05 模塊5 工業(yè)機(jī)器人傳感技術(shù)

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教案課題：模塊5工業(yè)機(jī)器人傳感技術(shù)課型：新授課課時(shí)：本章安排4個(gè)課時(shí)。教學(xué)過(guò)程：教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術(shù)。板書設(shè)計(jì)：本課標(biāo)題模塊5工業(yè)機(jī)器人傳感技術(shù)課次2授課方式理論課□討論課□習(xí)題課□其他□課時(shí)安排4學(xué)分共2分授課對(duì)象應(yīng)用型本科院校和高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生任課教師教材及參考資料1.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》。2.本教材配套視頻教程及學(xué)習(xí)檢查等資源。3.與本課程相關(guān)的其他資源。教學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)方法及教學(xué)手段引言近年來(lái)，我國(guó)的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展迅猛，但由于部分技術(shù)尚傳感系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，相當(dāng)于人的感覺(jué)和神經(jīng)。機(jī)器人傳感器可以分為內(nèi)部和外部?jī)深悅鞲衅鳎簝?nèi)部傳感器是構(gòu)成機(jī)器人不可缺少的基本元件，而外部傳感器取決于機(jī)器人所要完成的任務(wù)，如對(duì)于與工件有接觸的作業(yè)，像打磨、拋光、裝配等，就需要有力（力矩）傳感器。本章詳細(xì)講解了機(jī)器人常用傳感器的分類，包括位置和位移傳感器、接近傳感器、觸覺(jué)傳感器和視覺(jué)傳感技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)。參考以下形式：1.銜接導(dǎo)入2.懸念導(dǎo)入3.情景導(dǎo)入4.激疑導(dǎo)入5.演示導(dǎo)入6.實(shí)例導(dǎo)入7.其他形式本章基本知識(shí)匯總單元1工業(yè)機(jī)器人傳感技術(shù)基礎(chǔ)一、傳感技術(shù)概述傳感技術(shù)是利用傳感器采集環(huán)境信息的一種自動(dòng)化技術(shù)。傳感器是基于內(nèi)部的物理、化學(xué)變化，將之變換成電信號(hào)（電壓、電流和頻率）的裝置。傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體變得“活”了起來(lái)。從物聯(lián)網(wǎng)角度看，傳感技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志。二、傳感系統(tǒng)的組成傳感系統(tǒng)通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。其中，敏感元件的基本功能是將某種不易測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的物理量；轉(zhuǎn)換元件的功能是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它與敏感元件一起構(gòu)成傳感器的主要部分；基本轉(zhuǎn)換電路的功能是將敏感元件產(chǎn)生的不易測(cè)量的小信號(hào)進(jìn)行變換，使傳感器的信號(hào)輸出符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求（如4～20mA、-5～5V）。三、傳感技術(shù)的功能人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器?？梢哉f(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。隨著新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。如果沒(méi)有優(yōu)質(zhì)的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)步入眾多新領(lǐng)域，例如在宏觀上要觀測(cè)距離地球上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀測(cè)小到飛米的粒子世界，縱向上要觀測(cè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的天體演化，以及短到飛秒量級(jí)的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了各種前端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超弱磁場(chǎng)等。顯然，要獲取大量人類感官無(wú)法直接獲取的信息，沒(méi)有相應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于獲取對(duì)象信息存在困難，而一些基于新機(jī)理的高靈敏度檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)促進(jìn)該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)突破。傳感器技術(shù)的發(fā)展，常常是一些前沿型學(xué)科取得進(jìn)展的先驅(qū)力量。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等極其廣泛的領(lǐng)域。毫不夸張地說(shuō)，從茫茫太空到浩瀚海洋，以至各種復(fù)雜的系統(tǒng)工程，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目都離不開各式各樣的傳感器。由此可見，傳感器在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的作用是十分明顯的，世界各國(guó)都十分重視這一技術(shù)的發(fā)展。單元2工業(yè)機(jī)器人傳感技術(shù)應(yīng)用一、物料感知在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，物料感知是傳感器技術(shù)應(yīng)用最多的一類，其主要目的是判斷檢測(cè)對(duì)象是否存在，如流水線末端的物料到位檢測(cè)、氣缸運(yùn)動(dòng)體的到位檢測(cè)等。用于這類功能的傳感器類型很多，如光纖傳感器、光電傳感器、接近傳感器。（一）光纖傳感器光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的光信號(hào)的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)經(jīng)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光纖送入光電器件，經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。整個(gè)過(guò)程中，光束經(jīng)由光纖導(dǎo)入，通過(guò)調(diào)制器后再射出，光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調(diào)制器的作用。光纖由中心的纖芯和與其折射率不同的包層構(gòu)成。光射入纖芯后，會(huì)在纖芯與包層的邊界面上重復(fù)全反射并不斷前進(jìn)，穿過(guò)光纖內(nèi)部從邊緣射出的光約呈60°擴(kuò)散，并照射至檢測(cè)物體。及光纖原理根據(jù)光束的照射，光纖傳感器分為對(duì)射型和漫反射型。傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這一傳感器家族的新成員備受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能：抗電磁和原子輻射干擾；徑細(xì)、質(zhì)軟、質(zhì)量輕；電氣絕緣、無(wú)感應(yīng)；防水、耐高溫、耐腐蝕等，它能夠在人無(wú)法到達(dá)的位置（如高溫區(qū)）或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。（二）光電傳感器光電傳感器是一種從發(fā)射器發(fā)射光線，并通過(guò)接收器檢測(cè)物體反射的光或遮光量的變化，從而獲取輸出信號(hào)的儀器，其工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)的電子因吸收光子的能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。光電傳感器光電傳感器一般由處理通路和處理元件兩部分組成，其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是，用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子的能量會(huì)傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類：1.在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等。2.在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等。3.在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。由于光電傳感器涉及的領(lǐng)域非常廣泛，其研究和開發(fā)在世界上引起了高度重視，它已從最初的軍用逐漸發(fā)展到民用，而且與我們的生活息息相關(guān)。現(xiàn)代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、車庫(kù)開門器、液晶顯示器、色度計(jì)、分光計(jì)、汽車和醫(yī)療診斷儀器等，不勝枚舉。（三）接近傳感器接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的傳感器件，它利用位移傳感器對(duì)接近的物體具有敏感特性的原理來(lái)識(shí)別物體的接近，并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，因此又稱為接近開關(guān)。接近傳感器的檢測(cè)對(duì)象僅為金屬，它可以透過(guò)塑料、玻璃等檢測(cè)金屬物質(zhì)的靠近。1.通用型2.鋁檢測(cè)型3.接近傳感器的特點(diǎn)對(duì)比其他類型的傳感器，接近傳感器具有如下特點(diǎn)：（1）由于能以非接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，所以不會(huì)磨損或損傷檢測(cè)對(duì)象。（2）由于采用無(wú)接點(diǎn)半導(dǎo)體輸出方式，對(duì)接點(diǎn)的壽命無(wú)影響。（3）與光檢測(cè)方式不同，適合在水和油等環(huán)境下使用，檢測(cè)時(shí)幾乎不受檢測(cè)對(duì)象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥性良好的產(chǎn)品。（4）與接觸式開關(guān)相比，可實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)。（5）能對(duì)應(yīng)廣泛的溫度范圍。（6）對(duì)檢測(cè)對(duì)象的物理性質(zhì)變化進(jìn)行檢測(cè)，所以幾乎不受表面顏色等的影響。（7）與接觸式不同，會(huì)受周圍溫度、物體、同類傳感器的影響，包括感應(yīng)型、靜電容量型在內(nèi)，傳感器之間相互影響。因此，對(duì)于傳感器的設(shè)置需要考慮相互干擾。此外，在感應(yīng)型中需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。二、速度感知在進(jìn)行物料分揀時(shí)，常常會(huì)使用一種測(cè)速裝置，配合視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器人進(jìn)行物料的動(dòng)態(tài)抓取工作。物料在傳送帶上運(yùn)動(dòng)，相機(jī)負(fù)責(zé)獲取物料的位置信息，并將位置數(shù)據(jù)輸入機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到合適的位置取走物料。由于物料的位置會(huì)跟隨傳送帶不斷變化，因此機(jī)器人要想準(zhǔn)確地抓取物料，還需要知曉物料的運(yùn)動(dòng)速度。由于旋轉(zhuǎn)編碼器與傳送面接觸，所以能夠檢測(cè)傳送帶表面的線速度，即物料的運(yùn)動(dòng)速度。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種將角位移或線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器。它既可以用于測(cè)量回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移和角速度，也可以用來(lái)測(cè)量線性運(yùn)動(dòng)的線位移和線速度。旋轉(zhuǎn)編碼器主要由轉(zhuǎn)軸、碼盤、發(fā)射器和接收器組成。轉(zhuǎn)軸在檢測(cè)過(guò)程中與測(cè)量對(duì)象接觸，如果是測(cè)角位移，則與回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)軸連接；如果是測(cè)量線位移，則需安裝軸套，使軸套輪廓與線性運(yùn)動(dòng)對(duì)象接觸。發(fā)射器和接收器通常是一套激光傳感器或光電傳感器，通過(guò)檢測(cè)碼盤方形孔引起的信號(hào)變化，將角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。接收器1和接收器2都可以用于檢測(cè)碼盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以測(cè)量角速度。碼盤上的發(fā)射器1和發(fā)射器2對(duì)應(yīng)的方形孔間隔相差一定角度，使接收器1到接收器2的脈沖間隔時(shí)間與接收器2到接收器1的脈沖間隔時(shí)間不等，通過(guò)這樣的方式可以檢測(cè)碼盤回轉(zhuǎn)的矢量方向。三、力覺(jué)感知力傳感器是將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號(hào)的器件。力傳感器能檢測(cè)張力、拉力、壓力、質(zhì)量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等物理量，其具體組成器件有金屬應(yīng)變片、壓力傳感器等，它在動(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、各類工作母機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中已成為不可缺少的核心部件。例如，裝配時(shí)需完成將軸類零件插入孔里、調(diào)準(zhǔn)零件位置、擰動(dòng)螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰動(dòng)螺釘過(guò)程中需要有確定的擰緊力；搬運(yùn)時(shí)機(jī)器人手爪對(duì)工件需有合理的握力，握力太小不足以搬動(dòng)工件，太大則會(huì)損壞工件；研磨時(shí)需要有合適的砂輪進(jìn)給力以保證研磨精度。另外，機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí)也需要檢測(cè)關(guān)節(jié)和連桿之間的內(nèi)力，防止機(jī)器人手臂因負(fù)載過(guò)大或與周圍障礙物碰撞而引起損壞，所以力和力矩傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用較廣泛。力和力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應(yīng)變片式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器及各種外力傳感器。力和力矩傳感器的工作方式都是通過(guò)彈性敏感元件將被測(cè)力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或形變量，然后通過(guò)各自的敏感介質(zhì)把位移量或形變量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電信號(hào)。四、視覺(jué)識(shí)別為了能夠勝任更復(fù)雜的工作，機(jī)器人不但要有更好的控制系統(tǒng)，還需要更多地感知環(huán)境的變化。其中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)以其可獲取的信息量大、信息完整而成為機(jī)器人最重要的感知功能。（一）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，但它并不僅僅是人眼的簡(jiǎn)單延伸，更重要的是具有人腦的一部分功能——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(cè)、測(cè)量和控制。美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)機(jī)器視覺(jué)分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)自動(dòng)化視覺(jué)分會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)的定義為：機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動(dòng)接收和處理真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了一些實(shí)用性的視覺(jué)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于集成電路生產(chǎn)、精密電子產(chǎn)品裝配、飲料罐裝場(chǎng)合的檢驗(yàn)等。到了20世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了專門的圖像處理硬件，人們開始系統(tǒng)地研究機(jī)器人視覺(jué)控制系統(tǒng)。在20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)功能的增強(qiáng)及其價(jià)格的下降，以及圖像處理硬件和CCD攝像機(jī)的快速發(fā)展，機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)研究吸引了越來(lái)越多的研究人員。20世紀(jì)90年代后期，視覺(jué)伺服控制技術(shù)從結(jié)構(gòu)形式、圖像處理方法、控制策略上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展日臻成熟，已是現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝、汽車制造等行業(yè)。例如，印刷電路板的視覺(jué)檢查、鋼板表面的自動(dòng)探傷、大型工件平行度和垂直度測(cè)量、容器容積測(cè)量、雜質(zhì)檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別分類和幾何尺寸測(cè)量等，都用到了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。此外，在許多用其他檢測(cè)方法難以奏效的場(chǎng)合，利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)都可以有效地完成。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用使得機(jī)器越來(lái)越多地代替了人的勞動(dòng)，這無(wú)疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平和檢測(cè)系統(tǒng)的智能化水平。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：1.精度高優(yōu)秀的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠?qū)Ρ姸嗄繕?biāo)進(jìn)行空間測(cè)量。因?yàn)榇朔N測(cè)量不需要接觸目標(biāo)，所以對(duì)目標(biāo)沒(méi)有損傷和危險(xiǎn)，同時(shí)由于采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，因此具有極高的精確度。2.連續(xù)性機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以使人免受疲勞之苦，沒(méi)有因人為因素而造成的操作變化。3.靈活性機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠獲取和測(cè)量各種不同信息，當(dāng)應(yīng)用需求發(fā)生變化時(shí)，只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變或升級(jí)就可適應(yīng)新的需求。4.標(biāo)準(zhǔn)性機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是視覺(jué)圖像技術(shù)，而不同廠商的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是一致的，這為機(jī)器視覺(jué)的廣泛應(yīng)用提供了極大的方便。（二）機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)傳感器抓取圖像，然后將該圖像傳送至處理單元加以數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別，進(jìn)而根據(jù)判別結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作的系統(tǒng)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般由光源、光學(xué)系統(tǒng)、CCD/CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)、通信（輸入/輸出）單元等組成，各部分之間的關(guān)系。1.視覺(jué)傳感器2.圖像采集/處理卡3.光源（三）圖像處理技術(shù)圖像處理技術(shù)又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的技術(shù)。常用的圖像處理方法包括圖像增強(qiáng)、圖像平滑、邊緣銳化、圖像分割、圖像識(shí)別、圖像編碼與壓縮等。在圖像處理中，輸入的是低質(zhì)量的圖像，輸出的是質(zhì)量得到改善后的圖像。對(duì)圖像進(jìn)行處理既可改善圖像的視覺(jué)效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。1.圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)用于調(diào)整圖像的對(duì)比度，突出圖像中的重要細(xì)節(jié)，改善視覺(jué)質(zhì)量，通常采用灰度直方圖修改技術(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)。圖像的灰度直方圖是表示一幅圖像灰度分布情況的統(tǒng)計(jì)特性圖表，與對(duì)比度緊密相連。如果獲得一幅圖像的直方圖效果不理想，可以通過(guò)直方圖均衡化處理技術(shù)作適當(dāng)修改，即把一幅已知灰度概率分布圖像中的像素灰度作某種映射變換，使它變成一幅具有均勻灰度概率分布的新圖像，達(dá)到使圖像清晰的目的。2.圖像平滑圖像平滑處理技術(shù)即圖像的“去噪聲”處理技術(shù)?！霸肼暋睍?huì)降低圖像質(zhì)量，使圖像變得模糊、特征不清晰。實(shí)際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過(guò)程中，不可避免地存在著外部干擾和內(nèi)部干擾，如光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中基于敏感元件靈敏度的不均勻性、數(shù)字化過(guò)程的量化“噪聲”、傳輸過(guò)程中的誤差及人為因素等，均會(huì)使圖像失真。去除“噪聲”，主要是為了去除實(shí)際成像過(guò)程中因成像設(shè)備和環(huán)境所造成的圖像失真，從而提取有用信息，恢復(fù)原始圖像。這是圖像處理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，可通過(guò)鄰域平均法、中值濾波法、空間域低通濾波等算法實(shí)現(xiàn)。3.邊緣銳化邊緣銳化處理主要是指加強(qiáng)圖像中的輪廓邊緣和細(xì)節(jié)，形成完整的物體邊界，達(dá)到將物體從圖像中分離出來(lái)或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測(cè)出來(lái)的目的。銳化算法的實(shí)現(xiàn)基于微分原理，其作用是使灰度反差增強(qiáng)，因?yàn)檫吘壓洼喞挥诨叶韧蛔兊牡胤?。邊緣銳化是早期視覺(jué)理論和算法中的基本問(wèn)題。4.圖像分割圖像分割是將圖像分成若干部分，每一部分對(duì)應(yīng)于某一物體表面。在進(jìn)行分割時(shí)，每一部分的灰度或紋理須符合某一種度量標(biāo)準(zhǔn)。圖像分割的本質(zhì)是將像素進(jìn)行分類，把人們對(duì)圖像中感興趣的部分或目標(biāo)從圖像中提取出來(lái)，以進(jìn)一步分析和應(yīng)用。圖像分割通常有以下兩種方法：（1）閾值處理法：以區(qū)域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行分割，根據(jù)圖像的灰度、色彩以及圖像的灰度值或色彩變化得到的特征相似性來(lái)劃分圖像空間，通過(guò)把同一灰度級(jí)或相同組織結(jié)構(gòu)的像素聚集起來(lái)而形成區(qū)域，這一方法依賴于相似性準(zhǔn)則的選取。（2）邊緣檢測(cè)法：以物體邊界為對(duì)象進(jìn)行分割，首先通過(guò)檢測(cè)圖像中的局部不連續(xù)性得到圖像的邊緣（通常將畫面上灰度突變部分當(dāng)作邊緣），從而把邊界分解成一系列的局部邊緣，再按照一些策略把這些邊緣確定為一定的分割區(qū)域。5.圖像識(shí)別圖像識(shí)別可以看作為一個(gè)標(biāo)記過(guò)程，即利用識(shí)別算法來(lái)辨別景物中已分割好的各個(gè)物體，并給這些物體賦予特定的標(biāo)記，它是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)必須完成的一個(gè)任務(wù)。按照?qǐng)D像識(shí)別的難易程度，圖像識(shí)別問(wèn)題可分為以下三類：(1)圖像中的像素表達(dá)了某一物體的某種特定信息，如遙感圖像中的某一像素代表地面某一位置物體的一定光譜波段的反射特性，通過(guò)它即可判別出該物體的種類。(2)待識(shí)別物是有形的整體，通過(guò)二維圖像信息已經(jīng)能夠識(shí)別該物體，如文字識(shí)別、某些具有穩(wěn)定可視表面的三維體識(shí)別等，但這類問(wèn)題不像第一類問(wèn)題容易表示成特征矢量，在識(shí)別過(guò)程中，應(yīng)先將待識(shí)別物體正確地從圖像背景中分割出來(lái)，再設(shè)法建立起圖像中物體的屬性圖，然后與假定模型庫(kù)中的屬性圖進(jìn)行匹配。(3)由輸入的二維圖、要素圖等得出被測(cè)物體的三維表示，這一技術(shù)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。6.圖像編碼與壓縮圖像編碼與壓縮是圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸中的一項(xiàng)重要技術(shù)。數(shù)字圖像要占用大量的內(nèi)存，一幅512×512像素的數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量為256kB，假設(shè)每秒傳輸25幀圖像，則傳輸?shù)男诺浪俾蕿?2.4Mb/s。高信道速率意味著高投資，因此，在傳輸過(guò)程中對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常重要。數(shù)據(jù)壓縮主要通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮實(shí)現(xiàn)。常用的編碼方法有輪廓編碼和掃描編碼。輪廓編碼是在圖像灰度變化較小的情況下，用輪廓線來(lái)描述圖像的特征。掃描編碼是將一張圖像按一定的間距進(jìn)行掃描，在每條掃描線上找出濃度相同區(qū)域的起點(diǎn)和長(zhǎng)度，將編號(hào)的掃描線段的起點(diǎn)、長(zhǎng)度連同號(hào)碼按先后順序存儲(chǔ)起來(lái)。掃描線沒(méi)有碰到圖像時(shí)不記錄數(shù)據(jù)。五、其他傳感技術(shù)應(yīng)用——溫濕度傳