機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

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機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)報(bào)告 目錄 一 實(shí)驗(yàn)名稱 2 二 試驗(yàn)設(shè)備 2 三 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2 四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及工作原理 2 （一）kinect for windows 2 （二）手持式自定位三維激光掃描儀 3 （三）柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀 9 （四）雙面結(jié)構(gòu)光 10 總結(jié)與展望 14 參考文獻(xiàn) 16 《機(jī)器視覺》實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1、 實(shí)驗(yàn)名稱 對(duì)kinect for windows、三維激光掃描儀、柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀和雙面結(jié)構(gòu)光等設(shè)備結(jié)構(gòu)功能的認(rèn)識(shí)。 2、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 kinect for windows、三維激光掃描儀、柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀、雙面結(jié)構(gòu)光。 3、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 讓同學(xué)們對(duì)機(jī)器視覺平時(shí)所使用的儀器設(shè)備以及機(jī)器視覺在實(shí)際運(yùn)用中的具體實(shí)現(xiàn)過程有一定的了解。熟悉各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)功能和操作方法，以便于進(jìn)行二次開發(fā)。其次，深化同學(xué)們對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，拓寬同學(xué)們的知識(shí)面，以便于同學(xué)們后續(xù)的學(xué)習(xí)。 4、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及工作原理 (一) kinect for windows 1. Kinect簡(jiǎn)介 Kinectfor Xbox 360，簡(jiǎn)稱 Kinect，是由微軟開發(fā)，應(yīng)用于Xbox 360 主機(jī)的周邊設(shè)備。它讓玩家不需要手持或踩踏控制器，而是使用語音指令或手勢(shì)來操作 Xbox360 的系統(tǒng)界面。它也能捕捉玩家全身上下的動(dòng)作，用身體來進(jìn)行游戲，帶給玩家“免控制器的游戲與娛樂體驗(yàn)”。 2012年2月1日，微軟正式發(fā)布面向Windows系統(tǒng)的Kinect版本“Kinect for Windows”。 2. 硬件組成 Kinect有三個(gè)鏡頭[1]，如圖1-1所示。中間的鏡頭是 RGB 彩色攝影機(jī)，用來采集彩色圖像。左右兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS 攝影機(jī)所構(gòu)成的3D結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器，用來采集深度數(shù)據(jù)（場(chǎng)景中物體到攝像頭的距離）。彩色攝像頭最大支持1280*960分辨率成像，紅外攝像頭最大支持640*480成像。Kinect還搭配了追焦技術(shù)，底座馬達(dá)會(huì)隨著對(duì)焦物體移動(dòng)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。Kinect也內(nèi)建陣列式麥克風(fēng)，由四個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)收音，比對(duì)后消除雜音，并通過其采集聲音進(jìn)行語音識(shí)別和聲源定位[2][3]。 圖1-1 3. Kinect應(yīng)用開發(fā)匯總 1) 虛擬應(yīng)用 Kinect試衣鏡，這款基于kinect體感技術(shù)的神奇的試衣鏡，讓客戶可以快速的試穿衣服，提高銷售效率和企業(yè)形象。 2) 3D建模 3D攝像機(jī)，用兩個(gè)KINECT實(shí)現(xiàn)3D攝像機(jī)的基本效果。雕塑工具，立等可取Kinect成街頭快速人像雕塑工具，利用Kinect對(duì)人體進(jìn)行3D建模，然后根據(jù)人體的3D信息，連接相應(yīng)的塑模設(shè)備，塑造出人體塑像。 3) 機(jī)械控制 用Kinect 操控遙控直升機(jī)。Kinect Robo，使用Kinect作為機(jī)器人的頭，通過kinect檢測(cè)周圍環(huán)境，并進(jìn)行3D建模，來指導(dǎo)機(jī)器人的行動(dòng)。 4) 虛擬娛樂 Kinect破解“初音”，將體感控制應(yīng)用到漫畫人物——初音上。Kinect破解玩光劍，Kinect檢測(cè)玩家的動(dòng)作，虛擬出光劍的影像，與之隨動(dòng)。 5) 計(jì)算機(jī)相關(guān)應(yīng)用 Kinect手勢(shì)操作瀏覽器，通過Kinect手勢(shì)對(duì)瀏覽器進(jìn)行翻頁，下拉，放縮等操作。 6) 虛擬實(shí)驗(yàn) Kinect蠟筆物理，使用Kinect手勢(shì)繪圖，通過體感控制所繪圖形，并使之具有物理特性，比如重力，吸引力等。 此外，它還具有檢測(cè)識(shí)別人的表情，利用骨架跟蹤技術(shù)模仿人的動(dòng)作，還可以完成物體的測(cè)距等其他功能。 (二) 手持式自定位三維激光掃描儀 1. 三維激光掃描儀簡(jiǎn)介 手持式自定位三維掃描儀的外觀[4],如圖2-1所示。 三維激光掃描儀其結(jié)構(gòu)和組成包括：相機(jī)、LED發(fā)光燈以及觸發(fā)器等，其結(jié)構(gòu)組成，如圖2-2所示。 圖2-1三維掃描儀的外觀 圖2-2三維掃描儀的結(jié)構(gòu) 2. 手持式三維掃描儀功能 創(chuàng)建物體幾何表面的點(diǎn)云（point cloud），這些點(diǎn)可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個(gè)過程稱做三維重建）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)印射（texture mapping）。在工業(yè)中主要用于逆向工程，在文物修復(fù)也起到至關(guān)重要的作用。 3. 手持式三維掃描儀的優(yōu)點(diǎn) 1) 高分辨率：檢測(cè)每個(gè)細(xì)節(jié)并提供極高的分辨率。 2) 高精度：提供無可比擬的高精度，生成精密的3D物體圖像。 3) 非接觸式檢測(cè)：非接觸檢測(cè)不會(huì)對(duì)物體造成損傷。 4) 雙掃描模式：用戶可使用安裝在設(shè)備頂部的按鈕在正常和高分辨率掃描模式之 間切換。正常分辨率對(duì)于大型部件和動(dòng)態(tài)掃描十分有用，而高分辨率專用于要求嚴(yán)格的復(fù)雜表面。 1) 2) 3) 4) 4. 手持式三維掃描儀的缺點(diǎn) 造價(jià)比較高，三維重建過程中會(huì)存在一定的誤差，遮擋部分無法掃描出來。 5. 掃描軟件的介紹 VXSCAN掃描軟件的界面[5]，如圖2-3所示。 圖2-3 VXSCAN掃描軟件的界面 6. 掃描方法 1) 工件準(zhǔn)備 1 貼點(diǎn)定位 反光點(diǎn)必須以最小20毫米隨機(jī)地粘貼于工件表面。如果表面曲率 小，距離可以達(dá)到 100 毫米。這些反光點(diǎn)使得系統(tǒng)可以在空間中完成自定位。定位點(diǎn)粘貼時(shí)必須離開邊緣12 毫米以上。 下面，這是合適的點(diǎn)分布樣例，如圖2-4，圖2-5所示。 圖2-4合適的定位點(diǎn)布 避免定位點(diǎn)過密 避免線形排列或有規(guī)律地分布 圖2-5不適合的定位點(diǎn)分布 2 參考系配件 插入?yún)⒖枷禃r(shí)要用到可以被 VXSCAN 自支識(shí)別的參考系配件。 2) 啟動(dòng)掃描軟件/VXSCAN 點(diǎn)擊桌面上或開始菜單里的 VXSCAN 圖標(biāo)快捷方式啟動(dòng) VXSCAN 應(yīng)用程序。 3) 調(diào)整表面設(shè)定 在菜單中點(diǎn)擊 View----Surface，或點(diǎn)擊樹狀圖中的面節(jié)點(diǎn)/Surface，則出現(xiàn)下面的擴(kuò)展面板，如圖2-6所示。 圖2-6 Surface 模式擴(kuò)展面板 4) 配置傳感器/Configuring the sensor 配置激光強(qiáng)度與相機(jī)快門速度根據(jù)掃描的情況而定（工件的材質(zhì)、光線、顏 色、結(jié)構(gòu)……），配置窗口，如圖2-7所示。 圖 2-7 傳感器配置窗口 5) 調(diào)入定位點(diǎn)/Importing positioning targets 在 VXSCAN 中只可以辨識(shí) HANDYSCAN 3D 定位點(diǎn)，其他反光點(diǎn)不可用。調(diào)入的資料必須由三個(gè)座標(biāo)值陣列（X/Y/Z）組成，座標(biāo)值為反光點(diǎn)的中心位置。被調(diào)入的反光點(diǎn)會(huì)以圓狀呈現(xiàn)，因?yàn)閂XSCAN 并不能確定它們的方向。在掃描時(shí)，它將利用這些中心來辨識(shí)模型添加為正常的面。 6) 獲得數(shù)據(jù)/Acquiring data 點(diǎn)擊菜單中 scan-----Record Scan，或 f 點(diǎn)擊工具欄中來開始掃描。用一只手拿起掃描頭距離被掃描物約 300 毫米。讓十字激光總是照在被掃描物上，可以按下掃描頭上的 preview 按鈕先行預(yù)覽。 7) 合適的掃描距離 距離計(jì)量器 掃描時(shí)，會(huì)在三維查看器左側(cè)出現(xiàn)一個(gè)條狀計(jì)量器來說明掃描頭與被掃描物 之間的距離，掃描頭頂上的三個(gè) LED 發(fā)光點(diǎn)（紅、綠、紅）也同樣是一個(gè)距離 計(jì)量器，可參閱下面圖2-8，圖2-9。 圖2-8 合適距離時(shí)距離計(jì)量哭及掃描頭的指示 圖2-9 距離過遠(yuǎn)時(shí)距離計(jì)量器與掃描頭的指示 8) 編輯掃描數(shù)據(jù) 設(shè)定微面模式，刪除被掃描工件的局部。點(diǎn)擊菜單中 View----Facets 或樹狀 圖中的 Facets 節(jié)點(diǎn)，通過點(diǎn)擊 Edit Facets 按鈕來選擇編輯模式。 9) 保存結(jié)果 利用“Save session”選項(xiàng)來保存整個(gè)掃描以備以后在 VXSCAN 中進(jìn)行編輯。 這樣保存的數(shù)據(jù)最為完整，并可以被恢復(fù)和再調(diào)入進(jìn)行繼續(xù)掃描。 (三) 柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀 1. 結(jié)構(gòu)組成 包括機(jī)械臂，球探針、支架探針末端組件位于離基座最遠(yuǎn)的那個(gè)點(diǎn)。該組件可自由旋 轉(zhuǎn)，帶有兩個(gè)控制按鈕 （紅色和綠色）以及兩個(gè)圓形 LED 指示燈，可為用戶提供視覺反饋[6]。該組件用于探針和手柄附件的連接。結(jié)構(gòu)組成，如圖3-1所示 圖3-1 柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀結(jié)構(gòu)組成 2. 功能 可以幫助生產(chǎn)制造企業(yè)通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、設(shè)備認(rèn)證、CAD-to Part分析等即可輕松驗(yàn)證 產(chǎn)品、品質(zhì)，甚至可以進(jìn)行逆向開發(fā)。檢驗(yàn)，逆向工程，CAD數(shù)模分析，以及任何需要硬側(cè)頭接觸式測(cè)量的高精度檢測(cè)。此外，測(cè)量儀的探針具有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，可以提高測(cè)量的精度。 3. 測(cè)量的實(shí)現(xiàn) 柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀可以以面來進(jìn)行測(cè)量，也可以以線來進(jìn)行測(cè)量。首先選擇測(cè)量的模式，然后開始取樣點(diǎn)，取到的點(diǎn)經(jīng)確認(rèn)過后才輸入系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，由軟件導(dǎo)出測(cè)量的模型。 注意：測(cè)量過程中要注意測(cè)量臂的彎曲程度，測(cè)量臂有一定的工作空間范圍，超過范圍即報(bào)警提示，如圖3-2所示。 圖3-2 Edge限位警告 (四) 雙目結(jié)構(gòu)光 1. 結(jié)構(gòu)組成 雙面結(jié)構(gòu)光由兩臺(tái)攝像機(jī)和一臺(tái)投影設(shè)備組成，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和格雷碼的投影。 其組成[7]，如圖4-1所示。 2. 原理 單目結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)的大致原理：是通過三角原理（線、面求交）求解空間點(diǎn)的坐標(biāo)。 如圖4-2所示 測(cè)量方法：首先，投影設(shè)備投射格雷碼光束，光束打在物體上，其效果，如圖4-3所示。然后不斷將光束細(xì)化，依次投射格雷碼圖像（如圖4-4所示）、相移圖像至空間場(chǎng)景中。再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，由結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果和測(cè)量圖片，求解各個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)。再進(jìn)行后續(xù)點(diǎn)云的處理：a、單次測(cè)量：去除離群點(diǎn)、點(diǎn)云的網(wǎng)格化。b、物體重建：依次確定各個(gè)視點(diǎn)位置，對(duì)不同視點(diǎn)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接。最后得到物體模型[8]，如圖4-5所示。 圖4-1雙目結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 圖4-2單目結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)的大致原理 圖4-3投射光束到物體 圖4-4細(xì)化后的格雷碼圖像 圖4-5物體模型 總結(jié)與展望 機(jī)器視覺是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科.機(jī)器視覺主要利用計(jì)算機(jī)來模擬人或再現(xiàn)與人類視覺有關(guān)的某些智能行為，從客觀事物的圖像中提取信息進(jìn)行處理，并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)和控制.主要應(yīng)用于如工業(yè)檢測(cè)、工業(yè)探傷、精密測(cè)控、自動(dòng)生產(chǎn)線、郵政自動(dòng)化、糧食選優(yōu)、顯微醫(yī)學(xué)操作以及各種危險(xiǎn)場(chǎng)合工作的機(jī)器人等 [9]。 機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù) ,其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)等。它是實(shí)現(xiàn)精確定位、精密檢測(cè)、自動(dòng)化生產(chǎn)的有效途徑，同時(shí)它具有實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有較寬光譜相應(yīng)范圍、可長時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)，因此已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,如工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航和遙感圖像分析等。雖然機(jī)器視覺技術(shù)從20世紀(jì)80年代才開始起步，但由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是近幾年發(fā)展十分迅速，國內(nèi)外的成果也是層出不窮[10]。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出價(jià)格持續(xù)下降，功能逐漸增多，產(chǎn)品小型化，集成產(chǎn)品增多。機(jī)器視覺技術(shù)也將越來也融入到我們的日常生活中來，人工智能的發(fā)展不斷改變著我們的生活方式，例如家庭服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)，可以很大程度上改善我們生活，還可以幫助一些殘疾人實(shí)現(xiàn)生活的自理。相信在不遠(yuǎn)的未來，機(jī)器視覺隨著它功能的越來越強(qiáng)大，可能會(huì)超過我們?nèi)说难劬?，?shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的快速識(shí)別分割提取與定位。機(jī)器視覺技術(shù)大大提高了裝備的智能化、自動(dòng)化水平,提高了裝備的使用效率、可靠性等性能.隨著新技術(shù)、新理論在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用,機(jī)器視覺將在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。 在一些實(shí)際應(yīng)用中機(jī)器視覺還有一定的局限性，容易受到外界光照等場(chǎng)景的干擾，有時(shí)物體表面還會(huì)反射光照，都會(huì)讓得到的圖像不是很理想，處理結(jié)果會(huì)有一定的偏差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中還有好多的問題亟待解決。 通過此次的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)，讓我加深了對(duì)機(jī)器視覺這門課程的了解，并對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣。此次實(shí)驗(yàn)不僅認(rèn)識(shí)到平時(shí)所使用的一些設(shè)備，還有一些實(shí)驗(yàn)的方法及原理。每套設(shè)備都有它們自身的特點(diǎn)，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，去處理不同的問題。kinect for windows涉及到人工智能的應(yīng)用，增強(qiáng)了我們的生活體驗(yàn)，它還可以用于其他一些設(shè)備的操控，應(yīng)用范圍比較廣泛，我們的生活也因此變得豐富多彩。三維掃描儀更是開啟了一種全新的模型重建方式，利用激光掃描可以快速的重建出物體的三維模型，誤差相對(duì)也比較小，三維掃描儀的出現(xiàn)縮短了工業(yè)中產(chǎn)品的開發(fā)周期，并且也會(huì)因此節(jié)省不小的成本，為逆向工程的發(fā)展提供了一種新的方法。雙面結(jié)構(gòu)光也可以實(shí)現(xiàn)模型的快速建立，用于產(chǎn)品的開發(fā)，相對(duì)掃描儀可能成本會(huì)低點(diǎn)。柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀也是用于產(chǎn)品的參數(shù)測(cè)量，可以選擇不同的測(cè)量模式，柔性三坐標(biāo)測(cè)量儀通過特征參數(shù)的測(cè)量可以得到物體的模型，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行產(chǎn)品的更新，只需要更改模型的一部分參數(shù)既可以實(shí)現(xiàn)，但是測(cè)量的效率比較低，主要還是用于輔助測(cè)量。 通過此次實(shí)驗(yàn)使我們更深刻地認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，我們學(xué)習(xí)的目的還是學(xué)以致用，應(yīng)用我們學(xué)到的理論知識(shí)去解決現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際問題。通過知識(shí)積累，不斷開拓思路，應(yīng)用自己所學(xué)的知識(shí)為新的實(shí)際問題提供合理的解決方案。 目前我們才剛開始接觸機(jī)器視覺，對(duì)此才剛有了一點(diǎn)淺薄的認(rèn)識(shí)。因此，以后還要通過我們不斷地學(xué)習(xí)去積累知識(shí)，不斷刻苦鉆研，提高自己的理論水平和實(shí)際解決問題的能力。讓機(jī)器視覺能夠真正地為我所用。 伴隨著各種新型傳感元件的出現(xiàn)與使用，機(jī)器視覺的發(fā)展也會(huì)越來越迅速，新的視覺系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展必將我們解決實(shí)際問題帶來更多的便利，現(xiàn)在一切未能解決的問題也必將能夠迎刃而解。實(shí)際問題的解決將變得越來越簡(jiǎn)單。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，成本的降低，視覺系統(tǒng)的應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛，甚至?xí)钊胛覀兊娜粘Ｉ睢? 在不久的未來自動(dòng)駕駛汽車將會(huì)更加的普及，未來的飛機(jī)也有可能實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)駕駛與操控，我們未來的生活將會(huì)更加的智能，生活也會(huì)更加的豐富多彩。 參考文獻(xiàn) [1]http://blog.csdn.net/zouxy09/article/details/8145592. [2]http://wenku.baidu.com/view/c25e811ba8114431b90dd851.html [3]http://www.microsoft.com/en-us/kinectforwindows/ [4]handysan使用手冊(cè). [5]http://wenku.baidu.com/view/91efa70a0740be1e650e9af2.html EXAscan使用流程說明. [6] http://wenku.baidu.com/ FARO測(cè)量臂_Edge. [7] http://wenku.baidu.com/結(jié)構(gòu)光3D視覺原理. [8] http://wenku.baidu.com/view/6339cb73a26925c52cc5bf91.html結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量與點(diǎn)云配準(zhǔn)的研究 [9]賈云得著，機(jī)器視覺.科學(xué)出版社. [10] http://wenku.baidu.com/view/6471b9e3524de518964b7da8.html