《機(jī)器視覺(jué)及其應(yīng)用》部分課后習(xí)題

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1、第一章機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù) 1、 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般由哪幾部分組成？ 機(jī)器視覺(jué)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(lái)延伸或代替人眼對(duì)事物做測(cè)量、定位和判斷的裝置。組成：光源、場(chǎng)景、攝像機(jī)、圖像卡、計(jì)算機(jī)。 用機(jī)器來(lái)延伸或代替人眼對(duì)事物做測(cè)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(duì)視覺(jué)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(chēng)為取樣，數(shù)字化幅度值稱(chēng)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；

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(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(qǐng)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?cè)瓐D像中每一個(gè)像素灰度值，從而改善畫(huà)質(zhì)，使圖像 的顯示效果更加清晰的方法。對(duì)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(duì)人類(lèi)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(duì)人類(lèi)而言，在人類(lèi)的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，人眼對(duì)不同波長(zhǎng)或頻率的光的主觀感知稱(chēng)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：

3、使用三個(gè) 8位無(wú)符號(hào)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(lèi)看到綠色是因?yàn)椋? 該物體吸收了其他顏色的可見(jiàn)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)范圍最早是信號(hào)系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號(hào)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(duì)數(shù)和比值來(lái)表示一個(gè)信號(hào)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 =

4、lg (Power_max / Power_min) x 20； 對(duì)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(duì)于一個(gè)膠片的密度公式為 D = lg (lo/l)。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%勺光通過(guò)膠片的明亮(銀鹽較薄)部分，而在膠片的較厚 的部分只通過(guò)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(shuō)動(dòng)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(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(hào)系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號(hào)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(duì)數(shù)和比值來(lái)表示一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì) 于底片掃描儀來(lái)說(shuō)，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(duì)于膠片和感光元件來(lái)說(shuō)，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

6、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)記錄的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越豐富。請(qǐng)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JPEG格式拍攝照片時(shí)，相機(jī)的圖像處理器會(huì)以明暗差別強(qiáng)烈的色調(diào)曲線記錄圖像信息。 在這個(gè)過(guò)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 RAV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(hù)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(lái)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(wàn)個(gè)像素組成的， 這些像素在像素曝光的過(guò)程中吸收光子， 轉(zhuǎn)化成數(shù)

7、 字信號(hào)，然后成像。這個(gè)過(guò)程就像我們拿數(shù)百萬(wàn)個(gè)水桶到戶(hù)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(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(hào)。沒(méi)有吸收光子和吸收光子至滿(mǎn)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(mǎn)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，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(shí)它們的真實(shí)值并沒(méi)有達(dá)到 255。換句話(huà)說(shuō)，畫(huà) 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(lái)防止高光溢出， 很多用來(lái)描述昏暗環(huán)境的像素則沒(méi)有足夠的時(shí)

8、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(guò)上面的說(shuō)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(huì)擁有更大的動(dòng)態(tài) 范圍。原因很簡(jiǎn)單：數(shù)碼單反的感光元件尺寸一般是消費(fèi)級(jí)相機(jī)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)生噪點(diǎn)。更多的像素不會(huì)很快被“填滿(mǎn)”，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(mǎn)載”之前，有更多時(shí)間吸收光子，從而畫(huà)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(méi)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(lèi)的話(huà)，并未給出具體的指標(biāo)。所以有時(shí)我們用

9、比值來(lái)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(hào)系統(tǒng)， 所以動(dòng)態(tài)范圍可以分為兩個(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/CMO等感應(yīng)器決定的，后者主要由A/D、DSP來(lái)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(duì)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

10、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)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(qǐng)繪制下圖像的直方圖。 灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)， 描述圖像中該灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù) （或該灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率）：其橫坐標(biāo)是灰度 級(jí)，縱坐標(biāo)表示圖像中該灰度級(jí)出現(xiàn)的個(gè)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(duì)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(lái)的圖像的細(xì)節(jié)模糊問(wèn)題，而且對(duì)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 明。分為空間域法和頻域法

12、兩類(lèi)，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(qǐng)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(lèi)，用組內(nèi)方差來(lái)衡量一致性，組內(nèi)方差最小對(duì)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=ThO ,則將原圖分為 C1和C2兩類(lèi); 分別計(jì)算兩類(lèi)的類(lèi)內(nèi)方差 b：二工（/（兒 tJ —耳），＜y\ — 丫厲）， 燉=T7- Y /（AT） 分別計(jì)算兩類(lèi)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(shí)域信號(hào)分解為不同頻率的正弦和 /余弦和的形式，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(hào)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(duì)采集得到的圖像處理，即直接對(duì)像素灰度處理；頻域?yàn)V波指對(duì)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(duì)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(guò)，使圖像模糊，平滑。使不同顏色或灰度間有一定的過(guò)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(duì)圖像進(jìn)行頻域?yàn)V波實(shí)現(xiàn)。 第三章機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用基礎(chǔ)之視覺(jué)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? 攝像機(jī)幾何模型解決的是三維場(chǎng)景中的點(diǎn)如何和圖像平面上的點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)的問(wèn)題。圖像是視覺(jué)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(chǎng)景是如何形成二維圖像的幾何模型，就要用適當(dāng) 的數(shù)學(xué)模型表征圖像的形成過(guò)程，這種數(shù)學(xué)模型稱(chēng)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(lái)源于鏡頭放大率隨徑向距離不同而不同，切向畸變來(lái)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(duì)較小。攝像機(jī)的

15、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(zhǎng)度、垂直像素單位長(zhǎng)度、像素平面中心坐標(biāo)，和非線性畸變的參數(shù)。 2、 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(lèi) ：線性方法、非線性?xún)?yōu)化方法和考慮畸變補(bǔ)償?shù)膬刹椒? 第四章 機(jī)器視覺(jué)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(hào)加在一起, 就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。 2、 鏡頭的視，場(chǎng)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(lái)表示，視場(chǎng)范圍越大，可觀測(cè)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(diào)焦點(diǎn)）前后有一段一定長(zhǎng)度的空間，其影像仍然有一段清晰范圍。這段空間的長(zhǎng)度， 就叫鏡頭的景深。 4、 鏡頭的F數(shù)的定義？ F數(shù)為相對(duì)孔徑的倒數(shù)，稱(chēng)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(kāi)的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“線對(duì) /毫米”。分辨率 就是在物體反差無(wú)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（即光孔越小一一光圈越小 ）時(shí)，進(jìn)光量越少

17、，亮度越低， 這時(shí)拍攝出來(lái)的畫(huà)面的景深就越大；相反， F數(shù)越小（即光孔越大一一光圈越大）時(shí)，進(jìn)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(gè)信息傳遞系統(tǒng)，被拍攝景物發(fā)出來(lái)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(hào)通過(guò)鏡頭后，它的調(diào)制度的變化是正弦信號(hào)空間頻率的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)稱(chēng)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. 鏡頭成像范圍仝相機(jī)芯片尺寸 2.相機(jī)接口類(lèi)型配套原則 3.鏡頭工作距離適當(dāng)原則 4

18、.鏡頭視場(chǎng)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(cè)量要求 7.鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸與系統(tǒng)適應(yīng)原則。 9、 應(yīng)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(yuǎn)的方形平坦區(qū)域。 該攝像機(jī)每 毫米能解析多少線對(duì)？ 攝像機(jī)配置35mm鏡頭，鏡頭和攝像機(jī)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(lèi)別？各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)分析？ 根據(jù)發(fā)光器件：高頻熒光燈 ？?jī)?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)?？?jī)?yōu)點(diǎn)：亮度高 ?缺

19、點(diǎn)：響應(yīng)速度慢幾乎沒(méi)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，散射小；缺點(diǎn)：安全性低。 11、 照明中明場(chǎng)和暗場(chǎng)是如何定義的？ 明場(chǎng)：相機(jī)通過(guò)接收直射光對(duì)物體成像（直射光照明） 。暗場(chǎng)：相機(jī)通過(guò)接受散射光對(duì)物體成像（散射光照明） 。 第五章機(jī)器視覺(jué)典型應(yīng)用 1、 立體測(cè)量方法原理？ 立體視覺(jué)測(cè)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(guò)三角 測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（即視差 ），再通過(guò)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。 2、 激光線掃描測(cè)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(duì)物體表面進(jìn)行掃描，用 CCD采集物體表面漫反射信號(hào)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(cè)頭 x , y方向的位移，最終得到物體表面的三維坐標(biāo)信息。 3、 請(qǐng)簡(jiǎn)要闡述移動(dòng)機(jī)器人視，覺(jué)導(dǎo)航原理？ 機(jī)器視覺(jué)獲取機(jī)器人前方的路面環(huán)境的傳感信息，通過(guò)檢測(cè)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。