1.4-2觀察則有

Gs=Ge=Gx=Gi

式中Gs、Ge、Gx、Gi分別是光學(xué)系統(tǒng)的物面S、入瞳面e、出瞳面x、像面i

的兒何度。

~14~

桃餐如t

從上可以看出；

（1）幾何度G可以表示光學(xué)系統(tǒng)傳輸輻射的能力；

（2）可以根據(jù)易于計(jì)算的截面上的G值，計(jì)算出任一截面上的照度。

例如：（1）光能無(wú)損失的光學(xué)系統(tǒng)像面中心的輻射度

由①=MP/得到

①

E=—=LQ

A

=心4=工/）2

4/24f

-工L（—}2——

4f（1-?）

式中，a是光學(xué)系統(tǒng)的縱向放大率。

（2）視場(chǎng)角為o處像平面上的輻照度。

比較物方側(cè)物點(diǎn)1和軸上點(diǎn)0所對(duì)應(yīng)立體角的大小。對(duì)于物點(diǎn)1,入瞳所對(duì)應(yīng)的立體角

為

八，cos63

Q,=A?-----------y*cos3。=cos0

1'(//cos6)2

式中Q。是入瞳對(duì)軸上點(diǎn)0所張的立體角，故軸外點(diǎn)像平面的輻照度為

￡,--Lcos0(-------rcos30

4V,(1-?)2

=-L(—)2―^cos4^

4/'(1-?)2

卜.式說(shuō)明：像面照度片與光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑（上）的平面成正比，乂和視場(chǎng)角0的余弦的

4次方成正比;

?15?

桃餐如t

需要特別注意的是：耳8cos46,這將嚴(yán)重影響像面照度的均勻性。但是，對(duì)于野外

景物，它并不是朗伯體，而是各向均勻發(fā)光體，則耳8cos3。。

1.7視覺的空間知覺

人眼能在高和寬為2D空間上形成的視象得到一個(gè)3D視覺空間。

①非視覺性深度線索

眼睛聚焦調(diào)節(jié)：

觀察遠(yuǎn)點(diǎn)不同的物體時(shí)，眼睛調(diào)節(jié)晶狀體，使成清晰象，這種調(diào)節(jié)活動(dòng)給大

腦提供信息，提供深度估計(jì)。

據(jù)此一共焦測(cè)距法

雙眼視軸的融合

觀察遠(yuǎn)近不同的物體，雙眼自動(dòng)調(diào)節(jié)使視軸對(duì)準(zhǔn)視網(wǎng)膜中心，做幅合運(yùn)動(dòng)。

提供距離信息一三角測(cè)距法

②雙眼深度線索

中央眼確定主觀視覺方向，視覺

是產(chǎn)生立體知覺和深度知覺。（單獨(dú)產(chǎn)生）

（圖像復(fù)合后相當(dāng)于1只眼睛看到）

~16~

桃餐如t

③單眼深度線索

大?。撼叽缦嘟奈矬w，近：成像大；遠(yuǎn)：成像小

物體的遮擋：遮擋來(lái)判斷物體的前后距離

光亮與陰影：近：物體明亮；遠(yuǎn)：物體灰暗

顏色分布：近：黃或紅；遠(yuǎn)：藍(lán)

空氣透視：近：輪廓清晰；遠(yuǎn)：模糊不清

紋理：近：紋理稀疏；遠(yuǎn)：紋理密集

運(yùn)動(dòng)：近：視角變化大；遠(yuǎn)：視角變化小

（坐車過(guò)電線桿，和遠(yuǎn)處的樹）

第二章圖像的采集和量化

2.1采集裝置的性能指標(biāo)

接受外界的激勵(lì)并產(chǎn)生響應(yīng)，把模擬的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信號(hào)，從而可被計(jì)算機(jī)利

用。

采集裝置功能：

①接受輻射（光、聲、電）

②進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

采集裝置性能指標(biāo)：

①線性響應(yīng)：輸入物理信號(hào)的強(qiáng)度與輸出響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度之間關(guān)系是否線性。

②靈敏度：絕對(duì)靈敏度用能拾測(cè)到的最小光子數(shù)表示。

相對(duì)靈敏度用能使輸出發(fā)生一級(jí)變化所需光子數(shù)表示。

③信噪比：所采集的圖像中有用信號(hào)與無(wú)用干擾的（能量或強(qiáng)度）比值。

④陰影（不均勻度）：輸入物理信號(hào)為常數(shù)而輸出的數(shù)字形式不為常數(shù)的現(xiàn)象。

⑤象素形狀：一般為正方形，但也有其它形狀（如運(yùn)動(dòng)）。

@頻譜靈敏度：對(duì)不同頻率輻射的相對(duì)靈敏度。

⑦快門速度：采集拍攝時(shí)間。

⑧讀取速度：信號(hào)數(shù)據(jù)從敏感單元讀?。▊鬏敚┑臄?shù)率。

2.2電荷藕合攝像器件

面陣CCD原理。（幀轉(zhuǎn)移型，隔列轉(zhuǎn)移型，線轉(zhuǎn)移型）

面陣CCD的基本特性參數(shù)：

~17~

桃餐如t

①光電轉(zhuǎn)移特性

光電轉(zhuǎn)換因子Y，一般99.7%。

②光譜晌應(yīng)

③動(dòng)態(tài)范圍：輸出信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比。

噪聲源：電荷注入器件引起的噪聲。

電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，電荷量變化引起的噪聲。

拾測(cè)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

④暗電流：正常工作時(shí)，MOS電容處于未飽和的非平衡狀態(tài)，但由于熱激發(fā)產(chǎn)

生的少量載流子使系統(tǒng)趨向平衡。

暗電流是判斷一個(gè)系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)志。

⑤分辨率：像元位數(shù)高的器件具有更高的分辨率。

面陣CCD,只評(píng)價(jià)其水平分辨率，

且用電視線數(shù)的評(píng)價(jià)方法。

在一幅圖像上，在水平方向能夠分

辨出的黑白條數(shù)一一分辨率。

-------------b------------------?

□□□

□□□

□□口

⑥填充系數(shù)Fb

電敏感區(qū)域占整個(gè)矩陣面的比例b

F=naXaxlOO%

bxb

⑦拖影：由寄存器電荷移位時(shí)留下的剩余

電荷量產(chǎn)生。

三管CCD彩色攝像機(jī)

?18?

桃餐如t

分光棱鏡—三色一?三CCD接收—?RGB信號(hào)

單管CCD彩色攝像機(jī)

柵狀濾色器—三色—?三CCD接收—>RGB信號(hào)

（例舉液晶顯示器）

特種CCD圖像傳感器

①微光CCD圖像傳感器（多幀積累）

直視夜視儀—微光透視圖像傳感器

特點(diǎn)：便于圖像處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距傳輸或遙控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制直接用于制導(dǎo)、

錄像并長(zhǎng)期保存。

②紅外CCD圖像傳感器（IRCCD）

用于夜視，、跟蹤制導(dǎo)、紅外偵察、預(yù)警。（海灣戰(zhàn)爭(zhēng)）

主動(dòng)紅外電視攝像：

紅外光源（紅外光源，半導(dǎo)體激光器）

紅外攝像器件（CCD）

紅外變像管：把不可見的紅外線轉(zhuǎn)變成可見光。

③X光CCD圖像傳感器—醫(yī)療影像+工業(yè)探測(cè)

目標(biāo)：小劑量X光照射，圖像遠(yuǎn)程傳輸。

tit[x光增強(qiáng)管]CD機(jī)一圖象處理一監(jiān)程器

2.3CCD相機(jī)

①分類：彩色相機(jī)黑白相機(jī)

②按靈敏度劃分：普通型（照度1?3lux）,月光型（照度0.1lux）

星光型（照度0.01lux）,紅外型（紅外照明，天光線）

③按CCD靈敏度尺寸分為1/4inch,1/3inch,1/2inch,1inch相機(jī)。

④按掃描方式：有面掃描和線掃描方式，面掃描又分為逐行掃描和隔行掃描。

⑤按同步方式：內(nèi)掃描（普通相機(jī)），外同步功能相機(jī)。

CCD相機(jī)主要功能調(diào)節(jié)

①同步方式選擇：內(nèi)同步（利用內(nèi)置的同步信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生同步信號(hào)）；

外同步（外觸發(fā)信號(hào)）；

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桃餐如t

電源同步（利用電源完成垂直同步）；

②自動(dòng)增益控制：CCD信號(hào)的視頻放大器，對(duì)不同照度而隨之改變?cè)鲆妫墒瓜鄼C(jī)在較

大的光照范圍內(nèi)進(jìn)行工作。

③背光補(bǔ)償：自動(dòng)補(bǔ)償（AGC）以整個(gè)視場(chǎng)平均值來(lái)確定（亮背景，暗前景）啟動(dòng)背光

補(bǔ)償，則AGC只對(duì)前景視場(chǎng)求平均確定增益。

④電子快門：CCD僅輸出快門開啟時(shí)的光電荷信號(hào)，其余時(shí)間則被泄放。最短電子快門為

1/1000S,

⑤丫校正：Lr=V（機(jī)器視覺丫=1）

光（L）-CCD-電（V）-顯示器-光。

要保持二次轉(zhuǎn)換中的綜合特性具有線性。

⑥自平衡（僅用于彩色相機(jī)）：對(duì)景物圖像進(jìn)行色溫補(bǔ)償，分為自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種。

CCD相機(jī)接口：

①光學(xué)接口

②信號(hào)接口：

RS422：雙絞線，相機(jī)具有110。終端負(fù)載。

CameraLink：控制信號(hào)、視頻信號(hào)、串行通訊。

LVDS（低振幅差分信號(hào)）：低電壓和低電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗。

IEEE1394：串行接口（Firewire）-*400Mbps,不需要集線器就可以連接63臺(tái)設(shè)備，連

接電腦可省去圖像采集卡。

2.4彩色數(shù)碼相機(jī)

圖像一鏡頭一CCD-A/D一數(shù)字信息存儲(chǔ)

數(shù)碼相機(jī)的最大特點(diǎn)是它的一系列的二進(jìn)制數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的圖像存儲(chǔ)方式把所攝圖像存放在

機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器，并可以通過(guò)專用接口與通用計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像傳輸和計(jì)算機(jī)處理的功能。

分辨率高達(dá)3060x2036,

主要性能：

1.分辨率：常有1600x1200,1024x768,640x780。

2.色彩深度：專業(yè)的達(dá)到36位或24位。

3.焦距：可高達(dá)10倍光學(xué)變焦，數(shù)碼變焦。

4.光圈快門：快門1/500?16s廣角光圈25?fl6；長(zhǎng)焦光圈f3.8?￡24。

~20~

桃餐如t

5.圖像存儲(chǔ)：內(nèi)置存儲(chǔ)卡JPG格式120K。

6.取景器“觀看拍攝效果和編輯修改（液晶）。

7.接口功能：RS232、SCSI、USB。1394接口。

8.其他接口：自動(dòng)測(cè)光、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)閃光、自拍。

2.5常用的圖像文件格式

1.BMP

2.GIF

3.TIFF（TIF）

4.JPEG（JPG）

（依據(jù)數(shù)字圖像處理內(nèi)容簡(jiǎn)單擴(kuò)展）

2.6照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本因素：

①鏡頭的視場(chǎng)：被測(cè)物尺寸一鏡頭視場(chǎng)一最佳照明（照亮整個(gè)視場(chǎng)）

②照明系統(tǒng)與工作間距：鏡頭到工作距離-照明系統(tǒng)到工作間距一光源到工作距離

③工件的外形，條紋及顏色：工作表面形狀、平坦度、粗糙度、顏色

@成像物鏡自配：針對(duì)確定的成像物鏡進(jìn)行光源設(shè)計(jì)一劃痕、缺陷、印紋等能被清晰顯現(xiàn)。

⑤照度自配：根據(jù)CCD的光表面動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍確定合適的像表面度。

照明系統(tǒng)的選擇：

①直接型：

沐光方式高環(huán)形光反射型

低角度方式低環(huán)形光漫反射

條形方式條形光源

聚光方式聚光高亮方式（激光）

②投射型：

高亮投射照明

導(dǎo)光面（光板）投射照明

線條光源投射照明

③同軸光照明：與光軸平行的平行光均勻照明工件。

④不同頻率光線照明（多彩）

~21~

桃餐如t

第三章二值圖像分析

一幅數(shù)字圖像是一個(gè)二維陣列，陣列元素值稱為灰度值或強(qiáng)度值.實(shí)際上，圖像在量化

成數(shù)字圖像前是一個(gè)連續(xù)強(qiáng)度函數(shù)的集合，場(chǎng)景信息就包含在這些強(qiáng)度值中.圖像強(qiáng)度通常

被量化成256個(gè)不同灰度級(jí)，對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，也常有32、64、128或512個(gè)灰度級(jí)的情況,

在醫(yī)療領(lǐng)域里甚至使用高達(dá)4096（12bits）個(gè)灰度級(jí).很明顯，灰度級(jí)越高，圖像質(zhì)量越好，

但所需的內(nèi)存也越大.

在機(jī)器視覺研究的早期，由于內(nèi)存和計(jì)算能力非常有限，而且十分昂貴，因此視覺研究

人員把精力主要集中在研究輸入圖像僅包含兩個(gè)灰度值的二值視覺系統(tǒng)上.人們注意到，人

類視覺在理解僅由兩個(gè)灰度級(jí)組成的線條、輪廓影像或其它圖像時(shí)沒有任何困難，而且應(yīng)用

場(chǎng)合很多，這一點(diǎn)對(duì)研究二值視覺系統(tǒng)的研究人員是一個(gè)極大的鼓舞.

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)和計(jì)算成本的不斷下降，人們普遍開始研究基于灰度圖

像、彩色圖像和深度圖像的視覺系統(tǒng).盡管如此，二值視覺系統(tǒng)還是十分有用的，其原因如

下：⑴計(jì)算二值圖像特性的算法非常簡(jiǎn)單，容易理解和實(shí)現(xiàn)，并且計(jì)算速度很快.⑵二值

視覺所需的內(nèi)存小，對(duì)計(jì)算設(shè)備要求低.工作在256個(gè)灰度級(jí)的視覺系統(tǒng)所需內(nèi)存是工作在

相同大小二值圖像視覺系統(tǒng)所需內(nèi)存的八倍.如若利用游程長(zhǎng)度編碼等技術(shù)（見3.4節(jié)）

還可使所需內(nèi)存進(jìn)一步減少.由于二值圖像中的許多運(yùn)算是邏輯運(yùn)算而不是算術(shù)運(yùn)算，所以

所需的處理時(shí)間很短.（3）許多二值視覺系統(tǒng)技術(shù)也可以用于灰度圖像視覺系統(tǒng)上.在灰度

或彩色圖像中，表示一個(gè)目標(biāo)或物體的一種簡(jiǎn)易方法就是使用物體模板（mask）,物體模板就

是一幅二值圖像，其中1表示目標(biāo)上的點(diǎn)，0表示其它點(diǎn).在物體從背景中分離出來(lái)后，為

了進(jìn)行決策，還需要求取物體的幾何和拓?fù)涮匦?這些特性可以從它的二值圖像計(jì)算出來(lái).因

此，盡管我們是在二值圖像上討論這些方法，但它們的應(yīng)用并不限于二值圖像.

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)物體輪廓足以用來(lái)識(shí)別物體且周圍環(huán)境可以適當(dāng)?shù)乜刂茣r(shí)，二值視覺系統(tǒng)

是非常有用的.當(dāng)使用特殊的照明技術(shù)和背景并且場(chǎng)景中只有少數(shù)物體時(shí)，物體可以很容易

地從背景中分離出來(lái)，并可得到較好的輪廓，比如，許多工業(yè)場(chǎng)合都屬于這種情況.二值視

覺系統(tǒng)的輸入一般是灰度圖像，通常使用閾值法首先將圖像變成二值圖像，以便把物體從背

景中分離出來(lái)，其中的閾值取決于照明條件和物體的反射特性.二值圖像可用來(lái)計(jì)算特定任

務(wù)中物體的幾何和拓?fù)涮匦?，在許多應(yīng)用中，這種特性對(duì)識(shí)別物體來(lái)說(shuō)是足夠的.二值視覺

系統(tǒng)已經(jīng)在光學(xué)字符識(shí)別、染色體分析和工業(yè)零件的識(shí)別中得到了廣泛應(yīng)用.

在下面的討論中，假定二值圖像大小為mx〃，其中物體像素值為1,背景像素值為0.

3.1閾值

視覺系統(tǒng)中的一個(gè)重要問(wèn)題是從圖像中識(shí)別代表物體的區(qū)域（或子圖像），這種對(duì)人來(lái)

說(shuō)是件非常容易的事，對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)卻是令人吃驚的困難.為了將物體區(qū)域同圖像其它區(qū)域

分離出來(lái)，需要首先對(duì)圖像進(jìn)行分割.把圖像劃分成區(qū)域的過(guò)程稱為分割，即把圖像

劃分成區(qū)域Pl，P2,…,P*，使得每一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)候選的物體.下面給出分割的嚴(yán)格定義.

定義分割是把像素聚合成區(qū)域的過(guò)程，使得：

?U著p,=整幅圖像（化｝是一個(gè)完備分割）.

?en號(hào)=0/*_/,（代｝是一個(gè)完備分割）.

~22~

桃餐如t

?每個(gè)區(qū)域4?滿足.個(gè)謂詞，即區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)有某種共同的性質(zhì).

?不同區(qū)域的圖像，不滿足這一謂詞.

正如上面所表明的，分割滿足一個(gè)謂詞，這一謂詞可能是簡(jiǎn)單的，如分割灰度圖像時(shí)用

的均勻灰度分布、相同紋理等謂詞，但在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，謂詞十分復(fù)雜.在圖像理解過(guò)程

中，分割是一個(gè)非常重要的步驟.

二值圖像可以通過(guò)適當(dāng)?shù)胤指罨叶葓D像得到.如果物體的灰度值落在某一區(qū)間內(nèi)，并且

背景的灰度值在這一區(qū)間之外，則可以通過(guò)閾值運(yùn)算得到物體的二值圖像，即把區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)

置成1,區(qū)間外的點(diǎn)置成0.對(duì)于二值視覺，分割和閾值化是同義的.閾值化可以通過(guò)軟件

來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)硬件直接完成.

通過(guò)閾值運(yùn)算是否可以有效地進(jìn)行圖像分割,取決于物體和背景之間是否有足夠的對(duì)比

度.設(shè)一幅灰度圖像尸口，刀中物體的灰度分布在區(qū)間區(qū)，七]內(nèi)，經(jīng)過(guò)閾值運(yùn)算后的圖像為二

值圖像為乩刃,即:

如果T,<F[i,j]<T

2(3.1)

其它

如果物體灰度值分布在幾個(gè)不相鄰區(qū)間內(nèi)時(shí)，閾值化方案可表示為:

如果F[/J]eZ

(3.2)

其它

其中Z是組成物體各部分灰度值的集合.圖3.1是對(duì)幅灰度圖像使用不同閾值得到的二

值圖像輸出結(jié)果.

閾值算法與應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān).事實(shí)上，某一閾值運(yùn)算常常是為某一應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，

在其它應(yīng)用領(lǐng)域可能無(wú)法工作.閾值選擇常常是基于在某一應(yīng)用領(lǐng)域獲取的先驗(yàn)知識(shí)，因此

在某些場(chǎng)合下，前兒輪運(yùn)算通常采用交互式方式來(lái)分析圖像，以便確定合適的閾值.但是，

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，由于視覺系統(tǒng)的自主性能（autonomy）要求，必須進(jìn)行自動(dòng)閾值選擇.現(xiàn)

在已經(jīng)研究出許多利用圖像灰度分布和有關(guān)的物體知識(shí)來(lái)自動(dòng)選擇適當(dāng)閾值的技術(shù).其中的

一些方法將在3.2節(jié)介紹.

閾值T=100；左下：T=128.右下：Tl=100|T2=128.

3.2幾何特性

通過(guò)閾值化方法從圖像中檢測(cè)出物體后，下步就要對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別和定位.在大多數(shù)

~23~

桃餐如t

工業(yè)應(yīng)用中，攝像機(jī)的位置和環(huán)境是已知的，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何知識(shí)就可以從物體的二維

圖像確定出物體的三維位置.在大多數(shù)應(yīng)用中，物體的數(shù)量不是很多，如果物體的尺寸和形

狀完全不同，則可以利用尺度和形狀特征來(lái)識(shí)別這些物體.實(shí)際上在許多工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常

使用區(qū)域的一些簡(jiǎn)單特征，如大小、位置和方向，來(lái)確定物體的位置并識(shí)別它們.

3.2.1尺寸和位置

一幅二值圖像區(qū)域的面積（或零階矩）由下式給出：

〃一1）n—\

4=工工班,刃（3.3）

r=0j=Q

在許多應(yīng)用中，物體的位置起著十分重要的作用.工業(yè)應(yīng)用中，物體通常出現(xiàn)在已知表

面（如工作臺(tái)面）上，而且攝像機(jī)相對(duì)臺(tái)面的位置也是已知的.在這種情況下，圖像中的物

體位置決定了它的空間位置.確定物體位置的方法有許多，比如用物體的外接矩形、物體矩

心（區(qū)域中心）等來(lái)表示物體的位置.區(qū)域中心是通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行“全局”運(yùn)算得到的?個(gè)

點(diǎn)，因此它對(duì)圖像中的噪聲相對(duì)來(lái)說(shuō)是不敏感的.對(duì)于二值圖像，物體的中心位置與物體的

質(zhì)心相同，因此可以使用下式求物體的中心位置：

〃一1,一|〃一1

于2?＞國(guó)力=工2＞即，力

S=°IX（3.4）

〃一1，〃一1.一!，〃一|

i=0j=Qi=0j=0

其中r和y是區(qū)域相對(duì)于左上角圖像的中心坐標(biāo).物體的位置為:

〃一1一一1

-_i=0j=0_________

〃-1mT

i=0j=。

這些是一階矩.注意，由于約定y軸向上，因此方程3.4和3.5的第二個(gè)式子的等號(hào)右邊

加了負(fù)號(hào).

3.2.2方向

計(jì)算物體的方向比計(jì)算它的位置稍微復(fù)雜一點(diǎn).某些形狀（如圓）的方向不是唯一的，

為了定義唯一的方向，一般假定物體是長(zhǎng)形的，其長(zhǎng)軸方向被定義為物體的方向.通常，二

維平面上與最小慣量軸同方向的最小二階矩軸被定為長(zhǎng)軸.

圖像中物體的二階矩軸是這樣條線，物體上的全部點(diǎn)到該線的距離平方和最小.給出

一幅二值圖像8口,力，計(jì)算物體點(diǎn)到直線的最小二乘方擬合，使所有物體點(diǎn)到直線的距離

平方和最?。?/p>

~24~

桃餐如t

〃一I"1一1

/=22＞；功，刃⑶6)

/=0；=0

其中分是物體點(diǎn)口，刃到直線的距離.為了避免直線處于近似垂直時(shí)所出現(xiàn)的數(shù)值病態(tài)問(wèn)題，

人們一般把直線表示成極坐標(biāo)形式：

/?=xcose+ysin。(3.7)

如圖3.2所示，。是直線的法線與x軸的夾角，夕是直線到原點(diǎn)的距離.把點(diǎn)?,/)坐標(biāo)

代入直線的極坐標(biāo)方程得出距離r：

r2=(xcos^+ysin^-/?)2(3.8)

圖3.2直線的極坐標(biāo)表示

將方程3.8代入方程3.6并求極小化問(wèn)題，可以確定參數(shù)月和6：

"一!

r=ZE(^cos9+為sin。一夕『現(xiàn)mj](3.9)

r=0j=Q

令,2對(duì)2的導(dǎo)數(shù)等于零求解P得：

p=(xcos^4-ysin^)(3.10)

它說(shuō)明回歸直線通過(guò)物體中心(元刃.用這一「值代入上面的力2,則極小化問(wèn)題變?yōu)椋?/p>

%2=acos?e+bsinecosO+csin?。(3.11)

其中的參數(shù)：

n-\//1-1

□，力

i=0j=0

w-i

匕=2ZZ(得一項(xiàng)為一切刃w(3.12)

i=0j=0

，一]///-I

。=工工(用-區(qū))2磯，，力

i=0j=0

?25?

桃餐如t

是二階矩.表達(dá)式/可重寫為:

/■=-(a+c)+—(a-c)cos20+—bsm20

對(duì)力2微分，并置微分結(jié)果為零，求解e值:

tan20=

因此，慣性軸的方向由下式給出:

sin20=士/b

\b~+(a—c)~

cos26=士〒

y]b2+(47-C)2

所以由22的最小值可以確定方向軸.注意，如果匕=0,。=。，那么物體就不會(huì)只有唯一的

方向軸.物體的伸長(zhǎng)率E是42的最大值與最小值之比：

(3.16)

3.2.3密集度和體態(tài)比

區(qū)域的密集度（compact）可用下面的式子來(lái)度量:

(3.17)

其中，p和4分別為圖形的周長(zhǎng)和面積.根據(jù)這一衡量標(biāo)準(zhǔn)，圓是最密集的圖形，其密集

密度為最大值1/4萬(wàn)，其它一些圖形的比值要小一些.讓我們來(lái)看一下圓，當(dāng)圓后仰時(shí)，形

狀成了一橢圓，面積減小了而周長(zhǎng)卻不象面積減小的那么快，因此密集度降低了.在后仰到

極限角時(shí)，橢圓被壓縮成了?條無(wú)限長(zhǎng)直線，橢圓的周長(zhǎng)為無(wú)窮大，故密集度變成了零.對(duì)

于數(shù)字圖像，A/p2是指物體尺寸（像素點(diǎn)數(shù)量）除以邊界長(zhǎng)度的平方.這是一種很好的

散布性或密集性度量方法.這一比值在許多應(yīng)用中被用作為區(qū)域的一個(gè)特征.

密集度的另一層意義是：在給定周長(zhǎng)的條件下，密集度越高，圍成的面積就越大.注意

在等周長(zhǎng)的情況下，正方形密集度大于長(zhǎng)方形密