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1、第八章 視覺檢測,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。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,8.1.1 視覺檢測及特點 視覺檢測的基本任務(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。 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。 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、

2、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。,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、圖像存儲體和微處理器件與圖像存儲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

3、種方式，圖如書308頁所示。 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、手動變焦距鏡頭、電動變焦距鏡頭；按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、圖像存儲體 圖像存儲體可以分為外置式和內(nèi)置式兩種。外置

4、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。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。,8.1 視覺檢測技術(shù)概述,8.1.3 計算機視覺 一、計算機視覺 二、計算機視覺要達(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)一幅或多幅二維投影圖像計算出目標(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)

5、出更大空間區(qū)域的投影圖像。 計算機視覺要達(dá)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夠三維物體的可視部分。 三、實現(xiàn)計算機視覺的途徑 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)；二是電荷包存儲在

6、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)。,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

7、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)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位置敏感的光電器件，其輸出信號與光點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

8、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。,8.2 視覺傳感器,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成正比的輸出。,8.3 數(shù)碼照

9、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(rèn)同，數(shù)碼照相機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(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,8.3.2 數(shù)碼照相機的組成原理 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、電源和閃光燈等組成。 數(shù)碼照相機是利用光

10、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。,8.3 數(shù)碼照相機,其組成框圖如示。,,8.3 數(shù)碼照相機,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 8.3.3 數(shù)碼照相機的發(fā)展 照相機的設(shè)計方向是輕、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

11、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,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)

12、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。 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,,,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),8.4.4 圖像增強和圖像復(fù)原

13、一、圖像增強 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。 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?。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。 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

14、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。,8.4 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ),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。,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)

15、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 8.5.2 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(dá)和解釋。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,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： (

16、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。,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,2.軟件 (1)機器人視覺信息處理算法：圖像預(yù)處理、分割、描述、識別和解釋等算法。 (2)機器人控制軟件。 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。 三、機器人視覺與觸覺的融合,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,圖是一個典型手眼系統(tǒng)，一般工作可分為如下五個步驟。,,8.5 視覺檢測技術(shù)應(yīng)用,8.5.3 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。,,