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機(jī)器視覺系統(tǒng)基本原理 1. 機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理 2. 機(jī)器視覺系統(tǒng)與人的視覺的對比 3. 機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成 機(jī)器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識 機(jī)器視覺系統(tǒng)基本原理照明光源鏡頭攝像機(jī)攝像機(jī)—計算機(jī)接口圖像處理系統(tǒng) 1. 機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理 機(jī)器視覺系統(tǒng)的目的就是給機(jī)器或自動生產(chǎn)線添加一套視覺系統(tǒng)，其原理是由計算機(jī)或圖像處理器以及相關(guān)設(shè)備來模擬人的視覺行為，完成得到人的視覺系統(tǒng)所得到的信息。人的視覺系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺中樞構(gòu)成，計算機(jī)視覺系統(tǒng)則是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。 機(jī)器人視覺的目標(biāo)與任務(wù) 1、定義：研究用機(jī)器人來模擬人和生物的視覺系統(tǒng)功能。 2、目標(biāo)：使機(jī)器人具有感知周圍視覺世界的能力。讓機(jī)器人具有對周圍世界的空間物體進(jìn)行傳感、抽象、判斷的能力，從而達(dá)到識別、理解的目的。 3、任務(wù)：圖象的獲取、預(yù)處理、圖象分割與表示與描述、識別與分類、三維信息理解、景物描述、圖象解釋。紅色部分就構(gòu)成了圖像分析的研究內(nèi)容。 機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)照明光源 簡單視功能原理：人眼視網(wǎng)膜里存在著大量光敏細(xì)胞，按其形狀可分為桿狀和錐狀兩種。桿狀光敏細(xì)胞的靈敏度極高，主要靠它在低照度時辨別明暗，但它對彩色是不敏感的；而錐狀細(xì)胞既可辨別明暗，也可辨別彩色。白天的視覺過程主要靠錐狀細(xì)胞來完成，夜晚視覺則由桿狀細(xì)胞起作用。所以在較暗處無法辨別彩色。 光源（光源是基準(zhǔn)，打光是藝術(shù)）種類：LED、螢光燈、鹵素?zé)簦ü饫w光源)、特殊光源特點：LED壽命長/可以有各種顏色/便于做成各種復(fù)雜形狀光/均勻穩(wěn)定/可以閃光；螢光燈光場均勻/價格便宜/亮度較LED高；鹵素?zé)袅炼忍貏e高/通過光纖傳輸后可做成 好的打光方式等于成功了一大半光源調(diào)制目標(biāo)信息后傳遞探測器給（將目標(biāo)想成我們自己）探測器所獲得的光線必須包含足夠的信息以便分離感興趣的主要特征信息，并便于處理器將它們區(qū)分開來(光源是基準(zhǔn)，打光有技巧）我們的目標(biāo)就是最大化感興趣區(qū)域的特征同時抑制其他的特征（噪聲）照明規(guī)則 1、光線太暗會影響視覺系統(tǒng) 2、光線太亮?xí)�影響視覺系統(tǒng) 3、照明的主要功能是產(chǎn)生光學(xué)信號 4、減少噪聲是照明要解決的主要問題之一 5、只有來自于目標(biāo)并到達(dá)鏡頭的光線才是有效的光線 6、進(jìn)入鏡頭但非來自目標(biāo)的光線為雜散光，它降低圖像質(zhì)量 7、來自目標(biāo)任意點的光線都應(yīng)填滿鏡頭的入瞳鏡頭－影響圖像質(zhì)量的因素 鏡頭－常見光學(xué)鏡頭的種類 按光學(xué)放大倍率及焦距劃分顯微鏡： 體視顯微鏡、生物顯微鏡、金相顯微鏡、測量顯微鏡常規(guī)鏡頭： 魚眼鏡頭：6-16mm 超廣角：17-21mm 廣角：24-35mm 標(biāo)頭：45-75mm 長焦：150-300mm 超長焦：300mm以上特殊鏡頭：微距鏡頭遠(yuǎn)距鏡頭遠(yuǎn)心鏡頭紅外鏡頭紫外鏡頭 按其它性能劃分固定焦距鏡頭變焦鏡頭自動變焦手動變焦不同接口方式的鏡頭 C接口（后截距17.526mm） CS接口（后截距12.5mm） F接口（尼康口） M42 其它：哈蘇、徠卡、AK 遠(yuǎn)心鏡頭 􀂋在測量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測量誤差； 􀂋即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣也會產(chǎn)生測量誤差。 􀂋采用遠(yuǎn)心物鏡中的像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來的測量誤差。 遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點：􀂙沒有視差畸變􀂙是尺寸測量的理想鏡頭􀂙可以在工作距離變化的條件下精密測量下面的觀點也是不對的：􀂙遠(yuǎn)心鏡頭景深長􀂙只有遠(yuǎn)心鏡頭才能完成精密測量 遠(yuǎn)心光路成像是機(jī)器視覺中一個很重要的原理。但是它有一個很大的缺點，那就是遠(yuǎn)心鏡頭的口徑至少要與需要觀察的物體尺寸相等或更大。 這也是為什么遠(yuǎn)心鏡頭非常貴的原因之一。鏡頭畸變攝像機(jī) 攝像機(jī)的作用是將通過鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像。 攝像機(jī)中最重要的組成部件是數(shù)字傳感器。攝像機(jī)—計算機(jī)接口 攝像機(jī)捕獲圖像后輸出為模擬或數(shù)字視頻信號。 圖像處理系統(tǒng) 圖像處理系統(tǒng)或計算機(jī)的作用是執(zhí)行圖像處理及分析軟件，調(diào)用根據(jù)檢測功能所特殊設(shè)計的一系列圖像處理及分析算法模塊，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計算和處理，最終得到系統(tǒng)設(shè)計所需要的信息，然后通過與之相連接的外部設(shè)備以各種形式輸出檢測結(jié)果及響應(yīng)。其外部輸出設(shè)備可以包括顯示器、網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)、報警器及各種控制信號。計算機(jī)視覺的任務(wù)與工作流程機(jī)器視覺及圖像處理常用算法： 濾波（平滑、降噪）增強(qiáng)邊緣銳化紋理分析（去骨架、連通性）圖像分割，灰度、色彩、頻譜特征、紋理特征、空間特征；變換(空域和頻域、幾何變換、色度變換）幾何形態(tài)分析（Blob分析），形狀、邊緣、長度、面積、圓形度位置、方向、數(shù)量、連通性等搜索匹配文字識別OCR，印刷質(zhì)量OCV 色彩分析（色度、色密度、光譜、自動白平衡） 3維測量 一、視覺處理過程及方法 預(yù)處理、分割、特征抽取、識別 按照圖像識別從易到難，可分為三類問題。 第一類識別問題: 圖像中的像素表達(dá)了某一物體的某種特定信息。如遙感圖像中的某一像素代表地面某一位置地物的一定光譜波段的反射特性，通過它即可判別出該地物的種類。 第二類問題: 待識別物是有形的整體，二維圖像信息已經(jīng)足夠識別該物體，如文字識別、某些具有穩(wěn)定可視表面的三維體識別等。但這類問題不像第一類問題容易表示成特征矢量，在識別過程中，應(yīng)先將待識別物體正確地從圖像的背景中分割出來，再設(shè)法將建立起來的圖像中物體的屬性圖與假定模型庫的屬性圖之間匹配。 第三類問題: 是由輸入的二維圖、要素圖、2·5維圖等，得出被測物體的三維表示。這里存著如何將隱含的三維信息提取出來的問題，當(dāng)是今研究的熱點。 二、圖像分析的關(guān)鍵技術(shù) 1、低層處理的圖象分割算法不穩(wěn)定，很難把物體在圖象中相應(yīng)位置截然分割開來； 2、從平面圖象出發(fā)發(fā)現(xiàn)立體信息（病態(tài)問題）； 3、大規(guī)模并行圖象處理； 三、圖像分析的相關(guān)學(xué)科 屬于計算機(jī)學(xué)科，但它的基礎(chǔ)知識來自神經(jīng)生理學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等經(jīng)典學(xué)科，它又與計算機(jī)學(xué)科中的圖象處理、模式識別、人工智能等學(xué)科有著不可分離的關(guān)系。圖像分析是一門多學(xué)科的交叉。 四、圖像分析的發(fā)展歷程 1、圖像分析的興起(1964年――1970年) 以改善圖像質(zhì)量為目標(biāo)的計算機(jī)圖像處理得到蓬勃發(fā)展。 2、圖像分析的發(fā)展(1970年――1980年） 圍繞著紋理分析、圖像編碼、圖像分割和濾波等問題的實驗研究，也取得重大突破。 3、圖像分析的困惑(1980年至現(xiàn)在) 即著眼于對圖像的識別和理解。對圖像的分析與處理，也由靜止轉(zhuǎn)向運動，由二維轉(zhuǎn)向三維。 圖像分析處理所面臨的根本性困難有： ①所處理的信息量大得驚人； ②圖像都是非常模糊和歧義的； ③由于人腦的視覺功能同樣是有許多關(guān)鍵的規(guī)律有待于揭示； ④人與機(jī)器的組織結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理不同。xUm紅軟基地

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