機(jī)器視覺(jué)與視覺(jué)檢測(cè)知識(shí)點(diǎn)歸納.docx

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1、一 總介 使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)五個(gè)主要原因： 1. 精確性（無(wú)人眼限制） 2. 重復(fù)性（相同方法檢測(cè)無(wú)疲憊） 3. 速度（更快檢測(cè)） 4. 客觀性（無(wú)情緒主觀性） 5. 成本（一臺(tái)機(jī)器可承擔(dān)好幾人工作） 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成： 光學(xué)：1.相機(jī)與鏡頭；2.光源； 過(guò)渡：3.傳感器（判斷被測(cè)對(duì)象位置及狀態(tài)）；4.圖像采集卡（把相機(jī)圖像傳到電腦主機(jī)）； 電學(xué)（計(jì)算機(jī)）： 5.PC平臺(tái)；6.視覺(jué)處理軟件；7.控制單元。 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般工作過(guò)程：1.圖像采集；2.圖像處理；3.特征提??；4.判決和控制。 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.非接觸測(cè)量；2.具有較寬的光譜響應(yīng)范圍；

2、3.連續(xù)性；4.成本較低；5.機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成；6.精度高；7.靈活性。 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域兩大類(lèi)：科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用 科學(xué)研究主要對(duì)運(yùn)動(dòng)和變化的規(guī)律作分析； 工業(yè)方面主要是在線檢測(cè)產(chǎn)品，機(jī)器視覺(jué)所能提供的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)功能主要有：有/無(wú)判斷、面積檢測(cè)、方向檢測(cè)、角度測(cè)量、尺寸測(cè)量、位置檢測(cè)、數(shù)量檢測(cè)、圖形匹配、條形碼識(shí)別、字符識(shí)別、顏色識(shí)別等。 二 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)成 相機(jī)的主要特性參數(shù)： 分辨率：衡量相機(jī)對(duì)物象中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。 最大幀率：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。 曝光方式和快門(mén)速度；o(*￣)￣*)o？ 像素深度：每一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)

3、的位數(shù)。 固定圖像噪聲：不隨像素點(diǎn)的空間坐標(biāo)改變的噪聲。 動(dòng)態(tài)范圍等 CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)的區(qū)別： 1. 設(shè)計(jì)：CCD是單一感光器，CMOS是感光器連接放大器。 2. 靈敏度：同樣面積下，CCD靈敏度高；CMOS由于感光開(kāi)口小，靈敏度低。 3. 成本：CCD線路品質(zhì)影響程度高，成本高；CMOS由整合集成，成本低。 4. 解析度：CCD連接復(fù)雜度低，解析度高；CMOS新技術(shù)解析度高。 5. 噪點(diǎn)比：CCD信號(hào)單一放大，噪點(diǎn)低；CMOS百萬(wàn)放大（每個(gè)像素都有各自的 放大器），噪點(diǎn)高。 6. 功耗比：CCD需外加電壓，功耗高；CMOS直接放大，功耗低。

4、 鏡頭主要參數(shù)： 焦距：從鏡頭中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離，其大小決定視角大?。ń咕嘈∫暯谴笥^察范圍大，焦距大視角小觀察范圍小）。 光圈/相對(duì)孔徑：光圈即通光量，大小為f/D,相對(duì)孔徑是光圈的值的倒數(shù)。 視野范圍：衡量鏡頭成像范圍，是相機(jī)實(shí)際拍到區(qū)域的尺寸。 景深：在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍，其隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。 接口、工作距離、像面尺寸、分辨率等 鏡頭劃分： 根據(jù)焦距是否能調(diào)節(jié)，分為定焦與變焦兩種。依據(jù)焦距長(zhǎng)短，定焦分為魚(yú)眼、

5、短焦標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)焦。焦距的長(zhǎng)短劃分以像角的大小為主要?jiǎng)澐忠罁?jù)。 鏡頭的選擇： 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)該考慮的四個(gè)主要因素： 1. 波長(zhǎng)、變焦與否 確定鏡頭的工作波長(zhǎng)及是否需要變焦。 2. 特殊要求優(yōu)先考慮 是否有測(cè)量功能，是否需要使用遠(yuǎn)心鏡頭，成像的景深是否很大等。 3. 工作距離、焦距o(*￣)￣*)o？ 4. 像面大小和像質(zhì) 所選鏡頭像面大小要與相機(jī)感光面兼容，遵循“大的兼容小的”原則。 5. 光圈和接口 光圈影響像面亮度，鏡頭接口需和像面接口匹配，不能匹

6、配就需考慮轉(zhuǎn)接。 6. 成本和技術(shù)成熟度 基本分析如下：案例：給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配鏡頭。（詳細(xì)P44） 與白色LED光源配合使用，鏡頭應(yīng)是可見(jiàn)光波段，定焦鏡頭； 用于工業(yè)檢測(cè)，其中帶有測(cè)量功能，所以要求畸變較小； 工作距離和焦距要滿足一定關(guān)系； 選擇鏡頭像面應(yīng)該不小于CCD尺寸，即至少2/3in； 鏡頭的接口要

7、求是C口，能配合相機(jī)使用。 圖像采集卡： 概述： 將攝像機(jī)的圖像視頻信號(hào)，以幀為單位，送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和VGA幀存。一般連接在臺(tái)式機(jī)的PCI擴(kuò)展槽上。 基本原理與技術(shù)參數(shù)： 圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)大致相同，其基本組成模塊各個(gè)部分主要構(gòu)成及功能： 視屏輸入模塊：是圖像采集卡的前端，直接與相機(jī)相連。 A/D轉(zhuǎn)換模塊：圖像采集卡核心部分，將輸入的模擬

8、視屏信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。 時(shí)序及采集控制模塊：包括圖像采集卡中整個(gè)時(shí)序、同步、采集控制電路。 圖像處理模塊：對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。（實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)為數(shù)據(jù)圖像等，盡管可由主機(jī)來(lái)完成，但用圖像采集卡硬件可獲得更高的處理速度）。 PCI總線接口及控制模塊：完成對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的傳輸。 相機(jī)控制模塊：提供相機(jī)的設(shè)置及其控制信號(hào)o(*￣)￣*)o？ 數(shù)字輸入、輸出模塊

9、：用于控制和響應(yīng)外部信號(hào)。 分類(lèi)： 按圖像采集卡主要特性分： 可分為彩色圖像采集卡與黑白圖像采集卡、模擬圖像采集卡與數(shù)字圖像采集卡、面陣圖像采集卡和線陣圖像采集卡。 按用途劃分： 可分為廣播級(jí)（分辨率高，支持高清和標(biāo)準(zhǔn)，但所需硬盤(pán)空間大），專(zhuān)業(yè)級(jí)（性能比廣播級(jí)稍低，分辨率相同，但壓縮比稍大一些），民用級(jí)（動(dòng)態(tài)分辨率一般較低）。 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理，選擇

10、機(jī)器視覺(jué)光源時(shí)應(yīng)該考慮的主要特性: 1. 亮度：最佳選擇是最亮的那個(gè)。 2. 光源均勻性：不均勻的光會(huì)造成不均勻的反射。 3. 光譜特征：光源顏色及物體表面顏色決定反射到攝像頭的光能大小及 波長(zhǎng)。 4. 壽命特性：為使圖像處理保持一致的精確，視覺(jué)系統(tǒng)必須保證長(zhǎng)時(shí)間獲得穩(wěn)定一致的圖像（光源一般需要持續(xù)使用）。 5. 對(duì)比度：對(duì)比度對(duì)機(jī)器視覺(jué)來(lái)說(shuō)非常重要。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征的區(qū)分。 光源的選型： 1.選擇光照角度： 根據(jù)期望的圖像效果，選擇不同

11、入射角度的光源。高角度照射，圖像整體較亮，適合表面不反光物體；低角度照射，圖像背景為黑，特征為白，可以突出被測(cè)物輪廓及表面凹凸變化；多角度照射，整體效果柔和，適合曲面問(wèn)題檢測(cè)；背光照射，圖像效果為黑白分明的被測(cè)物輪廓，常用于尺寸測(cè)量；同軸光照射，圖像效果為明亮背景上的黑色特征，用于反光強(qiáng)烈的平面物體檢測(cè)。 2.選擇光源的顏色： 使用與被測(cè)物同色系的光會(huì)使圖像變亮(如紅紅)；使用與被測(cè)物相反色系的光會(huì)使圖像變暗（如紅藍(lán)）；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力越強(qiáng)；波長(zhǎng)越短，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。紅外的穿透能力強(qiáng)，可進(jìn)行棕色玻璃瓶雜質(zhì)檢測(cè)（透光性差）；紫外擴(kuò)散能力強(qiáng)，對(duì)表面細(xì)微特征敏感，可進(jìn)行食用油

12、瓶上的文字檢測(cè)（對(duì)比不明顯）。 3.選擇光源的形狀和尺寸： 通常情況下選與被測(cè)物體形狀相同的光源。尺寸選擇，要求保障整個(gè)視野內(nèi)光線均勻，略大于視野為佳。 4.選擇是否使用漫射光源： 如被測(cè)物體表面反光，最好用漫反射光源。 三 機(jī)器視覺(jué)成像技術(shù) 光源的作用，就是獲得對(duì)比鮮明的圖像，具體有： 1.將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大。 2.盡量消隱不感興趣部分。 3.提高信噪比，利于圖像處理。 4.減少因材質(zhì)、照射角度對(duì)成像的影響。 適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)計(jì)，有能使圖像中的目標(biāo)信

13、息與背景信息得到最佳分離，以降低圖像處理算法的難度等優(yōu)點(diǎn)。最佳照明方法和光源的選擇往往需要大量的試驗(yàn)。 光源的種類(lèi)： 1.自然光源：即太陽(yáng)光源。 2.人工光源：即燈光光源,大多在自然光照度很低和夜晚攝像使用。 人工光源有： 1. 熒光燈：主要優(yōu)點(diǎn)發(fā)光效能高，光線較分散，廣泛用于較柔和的照明。 2. 鹵素?zé)簦航饘冫u素?zé)糇畲髢?yōu)點(diǎn)是發(fā)光效能高，其不能立即點(diǎn)亮。 又名冷光源，適合對(duì)環(huán)境溫度比較敏感的場(chǎng)合。 O(*￣)￣*)o？

14、 3.氣體放電光源o(*￣)￣*)o? 4.發(fā)光二極管：簡(jiǎn)稱(chēng)LED，與傳統(tǒng)光源相比優(yōu)點(diǎn)：壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)牢固、發(fā)光效能高、能耗小、模型簡(jiǎn)單、發(fā)光的方向性很強(qiáng)。 5.激光光源o(*￣)￣*)o？ 選擇光源應(yīng)考慮的系統(tǒng)特性：1.對(duì)比度（非常重要）；2.亮度；3.魯棒性；4.光源可預(yù)測(cè)；5.物體表面；6.控制反射；7.表面紋理；8.表面形狀等。 合適的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對(duì)比度、亮度足夠,且對(duì)部件的位置變化不敏感 。機(jī)器視覺(jué)關(guān)心的是反射光(使用背光除外)

15、，光源控制的訣竅歸結(jié)到一點(diǎn)就是如何控制光源反射。如果能控制好光源的反射，那么就可以獲得優(yōu)質(zhì)圖像。 六種照明技術(shù)： 1. 一般目的：通用一般采用環(huán)狀或點(diǎn)狀照明。 2. 背光照明：產(chǎn)生很強(qiáng)對(duì)比度，常用于檢測(cè)輪廓。 3. 同軸照明：對(duì)于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。 4. 連續(xù)漫反射照明o(*￣)￣*)o？ 5. 暗域照明：相對(duì)于物體表面提供低角度照明； 6. 結(jié)構(gòu)光：可測(cè)量相機(jī)到光源的距離。 彩色照明技術(shù)： 顏色三種基本屬性：亮度、色調(diào)、飽和度。 真彩色：R,G,

16、B三波段的合成顯示圖， 假彩色：任意非R,G,B波段的合成圖， 偽彩色：只含有一個(gè)任意波段的圖像顯示 四 機(jī)器視覺(jué)核心算法 圖像預(yù)處理： 圖像預(yù)處理主要目的是消除圖中無(wú)關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實(shí)信息，增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測(cè)性和最大限度地簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)。 預(yù)處理過(guò)程一般有數(shù)字化、幾何變換、歸一化、平滑、復(fù)原和增強(qiáng)等步驟。 由于外界環(huán)境或設(shè)備本身原因，通常所獲取的原始數(shù)字圖像質(zhì)量不是非常高，因此在對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)、圖像分割等操作前，一般都需要對(duì)原始數(shù)字圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理（改善視覺(jué)效果和突出特征），圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理技術(shù)

17、中最基本的內(nèi)容之一，也是圖像預(yù)處理的方法之一。 圖像增強(qiáng)可分為：基于空間域的（直接處理圖像像素）如均值濾波，中值濾波；基于頻率域（修改圖像傅里葉變換為基礎(chǔ)）的如低通濾波，高頻濾波器。 空間濾波的基本步驟：1.建立一個(gè)掩模；2.在待處理的圖像中逐點(diǎn)移動(dòng)掩模；3.在每一點(diǎn)（x,y）處作相應(yīng)的運(yùn)算 頻域?yàn)V波的基本步驟：1.傅里葉變換；2.頻率域?yàn)V波處理：3.傅里葉反變換（低頻的信號(hào)包含了圖像的粗糙背景信息，高頻的信號(hào)攜帶了圖像的細(xì)節(jié)部分信息）

18、 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)：即是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀以達(dá)到對(duì)圖像分析和識(shí)別的目的?；具\(yùn)算有:膨脹、腐蝕、開(kāi)運(yùn) 算和閉運(yùn)算（形態(tài)運(yùn)算實(shí)質(zhì)上是一種二維卷積運(yùn)算）。 灰度均衡的目的是為了校正不均勻照射。 灰度直方圖反映一副圖像中各灰度級(jí)與各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率之間的關(guān)系。 邊緣檢測(cè)：計(jì)算機(jī)視覺(jué)模仿人類(lèi)視覺(jué)認(rèn)識(shí)目標(biāo)過(guò)程（先分離邊緣，再知覺(jué)、辨認(rèn)），檢測(cè)物體邊緣時(shí)，先對(duì)其輪廓點(diǎn)進(jìn)行粗略檢測(cè)，然后通過(guò)鏈接規(guī)則把原來(lái)檢測(cè)到的輪廓點(diǎn)連接起來(lái)，再作相應(yīng)處理。圖像的邊緣是圖像的重要特征。 邊緣檢測(cè)算法四個(gè)步驟：1.濾波：主要基于圖像強(qiáng)度的導(dǎo)數(shù)，導(dǎo)數(shù)計(jì)算對(duì)噪聲敏感；2.增強(qiáng)：一般通過(guò)計(jì)算梯度幅值，凸顯鄰域強(qiáng)度有顯著變化的點(diǎn)；3檢測(cè)：通過(guò)梯度幅值閾值，檢測(cè)出凸顯的點(diǎn)中的邊緣點(diǎn)；4.定位o(*￣)￣*)o？ 邊緣檢測(cè)算法：梯度算子、方向算子、拉普拉斯算子和坎尼算子等