機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)

1、圖像采集技術(shù)——機(jī)器視覺的基礎(chǔ)

圖像采集部分一般由光源、鏡頭、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡構(gòu)成。采集過程可簡(jiǎn)單描述為在光源提供照明的條件下，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝目標(biāo)物體并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，最后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。在設(shè)計(jì)圖像采集部分時(shí)，要考慮到多方面的問題，主要是關(guān)于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、圖像采集卡和光源方面的問題。

（1）光源照明

照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，其直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。到目前為止，還未有哪種機(jī)器視覺照明設(shè)備能通用各種應(yīng)用，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需針對(duì)應(yīng)用選擇相應(yīng)的照明設(shè)備以滿足特定需求。

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，背向照明是指將被測(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，以提高圖像的對(duì)比度。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測(cè)物上，并根據(jù)其產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)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，攝像機(jī)拍攝要求與光源同。



（2）光學(xué)攝像頭

光學(xué)攝像頭的任務(wù)就是進(jìn)行光學(xué)成像，一般在測(cè)量領(lǐng)域都又專門的用于測(cè)量的攝像鏡頭，因?yàn)槠鋵?duì)成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用。攝像頭需要注意的一個(gè)問題是畸變。這個(gè)就需要使用相應(yīng)的畸變校正方法，目前也開發(fā)出了很多自動(dòng)畸變自動(dòng)校正系統(tǒng)。

（3）CCD 攝像機(jī)及圖像采集卡

CCD( Charge Coupled Device) 攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對(duì)目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前 CCD，CMOS等固體器件的應(yīng)用技術(shù)，線陣圖型敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數(shù)量不斷增加，像元電荷傳輸速率也得到大幅提高。在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照來完成圖像的采集與數(shù)字化，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。

圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口為：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等形式。

2、圖像處理與分析——機(jī)器視覺的核心

用于機(jī)器視覺的圖像處理與分析方法的核心是，解決目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別問題。當(dāng)所需要識(shí)別的目標(biāo)比較復(fù)雜時(shí)，就需要通過幾個(gè)環(huán)節(jié)，從不同的側(cè)面綜合來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別提取的時(shí)候，首先是要考慮如何自動(dòng)地將目標(biāo)物從背景中分離出來。目標(biāo)物提取的復(fù)雜性一般就在于目標(biāo)物與非目標(biāo)物的特征差異不是很大，在確定了目標(biāo)提取方案后，就需要對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行增強(qiáng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，圖像信息處理工作越來越多地借助硬件完成，如 DSP 芯片、專用的圖像信號(hào)處理卡等。軟件部分主要用來完成算法中并不成熟又較復(fù)雜或需不斷完善改進(jìn)的部分。這一方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

機(jī)器視覺技術(shù)遇到的問題

對(duì)于人類來說，識(shí)別和理解周圍場(chǎng)景是一件非常容易的事，但對(duì)于機(jī)器人來說，卻是一件很困難的事。主要困難有一下幾個(gè)方面：

（1） 穩(wěn)定性問題

現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境因素是多變的，場(chǎng)景中的諸多因素，包括照明、物體形狀、表面顏色、攝像機(jī)以及空間關(guān)系變化都會(huì)對(duì)生成的圖像有影響。比如用于智能交通檢測(cè)的設(shè)備，如何保證其在惡劣天氣下依舊保持較高的穩(wěn)定性就是一個(gè)很難解決的問題。

（2）構(gòu)造出性能良好的識(shí)別算法

圖像處理與分析技術(shù)是機(jī)器視覺的核心，所以構(gòu)造出一個(gè)良好的、適應(yīng)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的識(shí)別算法顯得尤為重要。而且現(xiàn)在的應(yīng)用領(lǐng)域越來越要求檢測(cè)設(shè)備具有準(zhǔn)確、高速地識(shí)別出目標(biāo)的能力，如果我們不能構(gòu)造出一個(gè)更好的識(shí)別算法，就不能適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的需求。

（3）數(shù)據(jù)量大

機(jī)器視覺所獲取的數(shù)據(jù)量非常非常大的。比如用于手機(jī)上的人臉識(shí)別功能，識(shí)別一次要投射多大幾萬個(gè)紅外線點(diǎn)，這是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)。再比如交通檢測(cè)方面看，一天累積下來的數(shù)據(jù)量也是驚人的。所以如何處理如此大的信息量是個(gè)難題。不過隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問題將來會(huì)逐步得到解決。