《機(jī)器視覺及其應(yīng)用》習(xí)題(共7頁)

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1、第一章 機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù) 1、 機(jī)器視覺系統(tǒng)一般由哪幾部分組成？ 機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用的核心目標(biāo)是什么？主要的分成幾部分實(shí)現(xiàn)？ 用機(jī)器來延伸或代替人眼對事物做測量、定位和判斷的裝置。組成：光源、場景、攝像機(jī)、圖像卡、計(jì)算機(jī)。用機(jī)器來延伸或代替人眼對事物做測量、定位和判斷。三部分：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。 2、 圖像是什么？有那些方法可以得到圖像？ 圖像是人對視覺感知的物質(zhì)再現(xiàn)。光學(xué)設(shè)備獲取或人為創(chuàng)作。 3、 采樣和量化是什么含義？ 數(shù)字化坐標(biāo)值稱為取樣，數(shù)字化幅度值稱為量化。采樣指空間上或時(shí)域上連續(xù)的圖像（模擬圖像）變換成離散采樣點(diǎn)（像素）集合的操作；量

2、化指把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換。采樣和量化實(shí)現(xiàn)了圖像的數(shù)字化。 4、 圖像的灰度變換是什么含義？請闡述圖像反色算法原理？ 灰度變換指根據(jù)某種目標(biāo)條件按照一定變換關(guān)系逐點(diǎn)改變原圖像中每一個(gè)像素灰度值，從而改善畫質(zhì)，使圖像的顯示效果更加清晰的方法。對于彩色圖像的R、G、B各彩色分量取反。 第二章 數(shù)字圖像處理技術(shù)基礎(chǔ) 1、 對人類而言，顏色是什么？一幅彩色圖像使用RGB色彩空間是如何定義的？24位真彩色，有多少種顏色？ 對人類而言，在人類的可見光范圍內(nèi)，人眼對不同波長或頻率的光的主觀感知稱為顏色。一幅圖像的每個(gè)像素點(diǎn)由24位編碼的 RGB 值表示：使用三個(gè)

3、8位無符號整數(shù)（0 到 255）表示紅色、綠色和藍(lán)色的強(qiáng)度。256*256*256=16,777,216種顏色。 2、 紅、綠、藍(lán)三種顏色為互補(bǔ)色，光照在物體上，物體只反射與本身顏色相同的色光而吸收互補(bǔ)色的光。一束白光照到綠色物體上，人類看到綠色是因?yàn)椋? 該物體吸收了其他顏色的可見光，而主要反射綠光，所以看到綠色。 3、 成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍是什么含義？ 動(dòng)態(tài)范圍最早是系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍被定義成最大不失真和噪聲電平的差。而在實(shí)際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個(gè)信號系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，比如在音頻工程中，一個(gè)放大器的動(dòng)態(tài)范圍可以表示為： D = lg（Power_max / P

4、ower_min）×20； 對于一個(gè)底片掃描儀，動(dòng)態(tài)范圍是掃描儀能記錄原稿的灰度調(diào)范圍。即原稿最暗點(diǎn)的密度（Dmax）和最亮處密度值(Dmin)的差值。 我們已經(jīng)知道對于一個(gè)膠片的密度公式為D = lg（Io/I）。 那么假設(shè)有一張膠片，掃描儀向其投射了1000單位的光，最后在共有96%的光通過膠片的明亮（銀鹽較?。┎糠?，而在膠片的較厚的部分只通過了大約4%的光。那么前者的密度為： Dmin=lg（1000/960）= 0.02； 后者的密度為： Dmax=lg（1000/40）= 1.40 那么我們說動(dòng)態(tài)范圍為：D=Dmax-Dmin=1.40-0.02=1.38。 只要是掃描

5、儀的動(dòng)態(tài)范圍能夠大于膠片的動(dòng)態(tài)范圍，就可以真實(shí)的表現(xiàn)原稿上的信息，包括真實(shí)的反映出一些細(xì)微的暗部細(xì)節(jié)。 動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range），最早是信號系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。而在實(shí)際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個(gè)信號系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，對于底片掃描儀來說，動(dòng)態(tài)范圍是指掃描儀能記錄原稿的色調(diào)范圍，即原稿最暗點(diǎn)的密度（Dmax）和最l亮處密度值(Dmin)的差值。而對于膠片和來說，動(dòng)態(tài)范圍表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大，所能表現(xiàn)的層次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。 相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大，它能同時(shí)記錄的

6、暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越豐富。請注意，動(dòng)態(tài)范圍與色調(diào)范圍（tonal range）是不同的。 當(dāng)我們采用拍攝照片時(shí)，相機(jī)的圖像處理器會(huì)以明暗差別強(qiáng)烈的色調(diào)記錄圖像信息。在這個(gè)過程中，處理器常常會(huì)省去一部分RAW數(shù)據(jù)上的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)。而使用RAW格式拍攝，則能圖像保持感光元件的動(dòng)態(tài)范圍，并且允許用戶以一條合適的色調(diào)曲線壓縮動(dòng)態(tài)范圍和色調(diào)范圍，使照片輸出到顯示器或被打印出來后，獲得適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍。 相機(jī)的感光元件是由數(shù)以百萬個(gè)像素組成的，這些像素在像素曝光的過程中吸收光子，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后成像。這個(gè)過程就像我們拿數(shù)百萬個(gè)水桶到戶外收集雨水。感光區(qū)域越光亮，收集的光子量自然越多

7、。感光元件曝光后，按照每個(gè)像素收集的光子量不同，賦予它們不連續(xù)的值，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。沒有吸收光子和吸收光子至滿載的像素值分別顯示為"0"和"255"，即代表純黑色和純白色。 一旦這些像素滿載，光子便會(huì)溢出，溢出會(huì)導(dǎo)致信息（細(xì)節(jié)）損失。以紅色為例，溢出使?jié)M載紅色的像素附近的其它象素的值都變成255，但其實(shí)它們的真實(shí)值并沒有達(dá)到255。換句話說，畫面的細(xì)節(jié)發(fā)生了損失，這樣會(huì)造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時(shí)間來防止高光溢出，很多用來描述昏暗環(huán)境的像素則沒有足夠的時(shí)間接收光子量，得出的像素值為0，這樣就會(huì)導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。 通過上面的說明，我們現(xiàn)在就可以理解為什

8、么采用大尺寸感光元件的數(shù)碼單反會(huì)擁有更大的動(dòng)態(tài)范圍。原因很簡單：數(shù)碼單反的感光元件尺寸一般是的4～10倍，允許承載更多的像素而不至于縮小像點(diǎn)之間的距離，而產(chǎn)生。更多的像素不會(huì)很快被“填滿”，因此表現(xiàn)昏暗環(huán)境的像素在表現(xiàn)光亮環(huán)境的像素“滿載”之前，有更多時(shí)間吸收光子，從而畫面細(xì)節(jié)便會(huì)更加豐富。 數(shù)字相機(jī)DSLR、DC等等的動(dòng)態(tài)范圍表示方法目前似乎并沒有統(tǒng)一的約束，各個(gè)廠家也只是在他們的宣傳內(nèi)容上提到了“大的動(dòng)態(tài)范圍”之類的話，并未給出具體的。所以有時(shí)我們用比值來描述DSLR的動(dòng)態(tài)范圍，或者換算成光圈數(shù)，而較少用到密度值概念。 因?yàn)閿?shù)字圖象設(shè)備也可以看作一個(gè)信號系統(tǒng)，所以動(dòng)態(tài)范圍可以分

9、為兩個(gè)部分，即光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍和輸出動(dòng)態(tài)范圍。 光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍(DR_Optical) = 飽和曝光量 / 噪聲曝光量(暗電流) 輸出動(dòng)態(tài)范圍(DR_Electrical) = 飽和輸出振幅 / 隨機(jī)噪聲 前者主要是由CCD/CMOS等感應(yīng)器決定的，后者主要由A/D、DSP來決定。其中飽和曝光量相當(dāng)于傳統(tǒng)膠片的肩部范圍，噪聲曝光量相當(dāng)于傳統(tǒng)膠片的趾部范圍。 對于數(shù)字相機(jī)，因?yàn)槠渥罱K還是以數(shù)字量輸出，所以輸出動(dòng)態(tài)范圍公式并不適用。我們提到的動(dòng)態(tài)范圍主要指的是輸入部分的動(dòng)態(tài)范圍，也就相當(dāng)于膠片的寬容度。 4、 圖像的位深度是什么含義？ 用于指定圖像中的每個(gè)

10、像素可以使用的顏色信息數(shù)量。每個(gè)像素使用的信息位數(shù)越多，可用的顏色就越多，顏色表現(xiàn)就更逼真。 5、 圖像分辨率是什么含義？ 指圖像中存儲(chǔ)的信息量，是每英寸圖像內(nèi)有多少個(gè)像素點(diǎn)，分辨率的單位為PPI(Pixels Per Inch)，通常叫做：像素每英寸。 6、 圖像的直方圖是如何定義的？其反映了什么信息？請繪制下圖像的直方圖。 灰度直方圖是灰度級的函數(shù)，描述圖像中該灰度級的像素個(gè)數(shù)（或該灰度級像素出現(xiàn)的頻率）：其橫坐標(biāo)是灰度級，縱坐標(biāo)表示圖像中該灰度級出現(xiàn)的個(gè)數(shù)（頻率）。反映了圖像灰度的分布情況。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 3 2 2 3

11、 3 3 4 2 7、 中值濾波是什么含義？請計(jì)算下圖像的中值濾波結(jié)果？ 1 2 1 4 3 1 2 3 4 4 5 5 6 6 9 5 6 7 8 8 5 6 7 8 9 圖像的中值濾波是一種非線性的圖像處理方法，它根據(jù)對鄰域內(nèi)像素按灰度排序的結(jié)果決定中心像素的灰度，這樣，在一定條件下可以克服線性濾波帶來的圖像的細(xì)節(jié)模糊問題，而且對濾除噪聲干擾及圖像掃描噪聲非常有效。 8、 圖像銳化是什么含義？如何實(shí)現(xiàn)？ 補(bǔ)償和增加圖像的高頻成分,使圖像中的地物邊界、區(qū)域邊緣、線條、紋理特征和精細(xì)結(jié)構(gòu)特征等更加清晰、鮮

12、明。分為空間域法和頻域法兩類，可使用理想濾波器、梯形濾波器、巴特沃斯濾波器、指數(shù)型濾波器進(jìn)行濾波處理以達(dá)到銳度提高的目的。 9、 請闡述“最小組內(nèi)方差圖像分割” 算法原理？ 設(shè)計(jì)思想：閾值將圖像分為兩類，用組內(nèi)方差來衡量一致性，組內(nèi)方差最小對應(yīng)最佳閾值。 算法步驟： 計(jì)算得到原圖的灰度直方圖h； 給定一個(gè)初始閾值Th=Th0，則將原圖分為C1和C2兩類; 分別計(jì)算兩類的類內(nèi)方差 分別計(jì)算兩類像素在圖像中的分布概率: 選擇最佳閾值Th=Th*，使下式成立： 10、 什么是傅立葉變換？圖像的功率譜是什么含義？ 傅里葉變換是將時(shí)域信號分解為不同頻率的正弦和/余弦和的形

13、式，實(shí)現(xiàn)圖像由時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。圖像的功率譜指單位頻帶內(nèi)信號功率隨頻率的變換情況。 11、 頻域?yàn)V波與空域?yàn)V波是什么關(guān)系？頻域?yàn)V波如何實(shí)現(xiàn)？ 空域?yàn)V波是指直接對采集得到的圖像處理，即直接對像素灰度處理；頻域?yàn)V波指對圖像進(jìn)行某種變換，如傅里葉變換，在變換域處理，即間接對像素灰度處理。 12、 什么是低通濾波？如何實(shí)現(xiàn)？ 讓圖像使高頻分量抑制，低頻分量通過，使圖像模糊，平滑。使不同顏色或灰度間有一定的過度，棱角分明的圖像模糊化。利用各種濾波器如巴特沃斯或指數(shù)低通濾波器對圖像進(jìn)行頻域?yàn)V波實(shí)現(xiàn)。 第三章 機(jī)器視覺應(yīng)用基礎(chǔ)之視覺標(biāo)定技術(shù) 1、 攝像機(jī)的幾何模型（成像畸變和內(nèi)部參數(shù)）含義？

14、攝像機(jī)幾何模型解決的是三維場景中的點(diǎn)如何和圖像平面上的點(diǎn)聯(lián)系起來的問題。圖像是視覺信息表示的一種物理形式，要了解其所攜帶信息的內(nèi)在性質(zhì)，必須了解三維場景是如何形成二維圖像的幾何模型，就要用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型表征圖像的形成過程，這種數(shù)學(xué)模型稱為攝像機(jī)的幾何模型。 成像畸變包括徑向及切向畸變，徑向畸變來源于鏡頭放大率隨徑向距離不同而不同，切向畸變來源于各個(gè)鏡頭的光軸中心并不嚴(yán)格共面。一般切向畸變相對較小。攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)指線性模型的參數(shù)如有效焦距、水平像素單位長度、垂直像素單位長度、像素平面中心坐標(biāo)，和非線性畸變的參數(shù)。 2、 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換基礎(chǔ)（世界坐標(biāo)、攝像機(jī)坐標(biāo)、像元坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系）的

15、解釋 見單目攝像機(jī)標(biāo)定原理。 3、 攝像機(jī)的外部參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定原理？如何實(shí)現(xiàn)？ 傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法按其求解的方法可分為三類:線性方法、非線性優(yōu)化方法和考慮畸變補(bǔ)償?shù)膬刹椒?。 第四章 機(jī)器視覺硬件系統(tǒng) 1、 CCD的工作原理？ 當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 2、 鏡頭的視場范圍的定義是什么？ 鏡頭能夠觀察到的最大范圍，通常以角度來表示，視場范圍越大，可觀測到的范圍越大。 3、 鏡頭的景深是什么含義？ 在鏡頭前方被攝主體（調(diào)焦點(diǎn)）前后有一段一定長度的空間，其影像仍然有一段清晰

16、范圍。這段空間的長度，就叫鏡頭的景深。 4、 鏡頭的F數(shù)的定義？ F數(shù)為相對孔徑的倒數(shù)，稱為光圈系數(shù)，是衡量鏡頭通光量的參數(shù)。 5、 鏡頭的分辨率是如何定義的？ 鏡頭的分辨率是指在成像平面上1毫米間距內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對數(shù)，單位是“線對/毫米”。 分辨率就是在物體反差無限大的時(shí)候（就是所有物象在純白和純黑下）鏡頭記錄物體細(xì)節(jié)的能力 。 6、 F數(shù)與圖像的亮度、景深、鏡頭的分辨率之間的關(guān)系？ 當(dāng)照相機(jī)鏡頭的焦距f和調(diào)焦距離S不變時(shí)，F(xiàn)數(shù)越大(即光孔越小——光圈越小)時(shí)，進(jìn)光量越少，亮度越低，這時(shí)拍攝出來的畫面的景深就越大；相反，F(xiàn)數(shù)越小(即光孔越大——光圈越大)時(shí)，進(jìn)光量越

17、多，亮度越高，其景深就越小。鏡頭分辨率隨著F數(shù)減小而增加。 7、 鏡頭的傳遞函數(shù)的含義？ 將鏡頭看作一個(gè)信息傳遞系統(tǒng)，被拍攝景物發(fā)出來的光線是它的輸入信息，而成像面上的成像就是它的輸出信息。正弦信號通過鏡頭后，它的調(diào)制度的變化是正弦信號空間頻率的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)稱為調(diào)制傳遞函數(shù)，即鏡頭的傳遞函數(shù)，它綜合反映了鏡頭的反差和分辨率特性，完整地描述了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能。 8、 鏡頭的選用原則是什么？ 1. 鏡頭成像范圍≧相機(jī)芯片尺寸2. 相機(jī)接口類型配套原則3. 鏡頭工作距離適當(dāng)原則4. 鏡頭視場覆蓋原則5. 鏡頭光譜特性符合光源要求6. 鏡頭畸變率符合測量要求7. 鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸與系統(tǒng)適應(yīng)

18、原則。 9、 應(yīng)用題：7mm×7mm的CCD芯片有1024×1024元素，將其聚焦到相距0.5m遠(yuǎn)的方形平坦區(qū)域。該攝像機(jī)每毫米能解析多少線對？攝像機(jī)配置35mm鏡頭，鏡頭和攝像機(jī)采用針孔模型。 10、 根據(jù)發(fā)光器件，列舉主要的照明光源類別？各自優(yōu)缺點(diǎn)分析？ 根據(jù)發(fā)光器件：高頻熒光燈 ? 優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)散性好、適合大面積均勻照射 ? 缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢，亮度較暗 光纖鹵素?zé)? ? 優(yōu)點(diǎn)：亮度高 ? 缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢幾乎沒有光亮度和色溫變化. LED燈優(yōu)點(diǎn)：效率高、體積小、發(fā)熱少、穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：亮度低、光線發(fā)散。 激光光源優(yōu)點(diǎn)：能量集中，散射?。蝗秉c(diǎn)：安全性低。 11

19、、 照明中明場和暗場是如何定義的？ 明場：相機(jī)通過接收直射光對物體成像（直射光照明）。暗場：相機(jī)通過接受散射光對物體成像（散射光照明）。 第五章 機(jī)器視覺典型應(yīng)用 1、 單目視覺測量方法原理？ 2、 立體測量方法原理？ 立體視覺測量的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（即視差)，再通過攝像機(jī)標(biāo)定、特征點(diǎn)提取、立體匹配、三維重建，從而獲得物體的三維信息。 3、 立體視覺測量方法的主要難點(diǎn)是什么？結(jié)構(gòu)光如何簡化這個(gè)問題？ 4、 激光線掃描測量原理與舉例？ 激光線掃描基于光學(xué)三角原理，采用激光光刀對物體表面進(jìn)行掃描，用 CCD 采集物體表面漫反射信號送入計(jì)算機(jī)，得到光刀曲線，利用基準(zhǔn)面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系計(jì)算物體表面的深度信息 ( z坐標(biāo)值) ，結(jié)合測頭x , y方向的位移，最終得到物體表面的三維坐標(biāo)信息。 5、 請簡要闡述移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航原理？ 機(jī)器視覺獲取機(jī)器人前方的路面環(huán)境的傳感信息，通過檢測陸標(biāo)并建立觀察值與期望值的匹配計(jì)算出位置，并規(guī)劃出可行的規(guī)劃路徑，然后由智能控制技術(shù)使移動(dòng)機(jī)器人沿規(guī)劃的路徑行走。