【正文】 景物的重建復(fù)原，圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、索引和抽取，圖像的分類、表示和識(shí)別，圖像模型的建立和匹配，圖像和場(chǎng)景的解釋和理解，以及基于它們的判斷決策和行為規(guī)劃等等。另外，圖像技術(shù)還可包括為完成上述功能而進(jìn)行的硬件設(shè)計(jì)及制作等方面的技術(shù)由于圖像技術(shù)近年來(lái)得到極大的重視和長(zhǎng)足的進(jìn)展，出現(xiàn)了許多新理論、新方法、新算法、新手段、新設(shè)備。圖像工作者普遍認(rèn)為需對(duì)圖像和圖像處理技術(shù)進(jìn)行綜合研究和應(yīng)用，這個(gè)工作的框架就形成了圖像工程。圖像工程學(xué)科是將數(shù)學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的原理，結(jié)合在圖像應(yīng)用中積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來(lái)的。圖像工程的內(nèi)容非常豐富，根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同可分為三個(gè)層次：圖象處理、圖象分析和圖像理解。圖象處理著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換。圖象分析則主要是對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，以獲得它們的客觀信息從而建立對(duì)圖像的描述。圖像理解的重點(diǎn)是在圖象分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來(lái)客觀場(chǎng)景的解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行為。由上所述，圖象處理、圖象分析和圖像理解是處在三個(gè)抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點(diǎn)的不同層次上。圖象處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級(jí)別上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。圖象分析則進(jìn)入了中層，分割和特征提取把原來(lái)以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡(jiǎn)潔的非圖形式的描述。圖像理解主要是高層操作，基本上是對(duì)從描述抽象出來(lái)的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，其處理過(guò)程和方法與人類的思維推理可以有許多類似之處。一個(gè)基本的圖像（處理和分析）系統(tǒng)構(gòu)成的各模塊都有特定的功能，分別是采集、顯示、存儲(chǔ)、通信、處理和分析。為完成各自的功能每個(gè)模塊都需一些特定的設(shè)備。圖像采集可采用CCD的照相機(jī)、帶有視像管的視頻攝像機(jī)和掃描儀等。圖象顯示可用電視顯示器、隨機(jī)讀取陰極射線管和各種打印機(jī)等。圖像存儲(chǔ)可采用磁帶、磁盤、光盤和磁光盤等。圖像通信可借助綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局網(wǎng)，甚至普通電話網(wǎng)等。最后，圖象處理和分析主要是運(yùn)算，所使用的設(shè)備主要是計(jì)算機(jī)。以下對(duì)各模塊的簡(jiǎn)介。采集數(shù)字圖象需要兩種裝置。一種是對(duì)某個(gè)電磁能量譜波段敏感的物理器件，它能產(chǎn)生與所接受到的電磁能量成正比的模擬電信號(hào)。另一種稱為數(shù)字化器，它能將上述模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字離散的形式。下面介紹這兩種裝置的常用器件。固態(tài)陣列是由稱為感光基元的離散硅成像元素構(gòu)成的。這樣的感光基元能產(chǎn)生與所接受的輸入光強(qiáng)成正比的輸出電壓。固態(tài)陣列中主要元件是電荷藕合器件CCD。這個(gè)傳感器由一行感光基元，兩個(gè)定時(shí)的將感光基元中的內(nèi)容傳給傳輸寄存器的傳輸門，以及一個(gè)定時(shí)的將傳輸寄存器中的內(nèi)容傳給放大器的輸出門構(gòu)成。放大器輸出的電壓信號(hào)與感光基元行的內(nèi)容成比例。電荷藕合平面陣列的工作原理與線陣相似，但感光基元排列成一個(gè)矩陣形式并由傳輸門和平面掃描圖像顯示模塊的結(jié)果主要用于顯示給人看。對(duì)圖象分析來(lái)說(shuō)，分析的結(jié)果也可以解析系統(tǒng)的主要顯示設(shè)備是電視顯示器。輸入顯示器的圖象也可以通過(guò)硬拷控制。在每個(gè)偏轉(zhuǎn)位置，電子槍束的強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)便方法是利用標(biāo)準(zhǔn)輸寄存器隔開(kāi)。先將奇數(shù)列感光基元的內(nèi)容順序送進(jìn)垂直傳輸寄存器，然后再送進(jìn)水平傳輸寄存器。把水平傳輸寄存器的內(nèi)容送進(jìn)放大器就得到1幀隔行的視頻信號(hào)。對(duì)偶數(shù)列感光基元重復(fù)以上過(guò)程就可得到另1幀隔行的視頻信號(hào)。將2幀合起來(lái)就得到隔行掃描電視的1場(chǎng)(?)。現(xiàn)在常用的線掃描CCD一般有512到4096個(gè)象素或更多，而4096 X 4096個(gè)象素的掃描CCD也已在使用。數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量是相當(dāng)龐大的，一幅512 X 512個(gè)像素的數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量為256K字節(jié)，若假設(shè)每秒傳輸25幀圖像。高信道速率意味著投資高普及難度。因此，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)的壓縮主要通過(guò)圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮完成。圖像數(shù)據(jù)編碼一般采用預(yù)測(cè)編碼，即將圖像數(shù)據(jù)的空間變化規(guī)律和序列變化規(guī)律用一個(gè)預(yù)測(cè)公式表示，如果知道了某一像素的前面各相鄰像素值之后，可以用公式預(yù)測(cè)該像素值。采用預(yù)測(cè)編碼，一般只需傳輸圖像數(shù)據(jù)的起始值和預(yù)測(cè)誤差，因此可將8比特/像素壓縮到2比特/像素。變換壓縮方法是將整幅圖像分成一個(gè)個(gè)小的(取8 X 8或16 X 16)數(shù)據(jù)塊，再將這些數(shù)據(jù)塊分類、變換、量化，從而構(gòu)成自適應(yīng)的變換壓縮系統(tǒng)。該方法可將一幅圖像的數(shù)據(jù)壓縮到為數(shù)不多的幾十個(gè)特傳輸，在接收端再變換回去即可。對(duì)圖像的處理和分析一般可用算法的形式描述，而大多數(shù)的算法可以用軟件實(shí)現(xiàn)，只有在為了提高速度或克服通用計(jì)算機(jī)限制的情況下才用特制的硬件。進(jìn)入90年代尤其是21世紀(jì)后，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線兼容的可以插入微機(jī)或工作站的圖像卡。這不僅減少了成本，也促進(jìn)了圖象處理和分析專用軟件的發(fā)展。這些圖像卡包括用于圖象數(shù)字化和臨時(shí)存儲(chǔ)的圖像采集卡，用于以視頻速度進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的算術(shù)邏輯單元，以及前面提到的幀緩存。圖象處理和分析中的一個(gè)重要事實(shí)是對(duì)特殊的問(wèn)題需要特殊的解決方法。機(jī)器視覺(jué)是一個(gè)相當(dāng)新興的研究領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)發(fā)展到現(xiàn)在已有15年的歷史。機(jī)器視覺(jué)作為一種應(yīng)用系統(tǒng)，其功能特點(diǎn)是隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展而逐漸完善和發(fā)展的。人們從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別，60年代Roberts始進(jìn)行三維機(jī)器視覺(jué)的研究，70年代中，MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室正式開(kāi)設(shè)機(jī)器視覺(jué)課程，80年代開(kāi)始，開(kāi)始了全球性的研究熱潮，機(jī)器視覺(jué)獲得了蓬勃發(fā)展，新概念、新理論不斷涌現(xiàn)。、組成及特點(diǎn) 機(jī)器視覺(jué)是將圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等眾多學(xué)科高度集成和有機(jī)結(jié)合，而形成的一門綜合性的技術(shù)。一般地說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)是研究計(jì)算機(jī)或其他處理器模擬生物宏觀視覺(jué)功能的科學(xué)和技術(shù)，也就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成如圖21。有照明部分、圖像獲取部分、圖像顯示部分和圖像處理部分。一般采用CCD攝像頭攝取檢測(cè)圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并由此實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別、坐標(biāo)計(jì)算、灰度分布圖等多種功能。然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖像，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。成像系統(tǒng)光源主機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)場(chǎng)景圖像描述反饋圖21 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。有不少學(xué)科的研究目標(biāo)與機(jī)器視覺(jué)相近或者相關(guān)，這些學(xué)科中包括圖像處理、模式識(shí)別或圖像識(shí)別、圖像理解等。由于歷史發(fā)展或領(lǐng)域本身的特點(diǎn)，這些學(xué)科有某種程度的相互重疊。但是，機(jī)器視覺(jué)與其他學(xué)科又有著一定的區(qū)別，其特點(diǎn)是：綜合技術(shù)機(jī)器視覺(jué)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、電光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。這些技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)中是并列關(guān)系，相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個(gè)成功的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)工業(yè)可靠性機(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中惡劣的環(huán)境，有較高的容錯(cuò)能力和安全性，不會(huì)破壞工業(yè)產(chǎn)品。強(qiáng)調(diào)實(shí)用性機(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，要求有合理的性價(jià)比，要有通用的工業(yè)接口，能夠由普通工作來(lái)操作，必須有較強(qiáng)的通用性和可移植性。要求高速度和高精度由于機(jī)器視覺(jué)通常要求高速度和高精度，數(shù)字圖像處理中的許多新算法目前還難以應(yīng)用。因此，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于圖像處理理論的發(fā)展速度。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在高速、細(xì)微和重復(fù)的制造過(guò)程中顯得非?？煽?，因此被廣泛用于加工制造企業(yè)，完成大批量生產(chǎn)過(guò)程中的重復(fù)性檢測(cè)任務(wù)。機(jī)器視覺(jué)在質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用占整個(gè)工業(yè)應(yīng)用的近80%，其中最大的應(yīng)用行業(yè)為：汽車、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料等。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)是非接觸無(wú)損檢測(cè)，與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，它具有不可替代的優(yōu)越性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。利用線陣CCD配合包裝盒的一維運(yùn)動(dòng)獲取目標(biāo)圖像，然后由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，可以檢測(cè)日期編號(hào)等信息的遺漏和正確與否；以頻閃光作為照明光源，利用面陣或者線陣CDC作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測(cè)器件，實(shí)現(xiàn)熱軋螺紋鋼幾何參數(shù)在線測(cè)量；在各種產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)方面應(yīng)用也很多。 近年來(lái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)(即機(jī)器視覺(jué))的發(fā)展大致表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：基于幾何方法的計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)算理論體系已臻于完整計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究目標(biāo)之一是使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等。20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)界將對(duì)應(yīng)與射影幾何、仿射幾何、歐幾里得幾何的描述，系統(tǒng)地引進(jìn)視覺(jué)計(jì)算方法中，比較完美地對(duì)應(yīng)為視覺(jué)系統(tǒng)中對(duì)物體由粗到細(xì)的描述，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中降低了對(duì)攝像系統(tǒng)參數(shù)了解的要求，提高了系統(tǒng)對(duì)噪聲的魯棒性。機(jī)器學(xué)習(xí)方法受到越來(lái)越多的關(guān)注模式識(shí)別的所有領(lǐng)域始終存在基于結(jié)構(gòu)與基于統(tǒng)計(jì)的兩大分支。如果說(shuō)基于幾何的計(jì)算機(jī)視覺(jué)主要通過(guò)幾何，描述物體及其運(yùn)動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，屬于結(jié)構(gòu)方法，已得到較系統(tǒng)的研究；而在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的統(tǒng)計(jì)方法除較好地用于圖像的底層處理外，一直顯得不完善更不用說(shuō)系統(tǒng)化了。針對(duì)眾多特定領(lǐng)域的應(yīng)用研究不斷深入，較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)逐步走向商業(yè)化隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比飛速提高，眾多特定領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的商業(yè)化已成為可能。如利用指紋、虹膜、人臉、語(yǔ)音等識(shí)別技術(shù)、行為識(shí)別技術(shù)與運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)、多攝像機(jī)融合技術(shù)構(gòu)成視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于信息安全、智能交通、反恐防盜、身份鑒別等。第3章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是由CCD攝像頭、照明系統(tǒng)、圖像采集卡、機(jī)械裝置、主控計(jì)算機(jī)等部件組成，圖31為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其工作過(guò)程是：首先將工件送到CCD攝像頭視場(chǎng)內(nèi)；然后由成像系統(tǒng)和圖像采集卡將圖像采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)部；運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理以改善圖像質(zhì)量，從中提取感興趣的特征量；最后運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)取到得特征量進(jìn)行分類整理以完成系統(tǒng)的檢測(cè)。下面分別介紹系統(tǒng)的各部分的組成及工作原理。1 2 3 4 56 CCD攝像頭及照明系統(tǒng) 圖像采集卡 主控計(jì)算機(jī)分類機(jī)構(gòu) 工件 傳送裝置圖31 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3. 1 CCD攝像頭CCD是一種半導(dǎo)體成像器件，具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長(zhǎng)，抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是國(guó)產(chǎn)MTV1881EX型號(hào)的黑白攝像頭，它的工作方式是將被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)視頻捕捉卡濾波、放大處理，A/D轉(zhuǎn)換后形成視頻信號(hào)輸出。3. 2圖像采集卡本系統(tǒng)采用的是大恒PCIXR視頻捕捉卡，具有高品質(zhì)的視頻采集性能，具備高速PCI總線，采集頻率為3D幀/秒，顯示畫面流暢不間斷；顯示分辨率640X480。動(dòng)態(tài)捕捉影像以靜態(tài)圖像方式存盤，提供BMP，JPG，TIP，TGA等多種存盤格式。其工作