電腦視覺筆記 EP1 設備與裝置

Harry
Sep 25, 2022

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在大學裡因為需要製作機器人,因此萌生出需要視覺處理的需求,因此本系列主要紀錄了我自己在電腦視覺處理技術上的一些技術與心得。

一、圖像採集設備與軟體編程

圖像採集設備包括一般手機、WEB CAM、攝影機、照相機、掃描器等都是圖像輸入的裝備

在機器人應用上我們常用單板電腦(Single Board Computer,SBC)去做機載主機,在單板電腦上,教學資源最多以及最好入手的主要就樹莓派基金會出的Raspberry Pi 3、4代,應用圖像處理最好使用到記憶體多一些8G款式。下圖1

圖1 Raspberry Pi

以及NVIDIA推出的嵌入式系統開發套件Jetson系列,都有著不錯的運算能力能夠以基載電腦處理圖像的能力。下圖2

圖2 NVIDIA 嵌入式系統開發套件系列

最後是桌上型電腦以及筆記型電腦,作為在學習時最常用的設備,所有的技術開發實驗都是在桌上型電腦或筆記型電腦上做開發,最終敲定效果不錯的算法之後,在優化部屬到SBC上。

二、機器視覺(Computer Vision,CV)的功能與精度

機器視覺的功能與人類視覺功能相似,大致上就是判斷以及測量。

其中每項功能又能分類出很多功能

判斷

  • 判斷有沒有
  • 判斷是不是
  • 判斷缺陷

測量

  • 測量尺寸
  • 測量形狀
  • 測量角度…等幾何形狀參數

人眼測量一般需要精度0.1mm以上的卡尺。

而CV測量除了需要標定物作為參照之外,還需要相機有足夠的解析度。

例如判斷功能的精度問題。

如下圖3,對於極微小的缺陷,只有當相機的解析度(Resolution)夠高,分辨得出來,才能夠自動判斷。對於靜態圖像,只要缺陷的面積大於物體自身的紋理結構就可以判斷。

對於生產線上的動態判斷,除了缺陷的靜態大小之外,還需要考慮生產線運行的速度和相機採樣速度的關係。

Example:假設生產線的運動速度是每秒100mm/s,相機的圖像採樣頻率是每秒100幀,(100FPS) ,那每幀圖,像素間的位移就是1mm,這樣1mm以下的缺陷就判斷不了。

圖3 有缺陷的圖像

精密測量

精密測量通常用於靜態目標的尺寸量測,攝影鏡頭垂直於被測量目標進行拍照,通過在測量平台上放置標尺進行相機標定。

數位圖像的採樣與量化

數位訊號是現今電子設備最主流處理資訊的方式,其儲存的是位於記憶體中0或1的二進制狀態,這稱為一個比特(bit),八個二進制位可以組合出256(2⁸=256)狀態,這被稱為一個位元組(byte)。也就是說,一個Byte可以用來表示從00000000到11111111的256狀態,標準的數位圖像數據也是採用一個Byte的256個狀態來表示。

電腦和數位相機等數位設備中的圖像都是數位圖像,在拍攝照片或掃描文件時輸入的都是連續的類比訊號,需要經過採樣和量化兩個步驟,將輸入的類比訊號轉換成最終的數位訊號

採樣

採樣(sampling)是把空間中連續的圖像分割程離散像素的集合。採樣精度有非常多種不同的設定,採樣越細,像素越小,可以看到更細節的東西。

量化

量化(quantization)是把像素的亮度(灰階)變換成離散的整數值來操作。

最簡單是用黑色代表0白色代表1的二進制表示法,稱為二值圖像(binary image)。

隨著量化越細緻,灰階級數表現越豐富,對於6bit以上的圖像,人眼幾乎看不出有什麼區別。電腦中的圖像亮度值一般採用8bit的方式來表示,0是最黑255是最白

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