基于計(jì)算機(jī)視覺的檢測技術(shù)

#基于計(jì)算機(jī)視覺的檢測技術(shù)化工與環(huán)境學(xué)院董守龍學(xué)號：10805001摘要：計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)是一個(gè)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的新的技術(shù)領(lǐng)域。本文就基于計(jì)算機(jī)視覺的檢測技術(shù)進(jìn)行了概述，介紹了幾種典型的應(yīng)用，包括汽車牌照自動識別技術(shù)、特定目標(biāo)識別技術(shù)、生物特征鑒別技術(shù)、機(jī)器人視覺系統(tǒng)等，并分別就其涉及的主要問題進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：圖像技術(shù)；圖像處理；計(jì)算機(jī)視覺；機(jī)器人視覺近年來，圖像技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注。在人類接收的信息中有 80%來自視覺即圖像(Image)信息，這是人類最有效和最重要的信息獲取、交流方式。隨著計(jì)算機(jī)的普及，人們越來越多地利用計(jì)算機(jī)幫助人類獲取與處理視覺(圖像)信息。圖像技術(shù)就是對視覺圖像獲取與加工處理技術(shù)的總稱。根據(jù)抽象程度和處理方法的不同，圖像技術(shù)可分為三個(gè)層次：圖像處理、圖像分析和圖像理解。這三個(gè)層次的有機(jī)結(jié)合也稱為圖像工程。圖像處理是較低層的操作，主要在圖像象素級上進(jìn)行處理。比較狹義的圖像處理主要包括對圖像分割以改善視覺效果，或?qū)D像壓縮編碼以減少傳輸時(shí)間或存儲容量。圖像分析則是進(jìn)入中層的操作，分割和特征提取是把原來以象素描述的圖像轉(zhuǎn)變成簡潔的非圖形形式的符號描述。即圖像分析是一個(gè)圖像進(jìn)而數(shù)據(jù)出的處理，數(shù)據(jù)可以是對某一特征測量所得的結(jié)果，或是基于測量的符號表示。圖像理解也經(jīng)常被稱為計(jì)算機(jī)視覺，主要是高層操作。圖像理解進(jìn)一步研究圖像中的目標(biāo)和它們之間的聯(lián)系，其處理過程和方法與人類的思維推理有不少類似之處。隨著計(jì)算機(jī)的普及和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)(AVI)實(shí)現(xiàn)成本已大大降低，并得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)視覺的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括對照片、視頻資料如航空照片、衛(wèi)星照片、視頻片段等的解釋、精確制導(dǎo)、移動機(jī)器人視覺導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)輔助診斷、工業(yè)機(jī)器人的手眼系統(tǒng)、地圖繪制、物體三維形狀分析與識別及智能人機(jī)接口等。下面將就一些主要的重點(diǎn)應(yīng)用展開介紹。汽車牌照自動識別技術(shù)近年來交通問題引發(fā)的關(guān)注越來越多，智能交通系統(tǒng)(IntelligentTransportationSystem,ITS)的研究也越發(fā)廣泛而深入。汽車牌照識別( LicensePlateRecognitionLPR)技術(shù)作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在交通流量監(jiān)測、交通誘導(dǎo)控制、路橋收費(fèi)、違章車輛監(jiān)控等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，對實(shí)現(xiàn)交通事業(yè)現(xiàn)代化有著重大意義。汽車牌照自動識別系統(tǒng)以車牌號碼自動識別為基礎(chǔ)，可以對車輛進(jìn)行自動驗(yàn)證、監(jiān)視和報(bào)警。車牌識別系統(tǒng)集中了先進(jìn)的光電、計(jì)算機(jī)控制、圖像處理、模式識別、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控路面過往的每一輛機(jī)動車的特征圖像和車輛全景圖像的全天候?qū)崟r(shí)記錄，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)所拍攝的圖像進(jìn)行牌照自動識別。LPR系統(tǒng)包括三個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，分別是車牌區(qū)域定位系統(tǒng)、車牌字符分割系統(tǒng)和車牌字符識別系統(tǒng)。牌照圖像通常由CCD攝像機(jī)等攝影攝像設(shè)備獲得，有時(shí)為了提高圖像質(zhì)量會采用主動紅外照明攝像或使用其他特殊的傳感器。獲得的圖像質(zhì)量受多方面條件的影響，因此多數(shù)情況下需要對得到的攝影圖像進(jìn)行預(yù)處理。車牌的定位檢測是車牌識別中關(guān)鍵的一步，定位的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到系統(tǒng)的識別精度和識別速度；同時(shí)，這也是整個(gè)環(huán)節(jié)的難點(diǎn)所在，由于牌照位于圖像上任意位置，加上光照不均勻、反光、拍攝角度傾斜、復(fù)雜背景干擾以及車牌本身折損等原因，牌照精確定位難度較大。車牌定位算法有很多，如局部閥值二值化與自適形態(tài)濾波法、基于小波變換的邊緣檢測法等，是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。在區(qū)域定位獲得車牌圖像之后需要對車牌上的字符進(jìn)行分割以便識別，先把多行或多字符圖像中的每個(gè)字符從整個(gè)圖像中切割出來成為單個(gè)字符。由于車牌上的字符類型較少、變化較小，所以常采用簡單的直接分割法。字符識別系統(tǒng)首先要對字符進(jìn)行位置、大小歸一化處理，如果是英文大寫字母和數(shù)字還要進(jìn)行字符細(xì)化處理。然后將牌照上的字符分為兩大類 :漢字和符號（包括英文大寫字母和數(shù)字）。對于漢字，采用漢字的字符筆劃密度和字符復(fù)雜指數(shù)特征對漢字進(jìn)行粗分類，再采用模板匹配法識別漢字。而對于符號，通過對車輛牌照上英文字符和數(shù)字字符結(jié)構(gòu)特征的詳細(xì)分析，選擇字符中的細(xì)節(jié)點(diǎn)特征、閉合曲線特征和拐角點(diǎn)特征作為字符識別的依據(jù)，根據(jù)這些特征來識別牌照上的英文字母和數(shù)字字符。特定目標(biāo)識別技術(shù)早期進(jìn)行數(shù)字圖像處理的目的之一是要通過采用數(shù)字技術(shù)提高照片的質(zhì)量，輔助進(jìn)行航空照片和衛(wèi)星照片的讀取判別與分類。由于需要判讀的照片數(shù)量很多，需要借助自動的視覺系統(tǒng)進(jìn)行，于是產(chǎn)生了許多航空照片和衛(wèi)星照片判讀系統(tǒng)與方法。自動判讀的進(jìn)一步應(yīng)用就是對所關(guān)注特定目標(biāo)的自動識別和實(shí)時(shí)分類，并與制導(dǎo)系統(tǒng)相結(jié)合。目前常用的制導(dǎo)方式包括激光制導(dǎo)、電視制導(dǎo)和圖像制導(dǎo)，在導(dǎo)彈系統(tǒng)中常常將慣性制導(dǎo)與圖像制導(dǎo)結(jié)合，利用圖像進(jìn)行精確的末端制導(dǎo)。特定目標(biāo)識別技術(shù)中很重要的一個(gè)研究方向是動目標(biāo)檢測技術(shù)。在軍事領(lǐng)域，現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求我們必須能盡早盡快地發(fā)現(xiàn)來襲目標(biāo)；在實(shí)施高精度、高準(zhǔn)確性的軍事打擊時(shí)，也需要精確、快速定位并識別出攻擊目標(biāo)。在復(fù)雜戰(zhàn)場條件下，如何快速檢測并識別出運(yùn)動目標(biāo)成為各國軍方的研究熱點(diǎn)。軍事領(lǐng)域常使用的成像傳感器有合成孔徑雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外成像儀、激光成像儀、全彩色成像儀、光譜成像儀等。特定目標(biāo)識別技術(shù)在視覺監(jiān)視上的應(yīng)用需求也相當(dāng)廣泛。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提高，近年來基于圖像處理的自動監(jiān)控技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)可視化的監(jiān)控系統(tǒng)要求監(jiān)控人員不停的監(jiān)視屏幕，獲得視頻信息，通過人為的理解和判斷才能得到相應(yīng)的結(jié)論并做出相應(yīng)的決策。如果能實(shí)現(xiàn)對特定被監(jiān)控目標(biāo)的自動檢測、提取、識別、跟蹤，則可節(jié)省人力、物力，大大提高工作效率，所以人們對基于視頻圖像的監(jiān)控系統(tǒng)的智能化要求越來越迫切。運(yùn)動目標(biāo)檢測主要方法有背景相減法、兩幀差分法和光流分析法等。背景相減方法是利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來檢測運(yùn)動區(qū)域的一種技術(shù)，通過分析不同時(shí)間的兩幅序列圖像相減構(gòu)成的殘差圖像來獲取信息；兩幀差分法即提取連續(xù)兩幀的視頻圖像進(jìn)行相減運(yùn)算得到差分圖像，在差分圖像上檢測運(yùn)動變化區(qū)域；光流分析法是對圖像的運(yùn)動場進(jìn)行估計(jì)，利用圖像序列關(guān)于時(shí)間和空間的灰度變化來估計(jì)位置速度場的方法，其基本思想是通過計(jì)算出光流場來模擬運(yùn)動場。生物特征鑒別技術(shù)近年來，基于生物特征（biometrics）的鑒別技術(shù)得到了廣泛重視，主要集中在對指紋、虹膜、人臉、聲音等特征上，這其中大多都與視覺信息有關(guān)。與生物特征識別密切相關(guān)的另一個(gè)重要應(yīng)用是用于構(gòu)成智能人機(jī)接口?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)與人的交流基本局限于鍵盤、鼠標(biāo)，其他輸入手段還不成熟，計(jì)算機(jī)也無法識別用戶的真實(shí)身份。利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以讓計(jì)算機(jī)檢測到用戶是否存在、鑒別用戶身份、識別用戶的體勢（如點(diǎn)頭、搖頭）等。此外，這種人機(jī)交互方式還可推廣到一切需要人機(jī)交互的場合，如入口安全控制、過境人員的驗(yàn)放等。由于指紋的唯一性、不變性和排列規(guī)律性，指紋識別已經(jīng)成為生物特征鑒別技術(shù)中最常見、最成熟的技術(shù)。指紋識別在過去主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于民用市場，如考勤、門禁、保險(xiǎn)箱柜、機(jī)動車等。計(jì)算機(jī)對輸入的指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)指紋的分類、定位、提取形態(tài)和細(xì)節(jié)特征，然后根據(jù)所提取的特征對指紋進(jìn)行比對和識別。虹膜識別是當(dāng)前應(yīng)用較為方便和精確的一種識別技術(shù)，虹膜的高度獨(dú)特性、穩(wěn)定性及不可更改的特點(diǎn)，是虹膜可用作身份鑒別的物質(zhì)基礎(chǔ)。虹膜識別技術(shù)將虹膜的可視特征轉(zhuǎn)換成一個(gè)512個(gè)字節(jié)的IrisCode（虹膜代碼），這個(gè)代碼模板存儲后可用于后期識別。虹膜識別技術(shù)與相應(yīng)的算法結(jié)合后，可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。兩個(gè)不同的虹膜信息有75%匹配信息的可能性是1/1000000，兩個(gè)不同的虹膜產(chǎn)生相同IrisCode的可能性是1/1052。比其他生物認(rèn)證技術(shù)的準(zhǔn)確度高幾個(gè)到幾十個(gè)數(shù)量級。虹膜識別技術(shù)在國際上已經(jīng)開始在各行各業(yè)以各種形式進(jìn)行應(yīng)用,但國內(nèi)的應(yīng)用還很有限。人臉識別與其他方法比較,更直接、友好、方便,可以通過非接觸方式獲得,使用者無任何心理障礙,所以人臉識別技術(shù)成為人們最容易接受的身份鑒別方式之一。人臉檢測是人臉識別的關(guān)鍵環(huán)節(jié),人臉檢測就是對所輸入的圖像進(jìn)行檢測,判斷圖像是否存在人臉,如果存在則返回人臉在圖像中的確切位置和范圍。由于人臉表情千變?nèi)f化,可能會有附屬物如眼鏡、胡須、裝飾等,同時(shí)圖像質(zhì)量受攝錄器材和光照影響很大,人臉識別技術(shù)在應(yīng)用中還面臨很多棘手的問題,識別率不高。機(jī)器人視覺系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的手眼系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域之一，可快速獲取大量信息，使信息加工、控制及信息集成更容易實(shí)現(xiàn)。由于工業(yè)現(xiàn)場的諸多因素，如光照條件、成像方向均是可控的，有利于構(gòu)成實(shí)際的系統(tǒng)?？梢岳糜?jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)、非接觸式產(chǎn)品檢測及生產(chǎn)監(jiān)控，這在現(xiàn)代制造業(yè)和一些工業(yè)、工程領(lǐng)域已經(jīng)有了較廣泛的應(yīng)用。移動機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人不同，它具有行為能力，所以必須解決行為規(guī)劃問題，使機(jī)器人能以智能和靈活的方式對其周圍的環(huán)境做出反應(yīng)。隨著移動式機(jī)器人的發(fā)展，越來越多地要求提供視覺能力，包括道路跟蹤、回避障礙、特定目標(biāo)識別等。機(jī)器人視覺系統(tǒng)涉及視頻信息獲取技術(shù)、視頻信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識別技術(shù)以及人工智能技術(shù)等。機(jī)器人視覺主要是借助于計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺功能從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測、測量和控制。其研究中引入了主動視覺的方法，使用距離傳感器，并采用了多傳感器融合等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對道路和障礙的識別處理。機(jī)器人視覺系統(tǒng)需要完成從二維投影圖像到三維客觀世界的變換，也就是根據(jù)這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。機(jī)器人視覺系統(tǒng)除用于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控外，還可用于一些特殊的場合，如海洋石油開采、海底勘查的水下機(jī)器人；用于醫(yī)療外科手術(shù)及研究的醫(yī)用機(jī)器人；幫助人類探索宇宙的空間機(jī)器人；完成特殊任務(wù)的核工業(yè)機(jī)器人和軍用機(jī)器人等。計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)是一個(gè)前沿的多學(xué)科交叉融合的學(xué)科，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和誘人的應(yīng)用前景。前人的研究雖然提出、解決了一些問題，但由于計(jì)算機(jī)視覺問題的特殊性和復(fù)雜性，還有大量的問題需要研究。研究的重點(diǎn)包括對新方法、新手段的探索；當(dāng)然，在原有問題上采用新的描述方法、求解手段也是一個(gè)可能的突破點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)視覺中計(jì)算理論占有十分重要的地位，計(jì)算理論的進(jìn)步、新計(jì)算模型的提出可以解決以往一些困難的問題；另一方面，感知手段的進(jìn)步也可以起到同樣的作用?？傊?，隨著對定量研究的重視，新的描述方式、求解手段的研究，以及感知手段的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)視覺的研究必將迎來一個(gè)更加繁榮的時(shí)代。參考文獻(xiàn)馬頌德，張正友．計(jì)算機(jī)視覺[M]．北京:科學(xué)出版社，1998：52-60．葉聲華，邾貴，王仲，等．視覺檢測技術(shù)及應(yīng)用[J]．中國工程科學(xué)，1999，1(1)：49-52．洪少春.基于計(jì)算機(jī)的視覺檢測技術(shù)的原理及應(yīng)用研究 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