機(jī)器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識課件

機(jī)器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識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智能，可運(yùn)用邏輯分析及推理能力識別變化的目標(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，不能很好地識別變化的目標(biāo)彩色識別能力對色彩的分辨能力強(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)灰度級強(qiáng)，目前一般使用256灰度級，采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級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)境要求對環(huán)境溫度、濕度的適應(yīng)性差，另外有許多場合對人有損害對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，另外可加防護(hù)裝置觀測精度精度低，無法量化精度高，可到微米級，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)到了人眼對照明的需求和防止了人眼無法察覺和有害射線對人眼視力的影響。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?！昂隗w”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：單位被照面上接收到的光通量稱為照度。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。夏日陽光下100000Lux陰天室外10000Lux電視臺演播室1000Lux距60W臺燈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?；儯阂步惺д?.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)按輸出圖像信號格式劃分模擬攝像機(jī)PAL（黑白為CCIR），中國，625行，50場NTSC（黑白為EIA），日本，525行，60場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)視頻信號采集:PAL、NTSC非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號采集數(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。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)簡單，