光電圖像檢測技術

1、光光電電圖圖像像檢檢測測技技術術指導老師：李指導老師：李 偉偉組組 員：田世隆員：田世隆 張張 波波 鄭明明鄭明明 張張 濤濤一、什么是光電檢測技術一、什么是光電檢測技術二、光電圖像檢測系統(tǒng)概述二、光電圖像檢測系統(tǒng)概述三、基于三、基于PC機的光電圖像檢測系統(tǒng)機的光電圖像檢測系統(tǒng)四、四、VFD技術技術五、嵌入式光電圖像檢測系統(tǒng)五、嵌入式光電圖像檢測系統(tǒng)六、基于六、基于ARM的火災檢測系統(tǒng)的火災檢測系統(tǒng)什么是光電圖像檢測什么是光電圖像檢測？光電圖像檢測技術光電圖像檢測技術：光電圖像檢測技術是以現(xiàn)代光學為基礎, 融光電子學、計算機圖形，圖像學、信息處理、計算機視覺等科學技術為一體的現(xiàn)代測量技術。圖像

2、信息是人類獲得外界信息的主要來源，圖像中蘊涵著對事物本質的描述，也是人類最易接受的表達形式。隨著計算機硬件性能的提高和軟件技術的發(fā)展，將計算機應用于近代光學測試領域，進行光學圖像信息的數(shù)字化處理、分析和表示，是測試技術向自動化、實時化、高精度、高效率發(fā)展的一個重要方向。圖像檢測技術是以現(xiàn)代光學為基礎，融光電子學、計算機圖形/圖形學、信息處理、計算機視覺等科學技術為一體的現(xiàn)代測量技術。它以光學系統(tǒng)所成圖像為信息載體，經(jīng)過A/D(D/A)轉換，利用計算機來分析采樣信號并從中提取可用信息，所得結果再以模擬或數(shù)字方式輸出。 光電圖像檢測系統(tǒng)：光電圖像檢測系統(tǒng)：光電圖像測量系統(tǒng)從硬件上包含了照明光源、光

3、學系統(tǒng)(含光學鏡頭)、光電傳感器及控制電路、視頻圖像采集處理、計算機及接口、顯示輸出設備、光具座、載物臺及其它各類附屬設備;從軟件角度，則是根據(jù)測量原理，設計適應操作系統(tǒng)的圖像分析算法.綜合而言，系統(tǒng)實際由光學成像、視頻信號處理、數(shù)字圖像處理、結果輸出、機械結構調節(jié)等五個環(huán)節(jié)構成。對動態(tài)測量，還應包括精密的伺服反饋控制環(huán)節(jié).下圖給出了圖像測量系統(tǒng)原理及構成環(huán)節(jié)框圖。 光電圖像檢測系統(tǒng)的特點光電圖像檢測系統(tǒng)的特點：光電圖像檢測系統(tǒng)是現(xiàn)代科學、國家現(xiàn)代化建設和人民生活中不可缺少地新技術，是光、機、電、計算機相結合地新技術，是最具有應用潛力地信息技術之一。 -高精度 -高速度 -遠距離、大量程 -非

4、接觸檢測 -壽命長 -具有很強地信息處理和運算能力，可將復雜信息并行處理從原理上來看具有以下3個特點：A. 從主觀光學發(fā)展成為客觀光學也就是用光電探測器來取代人眼，提高了測試準確度與測試效率；B. 用單色性、方向性、相干性和穩(wěn)定性都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)光源的新光源-激光，獲得方向性和穩(wěn)定性極好的光束，用于各種光電測試；C. 從光機結合的模式向光機電算一體化的模式轉換，充分利用計算機技術，實現(xiàn)測量及控制的一體化。從功能上來看具有以下從功能上來看具有以下3個特點：個特點：A. 從靜態(tài)測量向動態(tài)測量發(fā)展；B. 從逐點測量向全場測量發(fā)展；C. 從低速測量向高速測量發(fā)展，同時具有存儲和記錄功能?；诨赑C機光

5、電檢測結構圖機光電檢測結構圖：這個結構是非常簡潔的，硬件代價極低，由于借用了計算機的顯卡和顯示器，圖像系統(tǒng)可以不設置D/A電路，也不再添加昂貴的監(jiān)視器，高速圖像處理機甚至不另設置圖像幀存，隨著高檔計算機的普及，這種結構已經(jīng)非常流行圖象理解與計算機視覺近年來已在許多領域得圖象理解與計算機視覺近年來已在許多領域得到廣泛應用：到廣泛應用：工業(yè)視覺工業(yè)視覺：如工業(yè)檢測、工業(yè)探傷、自動生產(chǎn)流水線、郵政自動化、計算機輔助外科手術、顯微醫(yī)學操作；人機交互人機交互：如人臉識別、智能代理等；視覺導航視覺導航：如巡航導彈制導、無人駕駛飛機飛行、自動行駛車輛、移動機器人、精確制導等；虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實：如飛機駕駛員訓

6、練、醫(yī)學于術模擬、場景建模、戰(zhàn)場環(huán)境表示等圖像自動解釋：包括對放射圖像、顯微圖像、遙感多波段圖像、合成孔徑雷達圖像像自動解釋：包括對放射圖像、顯微圖像、遙感多波段圖像、合成孔徑雷達圖像；對人類視覺系統(tǒng)和機理、入腦心理和生理的研究等；對人類視覺系統(tǒng)和機理、入腦心理和生理的研究等；計算機視覺圖像檢測系統(tǒng)的舉例及應用 計算機視覺中一項理論意義與實際價值兼?zhèn)涞闹匾n題，對煙火事故的消防安全具有重要的實際意義。隨著火焰視覺特征模型的不斷完善，火焰檢測方法的研究得到發(fā)展。 基于傳統(tǒng)檢測方法的火災探測裝置，主要是基于傳感器檢測技術設計的，即利用感煙、感溫、感光等傳感器對火焰的煙霧、溫度、光等信息進行采集，并

7、利用這些特性來對火災進行探測。此種裝置存在一定的缺陷：一方面，它利用傳感器對監(jiān)控現(xiàn)場煙霧濃度、溫度、火焰等敏感現(xiàn)象的實時變化進行檢測，提取實時參數(shù)，因此傳感器的性能優(yōu)劣直接會影響火災自動報警的準確度和可靠性。另一方面，在室外倉庫和大型室內倉庫等大空間場合中，火災初期產(chǎn)生的熱量和煙霧難以到達很高的空間，從而傳感器信號由于空間的巨大而變得十分微弱。即使是高精度的傳感器也會由于種種干擾噪聲而無法工作，因此無法進行火災的早期探測及準確報警。常規(guī)檢測器傳統(tǒng)的煙火監(jiān)測器不可避免地存在一些局限性： -適用空間有限 -缺失過程信息 -快反能力有限 -成本高、通用和擴展能力有限VFD技術技術 近年來，視頻監(jiān)視設

8、備的日益普及與視頻圖像處理技術的發(fā)展極大地推動了視頻火焰檢測(VideoFire DetectionVFD)系統(tǒng)的研究和應用。對于視覺信息，人們可以直接利用標準的視頻相機實現(xiàn)場景圖像的實時采集和在線監(jiān)視，并在燃燒生成的熱和煙等發(fā)展到足以觸發(fā)常規(guī)檢測器之前，就可以通過計算機視覺的處理方法盡早地探測潛在的火源。近年來，隨著各種監(jiān)視相機在室內外公共場所的普及，VFD備受關注。VFD技術的優(yōu)勢與特點技術的優(yōu)勢與特點 VFD系統(tǒng)能提供許多常規(guī)檢測器不具備的優(yōu)勢和特點： -直觀主動的探測能力 -空間場所的普適性 -遠程實時的在線快速反應與離線分析能力 -廉價、通用和可擴能力的兼?zhèn)?-對其他傳感器的融合性支

9、持VFD結構結構 依據(jù)火焰特征的層級描述，整個框架分信號特征、空間結構、時序變化和目標事件4個層次：VFD發(fā)展 基本的火焰監(jiān)測VFD系統(tǒng)一般包括視頻采集、火燃檢測與決策、實時報警、信息分析和鑒定、監(jiān)視顯示終端和控制工作站等組成單元。目前國內外已投入實用的監(jiān)測產(chǎn)品中，單純的VFD系統(tǒng)還很少，多數(shù)是對原有常規(guī)系統(tǒng)的可視化改造。隨著計算視覺技術的優(yōu)越性日益突現(xiàn)，越來越多的煙火監(jiān)測器向以視頻監(jiān)視為平臺，以機器視覺為核心，融合多源探測信息，智能化遠程監(jiān)控與早期預警相結合的綜合性系統(tǒng)發(fā)展。VFD實例實例嵌入式光電圖像檢測系統(tǒng)嵌入式光電圖像檢測系統(tǒng)定義定義：嵌入式圖像檢測系統(tǒng)是指以圖像信號為檢測和處理對象的

10、高速專用實時檢測處理系統(tǒng)。 主要有兩大特點：-嵌入式（針對特定需求具體定制）-檢測信號為圖像信息 一般由三部分組成：a. 目標圖像采集b. 分析和處理c. 結果輸出嵌入式光電圖像檢測系統(tǒng)嵌入式光電圖像檢測系統(tǒng) 圖像信號一般由CCD、CMOS、CIS、硅光電池等圖像傳感器采集。 處理和分析部分由嵌入式微處理器及外圍硬件構成。早期的微處理器一般為單片機，目前主要是使用ARM、DSP、FPGA等高速微處理器芯片。結果輸出是指把目標圖像的處理分析結果根據(jù)要求通過指定接口發(fā)送到相應的執(zhí)行機構進行下一步動作。應用領域應用領域主要應用于物體的非接觸式外觀形貌檢測和尺寸測量，有以下典型應用： -IC印刷電路板

11、的檢查 -金融票據(jù)圖像真?zhèn)舞b別 -藥片緩釋孔尺寸檢測 -螺絲釘、連接器等沖壓件質量的高速在線檢測 -大米、珍珠、煙草等的質量檢測 -紙、玻璃等平片狀物體的檢測 -齒輪等機械零件的檢查 -貨物包裝的外觀檢查發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀在國外，嵌入式圖像檢測系統(tǒng)起步較早，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了一個相對比較成熟的領域。專業(yè)的嵌入式圖像檢測設備生產(chǎn)廠商主要有DVT、PPT、Matrox、Coreco和Omron等。其產(chǎn)品集成度高，檢測速度高，其檢測算法有通用性，可以根據(jù)具體的應用需求定制不同的檢測流程，其檢測性能和速度都已經(jīng)達到了很高的水準。以檢測沖壓螺絲釘為例，國外的產(chǎn)品如DVT公司的嵌入式系統(tǒng)可以做到每分鐘1000

12、0個左右的檢測速度。在國內，由于技術力量等原因，嵌入式圖像檢測行業(yè)還處于起步階段，自有技術的嵌入式圖像檢測系統(tǒng)幾乎為零。目前國內圖像檢測的自有產(chǎn)品幾乎全部集中于板卡式設備，即采用攝像頭、圖像采集卡加上計算機，應用軟件需要客戶自行編制。這樣帶來的問題是硬件體積龐大且靈活性差；軟件重復勞動，算法水平和代碼執(zhí)行效率低下。同樣以檢測沖壓螺絲釘為例，國內產(chǎn)品檢測速度只能達到每分鐘600個左右。國內需求狀況國內需求狀況 -隨著工業(yè)化生產(chǎn)技術水平的進步，生產(chǎn)效率不斷提高，市場需求巨大。 -國外同類產(chǎn)品價格昂貴，通常每套檢測設備都在價格幾十萬至上百萬人民幣，非國內一般企業(yè)所能承受。 -核心技術掌握在外國人手中

13、，對國家安全構成威脅。 因此，研發(fā)自有知識產(chǎn)權的嵌入式圖像檢測系統(tǒng)具有非常現(xiàn)實和積極的意義。嵌入式圖像檢測原理嵌入式圖像檢測原理 嵌入式圖像檢測系統(tǒng)是指以圖像信號為檢測和處理對象的高速專用實時嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨立功能的專用計算機系統(tǒng)。它由包括微處理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片與器件和嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)、控制應用軟件組成，共同實現(xiàn)諸如實時控制、監(jiān)視、管理、移動計算、數(shù)據(jù)處理等各種自動化處理任務。系統(tǒng)的組成及原理系統(tǒng)的組成及原理系統(tǒng)硬件組成框圖如下圖所示。它主要由圖像采集部分、CPLD邏輯控制器、圖像信號處理和傳輸?shù)炔糠纸M成。嵌入式系統(tǒng)結構嵌

14、入式系統(tǒng)結構 廣義而言，計算機可以作為某種技術過程的核心處理環(huán)節(jié)，直接與真實世界自然地接口與互動，按照環(huán)境事件的節(jié)拍主動、協(xié)調地做出響應，也就是“嵌入”到了一個技術過程中。成為一種嵌入式計算機。實現(xiàn)這種技術過程的系統(tǒng)就可看成嵌入式系統(tǒng)。在大系統(tǒng)中，嵌入式計算機不一定是可見的； 狹義而言，人們一般將埋藏在宿主設備中的專用的、使用者看不見的微處理器系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。常見的單片機系統(tǒng)就是一種典型的初級的嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)將先進的半導體技術、計算機技術和電子技術以及各個行業(yè)的具體應用相結合，是技術密集、資金密集、高度分散和不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)； 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對硬件和軟件進行裁剪

15、，以滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積和功耗等要求。 比較好的發(fā)展模式是：首先建立相對通用的硬件和軟件基礎，然后開發(fā)出適應各種需要的嵌入式系統(tǒng)。 作為專用計算機系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)比較具有以下特點特點：(1)及時響應；(2)并行處理；(3)專用性強；(4)多樣性；(5)技術密集；(6)專門開發(fā)工具支持；(7)實時操作系統(tǒng)支持。 嵌入式系統(tǒng)是集軟件、硬件于一體的高可靠性系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)麻雀雖小，五臟俱全。 軟件除操作系統(tǒng)外，還需有完成嵌入式系統(tǒng)功能的應用軟件； 硬件除了CPU外，還需有外圍電路支持，微處理器、微控制器、DSP已構成嵌入式系統(tǒng)硬件的基礎。嵌入式系統(tǒng)硬件基礎嵌入式系統(tǒng)

16、硬件基礎 嵌入式系統(tǒng)的核心就是嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種已有上千種之多。實際上，幾十年來，各種4、8、16、32和64位的處理器在嵌入式系統(tǒng)中都有廣泛應用。常用的微處理器分為以下幾類： 嵌入式微處理器EMPU 嵌入式微控制器MCU 嵌入式DSP處理器EDSP嵌入式系統(tǒng)軟件基礎嵌入式系統(tǒng)軟件基礎 眾所周知通用操作系統(tǒng)(如Microsoft Windows系列的操作系統(tǒng))并不適合直接應用在嵌入式系統(tǒng)上，為了適應嵌入式系統(tǒng)的需要，必須在整個系統(tǒng)的軟件架構中引入嵌入式操作系統(tǒng)。 現(xiàn)在許多嵌入式系統(tǒng)要勝任的工作越來越復雜，需要采用32位的嵌入式處理器，這樣嵌入式操作系統(tǒng)就成為嵌

17、入式系統(tǒng)設計中必不可少的一個環(huán)節(jié)。 在逐漸變得復雜的嵌入式系統(tǒng)中采用成熟的嵌入式操作系統(tǒng)成為更好的解決方案，如嵌入式Linux、VxWorks、pSOS、WinCE、DeltaOS、uCOS、TinyOS等等。嵌入式正在研究的方向嵌入式正在研究的方向 在嵌入式系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境方面，目前仍有許多問題尚在研究發(fā)展之中，如嵌入式系統(tǒng)的硬件軟件協(xié)同設計方法；面向多目標，多任務的微內核嵌入式操作系統(tǒng)；分布嵌入式系統(tǒng)的實時性問題，分布式計算，分布式信息交互與綜合處理；以及嵌入式系統(tǒng)的多目標交叉編譯和交叉調試工具的研究等。基于基于ARM的火災探測系統(tǒng)的火災探測系統(tǒng)系統(tǒng)的體系結構系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計基于AR

18、M處理平臺的火災探測系統(tǒng)由3個部分組成： -ARM微處理器平臺 -USB攝像頭圖像采集模塊 -GSM遠程報警模塊經(jīng)過資料收集和反復比較，最終選擇了Samsung公司推出的基于ARM920T 內核的S3C2440A 處理器。S3C2440A處理器是基于ARM920T處理器核，采用0.18m制造工藝的32位微控制器，采用5級流水線和哈佛結構，最高運行頻率為400MHz。S3C2440A提供了一套較完整的通用外圍設備，且使整個系統(tǒng)的功耗低，從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線路板的面積。系統(tǒng)的硬件結構系統(tǒng)的硬件結構系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 定制操作系統(tǒng)：在主控制器上創(chuàng)建一個基于WindowsCENET的嵌入式操作系統(tǒng)平臺，首先需要根據(jù)目標設備的硬件配WindowsCENET進行定制，安裝或創(chuàng)建設備驅動程序，生成一個基于目標設備的硬件配置的操作系統(tǒng)映像文件。 本系統(tǒng)利用Platform Builder4.2并根據(jù)目標平臺的硬件配置對WindowsCE操作系統(tǒng)進行定制，刪除了在所開發(fā)的系統(tǒng)中不需要的功能模塊， 并以流接口驅動的模式在Platform Builder下開發(fā)了ZC301PLH攝像頭的winCE驅動，生成WinCE映像文件，并移植到硬件平臺。同時，利用Platform Builder導出了在該平臺上開發(fā)應用程序所需的SDK。系統(tǒng)軟件結構系統(tǒng)