特征測量和誤差分析(00002)課件

第10章特征測量和誤差分析

10.1直接測度和間接測度 10.2準(zhǔn)確性和精確性

10.34-連通和8-連通 10.4影響測量誤差的因素 10.5誤差分析章毓晉(TH-EE-IE)10.1直接測度和間接測度直接測度（directmeasurements）

指直接對特征進(jìn)行測量(1) 場測度（fieldmeasurements） 場數(shù)目，場面積，目標(biāo)數(shù)量(2) 特定目標(biāo)的測度（feature-specific measurements） 目標(biāo)的面積，直徑（包括最大，最小直徑） 孔數(shù)量，內(nèi)切位置，切線數(shù)量

章毓晉(TH-EE-IE)10.1直接測度和間接測度測度組合測度的和：測度乘實(shí)數(shù)：測度的倒數(shù)：通式：章毓晉(TH-EE-IE)含義/定義 準(zhǔn)確性或準(zhǔn)確度（accuracy） 實(shí)際測量值和作為（參考）真值的客觀標(biāo)準(zhǔn)值的接近程度，無偏估計(jì)

精確性或精確度（precision） 根據(jù)重復(fù)性來定義，這里重復(fù)性指測量過程能重復(fù)進(jìn)行并得到相同測量結(jié)果的能力 一致估計(jì) （基于N個樣本）10.2準(zhǔn)確性和精確性章毓晉(TH-EE-IE)10.2準(zhǔn)確性和精確性關(guān)系和示例

估計(jì)中間圖里十字的位置左：估計(jì)不一致（分布無規(guī)律/不精確）但無偏右：估計(jì)相當(dāng)一致但不準(zhǔn)確，有偏章毓晉(TH-EE-IE)10.2準(zhǔn)確性和精確性系統(tǒng)誤差小系統(tǒng)誤差大統(tǒng)計(jì)誤差小統(tǒng)計(jì)誤差大章毓晉(TH-EE-IE)10.34-連通和8-連通1. 邊界點(diǎn)和內(nèi)部點(diǎn) (a)中的淺陰影象素點(diǎn)組成1個目標(biāo)區(qū)域 (b)8-連通內(nèi)部點(diǎn)，4-連通邊界點(diǎn) (c)4-連通內(nèi)部點(diǎn)，8-連通邊界點(diǎn) (d)4-連通內(nèi)部點(diǎn)和邊界點(diǎn)/8-連通內(nèi)部點(diǎn)和邊界點(diǎn)章毓晉(TH-EE-IE)10.34-連通和8-連通2. 目標(biāo)點(diǎn)和背景點(diǎn) (a)有一個帶孔的黑色目標(biāo)處在白色背景中 (b)使用4-連通性來確定目標(biāo)和背景 (c)使用8-連通性來確定目標(biāo)和背景 (d)使用4-連通性來確定孔，8-連通性來確定目標(biāo)章毓晉(TH-EE-IE)10.34-連通和8-連通4. 開集和閉集目標(biāo)區(qū)域閉集（包括邊界點(diǎn)），區(qū)域開集（不包括邊界點(diǎn)）

(a)黑點(diǎn)代表8-連通的目標(biāo)點(diǎn)，白點(diǎn)代表4-連通的背景點(diǎn)(b)將目標(biāo)考慮成閉集，p在B中有三個8-鄰域點(diǎn)

(c)將目標(biāo)考慮成開集，q在B中有三個4-鄰域點(diǎn)章毓晉(TH-EE-IE)10.4

影響測量誤差的因素

10.4.1 誤差來源

10.4.2 光學(xué)鏡頭分辨率

10.4.3 采樣密度

10.4.4 分割算法

10.4.5 特征量計(jì)算公式

10.4.6 綜合影響章毓晉(TH-EE-IE)10.4.1誤差來源（數(shù)字）測量從數(shù)字化的數(shù)據(jù)出發(fā)，精確地估計(jì)產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的原始模擬量的性質(zhì)導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差的因素 (1)客觀物體本身參數(shù)或特征的自然變化 不同物體（可能隨時間進(jìn)程）有不同的 顏色、尺寸、形狀、表面特性、…... (2)圖象采集過程 光學(xué)鏡頭分辨率 從連續(xù)到離散：空間采樣和灰度量化 章毓晉(TH-EE-IE)10.4.2

光學(xué)鏡頭分辨率 一個有限散射的光學(xué)鏡頭，其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)在成像平面的第1個零點(diǎn)對應(yīng)半徑為

l是光的波長（對自然光常取l=0.55mm）

di

是鏡頭到成像平面距離，D是鏡頭直徑瑞利分辨率準(zhǔn)則： 可以區(qū)分開兩個距離為r的點(diǎn)源圖象景深模糊圓盤圖象目標(biāo)章毓晉(TH-EE-IE)10.4.2

光學(xué)鏡頭分辨率(1) 普通照相機(jī) 一般拍照時有do?di

≈

f 設(shè)鏡頭的f-因數(shù)為nf=f

/D(2) 望遠(yuǎn)鏡 望遠(yuǎn)鏡點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的尺寸決定了分辨率章毓晉(TH-EE-IE)10.4.2

光學(xué)鏡頭分辨率(3) 顯微鏡

放大倍數(shù)大于10倍時，有di?do=f 數(shù)值孔徑

與光的波長成正比，與鏡頭的光圈數(shù)成反比 現(xiàn)代顯微鏡視場的直徑是22mm(0.9in.) 先前的顯微鏡視場的直徑是20mm(0.8in.)章毓晉(TH-EE-IE)10.4.3采樣密度

不能只從采樣定理出發(fā)來選取采樣率1. 采樣定理的適用性 如果信號f(x)中的最高頻率分量為wo，要從采樣完全恢復(fù)信號，則采樣頻率必須滿足ws>2wo

采樣過程

ws=2/xs

章毓晉(TH-EE-IE)10.4.3采樣密度1. 采樣定理的適用性 采樣集合：

{fn}={f(nxs)|n=–,…,–1,0,1,…,+} 為完全表示帶限信號f(x)，需要無窮個采樣

如果把信號限制在有限的區(qū)間，信號不是帶限的 對任一個信號f(x)和與其對應(yīng)的頻譜F(w)，或者是f(x)在空域有限，或者是F(w)在頻域有限，但不能同時有限（采樣定理不能用）章毓晉(TH-EE-IE)10.4.3采樣密度圖象采集中信號帶寬的變化(1) 進(jìn)入光學(xué)鏡頭的連續(xù)信號是沒有帶限的(2) 由光學(xué)鏡頭出來的信號是有帶限的，光學(xué)傳輸函數(shù)限制了輸出圖象的頻譜(3) 圖象采集時將帶限信號在有限面積上成象，由攝象機(jī)出來的信號不再是帶限的了(4) 采樣并把結(jié)果存入儲存器。因?yàn)橹挥昧擞邢迋€數(shù)字來表示圖象，即使光電感受面面積無窮，用來表示圖象的數(shù)據(jù)量仍是有限的（混迭效應(yīng)不可避免）

章毓晉(TH-EE-IE)10.4.3采樣密度2. 采樣對目標(biāo)特征測量的影響利用采樣定理來指導(dǎo)對采樣率的選擇并不可靠不可能寫出在有限步驟（或有限時間）內(nèi)能從 采樣數(shù)據(jù)中獲得準(zhǔn)確測量值的算法準(zhǔn)確測量的公式：需要用到無窮個采樣 需要計(jì)算無窮個sinc函數(shù)章毓晉(TH-EE-IE)10.4.3采樣密度3.采樣密度的選擇圖象分辨率與采樣密度的關(guān)系（實(shí)驗(yàn)）

(1)4~6pixel/m 確定目標(biāo)位置 (2)15~30pixel/m 觀察結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

(3)30~40pixel/m 內(nèi)容基本不變章毓晉(TH-EE-IE)10.4.4分割算法圖象分割對測量精度的影響（目標(biāo)的尺寸）彎曲能測量的誤差隨目標(biāo)尺寸d的增加而增加。所以對大目標(biāo)的彎曲能測量結(jié)果不如對小目標(biāo)的可靠

章毓晉(TH-EE-IE)10.4.4分割算法圖象分割對測量精度的影響（目標(biāo)的形狀）

歸一化絕對平均曲率測量的精度受目標(biāo)形狀E的影響不太明顯，但測量誤差總處于較高水平。換句話說，對不同形狀的目標(biāo)這個特征的測量都不易準(zhǔn)確

章毓晉(TH-EE-IE)1. 基于鏈碼的距離測量 鏈碼長度的計(jì)算通式

Ne：偶數(shù)鏈碼的個數(shù)

No：奇數(shù)鏈碼的個數(shù)

Nc：角點(diǎn)（即鏈碼方向發(fā)生變化的點(diǎn)）個數(shù)

10.4.5特征量計(jì)算公式章毓晉(TH-EE-IE)1. 基于鏈碼的距離測量

鏈碼長度的不同計(jì)算公式10.4.5特征量計(jì)算公式章毓晉(TH-EE-IE)1. 基于鏈碼的距離測量

不同長度計(jì)算公式的比較10.4.5特征量計(jì)算公式章毓晉(TH-EE-IE)2. 基于局部模板的距離測量 一條長直線的長度可以逐步（局部地）計(jì)算

局部距離圖 a：沿水平或垂直方向的局部距離 b：沿對角方向的局部距離 通路長度：D=ama+bmb

最優(yōu)值：a=0.95509，b=1.36930

最大誤差：<0.04491M，M=max{|x1–x2|,|y1–y2|}

10.4.5特征量計(jì)算公式章毓晉(TH-EE-IE)2. 基于局部模板的距離測量

3-D圖象，計(jì)算局部距離的模板

10.4.5特征量計(jì)算公式abc1.01.3141.6280.88751.342241.597720.90161.2891.650.93981.32911.6278章毓晉(TH-EE-IE)

不同長度計(jì)算公式的誤差隨采樣密度變化