浅谈视觉传感器

浅谈视觉传感技术王恋（重庆理工大学，贵州省安顺市561009）摘要：随着科学技术的发展，传感器的研究和应用变得越来越重要，它成为获取信息的重要技术手段，针对不同的应用传感器技术也分为：光电传感技术、光纤传感技术、视觉传感技术、生表面波传感技术、生物传感技术、化学传感技术、前沿传感技术这七大类传感技术，本文将着重介绍视觉传感技术。视觉传感技术因其硬件成本的显著降低，性能的极大提升以及具备了大规模推广的条件得到了绝大多数研究者和工业生产者的青睐，这为视觉传感技术的发展前景奠定了基础，但同时也存在测量精度问题，视觉传感器对环境的高要求也是视觉传感器需要解决的问题，只有提高了测量精度问题和适应环境变化的问题才能使得视觉传感器更具有竞争力和自身优势。关键词：信息；传感技术；视觉传感技术；测量精度；适应环境OnvisualsensingtechnologyWangLian(ChongqingUniversityoftechnology,AnshunCity,GuizhouProvince,561009,China)Abstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology,researchandapplicationofthesensorbecomesmoreandmoreimportant,ithasbecomeanimportanttechnicalmeanstoobtaininformation,accordingtotheapplicationofdifferentsensortechnologiesarealsodividedinto:photoelectricsensortechnology,opticalfibersensingtechnology,visualsensingtechnology,surfacewavesensortechnology,biologicalsensortechnology,chemicalsensingtechnology,thesensortechnologyfrontiersevenkindsofsensingtechnology,thispaperwillfocusonthevisualsensingtechnology.Becausethevisualsensingtechnologysignificantlyreducethehardwarecost,greatlyenhancetheperformanceandhavealarge-scalepromotionoftheconditionshavebeenmostresearchersandindustrialproducersfavor,whichlaidthefoundationforfuturevisionsensingtechnology,buttherearealsoproblemsofmeasurementaccuracy,theproblemofthehighrequirementofvisualsensorisalsoavisualenvironmentthesensorneedstobesolved,onlytoimprovethemeasurementaccuracyandtoadaptthechangeofenvironmentproblemsinordertomakethevisualsensorhasmoreadvantagesandcompetitivenessKeywords：Information;sensingtechnology;visionsensingtechnology;measurementaccuracy;adaptationtotheenvironment0引言视觉源于生物界获取外部环境信息的一种方式，是自然界生物获取信息的最有效手段，是生物智能的核心组成之一。人类80%的信息都是依靠视觉获取的，基于这一启发研究人员开始为机械安装“眼睛”使得机器跟人类一样通过“看”获取外界信息，由此诞生了一门新兴学科——计算机视觉，人们通过对生物视觉系统的研究从而模仿制作机器视觉系统，尽管与人类视觉系统相差很大，但是这对传感器技术而言是突破性的进步。视觉传感器技术的实质就是图像处理技术，通过截取物体表面的信号绘制成图像从而呈现在研究人员的面前。视觉传感技术的出现解决了其他传感器因场地大小限制或检测设备庞大而无法操作的问题，由此广受工业制造界的欢迎。本文通过对比视觉传感技术的优缺点以及发展趋势来展示视觉传感技术的兴起和应用。1视觉传感技术概述视觉传感技术是传感技术七大类中的一个，视觉传感器是指[1]：通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理，来计算对象物的特征量（面积、重心、长度、位置等），并输出数据和判断结果的传感器。视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。它是基于生物视觉和计算机视觉所提出的。视觉传感器是50年代后期出现的，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。机器人视觉从60年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理桌子、椅子、台灯等室内景物，进而处理室外的现实世界。70年代后，有些实用性的视觉系统出现了，如应用于集成电路生产、精密电子产品装配、饮料罐装箱场合的检验、定位等。另外，随着这门学科的发展，一些先进的思想在人工智能、心理学、计算机图形学、图形处理等领域产生出来。1.1生物视觉视觉是生物获取外界信息的重要途径，它借助大量神经元组成的庞大神经网络实现。研究表明，人类80%的外部信息是通过视觉途径获取的，视觉的直观理解就是：通过对环境场景（组成成分、空间关系、质地质感等）成像，一次性得到包含大量场景信息的“图像”，经过分层次处理，最终达到理解和表达的目的。生物视觉功能建立在生物组织和器官的基础上。环境场景通过成像器官（眼睛）成像，视觉神经感受到亮度信号，形成神经脉动，进而传输至中枢神经系统（大脑），上述路径构成视觉通路。已经证明，在视觉通路中，信息的传输和处理是同时进行的，涉及的组织器官大都同时具有传输和处理功能，视觉信息的传输过程和处理过程是紧密耦合的，并且系统结构具有自组织的特点，生物视觉系统是一个结构复杂、功能强大、高度智能的信息系统。1.2机器视觉生物视觉强大处理信息功能使得研究者都想模拟构造出类似的系统，由此出现了计算机视觉，研究者借助信息处理理论、电子器件和计算机技术的进步，人们试图用摄像机获取环境场景图像，转换为计算机处理的数字信号，由计算机平台进行视觉信息处理以此模仿生物视觉系统的图像获取和处理机理。但由于生物视觉系统的复杂性，使得计算机视觉还处于皮毛阶段。出于工程应用目的，在计算机视觉中可以将视觉传感（信息获取）、视觉信息处理、理解和认知等环节分开考虑，一方面简化了类生物视觉系统复杂的相互作用体系结构，同时便于现有计算机平台的实现。这时孕育而生了机器视觉，它有别于计算机视觉，计算机视觉试图揭示生物视觉机理，属于人工智能领域，是基础研究；而机器视觉是利用计算机视觉所现有的技术，着重于对图像的获取同时利用计算机强大的处理技术来对所采集的信息进行处理和分析，最终得到结果。这使得机器视觉传感技术广泛的应用于农业生产、工业制造、医疗仪器、智能交通、航空航天等领域，它在我们的生活中扮演者越来越重要的角色。2视觉传感技术的分类2.13D视觉传感技术当视觉传感技术成为研究热门时，人们继续追求着更加立体的画面感，当观看3D电影时我们不免会抱怨带眼镜的麻烦及担心伤害眼睛，这时3D立体成像成为热门研究，这将为实现3D画面的呈现无需佩戴立体眼镜就能观看立体图像。3D信号[2]是一个三维坐标的空间信号。在一个精确视觉的定义中，3D摄像应该是一个拥有三个空间分量的图像。但是，从广义上讲，视频信号序列可以考虑作为一个3D信号，其中包括两维的空间变量和一个一维的时间分量。在真正的3D视频信号中，其图像是一个拥有三个空间分量的影像；有时也可以将3D视频信号看做4维空间信号，拥有三个空间分量和一个时间分量。目前所谓的3D游戏和电影，实际上并非真正的3D影像。这是因为拍摄电影时使用的是单镜头的摄影机，制作的游戏使用的是3D软件技术，并且目前显示的屏幕是2D[3]，因此从制作到显示都是平面的。3D图像信息的获取都是基于某种图像传感器获取、量化图像信息，这些图像传感器有直接获取可见光的图像，也有间接通过检测辐射、红外线、X射线、或者超声波来获取图像信息。不同的传感器技术有不同的分辨率、精度和噪声，因此从图像传感器获取的信息中提取有用信号进行分析成为广大科技工作者的研究课题。3D视觉传感器具有广泛的用途，比如多媒体手机、网络摄像、数码相机、机器人视觉导航、汽车安全系统、生物医学像素分析、人机界面、虚拟现实、监控、工业检测、无线远距离传感、显微镜技术、天文观察、海洋自主导航、科学仪器等等。这些不同的应用均是基于3D视觉图像传感器技术。特别是3D影像技术在工业控制、汽车自主导航中具有急迫的应用。2.1智能视觉传感技术所谓智能视觉传感技术是指一种高度集成化、智能化的嵌入式视觉传感技术。它取代了PC平台的视觉系统[4]，智能视觉传感技术将视觉传感器、数字处理器、通信模块及其他外围设备集成在一起，成为一个能独立完成图像采集、分析处理、信息传输一体化的智能视觉传感器。视觉传感器都是基于CCD图像传感器和CMOS图像传感器实现图像像素的采集，随着二者技术及嵌入式处理技术的发展，使得智能视觉传感器在图像质量、分辨率、测量精度以及处理速度、通信速度方面得到很大的提升优化，其发展将逐步接近甚至超越基于PC平台的视觉系统。智能视觉传感技术下的智能视觉传感器也称智能相机，是近年来机器视觉领域发展最快的一项新技术。智能相机是一个兼具图像采集、图像处理和信息传递功能的小型机器视觉系统，是一种嵌入式计算机视觉系统。它将图像传感器、数字处理器、通讯模块和其他外设集成到一个单一的相机内，由于这种一体化的设计，可降低系统的复杂度，并提高可靠性。同时系统尺寸大大缩小，拓宽了视觉技术的应用领域。智能视觉传感器的易学、易用、易维护、安装方便，可在短期内构建起可靠而有效的视觉检测系统等优点使得这项技术得到飞速的发展。3视觉传感技术的实现基础视觉传感器的图像采集单元主要由CCD/CMOS像机[5]、光学系统、照明系统和图像采集卡组成，将光学影像转换成数字图像，传递给图像处理单元。通常使用的图像传感器件主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器两种。下面将介绍两种传感器的实现原理及优缺点。3.1CCD图像传感器CCD即电子耦合组件（chargedcoupleddevice），它就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投影到CCD表面时，CCD就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存在相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡内。CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。CCD图像传感器由微镜头、滤色片、感光元件三层组成。CCD图像传感器的每一个感光元件由一个光电二极管和控制相邻电荷的存储单元组成光电管用于捕捉光子用，它将光子转化成电子，收集到的光线越强，产生的电子数量就越多，而电子信号越强则越容易被记录且不容易丢失，图像细节则更加丰富。CCD传感器是一种特殊的半导体材料，有大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当月传统相机的胶卷。目前，CCD的种类有很多，其中面矩阵CCD[6]主要应用在数码相机中。它是由许多单个感觉二极管组成的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的CCD传感器。CCD传感器的成像原理是使用感光二极管将光线转换为电荷，当拍摄者对焦完毕按下快门的时候，光线通过打开的快门（目前消费级数码