图像采集识别技术及应用研究.pdf

《图像采集识别技术及应用研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《图像采集识别技术及应用研究.pdf（74页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、摘要 摘要 图像采集及识别技术是机器视觉应用重要的组成部分。图像采集主要包括图像 传感器的选取，光照强度、光圈大小及曝光时间的调整，图像采集装置的设计及图 像预处理技术。首先，要选取适当的图像传感器，保证图像的采集质量；其次，要 调整光照强度、光圈大小及曝光时间，这对运动目标的图像采集尤为重要；第三， 要设计适当的图像采集装置，方便光源及相机的固定，保证图像采集环境的稳定； 最后，要对采集到的图像进行适当的预处理，突出感兴趣部分的图像，方便图像的 识别。图像识别主要是对图像的特征进行提取，对特征所反映的信息加以理解，以 便进行分类等处理。 本文研究了图像采集环境对运动目标图像采集质量的影响，以

2、风洞中的羽毛球 为对象，优化了采集环境；对由于运动产生的图像模糊进行了复原；对图像的特征 进行了提取并基于支持向量机理论设计了羽毛球飞行及落点分类器。主要工作是： 1 图像采集环境对图像质量的影响研究 采集环境直接影响到图像的采集质量，本文比较了C C D 与C M O S 图像传感器的 优缺点，针对运动目标的拍摄，对图像传感器进行了选取；定性的分析了光照强度、 光圈大小及曝光时间对运动目标图像采集的影响，优化了采集环境并设计了风洞中 羽毛球图像的采集装置。 2 运动物体图像的预处理研究 运动物体的图像必然会产生运动模糊，由于研究对象羽毛球的运动为旋转运动， 不能直接利用维纳滤波对其进行恢复。

3、在转速已知的条件下，传统的旋转运动模糊 恢复要求物体的旋转轴与拍摄平面垂直。针对以上问题，本文提出了一种在估计旋 转轴与拍摄平面夹角条件下的旋转运动物体模糊恢复算法。 3 图像特征的提取 图像经预处理后，即可进行特征提取。研究对象羽毛球的特征为球口直径，摆动 幅度及转速。文中利用图像二值化后的形状特征测量球口的直径；采用最小二乘法 拟合球口中心位置，利用序列图像综合分析其摆动幅度；利用球头上特征点的位置 在序列图像中的变化估算羽毛球的转速。 4 图像的识别及分类 。 广东工业大学硕士学位论文 对图像中提取出的特征值进行分析，优化了基于决策树的分类器结构：利用先验 知识，设计基于支持向量机的分类

4、器，对图像进行分类，并对其分类误差进行分析。 本文中图像处理系统采用m a t l a b 及V C 编程，对风洞中羽毛球的飞行与落点进行 了分析并实现了分类。有一定的理论意义和良好的使用价值。 关键词：机器视觉；图像采集；图像复原；图像识别；S V M 分类 A b s t r a c t h n a g e c o l l e c t i o na n dr e c o g n i t i o ni sa s i g n i f i c a n tp a r to fc o m p u t e rv i s i 汛h n a g e c 0 1 1 e c t l o r = m a i

5、n l vi 1 1 c l u d e ss e l e c t i o no fi m a g es e n s o r , a d j u s t m e n to fl i g h t i n e n s i t y , a p e r t u r e a n d e x p o s u r et i I I l e ，d e s i g no fi m a g ec o l l e c t i o np l a t f o r m a n di m a g e 聊o c e s s l n gt e c h n o l o 醪 F 硫t s u i 油l ei m a g es e

6、n s o rs h o u l db e c h o s e nt oe n s u r et h ei m a g ec o l l e c t l o nq u a n t y O m e 刑i s e ，l i 出i n t e n s i 劬a p e r t u r ea n d e x p o s u r et i m es h o u l db ea d j u s e d I t i si m p o n a n t e S p e c i a l l yf o rm o v i n g 孵t N e x t , a ni m a g e c o l l e c t i o

7、np l a t f o r ms h o u l 搬b u i l t I t l st o r m ef i x i I l go fl i g h ts o u r c ea n d c a m e r a F i n a l l y , t h ei m a g em u s t b ep r e p r o c e S s e d t o h i g h ：培h t m e 证t e r e s t m gp a r ta n dm a l 【e i tc o n v e n i e n tt ob er e c o g n i z e d I m a g er e c o g n

8、l t l o n 1 st 0 嗽a c tm e 妇嬲i s t i c s o fi m a g e ，u n d e r s t a n dt h ei n f o r m a t i o nr e f l e c t e di t h 盯蝴1 栅， a n di ti st h eb a s i so ft a r g e tc l a s s i f i c a t i o n T l l i sp a p c rs t u d i e do nt h ee f f e c to fi m a g e c o i l e c t i 。ne n v i r o n m e n to

9、 nm e 洫a g e q u a l l 够o t m 。v i 二l t a r g e t c h 。s eb a 如i m 。nw m d 雠l t e S t 雏r e s e a r c ht a r g e t 。p t i I I l i z e dm e 沛a g e ? 0 e 幽ne n v 拍m e n t ，篡c t e d t h e m o t i o n s b ；6 l u e r n o f 邪i m e d a g 。e n , e s x W t r a c t e m dt h m ec 血h a r w a c 。t 呔e r i 。s t f i

10、 c m o ；s f i I I l a g ea n df i n a l l yd e s i g n e da b a d m i n t o nc l a s s I t l e rb 邪e Qo I l3 V 1 。工肺儿m 一n 1 R e s e a r C ho nt h ee 肫C to f 沛a g e c o l l e c t i o ne n v i r o 衄e n to ni m a g eq u a l i t y I I I l a g eC 0 u e c t i o ne n v i r o n m e n t w i l la 仃e c tt h ei

11、 m a g eq u a l i t y s 仃a g h t I y 1 m S p 譬r c o m p a r e dC C D a n dC M O Si m a g es e n s o r , p o i n to u tt h ep r o sa I l d c 0 I l So fb o 也s l d e 文仝m a tt 1 1 em o v i f l g 鹏e t s e l e c t e dt h ei m a g es e n s o r A n a l y z e dt h e c 脓o f n g h t i n t e n s ? a p e r t u 聆

12、a n de x p o s u r et 妇e o ni m a g ec o l l e c t i o no fm o v i n g 协I 夸e t ，a n do p t 啪鹏d t n e p l a t f o r mo f b a d m i n t o ni m a g ec o l l e c t i o n 2 R e s e a r c ho ni m a g ep r e p r o c e s s i n go f m o v i n gt a r g e t F o ri m a g eo fm o v i l l gt a r g e t ，b l u ri s

13、u n a v o i d a b l e B e c a u s e o ft h em o t i o n o f b a d m I n t o n 1 s r o 协t i o n a l ，w i e n e rf i l t e r i n gc 舢t b eu s e dt Or e c o v e rt h eb l u r r e di m a g es 仃a i g h t l y A t c o n d i t i o no fr o t a t i o n a ls p e e di sa l r e a d yk n o w n ，t r a d i t i o n

14、a l r o t a t i o n a lm o t i o n b h r e c o V e r m e t h o dr e q u k e dt h ep e r p e n d i c u l a ro fr o t m i o n a la x i s a n dc a p t u r ep l 锄T h i s p a p 盯r a i s e da r o t a t i o n a lm o t i o nb l u rr e c o v e rm e t h o db a s e do ne s t i m a t i n g t h ea n g l eb e t w

15、 e e nr o t a t l o n a I a x i sa n dc a p t u r ep l a n I I I 广东工业大学硕士学位论文 3 I m a g ec h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o n T h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m a g ec a nb ee x t r a c t e da i d e rt h ep r e p r o c e s s i n g T h er e s e a r c ht a r g e t b a d m i n t o n Sc

16、h a r a c t e r i s t i c sa r ed i a m e t e r , s w i n ga n dr o t a t i o n a ls p e e d T h i sp a p e ru s e dt h e s h a p eo fb a d m i n t o nt om e a s u r ei t sd i a m e t e r , a n a l y z e dt h ei m a g es e q u e n c et om e a s u r et h e s w i n g ，a n db a s e do nt h ec h a n g e

17、o fc h a r a c t e r i s t i cp o 缸w h i c hi so nt h eb a l lh e a di ne n t i r e i m a g es e q u e n c et oe s t i m a t et h er o t a t i o n a ls p e e do fb a d m i n t o n 4 i m a g er e c o g n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n T h ec h a r a c t e r i s t i c se x t r a c t e df o

18、r mi m a g es e q u e n c ew a sa n a l y z e di nt h i sp a p e r T h e s t r u c t u r eo fc l a s s i f i e rb a s e do nd e c i s i o nt r e eW a so p t i m i z e d B a s e do nS V M ，t h ec l a s s i f i e r w a sd e s i g n e db yu s i n gf u t u r ek n o w l e d g et oc l a s s i f yt h eg r

19、a d eo fb a d m i n t o n A n dt h e c l a s s i f i c a t i o ne r r o rw a sa n a l y z e da tt h ee n do ft h i sp a p e r T h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi nt h i sp a p e rw a sp r o g r a m m e db a s e do nM a t l a ba n dV C ， r e a l i z e dt h ea n a l y z i n go fb a d m i n t

20、 o np o s ei nw i n dt u n n e la n dc l a s s i f i c a t i o no fb a d m i n t o n , a n dh a ss o m et h e o r ym e a n i n ga n dg o o du s ev a l u e K e y w o r d s ：C o m p m e rV i s i o n ；I m a g eC o l l e c t i o n ；I m a g ec o r r e c t i o n ；I m a g eR e c o g n i t i o n ； S V MC l

21、a s s i f i c a t i o n I V 目录 目录 摘要I A b s t r a c t I I I 目录V C o n t e n t s V I I 第一章绪论1 1 1图像采集识别技术概述1 1 2图像采集识别技术国内外研究现状3 1 3研究背景及意义4 1 4 本文的主要工作。一。5 第二章图像采集技术6 2 1图像传感器的选取6 2 2光源的配置7 2 3镜头及相机参数调整1 1 2 4图像采集装置设计及测试方法1 2 2 5本章小结1 4 第三章图像的预处理。1 5 3 1图像分割。1 5 3 2 图像校正1 6 3 3图像复原1 8 3 3 1运动模糊对图像质量

22、的影响1 8 3 3 2图像坐标变换1 9 3 3 3图像复原算法实现2 0 3 4图像二值化2 1 3 5本章小结2 3 第四章图像的识别2 4 V 广东“ r k 大学硕士学位论文 4 1单幅图像特征的提取2 4 4 1 1 球口图像特征提取一2 4 4 1 2球头图像特征提取2 5 4 2序列图像信息理解2 7 4 3图像信息的识别2 9 4 3 1统计学习理论概述3 0 4 3 2支持向量机概述3l 4 3 3支持向量机的原理3 2 4 3 4多类情况下S V M 模型3 4 4 3 5羽毛球飞行等级分类器设计3 4 4 3 6羽毛球落点距离分类探讨4 3 4 4 本章小结一4 7 第

23、五章实验验证4 8 5 1实验目的4 8 5 2实验步骤4 8 5 2 1实验一：图像采集装置及预处理算法抗干扰能力测试4 8 5 2 2实验二：羽毛球图像分类性能测试4 9 5 3实验结果4 9 5 3 1实验一测试结果4 9 5 3 2实验二测试结果。5 l 5 4误判分析及改进措施。5 2 5 5实验结论一5 2 结论5 4 参考文献。5 6 攻读学位期间发表论文和获奖6 0 学位论文独创性声明。6 l 学位论文版权使用授权声明6 l j l ! I ! 谢6 ：! 附录6 3 V I C o n t c n t s C o n t e n t s A b s t r a c t ( C

24、 h i n e s e ) I A b s t r a c t ( E n g l i s h ) I I I C o n t e n t ( C h i n e s e ) V C o n t e n t ( 1 n g l i s h ) V I I C h a p t e r1 I n t r o d u c t i o n 1 1 1I n t r o d u c t i o no fI m a g eC o l l e c t i o na n dR e c o g n i t i o nT e c h n o l o g y 。l 1 2T h eR e s e a r c hS

25、 i t u a t i o no fI m a g eC o l l e c t i o na n dR e c o g n i t i o nT e c h n o l o g yH o m e a n dA b r o a d 3 1 3R e s e a r c hB a c k g r o u n da n dM e a n i n g 4 1 4M a i nW o r ko fT h i sP a p e r 。：5 C h a p t e r2I m a g e C o l l e c t i o nT e c h n o l o g y 6 2 1T h eS e l e c

26、 t i o no fI m a g eS e n s o r 6 2 2T h eS e l e c t i o no fL i g h tS o u r c e 7 2 3 A d j u s t m e n to fP a r a m e t e r so fL e n sa n dC a m e r a 。1 1 2 4 D e s i g no fI m a g eC o l l e c t i o nP l a t f o r ma n dT e s t i n gM e t h o d ：一12 2 5 S u m m a r y o fT h i sC h a p t e r

27、1 4 C h a p t e r 3 I m a g eP r e p r o c e s s i n g 15 ：I 1 I m a g eS e g m e n t a t i o n 15 ：；2 I m a g eC o r r e c t i o n 1 6 ：I 3 I m a g eR e c o v e r y 18 3 3 1T h eE f f e c to f M o t i o nB l u rO nI m a g eQ u a l i t y 1 8 3 3 2 I m a g eC o o r d i n a t eT r a n s f o r m a t i

28、o n 19 3 3 3 I m a g eR e c o v e r yM e t h o d 2 0 3 4 I m a g eB i n a r y z a t i o n 21 3 5 S u m m a r yo fT h i sC h a p t e r 2 3 C h a p t e r4I m a g eR e c o g n i t i o n 2 4 4 1C h a r a c t e r i s t i cE x t r a c t i o no fS i n g l eI m a g e 2 4 4 1 1C h a r a c t e r i s t i cE x

29、t r a c t i o no fB a d m i n t o nR i m 2 4 4 1 2C h a r a c t e r i s t i cE x t r a c t i o no fB a d m i n t o nH e a d 。：2 5 V l I 广东工业大学硕士学位论文 4 2I n f o r m a t i o nU n d e r s t a n d i n gO f S e q u e n c eI m a g e 2 7 4 3 I m a g eI n f o r m a t i o nR e c o g n i t i o n 2 9 4 3 1I n

30、t r o d u c t i o no fS t a t i s t i c a lL e a r n i n gT h e o r y 3 0 4 3 2I n t r o d u c t i o no fS V M 3l 4 3 3 T h e o r yo fS V M 3 2 4 3 4S V Mi nM u l t i c l a s sS i t u a t i o n 3 4 4 3 5B a d m i n t o nF l i g h tG r a d eC l a s s i f i e rD e s i g n ：3 4 4 3 6B a d m i n t o nP

31、l a c e m e n tD i s t a n c eC l a s s i f i c a t i o nD i s c u s s i o n 4 3 4 4 S u m m a r yo fT h i sC h a p t e r 4 7 C h a p t e r5E x p e r i m e n tT e s t 4 8 1 ；1 E x p e r i m e n tA i m s 4 8 5 2 E x p e r i m e n tS t e p s 4 8 5 2 1T e s t1 ：A n t i - J a m m i n gA b i l i t yT e s

32、 to fI m a g eC o l l e c t i o nP l a t f o r ma n d P r e p r o c e s s i n gM e t h o d 2 1 8 5 2 2T e s t2 ：C l a s s i f i c a t i o n A b i l i t yT e s to f B a d m i n t o nI m a g e 4 9 5 3 E x p e r i m e n tR e s u l t z 1 9 5 3 1R e s u l to f l e s t1 4 9 5 3 2R e s u l to f T e s t2 5

33、l 5 4E r r o n e o u sJ u d g m e n tA n a l y z i n ga n dI m p r o v i n gM e t h o d 5 2 5 5 E x p e r i m e n tC o n c l u s i o n 5 2 C o n c l u s i o n 5 4 R e f e r e n c e s 5 6 P u b l i s ha n dA w a r dL i s t 6 ( ) A n n o u n c e m e n to fO r i g i n a lC r e a t i o n 6 1 C o p y r i

34、 g h tL i c e n s eS t a t e m e n t 6 1 A c k n o w l e d g e m e n t 6 2 A p p e n d i c e s 6 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 图像采集识别技术概述 机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、 图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科，它利用计算机来模拟人的视觉功能， 从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测和控制。 图像工程包含三个层次：图像处理、图像分析和图像理解。三者的抽象程度和数据 量成反比。如图所示： 抽 象 程 度 符号1 l l

35、操 目标懂 I 像素J 数 据 量 - 、一，、一_ 图1 1 图像工程的三个层次 F i g u r e l - 13l e v e l so fi m a g ep r o j e c t 图像处理属于低层操作，数据量大，抽象程度低，主要是在图像像素级上进行 处理，强调图像的变换及其之间的相互转换。广义上图像处理泛指各种图像技术， 但狭义上主要是指对图像进行各种变换以改善图像的视觉效果，为其后的图像分析 和图像识别奠定基础，或对图像进行压缩编码以减少图像的存储空间或传输时间。 图像分析属于中层操作，数据量减小，抽象程度提高，主要指对图像中感兴趣 的目标进行检测，实现图像分割和特征提取，然后

36、用更简洁的数据形式描述图像。 这里的数据可以是对目标特征测量的结果，或是基于测量的符号表示，其涵盖了图 像中目标的特点和固有属性。 图像理解属于高层操作，数据量小，抽象程度高，主要是对从描述抽象出来的 符号进行运算，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并通过对 图像内容含义的理解得出原来客观场景的解释，从而指导和规划主观行为，其处理 过程和方法与人类思维推理有很多相似之处。 层 层 层 高 电 低 ，、【 语义 广东工业大学硕士学位论文 图像采集是机器视觉的基础，获取高质量的图像，是对图像进行处理和识别的 前提。换句话说，机器视觉中图像采集环节要实现的目标是得到满足图像处理及识

37、别所要求的相应质量的图像。 图像采集过程包括以下4 个环节： 1 对所要拍摄的物体进行照明； 2 利用光学镜头将所要拍摄的目标清晰的成像到照相机图像传感器的靶面上； 3 通过相机的光电转换功能将目标图像的光信息转换成电信息； 4 图像采集卡将照相机输出的目标图像的电信息转换为计算机能够处理显示的 数字图像信息； 只有处理好全部4 个环节，才能得到理想的图像。 图像识别技术的涵义很广，主要指通过计算机，采用数学技术方法，对一个系 统前端获取的图像按照特定目的进行相应的处理。图像识别是立体视觉、运动分析、 数据融合等实用技术的基础，在导航、地图与地形配准、自然资源分析、天气预报、 环境监测、生理病

38、变研究等许多领域有重要的应用价值： 1 遥感图像识别：航空和卫星遥感图像通常会使用图像识别技术对图像进行加工 以便提取有用的信息。该技术目前主要用于地形地质探查，自然资源分布及储量调 查，灾害预测，环境污染监测，气象卫星云图分析以及地面重要目标识别等。 2 通讯领域的应用：包括图像及视频传输、多媒体、视频电话、视频会议等。 3 军事、安保和刑侦等领域的应用：图像识别技术在军事、刑侦方面的应用很广 泛，例如重要军事目标的侦察、智能武器的制导和雷达监控系统；消防领域自动灭 火器的控制；公安部门的现场照片、指纹、足迹、笔记、人像等的处理和辨识等。 4 生物医学领域的应用：图像识别在现代医学中的应用也非常广泛，它具有直观、 无创伤、安全方便等特点。在临床诊断和病理研究中广泛借助图像识别技术，对病 灶部位进行诊断，分析病因，对肿瘤等进行识别和定位。 5 工业检测领域的应用：图像识别技术还可用于工业生产中的工件识别和定位， 质量的检测和等级的判别，以及工业机器人的自动操作等方面。 可以说，图像识别技术是人类视觉认知的延伸，是人工智能的一个重要领域。 随着计算机技术及人工智能技术的发展，图像识别技术越来越成为人工智能的基础 技术。它涉及的技术领域也越来越广泛，应用越来越深入。其基本分析方法也随着 数学工具的不断进步而不断发展。 2 第一幸绪论 1 2 图像采集识别技术国内外研究