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[转载文章] 计算机视觉结构综述

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发表于 2007-10-14 21:56:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
USB-6009数据采集卡首发
作者:张洪涛 文章来源:整理 点击数:178 更新时间:2006-12-3 下午 04:48:31 # q, P+ y1 C2 \; M4 P1 P8 O+ J

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    计算机视觉技术是个边缘学科,集众家之所长,是个工程性很强的技术,主要需要有空间几何、矩阵分析、光电技术、图像处理、应用数学、离散数学及计算机技术等等各个方面的知识,才能正确的指导视觉系统的建模、解模及实际工程问题的解决方法,本文主要想从视觉的结构讨论下。
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. T- s: R" ]) _/ S% k计算机视觉系统一般有光源、摄像机、采集卡及PC软件系统等组成,可以完成图像的采集与处理、目标的识别功能,视觉系统的结构一般是从系统的模型的角度理解的,下面针对各种结构的特点、设计要点及工程要点进行简单的阐述。9 R, i5 a/ C; ?& w5 _
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1、结构光:
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& y" J$ }9 Z# k" J/ K* Z. t结构光视觉系统是一种主动视觉方式,一般用于二维尺寸检测或三维的距离测量等,其中关键点就是光源可控的,而且要特殊设计,如光源可是线形的,也可是多线形的,甚至是网格状光源,由于摄像机主要关心光条上的图像信息,所以数据量剧减,便于应用在快速采集工程中,关键是在系统结构中引入了光源的结构信息,如线结构光的光平面信息,所以可用单摄像机完成三维的测量;系统的数学模型也是基于透视成像模型,但物方空间的点是限制在光平面上的,所以相当于一维测量信息完成三维的测量目的,模型的优化设计主要在光源的结构及光源与摄像机的相对位置关系,如光平面与主光轴的夹角,在多线性结构光系统中主要是多个光平面间的关系;系统标定主要要标定光平面的位置,一般可用四点法,利用经纬仪系统进行全局标定,本人在钢管直线度检测系统中使用了多结构光系统。' S, f" v# K2 }# e) o% X

- J9 j' \% Q: _' p' r2、单目成像:  g& k/ C9 ~! M6 L1 w8 j5 x

$ m' h, i/ b, s7 |7 f" o8 {这类系统应用较多,主要完成二维尺寸测量,一般由一个摄像机、采集卡及pc即可组成,若测量环境允许可不采用光源,否则可采用LED或普通荧光灯即可,像本人做的荫罩板质量视觉评估系统就采用单目结构,可认为是一种被动式系统,对光源的要求主要是平稳性、亮度均匀适中、光谱匹配即可;系统的模型主要是透视成像模型,可参考经典的TSAI模型理论,但由于在应用中被测物一般都位于与光轴垂直的一个平面内,所以在建立模型时可简化TSAI模型结构,如Z是固定的;有一点要注意,在透视模型中f说成是成像透镜的焦距,实际这时有条件的,一为成像的物距较远,所以象距近似为f,另一个方面是在模型中是采用理想的小孔模型,将镜头理想化了,所以将象距考虑成焦距f,实际应用中应该将此f理解为象距。此类系统的标定方法较多,可采用靶标的方式进行,如圆孔形靶标,网格线形靶标;通过透视成像理论可建立物像点间的关系,其中待标定的参数包含系统内参数和外参数两种,内参数表征了摄像机坐标系与图像坐标系间的映射关系,而外参数主要表征了系统摄像机在全局坐标系的位姿,所以一般方程都是非线性的,所以可通过一些物像匹配点建立方程组来求解待标定参数,TSAI两步法是一个很经典的方法,一些文章资料也讨论了多种标定方法,由于方程组是非线性方程组,所以采用最小二乘及迭代法比较多,但效果有时一般,因为可能会收敛于局部极值,所以一般要给个很好的系统初值,这样才有利于解的求解,常用的方法就是通过引入中间变量的方式将其线性化,这样能提高标定的精度。有时可充分的利用物方空间的几何约束关系建立很好的标定条件。利于标定的进行。5 H6 Q0 }7 U) h; m% L% w
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3、双目结构:
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* n8 N+ O" \: A; H: Y; I双目一般采用视差的原理完成三维的测量,双目有很多系统结构的变形,如镜面式双目结构,采用平面镜的成像原理,可用一个摄像机完成双目的测量,此系统一般关注于系统的结构,对其进行优化,以完成观察视场与定位精度的折衷处理,双目应用中主要就是物体匹配点的建立,如空间点A在两个摄像机中成像点的对应建立,虽然可用外极线约束的关系将点的匹配由二维降为一维,但匹配的精度还是很难做高,这样就影响了系统的三维点的定位精度,所以这里是双目结构的一个难点,一般都采用人为目标的方式来建立一些匹配关系;有时可利用被测物上的特征点完成匹配,如角点,但这些信息有时很少,所以不利于系统的精度,如何有有限个对应点(特征点)建立整个图像的对应呢?可采用射影空间的知识,由于在透视成像环境下,两个摄像机的像间关系可看做有个射影变换,在齐次坐标下,射影变换相当于有11个自由度,一个对应点能建立两个方程,所以有6个对应点就可求出射影变换关系,一般为了避免噪声的影响,可多取一些点,采用最小平分误差的方式(最小二乘法),点也可采用RANSAC方式来处理,这样建立两个图像的射影变换后,就可求出各个图像点的映射关系,当然前提是变换区域是在两个摄像机的公共视场内。
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+ T$ X9 c/ J! c$ P  x- @4、线扫描:7 U9 K% ~6 p: o/ h- |' y) e

3 c" g5 o7 T/ H) \) y! o以上讨论的结构其摄像机一般都是面阵的,而在一些应用场合中线扫描还是有很大优势的,如高速应用中,如一维尺寸的测量;本人做的薄膜测宽装置、钢板表面缺陷评估系统就是采用的线扫描方案,前者用的比较简单的CCD,后者采用高速CCD,满足钢板的300m/min运行速度;线扫描方案主要设计点在光源与CCD的选取上,其标定方案可参考我的文章《两步法标定线阵CCD》。# W# t" M: D3 _! ~
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5、多摄像机结构: 3 V( O* Y8 i3 f7 ~# O8 O% K

. K" o& |9 T" u5 n1 b如三维扫描的应用,为了扩展系统的观察范围,可采用多摄像机的结构,这里的设计点主要在物方视场的分配及像的拼接上。
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