【正文】 第 7章 視覺傳感技術(shù) ? 概述 ? 生物視覺與機(jī)器視覺 ? Marr 計(jì)算機(jī)視覺理論 ? 視覺傳感技術(shù)的發(fā)展 生物視覺與機(jī)器視覺 所謂 視覺 ，直觀理解就是通過對環(huán)境場景（組成成分、空間關(guān)系、質(zhì)地質(zhì)感等）成像，一次性得到包含大量場景信息的“圖、像”，經(jīng)過分層次處理，最終達(dá)到理解和表達(dá)的目的。 生物視覺 功能建立在生物組織、器官的基礎(chǔ)上。環(huán)境場景通過成像器官（眼睛）成像，視覺神經(jīng)感受到亮度信號，形成神經(jīng)脈動，進(jìn)而傳輸至中樞神經(jīng)系統(tǒng)（大腦），上述路徑構(gòu)成視覺通路。生物視覺系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大、高度智能的信息系統(tǒng)。 生物視覺與機(jī)器視覺 借助于信息處理理論、電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們試圖用攝像機(jī)獲取環(huán)境場景圖像，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號，由計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行視覺信息處理，由此誕生一門新興學(xué)科－ 計(jì)算機(jī)視覺 。 生物視覺與機(jī)器視覺 出于工程應(yīng)用的考慮，在計(jì)算機(jī)視覺中可以將視覺傳感（信息獲?。⒁曈X信息處理、理解和認(rèn)知等環(huán)節(jié)分開考慮，一方面簡化了類生物視覺系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)便于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)平臺的實(shí)現(xiàn)。將計(jì)算機(jī)視覺用于工程應(yīng)用，產(chǎn)生了一門新的學(xué)科－ 機(jī)器視覺 。 Marr 計(jì)算機(jī)視覺理論 20世紀(jì) 70年代中后期， ，綜合了當(dāng)時(shí)圖像處理、心理物理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)及臨床精神病學(xué)等方面的研究成果，提出了一個(gè)較為完善的人工視覺系統(tǒng)架構(gòu)。 Marr的計(jì)算視覺理論把視覺過程看作信息處理過程， 對該過程的研究分為三個(gè)不同的層次： ? 計(jì)算理論層次 —— 計(jì)算理論層次要回答的是計(jì)算目的與策略問題 ? 表達(dá)與算法層次 —— 表達(dá)與算法層次則進(jìn)一步回答如何實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算理論的問題 ? 硬件實(shí)現(xiàn)層次 —— 硬件實(shí)現(xiàn)層次是回答如何物理（硬件）上實(shí)現(xiàn)上述表示表達(dá)和算法的問題 Marr 計(jì)算機(jī)視覺理論 Marr將視覺過程區(qū)分為三個(gè)階段： 圖像－ 要素圖－ 三維表示 第一階段，稱為早期視覺，由輸入二維圖像獲得要素圖。 第二階段，稱為中期視覺，由要素圖獲取 。 第三階段，稱為后期視覺，由輸入圖像、要素圖和 環(huán)境場景的三維表示。 缺陷 1）物理成像過程在數(shù)學(xué)上是一個(gè)透視投影過程，深度和被視線遮擋的信息被丟棄了，使得相同場景在不同視角下得到的二維圖像是完全不同的； 2）二維圖像是依靠圖像灰度（亮度）來反映視覺信息的，在成像過程中很多無關(guān)因素都會和有用信息綜合在一起生成二維圖像。 視覺傳感技術(shù)的發(fā)展 ?由圖像信息恢復(fù)三維場景問題 Marr的視覺計(jì)算理論是通過三維場景映射到的二維圖像來研究和感知場景三維物理結(jié)構(gòu)的理論，強(qiáng)調(diào)的是識別和理解功能，側(cè)重于基本理論研究；而視覺傳感則是從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，研究定量提取三維空間內(nèi)有用信息的理論和方法。 ?精度問題 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺研究，側(cè)重于定性的三維場景識別和理解，定量的精度分析很少涉及或不涉及；視覺傳感測量則是以計(jì)算機(jī)視覺為理論基礎(chǔ)，結(jié)合精密測量、測試?yán)碚摚鉀Q工程應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的測量問題，要求在滿足一定的精度前提下，實(shí)現(xiàn)被測對象的可靠測量。 視覺傳感與計(jì)算機(jī)視覺的區(qū)別 視覺傳感技術(shù)的發(fā)展 視覺傳感應(yīng)用于測量是多方面的，一個(gè)主要的研究領(lǐng)域就是基于視覺傳感的幾何量測量 ― 視覺測量 ，尤其是 3D坐標(biāo)尺寸測量 ，在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用背景。 視覺像機(jī) 是視覺測量的 基礎(chǔ) 。視覺像機(jī)技術(shù)一直在迅速發(fā)展，成本不斷降低，為高性能視覺測量系統(tǒng)的開發(fā)和普及應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 視覺傳感技術(shù)的發(fā)展 ?視覺測量的 分析方法 發(fā)生顯著變化 ； 、設(shè)備和技術(shù)引入到計(jì)算機(jī)視覺中； 。 ?視覺測量的 應(yīng)用范圍 不斷擴(kuò)大 早期主要用于特定的、有非接觸要求的場合；現(xiàn)今可以滿足絕大多數(shù)工業(yè)測量需求。 圖像傳感器 ? 攝像管工作原理 ? 電荷耦合攝像器件工作原理 ? CMOS圖像傳感器 ? CCD圖像傳感器 典型的光電攝像管包含三個(gè)基本部分，鑲嵌板、集電環(huán)和電子槍。當(dāng)光線照在光電管上，電子被打出，投影在鑲嵌板上的圖像將變成一幅正電荷的分布圖。集電環(huán)收集光電管所放出的電子，移出光電發(fā)像管電子槍發(fā)射電子形成電子束。電子束逐個(gè)掃描鑲嵌板上的個(gè)光電管時(shí)，便形成一系列電脈沖。 攝像管工作原理 電荷耦合攝像器件工作原理 電荷耦合器件 CCD（ Charge Coupled Device）傳感器使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光信號轉(zhuǎn)變成電荷信號。當(dāng) CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會將電荷反映在組件上；所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 ?CCD的 突出特點(diǎn) 就是以電荷作為信號。 ?CCD的 基本功能 是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測 (即輸出 )。 電荷耦合攝像器件工作原理 當(dāng)光入射到 CCD的光敏面時(shí)，便產(chǎn)生了光電荷。 CCD在某一時(shí)刻所獲得的光電荷與前期所產(chǎn)生的光電荷進(jìn)行累加，稱為電荷積分。入射光越強(qiáng)，通過電荷積分所得到的光電荷量越大。 基本功能一 光電荷的產(chǎn)生 構(gòu)成 CCD的基本單元是 MOS結(jié)構(gòu)。如圖 71所示， UG=0時(shí)， P型半導(dǎo)體中的空穴 (多數(shù)載流子 )的分布是均勻的； UG Uth時(shí)，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)； UG Uth時(shí)，表面勢 Φs變得很高，形成反型層，反型層電荷的存在表明了 MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。 基本功能二 電荷的存儲 電荷耦合攝像器件工作原理 如圖 72(a)空勢阱的情況 。 在沒有反型層時(shí) ， 勢阱的深度和 UG成正比例關(guān)系 。 如圖 72(b)， 當(dāng)反型層電荷填充勢阱時(shí) ，表面勢收縮 ， 如圖 72(c)所示 ， 反型層電荷濃度繼續(xù)增加 ， 勢阱被填充更多 ， 此時(shí)表面不再束縛多余的電子 ， 電子將產(chǎn)生 “ 溢出 ” 現(xiàn)象 。 電荷耦合攝像器件工作原理 通過按一定的時(shí)序在電極上施加高低電平，可以實(shí)現(xiàn)光電荷在相鄰勢阱間的轉(zhuǎn)移 。 如圖 73來示意 CCD中勢阱中電荷的轉(zhuǎn)移： (a) 初始狀態(tài)； (b) 電荷由 (1)電極向 (2)電極轉(zhuǎn)移； (c) 電荷在 (1) (2)電極 下均勻分布； (d) 電荷繼續(xù)由 (1)電 極向 (2)電極轉(zhuǎn)移； (e) 電荷完全轉(zhuǎn)移到 (2) 電極； (f) 三相轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移。 基本功能三 電荷的轉(zhuǎn)移 電荷耦合攝像器件工作原理 光電荷的輸出是指在光電荷轉(zhuǎn)移通道的末端，將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出，也稱為光電荷的檢測。 CCD電荷的檢出方式還有浮置擴(kuò)散輸出、浮置柵放大器輸出等。其結(jié)構(gòu)示意如圖 7圖 77所示。 基本功能四 光電荷的輸出 CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器 線陣 CCD 傳感器 面陣 CCD 傳感器 單溝道線陣 CCD 雙溝道線陣 CCD 幀轉(zhuǎn)移型面陣 CCD電荷耦合器件 行間轉(zhuǎn)移型面陣 CCD電荷耦合器件 幀 行轉(zhuǎn)移型面陣 CCD電荷耦合器件 CCD圖像傳感器 圖 78所示是 三相單溝道線陣 CCD的結(jié)構(gòu)圖 。 光敏元陣