機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)-圖像處理美國TEO迪奧科技一家專業(yè)從事機(jī)器視覺系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)的制造商，與熱愛機(jī)器視覺的朋友分享機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像處理。機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。一、 圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計算機(jī)處理的一系列數(shù)據(jù)，它主要由三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號。1、 照明照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。過去，許多工業(yè)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個100小時內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護(hù)屏的方法，減少環(huán)境光的影響。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，照像機(jī)拍攝要求與光源同步。2、 圖像聚焦形成被測物的圖像通過一個透鏡聚焦在敏感元件上，如同照像機(jī)拍照一樣。所不同的是照像機(jī)使用膠卷，而機(jī)器視覺系統(tǒng)使用傳感器來捕捉圖像，傳感器將可視圖像轉(zhuǎn)化為電信號，便于計算機(jī)處理。選取機(jī)器視覺系統(tǒng)中的攝像機(jī)應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用的要求，其中攝像機(jī)的透鏡參數(shù)是一項重要指標(biāo)。透鏡參數(shù)分為四個部分：放大倍率、焦距、景深和透鏡安裝。3、 圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號機(jī)器視覺系統(tǒng)實際上是一個光電轉(zhuǎn)換裝置，即將傳感器所接收到的透鏡成像，轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能處理的電信號、攝像機(jī)可以是電子管的，也可是固體狀態(tài)傳感單元。二、 圖像處理技術(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機(jī)對圖像進(jìn)行分析、處理和識別。1、 圖像的增強(qiáng)圖像的增強(qiáng)用于調(diào)整圖像的對比度，突出圖像中的重要細(xì)節(jié)，改善視覺質(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)計特性圖表，與對比度緊密相連。通常，在計算機(jī)中表示的一幅二維數(shù)字圖像可表示為一個矩陣，其矩陣中的元素是位于相應(yīng)坐標(biāo)位置的圖像灰度值，是離散化的整數(shù)，一般取0，1，……，255。這主要是因為計算機(jī)中的一個字節(jié)所表示的數(shù)值范圍是0?255。另外，人眼也只能分辨32個左右的灰度級。所以，用一個字節(jié)表示灰度即可。但是，直方圖僅能統(tǒng)計某級灰度像素出現(xiàn)的概率，反映不出該像素在圖像中的二維坐標(biāo)。因此，不同的圖像有可能具有相同的直方圖。通過灰度直方圖的形狀，能判斷該圖像的清晰度和黑白對比度。如果獲得一幅圖像的直方圖效果不理想，可以通過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，實現(xiàn)使圖象清晰的目的。2、 圖像的平滑圖像的平滑處理技術(shù)即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實際成像過程中，因成像設(shè)備和環(huán)境所造成的圖像失真，提取有用信息。眾所周知，實際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過程中，不可避免地存在著外部干擾和內(nèi)部干擾，如光電轉(zhuǎn)換過程敏感元件靈敏度的不均勻性、數(shù)字化過程的量化噪聲、傳輸過程中的誤差以及人為因素等，均會使圖像變質(zhì)。因此，去除噪聲，恢復(fù)原始圖像是圖像處理中的一個重要內(nèi)容。3、 圖像的數(shù)據(jù)編碼和傳輸數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量是相當(dāng)龐大的，一幅512*512個像素的數(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，則傳輸?shù)男诺浪俾蕿?2.4M比特/秒。高信道速率意味著高投資，也意味著普及難度的增加。因此，傳輸過程中，對圖像數(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)律用一個預(yù)測公式表示，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)測該像素值。采用預(yù)測編碼，一般只需傳輸圖像數(shù)據(jù)的起始值和預(yù)測誤差，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個小的（一秀取8*8或16*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)不多的幾十個特傳輸，在接收端再變換回去即可。4、 邊緣銳化圖像邊緣銳化處理主要是加強(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或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測出來的目的。它是早期視覺理論和算法中的基本問題，也是中期和后期視覺成敗的重要因素之一。5、 圖像的分割圖像分割是將圖像分成若干部分，每一部分對應(yīng)于某一物體表面，在進(jìn)行分割時，每一部分的灰度或紋理符合某一種均勻測度度量。某本質(zhì)是將像素進(jìn)行分類。分類的依據(jù)是像素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間特性或紋理特性等。圖像分割是圖像處理技術(shù)的基本方法之一，應(yīng)用于諸如染色體分類、景物理解系統(tǒng)、機(jī)器視覺等方面。圖像分割主要有兩種方法：一是鑒于度量空間的灰度閾值分割法。它是根據(jù)圖像灰度直方圖來決定圖像空間域像素聚類。但它只利用了圖像灰度特征，并沒有利用圖像中的其它有用信息，使得分割結(jié)果對噪聲十分敏感；二是空間域區(qū)域增長分割方法。它是對在某種意義上（如灰度級、組織、梯度等）具有相似性質(zhì)的像素連通集構(gòu)成分割區(qū)域，該方法有很好的分割效果，但缺點是運(yùn)算復(fù)雜，處理速度慢。其它的方法如邊緣追蹤法，主要著眼于保持邊緣性質(zhì)，跟蹤邊緣并形成閉合輪廓，將目標(biāo)分割出來；錐體圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法和標(biāo)記松弛迭代法同樣是利用像素空間分布關(guān)系，將邊鄰的像素作合理的歸并。而基于知識的分割方法則是利用景物的先驗信息和統(tǒng)計特性，首先對圖像進(jìn)行初始分割，抽取區(qū)域特征，然后利用領(lǐng)域知識推導(dǎo)區(qū)域的解釋，最后根據(jù)解釋對區(qū)域進(jìn)行合并。6、圖像的識別圖像的識別過程實際上可以看作是一個標(biāo)記過程，即利用識別算法來辨別景物中已分割好的各個物體，給這些物體賦予特定的標(biāo)記，它是機(jī)器視覺系統(tǒng)必須完成的一個任務(wù)。按照圖像識別從易到難，可分為三類問題。第一類識別問題中，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地物的一定光譜波段的反射特性，通過它即可判別出該地物的種類。第二類問題中，待識別物是有形的整體，二維圖像信息已經(jīng)足