现代传感技术与系统 教学课件 作者 林玉池 曾周末 第7章.ppt

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1、第7章视觉传感技术7.1概述7.1.1生物视觉与机器视觉7.1.2Marr计算机视觉理论7.1.3视觉传感技术的发展7.1.1生物视觉与机器视觉所谓视觉，直观理解就是通过对环境场景（组成成分、空间关系、质地质感等）成像，一次性得到包含大量场景信息的“图、像”，经过分层次处理，最终达到理解和表达的目的。生物视觉功能建立在生物组织、器官的基础上。环境场景通过成像器官（眼睛）成像，视觉神经感受到亮度信号，形成神经脉动，进而传输至中枢神经系统（大脑），上述路径构成视觉通路。生物视觉系统是一个结构复杂、功能强大、高度智能的信息系统。7.1.1生物视觉与机器视觉借助于信息

2、处理理论、电子器件和计算机技术的进步，人们试图用摄像机获取环境场景图像，转化为计算机处理的数字信号，由计算机平台进行视觉信息处理，由此诞生一门新兴学科－计算机视觉。7.1.1生物视觉与机器视觉出于工程应用的考虑，在计算机视觉中可以将视觉传感（信息获取）、视觉信息处理、理解和认知等环节分开考虑，一方面简化了类生物视觉系统复杂的相互作用体系结构，同时便于现有计算机平台的实现。将计算机视觉用于工程应用，产生了一门新的学科－机器视觉。7.1.2Marr计算机视觉理论20世纪70年代中后期，D.Marr教授从信息处理的角度，综合了当时图像处理、心理物理学、神经生理学及临

3、床精神病学等方面的研究成果，提出了一个较为完善的人工视觉系统架构。Marr的计算视觉理论把视觉过程看作信息处理过程，对该过程的研究分为三个不同的层次：计算理论层次——计算理论层次要回答的是计算目的与策略问题表达与算法层次——表达与算法层次则进一步回答如何实现上述计算理论的问题硬件实现层次——硬件实现层次是回答如何物理（硬件）上实现上述表示表达和算法的问题7.1.2Marr计算机视觉理论Marr将视觉过程区分为三个阶段：图像－>要素图－>2.5维图->三维表示第一阶段，称为早期视觉，由输入二维图像获得要素图。第二阶段，称为中期视觉，由要素图获取2.5维图。第三阶

4、段，称为后期视觉，由输入图像、要素图和2.5维图获得环境场景的三维表示。缺陷1）物理成像过程在数学上是一个透视投影过程，深度和被视线遮挡的信息被丢弃了，使得相同场景在不同视角下得到的二维图像是完全不同的；2）二维图像是依靠图像灰度（亮度）来反映视觉信息的，在成像过程中很多无关因素都会和有用信息综合在一起生成二维图像。7.1.3视觉传感技术的发展由图像信息恢复三维场景问题Marr的视觉计算理论是通过三维场景映射到的二维图像来研究和感知场景三维物理结构的理论，强调的是识别和理解功能，侧重于基本理论研究；而视觉传感则是从工程应用的角度出发，研究定量提取三维空间内有用

5、信息的理论和方法。精度问题传统的计算机视觉研究，侧重于定性的三维场景识别和理解，定量的精度分析很少涉及或不涉及；视觉传感测量则是以计算机视觉为理论基础，结合精密测量、测试理论，解决工程应用领域内的测量问题，要求在满足一定的精度前提下，实现被测对象的可靠测量。视觉传感与计算机视觉的区别7.1.3视觉传感技术的发展视觉传感应用于测量是多方面的，一个主要的研究领域就是基于视觉传感的几何量测量―视觉测量，尤其是3D坐标尺寸测量，在现代工业制造领域内有着广泛的应用背景。视觉像机是视觉测量的基础。视觉像机技术一直在迅速发展，成本不断降低，为高性能视觉测量系统的开发和普及应

6、用奠定了坚实的基础。7.1.3视觉传感技术的发展视觉测量的分析方法发生显著变化采用多参数的非线性模型和误差补偿措施；将精密测量领域内的标定方法、设备和技术引入到计算机视觉中；结合近景摄影测量理论和计算机视觉。视觉测量的应用范围不断扩大早期主要用于特定的、有非接触要求的场合；现今可以满足绝大多数工业测量需求。7.2图像传感器7.2.1摄像管工作原理7.2.2电荷耦合摄像器件工作原理7.2.3CMOS图像传感器7.2.4CCD图像传感器典型的光电摄像管包含三个基本部分，镶嵌板、集电环和电子枪。当光线照在光电管上，电子被打出，投影在镶嵌板上的图像将变成一幅正电荷的分

7、布图。集电环收集光电管所放出的电子，移出光电发像管电子枪发射电子形成电子束。电子束逐个扫描镶嵌板上的个光电管时，便形成一系列电脉冲。7.2.1摄像管工作原理7.2.2电荷耦合摄像器件工作原理电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）传感器使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光信号转变成电荷信号。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上；所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD的突出特点就是以电荷作为信号。CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测(即输出)。7.2.2电荷耦合摄像器件工作

8、原理当光入射到CCD的光敏面时，便产生