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1、第八章 視覺檢測,本章在對視覺檢測技術(shù)進(jìn)行全面概括的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)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(jī)器人視覺系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)為例，說明視覺檢測系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,8.1.1 視覺檢測及特點(diǎn) 視覺檢測的基本任務(wù)就是要實(shí)現(xiàn)物體幾何尺寸的精確檢測或?qū)ξ矬w完成精確定位。 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(jì)算機(jī)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(jìn)行形態(tài)和運(yùn)動(dòng)識(shí)別。 視覺檢測的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) 視覺檢測具有非接觸、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

2、、量程大、可直接與計(jì)算機(jī)聯(lián)接等優(yōu)點(diǎn)，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。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,8.1.2 視覺檢測系統(tǒng)的組成 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(chǔ)體和微處理器件與圖像存儲(chǔ)體以及微處理器等部分集成在一起的數(shù)字器件。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,一、光源 1.光源的選擇 用于視覺檢測的光源應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求： （1）照度要適中 （2）亮度要均勻 （3）亮度要穩(wěn)定 （4）不應(yīng)產(chǎn)生陰影 （5）照度可調(diào) 2.光源的照明方式 光源的照明一般有以下幾種方式，圖如書308頁所示

3、。 漫反射照明方式、透射照明方式、結(jié)構(gòu)光照明方式和定向照明方式,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,二、鏡頭 1.鏡頭的作用 （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) (1)焦距 (2)光圈 (3)安裝方式 3.鏡頭的種類 按照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；按安裝方式可以分為普通安裝鏡頭、隱蔽安裝鏡頭。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,三、圖像存儲(chǔ)體 圖像存儲(chǔ)體可以分為外置式和內(nèi)置式兩種。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

4、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。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。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,8.1.3 計(jì)算機(jī)視覺 一、計(jì)算機(jī)視覺 二、計(jì)算機(jī)視覺要達(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)一幅或多幅二維投影圖像計(jì)算出目標(biāo)物體的表面物理性質(zhì)。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,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)視覺要達(dá)到的最終目的是實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)

5、對于三維景物世界的理解，即實(shí)現(xiàn)人的視覺系統(tǒng)的某些功能。 計(jì)算機(jī)視覺研究的本質(zhì)問題就是利用二維投影圖像來重夠三維物體的可視部分。 三、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺的途徑 1.仿生學(xué)方法 2.工程方法,8.2 視覺傳感器,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。 8.2.1 CCD的基本工作原理 CCD有兩種基本類型：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

6、(BCCD)。,8.2 視覺傳感器,一、CCD光敏元件工作原理 CCD基本結(jié)構(gòu)圖,8.2 視覺傳感器,二、電荷轉(zhuǎn)移原理 CCD轉(zhuǎn)移電壓 CCD電荷轉(zhuǎn)移原理,8.2 視覺傳感器,三、CCD的輸入輸出結(jié)構(gòu) 1.電荷注入 2.電荷輸出 四、CCD的特性參數(shù) 1.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 2.工作頻率 8.2.2 CCD器件 視覺檢測系統(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、移位和輸出為一體。應(yīng)用于成像技術(shù)、數(shù)據(jù)存貯和信號處理電路等。,8.2 視覺傳感器,一、CCD線陣攝像器件工作原理。 線陣列固體攝像器件基本結(jié)

7、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。,8.2 視覺傳感器,二、面陣ICCD 場傳輸面陣CCD和行傳輸面型CCD結(jié)構(gòu)原理如圖。,8.2 視覺傳感器,三、ICCD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 8.2.3 光電位置傳感器(PSD) 光電位置傳感器（PSD）是一種對入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件，其輸出信號與光點(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)來測量入射點(diǎn)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(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。,8.2 視覺傳感

8、器,一、一維PSD的工作原理 圖是PSD的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。 二、二維PSD的工作原理 二維PSD輸出信號和光點(diǎn)位置之間關(guān)系如圖所示。,8.2 視覺傳感器,PSD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)度及尺寸無關(guān)，只與其入射光點(diǎn)的位置有關(guān)； 4.可同時(shí)檢測入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和位置，將輸出信號進(jìn)行運(yùn)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(qiáng)成正比的輸出。,8.3 數(shù)碼照相機(jī),數(shù)碼照相機(jī)又稱數(shù)字照相機(jī)，隨著電腦的普及對電腦圖像處理技術(shù)的認(rèn)同，數(shù)碼照相機(jī)在視覺檢測方面得到了廣泛的應(yīng)用。 8.3.1 數(shù)碼照相機(jī)的特點(diǎn) 1.用途的多樣性 2

9、.直接數(shù)字化 3.無污染 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,8.3 數(shù)碼照相機(jī),8.3.2 數(shù)碼照相機(jī)的組成原理 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）、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，經(jīng)壓縮后儲(chǔ)存于內(nèi)建的存儲(chǔ)器上。,8.3 數(shù)碼照相機(jī),其組成框圖如示。,8.3 數(shù)碼照相機(jī),二、主要部件及技術(shù)參數(shù) 1.鏡

10、頭 2.快門 3.存儲(chǔ)器件 4.分辨率 5.色彩位數(shù) 6.信號輸出形式 8.3.3 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。,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),8.4.1圖像處理概述 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。 二、象素和灰度 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。,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),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

11、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,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),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。,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),8.4.2 圖像數(shù)字化及圖像變換 一、圖像數(shù)字化 二、圖像變換 圖像變換如下：,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),8.4.3 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(jìn)行變換和組合，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)，或者說編碼帶來壓縮的

12、效果。所以，一般把此項(xiàng)處理稱之為壓縮編碼。 一、圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼的必要性和可能性,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),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,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),8.4.4 圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原 一、圖像增強(qiáng) 二、圖像恢復(fù),8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),8.4.5 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(jī)器分析和識(shí)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(shí)別。 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法和基于區(qū)域生成的方法兩大類。 1.邊

13、緣檢測 2.區(qū)域生長法,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),二、圖像特征提取 圖像特征是指圖像的原始特征或?qū)傩浴Ｒ褂?jì)算機(jī)具有識(shí)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。 1.紋理特征提取 2.形狀特征提取 8.4.6 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。,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),一、圖像理解的特點(diǎn) 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(shí)現(xiàn)的。 3.圖像的正確解釋離不開知識(shí)的引導(dǎo)，這一點(diǎn)對人的視覺理解也適合，即經(jīng)驗(yàn)對視覺理解的重要性。 二、應(yīng)考慮的幾個(gè)重要問題 1.從圖像中提取哪些信

14、息。 2.這些信息在圖像中怎樣表示。 3.在理解過程中計(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)階段圖像處理的結(jié)果如何表示。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,8.5.1 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用概 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 8.5.2 機(jī)器人視覺系統(tǒng) 機(jī)器人就是由計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺、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。而對特殊的機(jī)器人來說，視覺系統(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)

15、別以及知識(shí)表達(dá)和解釋。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,一、機(jī)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 件兩大部分組 成。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,1.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轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)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(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)，來滿足機(jī)器人視覺信息處理及機(jī)器人控制的需要。 (5)機(jī)器人或機(jī)器手及其控制器。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,2.軟件 (1)機(jī)器人視覺信息處理算法：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。 二、機(jī)器人視覺技術(shù)的應(yīng)用 1.給裝配機(jī)器人(機(jī)器手)配備視覺裝置。 2.給行走機(jī)器人配備視覺裝置。 三、機(jī)器人視覺與觸覺的融合,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,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。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,8.5.3 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng) 圖像測量中的典型自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)原理圖如圖所示。,