第一章机器视觉基础.

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1、1. 机器视觉的定义机器视觉的定义l机器视觉：用机器代替人眼来做测量和判断机器视觉：用机器代替人眼来做测量和判断l机器视觉系统机器视觉系统采用图像采用图像摄取摄取装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给图像处理系统；图像处理系统；图像处理系统根据像素分布和亮度、颜色等信息，进行运图像处理系统根据像素分布和亮度、颜色等信息，进行运算来算来抽取抽取目标的特征：面积、长度、数量、位置等；目标的特征：面积、长度、数量、位置等；根据预设的判据来根据预设的判据来输出输出结果：尺寸、角度、偏移量、个数、结果：尺寸、角度、偏移量、个数、合格合格/不合格、有不合格、有/无等；

2、无等；指挥执行机构进行诸如定位或分选等相应控制指挥执行机构进行诸如定位或分选等相应控制动作动作2. 机器视觉的特点机器视觉的特点l机器视觉系统的特点机器视觉系统的特点在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度，机器视觉系统广泛高生产效率和生产

3、的自动化程度，机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。l机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。制造的基础技术。机器视觉与计算机视觉机器视觉与计算机视觉l、计算机视觉机器视觉工业自动化6 数字图像处理技术数字图像处理技术l广义的数字图像处理是指从图像获取到图像信息输出的全过程，即图像处理系统，包括与计算机应用相关的设备、图像处理相关的方法，以及有效软件的实现、图像处理软件的应用、图像信息在计算机中的表示、图像数据库及检索、图像信息应用等。l狭义的数字图像处理仅指其中对图像信息

4、进行处理。 广义图像处理广义图像处理l图像信息获取，即获取研究对象的图像，并转换成数字信号，以便于计算机或其它数字设备处理。这一阶段的研究重点是图像成像设备和数字化设备等。l图像信息的存储。图像的数据量巨大，因此研究的领域包括图像存储设备，以及图像存储的格式、图像压缩标准以及图像数据库技术等。l图像信息的传送，包括内部传送与远距离传送。内部传送多采用DMA（Direct Memory Access）技术解决速度问题；远距离传送同样需要研究图像压缩技术，减少占用带宽。l图像信息处理，即狭义的图像处理，主要研究利用计算机可以实现的算法。l图像的输出与显示，即为人或计算机提供便于理解以及识别的图像。

5、图像的输出有软拷贝与硬拷贝两种形式。狭义的计算机图像处理狭义的计算机图像处理l几何处理主要包括坐标变换，图像的放大与缩小、旋转、移动图像畸变校正几何特征计算等。l算术与逻辑运算图像的加减乘除，与或非等运算此类运算既简单有效，又是其它处理的基础。l图像增强根据任务目标突出图像中感兴趣的信息，消除干扰，改善图像的视觉效果或增强便于机器识别的信息l此三项是图像预处理中常涉及的内容。狭义的计算机图像处理狭义的计算机图像处理l图像复原根据图像退化模型，消除退化因素，恢复原始的图像。如散焦是造成图像模糊的一个重要的因素，而散焦模型可以通过实验数据和理论分析获得，利用逆滤波就可以消除散焦。l图像编码研究压缩

6、图像数据的方法，需要研究并利用图像的冗余特征，如统计冗余、生理视觉冗余、知识冗余等。l图像分割根据图像的某些特征将图像划分为不同的区域，以便于对图像中的物体或目标进行分析与识别。如“机动车视觉系统”中根据图像中的灰度信息分割白色导引线和路面。狭义的计算机图像处理狭义的计算机图像处理l图像重建前面六个研究方面输入的是图像，而图像重建输入的是非图像信息，如数据、公式等，输出为图像。主要有卷积反投影法等。常用于医学设备，CT等l图像模式识别在图像分割的基础上提取特征，对图像中的内容进行判决分类。l图像分析与理解在图像模式识别的基础上进一步发展，根据图像局部内容之间的关系，利用有关知识进行推理与联想，

7、对图像中所表现的内容进行理解。7、图像处理系统、图像处理系统图像存储体输入设备输出设备主计算机阵列处理器图像的获取CCD，(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似，光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模-数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备(比如内存芯

8、片或内存卡)。CCD有各式各样的尺寸和形状，最大的有22平方英寸。CMOS,(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一。CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。CCD电荷耦合器需在同步时钟的控

9、制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。 CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。 CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，

10、使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。 l CCD的成像点为XY纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本。 l CMOS传感器周围

11、的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，它可以通过简单的XY寻址技术读取信号。 图像的分类图像的分类l“图像”(image) 在一般的意义下，可以认为一幅图像就是一个东西的一个表示，它包含了所表示物体的相关描述信息，出现形式多种多样可视的和不可视的；抽象的和实际的；适于和不适于计算机处理的。 7.1、按照图像的存在形式分、按照图像的存在