张广军,视觉测量第一章课件

2
3
硬件实现
1.3.2 视觉信息处理的三个阶段
名称 目的
South China University of Technology
由图像恢复形状信息的表达框架 基元 亮度表示 图像中每一点的亮度值 3D描述 描述 图像 图像 早期视觉 中期视觉 后期视觉 处理 处理 基元图 处理 表是二维图像中的重要信息，主要是图 零交叉，斑点，端点和 像中的亮度变化位置及其几何分布和组 不连续点，边缘，有效 织结构 要素图 线段，组合群，曲线组 2.5维图 维图 织，边界 2.5维图 在以观测者为中心的坐标中，表示可见 表面的方向、深度值和不连续的轮廓 局部表面朝向（“针” 基元）；离观测者的距 离；深度上的不连续点； 表面朝向的不连续点
什么是计算机视觉 呢？
South China University of Technology
1、什么是计算机视觉 随着信号处理理论和计算机技术的发展，人们试图用摄像机获取环 境图像并将其转换成数字信号，用计算机实现对视觉信息处理的全 过程，这样就形成了一门新兴的学科——计算机视觉。
2、计算机视觉的研究目标 计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过一幅或多幅图像认知 环境 信息的能力。它不仅在于模拟人眼能完成的功能，更重要的是它能完 成人眼所不能胜任的。
South China University of Technology
3、视觉测量概念的提出 从计算机视觉概念和方法出发，将计算机视觉应用于空间几何尺 寸的精确测量和定位，从而产生了一种新的计算机视觉应用概念， 视觉测量。视觉测量作为当今高新技术之一，在电子学、光学探测、 图像处理和计算机技术不断成熟和完善的基础上得到了突飞猛进的 发展。
1.2生物视觉简介 1.2生物视觉简介
South China University of Technology
1.2.1 生物视觉通路
生物视觉通路如下图所示：
可见光 光学系统 神经信号 物体 杆体和锥体 感光细胞 在眼底视网膜上 形成物象
丘脑外膝体 经视网膜中的神经节细胞 加工后传出视网膜 视束 视皮层 上丘
GC感受野及其对光信号的转换作用分为：1、对空 感受野及其对光信号的转换作用分为： 、 感受野及其对光信号的转换作用分为 间亮度变化敏感的感受野。 、对时间变化敏感的Y 间亮度变化敏感的感受野。2、对时间变化敏感的 型细胞。 型细胞。
South China University of Technology
South China University of Technology
小结
随着计算机视觉的飞速发展， 随着计算机视觉的飞速发展，二维视觉处理已从二值视觉 系统发展为灰度视觉系统，并达到实用。 系统发展为灰度视觉系统，并达到实用。在三维视觉信息获 取上，也取得了巨大的进步， 取上，也取得了巨大的进步，并且由于实现思想和条件的不 产生了相应的诸多方法， 同，产生了相应的诸多方法，从一定程度上克服了自然环境 的限制，进一步扩大了计算机视觉的应用领域。 的限制，进一步扩大了计算机视觉的应用领域。
计算机视觉系统构成
South China University of Technology
计算机视觉系统一般以计算机为中心，主要有视觉传感器、高速图 像采集系统及专用图像处理系统等模块构成，如图所示：
视频 输入 图像 处理
视觉传感器
高速图像采集 系统
专用图形处理 系统
PIC标准总线 图像数据 控制总线 计算机 标准总线
South China University of Technology
（4）计算机：计算机是整个计算机视觉系统的核心，它除了控制整个系 ）计算机： 统的各个模块的正常运行外，还承担着视觉系统的最后结果运算和输出 。由图像采集系统输出的数字图像可以直接传送到计算机，有计算机采 用纯软件方式完成所有的图像处理和其他运算。如果纯软件处理能够满 足视觉系统的要求，就不需专用硬件处理系统出现在计算机视觉系统。
视 觉 测 量
主讲人：全燕鸣教授 博士生导师
第一章
引论
South China University of Technology
本章要点： 1.1计算机视觉的发展与系统构成 1.2生物视觉简介 1.3Marr视觉理论框架 1.4计算机视觉应用领域及面临问题 1.5视觉测量系统与关键技术
South China University of Technology
1.3 Marr视觉理论框架 Marr视觉理论框架
South China University of Technology
1.3.1 视觉系统研究的三个层次
要素 1 名称 计算理论 表达和算法 含义和所解决的问题 什么是计算目的，为什么要这样计算 怎样实现计算理论，什么是输入输出表达，用什么算 法实现表搭建的转换 怎样在物理上实现表达和算法，什么是计算结构的具 体细节
South China University of Technology
由视觉视通路可以看到， 由视觉视通路可以看到，眼、外膝体与视皮层构成了对视觉信息处 理的三个基本层次。进一步分析表明， 理的三个基本层次。进一步分析表明，外膝体与视皮层有着更为复 杂的分块结构（尤其是视皮层）。 ）。分块表明了视觉信息处理的并行 杂的分块结构（尤其是视皮层）。分块表明了视觉信息处理的并行 不同区域的是神经细胞具有不同的功能； 性，不同区域的是神经细胞具有不同的功能；分层表明了视觉信息 处理的串行性。因此， 处理的串行性。因此，生物视觉系统是一个串行并行处理相结合的 复杂系统。 复杂系统。
South China University of Technology
视觉信息的处理是一个串行与并行相结合的复杂信息处理过程，但 目前被人们认知的仅仅是一小部分，从信息处理角度看，迄今对大 多数的处理单元的知识还非常有限，只知道这个单元对某种信息“ 敏感”，而信息是如何表征的、如何变换的，则仍不清楚，尤其是 较高层信息的处理。
选择合适的光源对于获 取清晰图像非常重要， 取清晰图像非常重要， 让我们认识一些常用的 光源： 光源：
South China University of Technology
South China University of Technology
（2）高速图像采集系统：由专用视频解码器、图像缓冲器以及控制接口 ）高速图像采集系统： 电路组成。主要功能是适时地将视觉传感器获取的模拟视频信号转换为 数字图像信号，并将图像直接传送给计算机进行显示和处理，或者将数 字图像传送给专用图像处理系统进行视觉信号的实施前段处理。随着逻 辑门阵列FPGA芯片的出现，使得大多数高速图像采集系统只需由几个芯 片就可以完成。 图像采集系统与计算机的接口采用工业标准总线，如 ISA、VME、PCI等。
South China University of Technology
1.2.2 感受野的分层等级假设
视觉通路上各层次的神经细胞，由简单到复杂，它们所处理的信息，分 别对应于视网膜上的一个局部区域，层次越深入，该区域就越大，这就 是著名的感受野与感受野等级假设。感受野是支持视觉信息分层串行处 理的最重要的生理学证据。 以信息处理的第一级为例，视网膜上的神经节细胞将感光细胞上接收到 的光信号转换成电信号再由它的轴突传出，但每一个GC细胞只能接收视 网膜上一个局部区域的信号，该区域就是GC的感受野。
很多大公司都给予视觉测量领域足够的重视 和资金支持， 和资金支持，以上是一些世界知名企业的视 觉测量产品。通过本课程的学习， 觉测量产品。通过本课程的学习，我们会学 习视觉测量的理论基础、 习视觉测量的理论基础、当今视觉测量领域 的发展现状、以及对视觉测量产品的运用！ 的发展现状、以及对视觉测量产品的运用！
美国Faro公司产品 公司产品 美国
South China University of Technology
ATOS便携式三维扫描仪 便携式三维扫描仪
South China University of Technology
英国3D Scanners公司的产品 英国 公司的产品
South China University of Technology
South China University of Technology
视觉第一通路： 视觉第一通路：神经节细胞轴突在外膝体患神经元后，由外膝体神经元 直接经到视放线到视皮层，这是视束的大部分纤维去向，称为第一视觉 通路。神经信号主要是通过视觉第一视通路到达视皮层，在视觉过程中 起着主要作用 视觉第二通路： 视觉第二通路：视束的一小部分纤维走向内方，经上丘臂到达上丘和顶 盖前区。上丘浅层神经元投射到丘脑枕换元后，再投射到视皮层，上丘 还有纤维直接透射到视皮层。由于这条通路不经过外膝体，故称为视觉 第二通路。第二视觉视通路的作用极其微小。
South China University of Technology
(3)专用图像处理系统：是计算机的辅助处理器，主要采用专用集成芯（ 专用图像处理系统： 专用图像处理系统 ASIC)、数字信号处理器（DSP)或者FPGA等设计的全硬件处理器，可 以实时高速完成各种低级图像的处理算法，减轻后端计算机的处理负荷 ，提高整个视觉系统的速度。它与计算机之间的通信可以采用标准总线 接口、串行通信总线接口或者网络通信等方式。
1.2.3 视觉信息的并行处理
感受野的等级假设与局部性质主要支持视觉信息处理的自下而上的分 层次串行处理，然而视觉系统的任务不是单一的，它要识别物体的形 状和颜色，要得到三维物体的深度信息，要检测物体的方位和运动参 数等等。因此，视觉通路的各个层次上存在着基本互相独立的并行通 道，分别完成不同的视觉任务。
1.1计算机视觉的发展与系统构成 1.1计算机视觉的发展与系统构成
South China University of Technology
20世纪 年代开始统计模式识别，工作主要集中在二维图像分析、识别和理解上。 世纪50年代开始统计模式识别 工作主要集中在二维图像分析、识别和理解上。 世纪 年代开始统计模式识别， 字符识别、工件表面、 如：字符识别、工件表面、显微图片和航空照片的分析解释 60年代，Roberts开创了以理解三维场景为目标的三维计算机视觉的研究（ 年代， 开创了以理解三维场景为目标的三维计算机视觉的研究（ 年代 开创了以理解三维场景为目标的三维计算机视觉的研究 Roberts提出了所谓的“积木世界”说法） 提出了所谓的“ 提出了所谓的 积木世界”说法） 70年代，出现了一些计算机视觉应用系统 年代， 年代 80年代，Marr教授提出了 年代， 教授提出了Marr视觉理论，该理论成为 世纪 年代计算机视觉研 视觉理论， 世纪80年代计算机视觉研 年代 教授提出了 视觉理论 该理论成为20世纪 究领域中的一个十分重要的理论框架 80年代中期，计算机视觉获得了迅速发展，主动视觉理论框架、给予感知特征群的 年代中期，计算机视觉获得了迅速发展，主动视觉理论框架、 年代中期 物体识别理论框架等新概念、新方法、 物体识别理论框架等新概念、新方法、新理论不断涌现 90年代，计算机视觉在工业环境中得到广泛应用，同时基于多视几何的视觉理论得 年代，计算机视觉在工业环境中得到广泛应用， 年代 到迅速发展
South China University of Technology
（1）视觉传感器 ）视觉传感器：视觉传感器是整个计算机视觉系统信息的直接来源， 主要由一个或两个图像传感器组成，有时还要配以光投射器及其它辅助 设备。主要功能是获取足够的计算机视觉系统要处理的最原始图像。
Байду номын сангаас
常用的图像传感器： 常用的图像传感器：激光传感器 线阵和面阵CCD摄像机或 摄像机或TV 、线阵和面阵 摄像机或 摄像机、数字摄相机。 摄像机、数字摄相机
视觉测量广泛应用于产品在线质量监 微电子器件的自动检测、 控、微电子器件的自动检测、各种磨 具三维形状的测量及生产线线中机械 手的定位与瞄准。 手的定位与瞄准。在检测领域有重要 地位哦！ 地位哦！
South China University of Technology
看一些实例 吧……
美国Perceptron公司研制的用于轿车 公司研制的用于轿车 美国 车身生产的Perceptron 1000型多传 车身生产的 型多传 感器视觉测量系统