機(jī)器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識(shí)課件

機(jī)器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識(shí)2005.10機(jī)器視覺系統(tǒng)基本原理照明光源鏡頭工業(yè)攝像機(jī)圖像采集/處理卡圖像處理系統(tǒng)

第1章機(jī)器視覺系統(tǒng)基本原理1.1機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理

1.2機(jī)器視覺系統(tǒng)與人的視覺的對(duì)比1.3機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成1.1機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理圖像處理技術(shù)彩色圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)圖像分割技術(shù)模式識(shí)別技術(shù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法專家系統(tǒng)及人工智能技術(shù)視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)小波分析技術(shù)分形學(xué)方法1.2機(jī)器視覺系統(tǒng)與人的視覺的對(duì)比人類視覺機(jī)器視覺適應(yīng)性適應(yīng)性強(qiáng)，可在復(fù)雜及變化的環(huán)境中識(shí)別目標(biāo)適應(yīng)性差，容易受復(fù)雜背景及環(huán)境變化的影響智能具有高級(jí)智能，可運(yùn)用邏輯分析及推理能力識(shí)別變化的目標(biāo)，并能總結(jié)規(guī)律雖然可利用人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但智能很差，不能很好地識(shí)別變化的目標(biāo)彩色識(shí)別能力對(duì)色彩的分辨能力強(qiáng)，但容易受人的心理影響，不能量化受硬件條件的制約，目前一般的圖像采集系統(tǒng)對(duì)色彩的分辨能力較差，但具有可量化的優(yōu)點(diǎn)灰度分辨力差，一般只能分辨64個(gè)灰度級(jí)強(qiáng)，目前一般使用256灰度級(jí)，采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級(jí)空間分辨力分辨率較差，不能觀看微小的目標(biāo)目前有4K×4K的面陣攝像機(jī)和8K的線陣攝像機(jī)，通過備置各種光學(xué)鏡頭，可以觀測(cè)小到微米大到天體的目標(biāo)速度0.1秒的視覺暫留使人眼無法看清較快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)快門時(shí)間可達(dá)到10微妙左右，高速像機(jī)幀率可達(dá)到1000以上，處理器的速度越來越快感光范圍400nm-750nm范圍的可見光從紫外到紅外的較寬光譜范圍，另外有X光等特殊攝像機(jī)環(huán)境要求對(duì)環(huán)境溫度、濕度的適應(yīng)性差，另外有許多場(chǎng)合對(duì)人有損害對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，另外可加防護(hù)裝置觀測(cè)精度精度低，無法量化精度高，可到微米級(jí)，易量化其它主觀性，受心理影響，易疲勞客觀性，可連續(xù)工作第2章照明光源2.照明光源簡(jiǎn)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(shí)辨別明暗，但它對(duì)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。

2.照明光源 三原色學(xué)說：該學(xué)說認(rèn)為在視網(wǎng)膜上分布有三種不同的視錐細(xì)胞，分別含有對(duì)紅(700nm)、綠(546.1nm)、藍(lán)(435.8nm)三種光敏感的視色素；當(dāng)某一定波長(zhǎng)的光線作用于視網(wǎng)膜時(shí)，以一定的比例使三種視錐細(xì)胞分別產(chǎn)生不同程度的興奮，這樣的信息傳至中樞，就產(chǎn)生某一種顏色的感覺。2.照明光源 所以，當(dāng)我們用某光源照明時(shí)，若光源只發(fā)出三條人眼最敏感的譜線，即：藍(lán)、綠、紅。這樣似乎是達(dá)到了人眼對(duì)照明的需求和防止了人眼無法察覺和有害射線對(duì)人眼視力的影響。但我們由前面提到的，物體只能反射和透射與該物體顏色相同的光線，因此上面我們假設(shè)的光源的顯色性一定是很差的。2.照明光源－主要參數(shù) 色溫，單位是開爾文（K）：當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，“黑體的溫度就稱為該光源的色溫。“黑體”的溫度越高，光譜中藍(lán)色的成分則越多，而紅色的成分則越少。例如：白熾燈的光色是暖白色，其色溫為2700K左右，而日光色熒光燈的色溫則是6400K左右。白熾燈的色溫一般在2700K左右、日光燈的色溫在2700-6400K左右、鈉燈的色溫在2000K左右2.照明光源－主要參數(shù)照度：?jiǎn)挝槐徽彰嫔辖邮盏降墓馔糠Q為照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量為1（lm），則照度為1(lx)。單位：勒克斯（lx或Lux）。1勒克斯（lx）相當(dāng)于每平方米被照面上光通量為1流明（lm）時(shí)的照度。在高速運(yùn)動(dòng)條件下拍攝圖像，曝光時(shí)間很短，只有高亮度的光源才能得到足夠亮度的圖像。夏日陽(yáng)光下100000Lux陰天室外10000Lux電視臺(tái)演播室1000Lux距60W臺(tái)燈60cm桌面300Lux室內(nèi)日光燈100Lux黃昏室內(nèi)10Lux20cm處燭光10-15Lux晴朗的月夜地面照度約0.2lx2.照明光源－分類按照射方式可分為四大類:背向照明前向照明結(jié)構(gòu)光頻閃照明。 各種照明方式：平面照明、環(huán)形光源、同軸光源、平行光源、點(diǎn)光源、低角度光源、線光源、光柵；2.照明光源－分類熱輻射光源白熾燈、鹵鎢燈氣體放電光源熒光燈、鈉燈、氫燈、氙燈、金屬鹵化物燈、空心陰極燈、汞燈、高壓汞燈、超高壓汞燈固體放電光源發(fā)光二極管、空心陰極燈激光器氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激光器2.照明光源－光纖照明光纖照明系統(tǒng)：可彎曲的光纖束＋專用鏡頭點(diǎn)照明線照明環(huán)形照明3.鏡頭－影響圖像質(zhì)量的因素

圖像質(zhì)量的參數(shù)影響圖像質(zhì)量的因素分辨力（Resolution），指能分清楚物體的能力，單位LP/mm（Linepairs/Milimeter）鏡頭攝像機(jī)圖像采集卡顯示器對(duì)比度（Contrast）鏡頭照明光源攝像機(jī)景深（DepthofField），指鏡頭當(dāng)物體在對(duì)焦清晰范圍內(nèi)，維持一定品質(zhì)的能力鏡頭失真（Distortion），也叫畸變鏡頭投影誤差鏡頭3.鏡頭機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本光學(xué)參數(shù)：視場(chǎng)角工作距離分辨率景深3.鏡頭－鏡頭的理想模型

3.鏡頭－鏡頭的理想模型

兩個(gè)重要公式：1/f=1/S1+1/S2

S1＝f*(H/h+1)3.鏡頭－有關(guān)鏡頭的基本概念

3.鏡頭－有關(guān)鏡頭的基本概念焦距（F）：視場(chǎng)角：物距：像距：光圈：一般用口徑系數(shù)f表示，指鏡頭口徑與焦距之比，f/2.8即指1:2.8景深（DOF）：在焦點(diǎn)前后各有一個(gè)容許彌散圓，這兩個(gè)彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對(duì)焦點(diǎn))前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。分辨力：指能分清楚物體的能力，單位LP/mm（Linepairs/Milimeter）快門，決定曝光時(shí)間數(shù)值孔徑，NumericalAperture(NA)

基本放大倍數(shù)(光學(xué)放大倍數(shù)），PrimaryMagnification(PMAG)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），MTF好的鏡頭有利于低對(duì)比度景物的再現(xiàn)，拍出的圖像層次豐富、細(xì)節(jié)明顯、質(zhì)感細(xì)膩。畸變：也叫失真3.鏡頭－有關(guān)鏡頭的基本概念3.鏡頭－有關(guān)鏡頭的基本概念3.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(cè)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(zhǎng)焦：150-300mm超長(zhǎng)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3.鏡頭－常見光學(xué)鏡頭的種類按其它性能劃分固定焦距鏡頭變焦鏡頭自動(dòng)變焦手動(dòng)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、AK3.鏡頭－各種鏡頭常用配件近拍接圈偏振鏡濾色片UV鏡雷登鏡增溫鏡各色濾鏡帶通濾鏡增倍鏡分光鏡棱鏡第4章工業(yè)攝像機(jī)4.工業(yè)攝像機(jī)按不同芯片類型劃分：CCD攝像機(jī)，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲(chǔ)存起來的方法。CMOS攝像機(jī)，CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒有更多的含義。CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口控制電路集成在一塊硅片上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點(diǎn)。4.工業(yè)攝像機(jī) 但是不論CCD或者CMOS對(duì)于圖像感應(yīng)都沒有用，真正感應(yīng)的傳感器稱做“圖像半導(dǎo)體”，CCD和CMOS傳感器實(shí)際使用的都是同一種傳感器“圖像半導(dǎo)體”，圖像半導(dǎo)體是一個(gè)PN結(jié)合半導(dǎo)體，能夠轉(zhuǎn)換光線的光子爆炸結(jié)合處成為成比例數(shù)量的電子。電子的數(shù)量被計(jì)算信號(hào)的電壓，光線進(jìn)入圖像半導(dǎo)體得越多，電子產(chǎn)生的也越多，從傳感器輸出的電壓也越高。4.工業(yè)攝像機(jī)CMOS攝像機(jī)存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，1989年后出現(xiàn)了“有源像敏單元”結(jié)構(gòu)，不僅有光敏元件和像敏單元的尋址開關(guān)，而且還有信號(hào)放大和處理等電路，提高了光電靈敏度、減小了噪聲，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，使得一些參數(shù)與CCD攝像機(jī)相近，而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格方面要優(yōu)于CCD，逐步得到廣泛的應(yīng)用。4.工業(yè)攝像機(jī)按輸出圖像信號(hào)格式劃分模擬攝像機(jī)PAL（黑白為CCIR），中國(guó)，625行，50場(chǎng)NTSC（黑白為EIA），日本，525行，60場(chǎng)SECAMS-VIDEO分量傳輸數(shù)字?jǐn)z像機(jī)IEEE1394USB2.0DCOM3RS-644LVDSChannelLinkCameraLink千兆網(wǎng)4.工業(yè)攝像機(jī)按像素排列方式劃分面陣攝像機(jī)黑白攝像機(jī)采用BAYER轉(zhuǎn)化的單片相機(jī)3CCD彩色攝像機(jī)（分光棱鏡）線陣攝像機(jī)黑白攝像機(jī)3Line彩色攝像機(jī)3CCD彩色攝像機(jī)（分光棱鏡）4.工業(yè)攝像機(jī)－3CCD4.工業(yè)攝像機(jī)－3LineCCD4.工業(yè)攝像機(jī)－BAYER轉(zhuǎn)換4.工業(yè)攝像機(jī)－主要參數(shù)

分辨率幀率/行頻成像靈敏度靶面尺寸快門速度光譜響應(yīng)特性白平衡外同步與外觸發(fā)第5章圖像采集/處理卡

5.圖像采集/處理卡

5.1圖像采集卡的主要功能：A/D轉(zhuǎn)換圖像傳輸圖像采集控制圖像處理（FPGA、DSP）5.圖像采集/處理卡模擬量圖像采集卡:標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)采集:PAL、NTSC非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)采集數(shù)字量圖像采集卡IEEE1394卡RS-644LVDSChannelLinkLVDSCameraLinkLVDS千兆網(wǎng)圖像傳輸卡/傳輸器第6章圖像處理系統(tǒng)6.圖像處理系統(tǒng) 圖像處理系統(tǒng)或計(jì)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(cè)功能所特殊設(shè)計(jì)的一系列圖像處理及分析算法模塊，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和處理，最終得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)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(bào)警器及各種控制信號(hào)。6.圖像處理系統(tǒng)嵌入式圖像處理系統(tǒng)：DSP、FPGA、CPU基于PC的視覺系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)及功能復(fù)雜，可多路并行處理。小型機(jī)器視覺系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，