文/文東

(3)數(shù)字圖像與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)概述

正常情況下，人類獲取信息的80%以上來(lái)自視覺(jué)。通過(guò)人眼來(lái)感知外部世界能夠獲取更多的信息，視覺(jué)在人腦中產(chǎn)生的直觀映像更便于大腦接受和理解，正所謂“百聞不如一見(jiàn)”，也說(shuō)明了人眼是人類獲取信息、適應(yīng)環(huán)境、改造世界的主要器官之一。然而，面對(duì)紛繁復(fù)雜的大千世界，人眼的感知能力也是非常有限的。如果用成像器件的某些指標(biāo)去分析人眼，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些有趣的結(jié)論：人眼的分辨率約為1600萬(wàn)像素左右，幀速率約為20fps動(dòng)態(tài)范圍有14～16bit左右，光譜響應(yīng)范圍為400～700nm。正是由于人類自身的感覺(jué)器官存在各種極限，人們才會(huì)發(fā)明各種儀器設(shè)備、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)手段去拓展我們認(rèn)知的范圍，以便我們能更好的認(rèn)識(shí)和改造世界。

(4)數(shù)字圖像與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展歷程

一直以來(lái)，人們都在努力尋找能夠替代人眼和彌補(bǔ)人眼先天不足的產(chǎn)品，以便拓展人類的視野，增強(qiáng)我們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。固體成像器件（CCD/CMOS等成像器件）的發(fā)明和發(fā)展使人們的這一美好愿望得以實(shí)現(xiàn)。從1969年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明第一片CCD成像器件以來(lái)，人們對(duì)固體成像器件的研究和應(yīng)用已取得了豐碩的成果，同時(shí)引發(fā)了對(duì)圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究和應(yīng)用的熱潮。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，固體成像器件已成為很多工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡牟糠?，已?jīng)且必將對(duì)我們的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。圖像與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)之所以能夠快速的被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，是與成像器件及硬件處理器件的快速發(fā)展分不開的，二者都得益于半導(dǎo)體工業(yè)的不斷進(jìn)步。成像器件在分辨率上，目前的單CCD芯片已能輕易獲得2200萬(wàn)像素以上的分辨率，加拿大DALSA公司已經(jīng)為美國(guó)軍方生產(chǎn)出了1.11億像素的CCD芯片，如果利用多芯片拼接技術(shù)甚至可以達(dá)到更高的分辨率。這些高分辨率的器件在天文、航天、國(guó)防等領(lǐng)域都得到了用，尤其是在對(duì)天觀測(cè)和對(duì)地觀測(cè)方面發(fā)揮著重要作用。

在光譜響應(yīng)上，在可見(jiàn)光譜兩端的紅外和紫外譜段，都有器件能做到清晰成像。在紫外譜段，目前可做到對(duì)100nm進(jìn)行感光；在紅外譜段，可對(duì)12μm的紅外波段清晰成像。紫外成像可用于國(guó)防、刑偵等安防領(lǐng)域及凝膠分析、電力等一般工業(yè)。紅外成像的應(yīng)用范圍就更廣泛一些，如夜視、測(cè)溫、制導(dǎo)、工業(yè)檢測(cè)等。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，成像器件必將繼續(xù)在可見(jiàn)光譜兩端不斷延伸。

成像器件在響應(yīng)速度方面更是大大突破了人眼的限制，取得了驚人的進(jìn)步。高速攝影已經(jīng)作為圖像技術(shù)的一個(gè)分支被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，能夠?qū)Ω鞣N瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行記錄和研究，如爆炸過(guò)程、碰撞過(guò)程、高速加工過(guò)程等。目前普通的高速攝像系統(tǒng)在1k×1k分辨率下也能達(dá)到至少500幀/秒的拍攝速度，超高速的CMOS器件已能實(shí)現(xiàn)每秒1億幀的拍攝。

此外，在x光成像等應(yīng)用領(lǐng)域，相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo).目前已有多個(gè)廠家能生產(chǎn)出16Bit的芯片和相機(jī)，更高動(dòng)態(tài)范圍的相機(jī)也正在研發(fā)之中。在天文觀測(cè)、國(guó)防工業(yè)及科學(xué)研究中，需要用到超高靈敏度的探測(cè)器和相機(jī)，一般通過(guò)采用背照CCD器件或采用相機(jī)致冷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一批國(guó)際領(lǐng)先的公司對(duì)CCD/CMOS傳感器和相機(jī)的發(fā)展做出了重要項(xiàng)獻(xiàn)，這其中有Sony、Kodak、DALSA、Atmel、Cypress、E2V等芯片生產(chǎn)商及DALSA、JAI、Adimec、Basler等相機(jī)制造商，當(dāng)然市場(chǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展也使它們?cè)谏虡I(yè)上取得了不錯(cuò)的業(yè)績(jī)。

集成電路處理能力的不斷突破在客觀上也促進(jìn)了圖像和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的發(fā)展。成像技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合大大促進(jìn)了數(shù)字圖像技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。在上世紀(jì)七十年代末，圖像技術(shù)開始被大量的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，我們今天的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)就是從那時(shí)候開始發(fā)展起來(lái)的。傳統(tǒng)的圖像技術(shù)側(cè)重于通過(guò)各種手段獲取研究對(duì)象的影像，然后主要通過(guò)人結(jié)合相關(guān)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)影像進(jìn)行分析，就像醫(yī)生看X光膠片一樣。而機(jī)器視覺(jué)更側(cè)重于對(duì)獲取的影像利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，以得到一個(gè)可供機(jī)器識(shí)別和利用的結(jié)果，也就是不但要有“視”的過(guò)程，更重要的是還要有“覺(jué)”的結(jié)果，二者都是通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，類似于將人眼與人腦的功能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的誕生為數(shù)字圖像技術(shù)開辟了一片廣闊的應(yīng)用天地，相對(duì)于人工檢測(cè)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有可二十四小時(shí)連續(xù)工作不疲勞、可適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境、判斷標(biāo)準(zhǔn)客觀、速度和效率高、容易實(shí)現(xiàn)整線的自動(dòng)化、容易集成到生產(chǎn)設(shè)備中等優(yōu)點(diǎn)。在短短的幾年間，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)就迅速的從電子半導(dǎo)體領(lǐng)域擴(kuò)展到了其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，被越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)備制造商所采用，成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的一項(xiàng)重要技術(shù)。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展也帶動(dòng)了一批專業(yè)公司的興起，如COGNEX、CCS、Navitar.Coreco（現(xiàn)被DALSA收購(gòu)）、Euresys、Matrox、Orbotech、lsaran等，他們都是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)部件供應(yīng)商及設(shè)備制造商。