《機器視覺及其應用》部分課后習題

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1、第一章機器視覺系統(tǒng)構成與關鍵技術 1、 機器視覺系統(tǒng)一般由哪幾部分組成？ 機器視覺系統(tǒng)應用的核心目標是什么？主要的分成幾部分實現(xiàn)？ 用機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、圖像卡、計算機。 用機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再現(xiàn)。光學設備獲取或人為創(chuàng)作。 3、 采樣和量化是什么含義？ 數(shù)字化坐標值稱為取樣，數(shù)字化幅度值稱為量化。采樣指空間上或時域上連續(xù)的圖像(模擬圖像)變換成離散 采樣點(像素)集合的操作；

2、量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換。采樣和量化實 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)某種目標條件按照一定變換關系逐點改變原圖像中每一個像素灰度值，從而改善畫質，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)字圖像處理技術基礎 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，人眼對不同波長或頻率的光的主觀感知稱為顏色。一幅圖像的每個像素 點由24位編碼的 RGB值表示：

3、使用三個 8位無符號整數(shù)(0到255 )表示紅色、綠色和藍色的強度。 256*256*256=16,777,216 種顏色。 2、 紅、綠、藍三種顏色為互補色，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色的光。一束白 光照到綠色物體上，人類看到綠色是因為？ 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)的動態(tài)范圍是什么含義？ 動態(tài)范圍最早是信號系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平 的差。而在實際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍，比如在音頻工程中， 一個放大器的動態(tài)范圍可以表示為： D =

4、lg (Power_max / Power_min) x 20； 對于一個底片掃描儀，動態(tài)范圍是掃描儀能記錄原稿的灰度調范圍。 即原稿最暗點的密度(DmaX 和最亮處密度值(Dmin)的差值。 我們已經(jīng)知道對于一個膠片的密度公式為 D = lg (lo/l)。那么假設有一張膠片，掃描儀向其 投射了 1000單位的光，最后在共有96%勺光通過膠片的明亮(銀鹽較薄)部分，而在膠片的較厚 的部分只通過了大約4%勺光。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 那么我們說動態(tài)范圍為： D=D

5、max-Dmi n=1.40-0.02=1.38。 只要是掃描儀的動態(tài)范圍能夠大于膠片的動態(tài)范圍，就可以真實的表現(xiàn)原稿上的信息，包括真實 的反映出一些細微的暗部細節(jié)。 動態(tài)范圍(Dynamic Range)，最早是信號系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大 不失真電平和噪聲電平的差。而在實際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍，對 于底片掃描儀來說，動態(tài)范圍是指掃描儀能記錄原稿的色調范圍，即原稿最暗點的密度( Dmax和最 l亮處密度值(Dmin)的差值。而對于膠片和感光元件來說，動態(tài)范圍表示圖像中所包含的從“最暗” 至“最亮”的范圍。動態(tài)范圍越大，所能表現(xiàn)的層

6、次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。 相機的動態(tài)范圍越大，它能同時記錄的暗部細節(jié)和亮部細節(jié)越豐富。請注意，動態(tài)范圍與色調范圍 (tonal range ) 是不同的。 當我們采用JPEG格式拍攝照片時，相機的圖像處理器會以明暗差別強烈的色調曲線記錄圖像信息。 在這個過程中，處理器常常會省去一部分 RAW數(shù)據(jù)上的暗部細節(jié)和亮部細節(jié)。而使用 RAV格式拍攝, 則能圖像保持感光元件的動態(tài)范圍，并且允許用戶以一條合適的色調曲線壓縮動態(tài)范圍和色調范圍， 使照片輸出到顯示器或被打印出來后，獲得適當?shù)膭討B(tài)范圍。 相機的感光元件是由數(shù)以百萬個像素組成的， 這些像素在像素曝光的過程中吸收光子， 轉化成數(shù)

7、 字信號，然后成像。這個過程就像我們拿數(shù)百萬個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。感光元件曝光后，按照每個像素收集的光子量不同，賦予它們不連續(xù)的值，并轉化為 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，光子便會溢出，溢出會導致信息（細節(jié)）損失。以紅色為例，高光溢出使?jié)M 載紅色的像素附近的其它象素的值都變成 255,但其實它們的真實值并沒有達到 255。換句話說，畫 面的細節(jié)發(fā)生了損失，這樣會造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時間來防止高光溢出， 很多用來描述昏暗環(huán)境的像素則沒有足夠的時

8、間接收光子量，得出的像素值為 0,這樣就會導致昏暗 部分的信息缺失。 通過上面的說明，我們現(xiàn)在就可以理解為什么采用大尺寸感光元件的數(shù)碼單反會擁有更大的動態(tài) 范圍。原因很簡單：數(shù)碼單反的感光元件尺寸一般是消費級相機的 4?10倍，允許承載更多的像素而 不至于縮小像點之間的距離，而產生噪點。更多的像素不會很快被“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，有更多時間吸收光子，從而畫面細節(jié)便會更加豐富。 數(shù)字相機DSLR DC等等的動態(tài)范圍表示方法目前似乎并沒有統(tǒng)一的約束，各個廠家也只是在他們的 宣傳內容上提到了 “大的動態(tài)范圍”之類的話，并未給出具體的指標。所以有時我們用

9、比值來描述 DSLR的動態(tài)范圍，或者換算成光圈數(shù)，而較少用到密度值概念。 因為數(shù)字圖象設備也可以看作一個信號系統(tǒng)， 所以動態(tài)范圍可以分為兩個部分，即光學動態(tài)范圍 和輸出動態(tài)范圍。 光學動態(tài)范圍（DR_Optical）= 飽和曝光量/噪聲曝光量（暗電流） 輸出動態(tài)范圍（DR_Electrical）= 飽和輸出振幅/隨機噪聲 前者主要是由CCD/CMO等感應器決定的，后者主要由A/D、DSP來決定。其中飽和曝光量相當于 傳統(tǒng)膠片的肩部范圍，噪聲曝光量相當于傳統(tǒng)膠片的趾部范圍。 對于數(shù)字相機，因為其最終還是以數(shù)字量輸出，所以輸出動態(tài)范圍公式并不適用。 我們提到的動 態(tài)范圍主要指的是輸入部

10、分的動態(tài)范圍，也就相當于膠片的寬容度。 4、 圖像的位深度是什么含義？ 用于指定圖像中的每個像素可以使用的顏色信息數(shù)量。每個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？ 指圖像中存儲的信息量，是每英寸圖像內有多少個像素點，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數(shù) （或該灰度級像素出現(xiàn)的頻率）：其橫坐標是灰度 級，縱坐標表示圖像中該灰度級出現(xiàn)的個數(shù)（頻率）

11、。反映了圖像灰度的分布情況。 圖像直方圖 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)對鄰域內像素按灰度排序的結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？如何實現(xiàn)？ 補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、紋理特征和精細結構特征等更加清晰、鮮 明。分為空間域法和頻域法

12、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)型濾波器進行濾波 處理以達到銳度提高的目的。 9、 請闡述“最小組內方差圖像分割” 算法原理？ 設計思想：閾值將圖像分為兩類，用組內方差來衡量一致性，組內方差最小對應最佳閾值。 算法步驟： 計算得到原圖的灰度直方圖 h; 給定一個初始閾值 Th=ThO ,則將原圖分為 C1和C2兩類; 分別計算兩類的類內方差 b：二工（/（兒 tJ —耳），＜y\ — 丫厲）， 燉=T7- Y /（AT） 分別計算兩類像素在圖像中的分布概率 P\ Pl 選擇最佳閾值Th=Th*，使下式成立： [P&

13、+ P^l ] h莎* = min {pof + p2a；} 10、 什么是傅立葉變換？圖像的功率譜是什么含義？ 傅里葉變換是將時域信號分解為不同頻率的正弦和 /余弦和的形式，實現(xiàn)圖像由時域到頻域的轉換。圖像的功率 譜指單位頻帶內信號功率隨頻率的變換情況。 11、 頻域濾波與空域濾波是什么關系？頻域濾波如何實現(xiàn)？ 空域濾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；頻域濾波指對圖像進行某種變換，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

14、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行頻域濾波實現(xiàn)。 第三章機器視覺應用基礎之視覺標定技術 1、 攝像機的幾何模型（成像畸變和內部參數(shù)）含義? 攝像機幾何模型解決的是三維場景中的點如何和圖像平面上的點聯(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在性質，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 的數(shù)學模型表征圖像的形成過程，這種數(shù)學模型稱為攝像機的幾何模型。 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鏡頭 的光軸中心并不嚴格共面。一般切向畸變相對較小。攝像機的

15、內部參數(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，和非線性畸變的參數(shù)。 2、 攝像機的外部參數(shù)、內部參數(shù)的標定原理？如何實現(xiàn)? 傳統(tǒng)的攝像機標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償?shù)膬刹椒? 第四章 機器視覺硬件系統(tǒng) 1、 CCD的工作原理？ 當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起, 就構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

16、么含義？ 在鏡頭前方被攝主體（調焦點）前后有一段一定長度的空間，其影像仍然有一段清晰范圍。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候（就是所有物象在純白和純黑下）鏡頭記錄物體細節(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系？ 當照相機鏡頭的焦距 f和調焦距離S不變時，F(xiàn)數(shù)越大（即光孔越小一一光圈越小 ）時，進光量越少

17、，亮度越低， 這時拍攝出來的畫面的景深就越大；相反， F數(shù)越?。垂饪自酱笠灰还馊υ酱螅r，進光量越多，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，它的調制度的變化是正弦信號空間頻率的函數(shù)，這個函數(shù)稱為調制傳遞函數(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，完整地描述了一個光學系統(tǒng)的性能。 8、 鏡頭的選用原則是什么？ 1. 鏡頭成像范圍仝相機芯片尺寸 2.相機接口類型配套原則 3.鏡頭工作距離適當原則 4

18、.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.鏡頭機械結構尺寸與系統(tǒng)適應原則。 9、 應用題：7mm x 7mm的CCD芯片有1024 X 1024元素，將其聚焦到相距 0.5m遠的方形平坦區(qū)域。 該攝像機每 毫米能解析多少線對？ 攝像機配置35mm鏡頭，鏡頭和攝像機采用針孔模型。 1024 /[0.5 （7/35） 1000] =10lp / mm 10、 根據(jù)發(fā)光器件，列舉主要的照明光源類別？各自優(yōu)缺點分析？ 根據(jù)發(fā)光器件：高頻熒光燈 ？優(yōu)點：擴散性好、適合大面積均勻照射 ?缺點：響應速度慢，亮度較暗 光纖鹵素燈 ？優(yōu)點：亮度高 ?缺

19、點：響應速度慢幾乎沒有光亮度和色溫變化 . LED燈優(yōu)點：效率高、體積小、發(fā)熱少、穩(wěn)定性好。缺點：亮度低、光線發(fā)散。 激光光源優(yōu)點：能量集中，散射??；缺點：安全性低。 11、 照明中明場和暗場是如何定義的？ 明場：相機通過接收直射光對物體成像（直射光照明） 。暗場：相機通過接受散射光對物體成像（散射光照明） 。 第五章機器視覺典型應用 1、 立體測量方法原理？ 立體視覺測量的基本原理是從兩個（或多個）視點觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角 測量原理計算圖像像素間的位置偏差（即視差 ），再通過攝像機標定、特征點提取、立體匹配、三維重建，從而 獲得物體的三維信息。 2、 激光線掃描測量原理與舉例？ 激光線掃描基于光學三角原理，采用激光光刀對物體表面進行掃描，用 CCD采集物體表面漫反射信號送入計 算機，得到光刀曲線，利用基準面、像點、像距等之間的關系計算物體表面的深度信息 （z坐標值），結合測頭 x , y方向的位移，最終得到物體表面的三維坐標信息。 3、 請簡要闡述移動機器人視，覺導航原理？ 機器視覺獲取機器人前方的路面環(huán)境的傳感信息，通過檢測陸標并建立觀察值與期望值的匹配計算出位置，并 規(guī)劃出可行的規(guī)劃路徑，然后由智能控制技術使移動機器人沿規(guī)劃的路徑行走。