圖像識別技術(shù)的基本原理精選(九篇)
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第1篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
【關(guān)鍵詞】智慧交通 信息化監(jiān)理 監(jiān)控系統(tǒng)
1 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)概述
城市交通監(jiān)控系統(tǒng)是采用先進(jìn)的圖像識別技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等高新技術(shù)手段形成的一個特殊系統(tǒng)。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)通過位于感知層的前端監(jiān)控設(shè)備對視頻圖像進(jìn)行采集和初步的分析，然后利用有線通信網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)控點的交通實時情況快速、準(zhǔn)確地傳回后臺。后臺建設(shè)有C合的交通管理和指揮平臺。在這個高度集成的平臺上，交通管理人員可以了解和掌控布設(shè)監(jiān)控區(qū)域的車輛通行狀況、流量等信息。同時可以對車輛違法、交通堵塞、突發(fā)事件等進(jìn)行視頻取證并及時處理，從而達(dá)到非現(xiàn)場執(zhí)法的目的。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)還貫穿于智慧交通體系之中，滿足了交通管理不同崗位上的工作者的業(yè)務(wù)需求。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在交通信息的采集與處理，交通信息管理以及智能交通調(diào)控等幾個方面。
2 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵―圖像識別技術(shù)
交通監(jiān)控系統(tǒng)的圖像識別技術(shù)是通過成像傳感器獲取道路交通圖像，然后利用前端設(shè)備的嵌入式芯片或中心機(jī)房的服務(wù)器對圖像進(jìn)行處理與識別，以模仿人的視覺功能，獲得智能交通系統(tǒng)所需的有用信息。圖像識別的處理過程如圖2所示。圖像識別技術(shù)主要應(yīng)用在車輛的檢測、識別、跟蹤、違章報警、流量統(tǒng)計等。
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中的機(jī)動車保有量不斷增加，而受限于城市規(guī)劃和地理環(huán)境，城市的交通道路不可能無限制增加，擁堵成為大多數(shù)一線城市共同面對的難題。車輛與道路的矛盾除了導(dǎo)致?lián)矶拢S之而來的是各種交通違章、交通事故的增多。交通部門的壓力與日俱增，由于警力有限，不可能純粹依靠人力對所有路段、路口實施全天候、全方位的監(jiān)控管理，所以只能依靠現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段來進(jìn)行交通協(xié)管。利用圖像識別技術(shù)可以完成自動交通監(jiān)管功能，即建立所謂的“電子警察”。通過交通路口安裝攝像機(jī)，拍攝交通路口的視頻，經(jīng)過計算機(jī)對數(shù)字圖像信號的閥值比對和分析處理，完成自動違章識別和自動車牌識別的任務(wù)。
自動違章識別是對動態(tài)物體（如車輛）進(jìn)行識別，并對其運動軌跡進(jìn)行跟蹤，然后依靠監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的道路標(biāo)志和路口信號燈狀態(tài)自動判斷車輛違章情況。其中涉及的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有：
2.1 對運動目標(biāo)的檢測。
在這一環(huán)節(jié)主要采用的技術(shù)手段有背景圖像差分法、幀間差分法和光流法等圖像識別方法。這三種方法各自擁有自己的特點，結(jié)合不同實際情況使用可以取得很好的應(yīng)用效果。
2.1.1 背景圖像差分法
其基本原理是首先將監(jiān)控視野內(nèi)的靜態(tài)背景儲存起來。在實際運行中通過將拍攝到的實時圖片與靜態(tài)背景進(jìn)行減除，將所得差的每一像素的值和預(yù)定閾值相比較，若這個像素值大于閾值，則認(rèn)為這點是前景點，否則是背景點。利用這種技術(shù)解決方案時，受光線和天氣等外界條件的影響較大。因為在不同天氣、不同光照的情況下，背景圖像并不是一成不變的，因此很難構(gòu)造一個理想的靜態(tài)背景圖像作為基礎(chǔ)；另一個問題在于預(yù)定閾值的確定，只有恰當(dāng)?shù)拈撝挡拍苷_分割出目標(biāo)所占的區(qū)域，而這也需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和確定。
2.1.2 幀間差分法
這種解決方案是通過將記錄的視頻圖像中一系列的相鄰兩幀作差分運算來獲得目標(biāo)輪廓。在多個運動目標(biāo)的識別中該方案可以取得良好的效果。由于視頻中兩幀圖像間隔時間很短，所以背景的變化也非常小，對差分的影響很小。其缺點在于所差分的圖像并不是由理想封閉的輪廓區(qū)域組成，得出的目標(biāo)往往是局部的、不連續(xù)的，這對運動目標(biāo)的識別是不利的。
2.1.3 光流法
其基本原理是給視頻中的每一個像素都設(shè)定了一個速度矢量，形成一個整體的圖像運動場，在運動的定格時刻，圖像上的點與三維物體上的點一一對應(yīng)，再根據(jù)各像素點的速度矢量特征對圖像進(jìn)行動態(tài)分析，根據(jù)圖像的光流矢量分析這一區(qū)域是否是連續(xù)變化，從而判斷是否有運動目標(biāo)。光流法方法規(guī)避了差分時基礎(chǔ)靜態(tài)背景和閥值的選取工作，但是對每個像素的矢量進(jìn)行分析，計算量大、易受視頻噪聲影響，依照現(xiàn)有的硬件處理能力，還不能做到圖像的實時處理，應(yīng)用范圍受到一定限制。
2.2 對多目標(biāo)的跟蹤
在視頻流中分割目標(biāo)，再將分割的目標(biāo)與上一幀圖像的目標(biāo)進(jìn)行匹配，從而達(dá)到跟蹤的目的。一些文獻(xiàn)介紹了利用目標(biāo)匹配的方法實現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤，其基本原理是將當(dāng)前圖像幀中的區(qū)域和已知圖像的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行匹配，如果已知的目標(biāo)區(qū)域表示為一個目標(biāo)列表，將當(dāng)前圖像幀中的所有區(qū)域表示為一個測量列表，針對測量列表中的每一個元素，在目標(biāo)列表中找到與之最相似的元素，這類方法適用于目標(biāo)之間相互作用較小的情況，且與目標(biāo)特征的選取關(guān)系較大。
2.3 對車輛違章的判別
在車輛運動軌跡提取之后，根據(jù)紅綠燈信號和道路交通標(biāo)志線自動判別車輛違章情況。在對交通違章行為進(jìn)行處理時必須記錄三個重要證據(jù)：違章畫面；違章車輛全景位置，表明該車當(dāng)時確實處在違章位置；清晰的車牌號碼，明確違章車輛身份。所以只有利用了基于計算機(jī)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能完成自動監(jiān)控。
車輛自動識別作為當(dāng)前智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，逐漸形成幾種成熟、有效的識別技術(shù)，如射頻識別、車牌識別以及條形碼識別。其中條形碼識別以及射頻識別都隸屬于間接識別，很難對車輛同其車牌信息是否相真實相符進(jìn)行有效識別。車牌識別是一種直接識別，不需要在車輛當(dāng)中安裝相應(yīng)的條形碼或者其他的射頻識別標(biāo)志，且維護(hù)和使用簡便。
車牌自動識別是以攝像機(jī)拍攝的車輛畫面作為輸入圖像，利用計算機(jī)圖像處理和模式識別技術(shù)識別車牌字符。目前的技術(shù)水平為字母和數(shù)字的識別率可達(dá)到96%，漢字的識別率可達(dá)到95%。中國軟件評測中心同時提供專業(yè)的第三方測試服務(wù)，為項目建設(shè)成果保駕護(hù)航。
車牌識別系統(tǒng)有兩種觸發(fā)方式，一種是外設(shè)觸發(fā)，另一種是視頻觸發(fā)。如圖3所示。
外設(shè)觸發(fā)工作方式是指采用線圈、紅外或其他檢測器檢測車輛通過信號，車牌識別系統(tǒng)接受到車輛觸發(fā)信號后，采集車輛圖像，自動識別車牌，以及進(jìn)行后續(xù)處理。
視頻觸發(fā)方式是指車牌識別系統(tǒng)采用動態(tài)運動目標(biāo)序列圖像分析處理技術(shù)，實時檢測車道上車輛移動狀況，發(fā)現(xiàn)車輛通過時捕捉車輛圖像，識別車牌照，并進(jìn)行后續(xù)處理。視頻觸發(fā)方式不需借助線圈、紅外或其他硬件車輛檢測器。
3 城市交通信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用
城市交通信息管理系統(tǒng)包含車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集中管理以及信息存儲于一體的綜合系統(tǒng)，將采集的信息經(jīng)過分析、處理、提煉，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographical Information System）可以動態(tài)查詢車輛信息、跟蹤車輛、自動形成路況信息，通過現(xiàn)代通信手段向外實時相關(guān)信息，以及發(fā)送相關(guān)車輛的違章信息。
城市交通信息管理方式是以車牌號作為車輛的唯一身份，配合自動車輛識別系統(tǒng)進(jìn)行半自動或人工方式進(jìn)行管理。因此，有必要在城市交通信息管理系統(tǒng)中引入更先進(jìn)的身份標(biāo)識傳感器以實現(xiàn)自動化管理。
4 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)監(jiān)理措施
北京賽迪工業(yè)和信息化工程賽迪監(jiān)理中心有限公司隸屬于國家工業(yè)和信息化部中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，依托工業(yè)和信息化部計算機(jī)與微電子發(fā)展研究中心（中國軟件評測中心）和賽迪信息產(chǎn)業(yè)（集團(tuán)）有限公司的優(yōu)質(zhì)資源，業(yè)務(wù)涵蓋信息工程、智能交通、智慧城市、工程、運維管理等類型。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的監(jiān)理工作將重點放在感知系統(tǒng)設(shè)備安裝，軟件系統(tǒng)開發(fā)兩方面。本節(jié)主要對城市交通信息管理系統(tǒng)開發(fā)整個賽迪監(jiān)理實施進(jìn)行闡述，對前端設(shè)備選型、監(jiān)控點位進(jìn)行描述，具體設(shè)備安裝工藝不再作具體介紹。
4.1 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)感知設(shè)備選型監(jiān)理措施
前端監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)建O主要包括監(jiān)控點位確認(rèn)、現(xiàn)場踏勘、施工圖紙設(shè)計、立桿、設(shè)備安裝調(diào)試、纜線敷設(shè)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試、系統(tǒng)驗收等施工工作。設(shè)備選型需從視頻采集、傳輸、控制、顯示、存儲等方面進(jìn)行考慮。同時還要考慮因素，如存儲設(shè)備接入視頻流的最少節(jié)點、讀寫速度、網(wǎng)絡(luò)帶寬等。選擇符合本項目需求的設(shè)備不僅可以達(dá)到項目建設(shè)的最終目的，也可以減少因設(shè)備問題后續(xù)施工產(chǎn)生的不良后果。所以在設(shè)備選型上，賽迪監(jiān)理人員應(yīng)堅持設(shè)備選型一致性、確保技術(shù)參數(shù)相同，減少設(shè)備與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗袉栴}。保證了應(yīng)用效果的統(tǒng)一，為項目整體系統(tǒng)擴(kuò)充、更新?lián)Q代打好了基礎(chǔ)。項目所用產(chǎn)品必須滿足合同和規(guī)范要求，國家強(qiáng)制執(zhí)行第三方檢測的設(shè)備需提供檢測報告上交賽迪監(jiān)理人員審查。
4.2 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控布點監(jiān)理措施
監(jiān)控點的分布設(shè)計主要以道路、交通設(shè)施情況、人口分布程度等因素共同決定。對重點政府機(jī)構(gòu)、軍隊駐地、繁華商業(yè)街區(qū)、城市公共交通樞紐，人口稠密地區(qū)，易擁堵的道路周邊監(jiān)控點分布密度相對較大。對稀疏地區(qū)，山林等交通順暢地區(qū)，監(jiān)控點宜減少。
賽迪監(jiān)理應(yīng)參與監(jiān)控點設(shè)備的到貨安裝全過程，因城市交通系統(tǒng)前端感知點位較多，賽迪監(jiān)理方可采取分批檢查或抽查的方式對承建方的工作進(jìn)行監(jiān)督和管理。在后期設(shè)備全部接入后，可要求承建單位提交監(jiān)控測試計劃，制定監(jiān)測攝像機(jī)檢查方案。
4.3 城市交通信息管理系統(tǒng)建設(shè)監(jiān)理措施
對交通信息管理系統(tǒng)開發(fā)需求內(nèi)容的確認(rèn)是整個軟件開發(fā)實施階段尤為重要的工作。此階段監(jiān)理人員應(yīng)對承建單位需求分析和設(shè)計階段工作成果進(jìn)行評審，保障軟件需求分析設(shè)計過程和產(chǎn)品符合規(guī)范和要求。
4.3.1 城市交通信息管理系統(tǒng)需求分析階段
賽迪監(jiān)理主要任務(wù)是聽取業(yè)主單位從業(yè)務(wù)角度出發(fā)提出的對開發(fā)方設(shè)計的意見，對軟件交通信息管理系統(tǒng)需求分析過程、需求分析活動、概要設(shè)計內(nèi)容、詳細(xì)設(shè)計內(nèi)容等進(jìn)行審查，確認(rèn)是否滿足要求：給出是否符合要求的結(jié)論；確定其可否作為軟件開發(fā)的前提和相關(guān)依據(jù)。從文檔的規(guī)范性、可實施性出發(fā)，以國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，從軟件工程學(xué)的角度對承建單位提出意見與建議，配合業(yè)主單位工作，敦促承建單位做好工程項目的設(shè)計工作。在設(shè)計階段，賽迪監(jiān)理主要針對需求的覆蓋性及可跟蹤性、模塊劃分的合理性、接口的清晰性、技術(shù)適用性、技術(shù)清晰度、可維護(hù)性、約束與需求的一致性、可測試性、對軟件設(shè)計的質(zhì)量特性的評估、對軟件設(shè)計的風(fēng)險評估、對比情況、文檔格式的規(guī)范性等方面進(jìn)行評審。在此過程中，業(yè)主單位也需要對設(shè)計文檔進(jìn)行檢查，主要在功能設(shè)計是否全面準(zhǔn)確地反映了需求、輸入項是否完全與正確并符合需求、輸出項是否符合需求、與外界的數(shù)據(jù)接口是否完全與正確并符合需求、各類編碼表是否完全與準(zhǔn)確并符合需求、界面設(shè)計是否符合需求、維護(hù)設(shè)計是否符合需求、各類數(shù)據(jù)表格式和內(nèi)容是否符合要求、是否存在其他有疑問的設(shè)計等方面進(jìn)行核查。
4.3.2 城市交通信息管理系統(tǒng)設(shè)計階段
在交通監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，賽迪監(jiān)理應(yīng)監(jiān)督承建單位嚴(yán)格按照工程設(shè)計階段所制定的進(jìn)度計劃、質(zhì)量保證計劃、系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行開發(fā)工作，檢查承建單位是否按照設(shè)計中制定的規(guī)范與計劃進(jìn)行編碼與測試。同時注意軟件版本控制，檢查單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試。如有必要，宜進(jìn)行壓力測試、安全性測評等。確認(rèn)測試是否按計劃進(jìn)行并有測試與修改記錄、測試環(huán)節(jié)是否按計劃進(jìn)行，問題發(fā)現(xiàn)與解決是否有文檔記錄。
本類系統(tǒng)涉及多個子系統(tǒng)，多類接口的接入，多種數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)圖像處理、數(shù)值分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)較為復(fù)雜，功能點多。賽迪監(jiān)理應(yīng)積極協(xié)助建設(shè)單位檢查違章車輛的抓拍能力，是否有漏拍情況，車牌拍攝質(zhì)量等合同中提及的內(nèi)容進(jìn)行主觀篩查。要求承建單位制定系統(tǒng)功能測試表，包括圖像接入情況、信息處理的真實性、違章環(huán)節(jié)的處理情況等，以便各方人員的檢查、問題統(tǒng)計、解決情況等。賽迪監(jiān)理此時應(yīng)積極做好業(yè)主方和承建方之間的協(xié)調(diào)工作，在保證項目質(zhì)量前提下確保項目順利推進(jìn)。
第2篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
【關(guān)鍵詞】 手勢識別 虛擬現(xiàn)實 人機(jī)交互
一、引言
人與計算機(jī)的交互活動越來越成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€重要組成部分，特別是近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展，為人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展提供了全新的技術(shù)支持。目前，人機(jī)交互已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)技術(shù)手段的限制，開始“以人文本”越來越注重用戶自身的體驗。在人類的自然信息交流中，手勢是語音之外的一種最為常用的、自然直觀的交流方式，如果能利用手勢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計算機(jī)輸入硬件對機(jī)器進(jìn)行控制，那么人與機(jī)器的交流將更加流暢自然。針對多媒體的發(fā)展潮流以及人機(jī)交互的創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)一套基于手勢識別的多媒體交互系統(tǒng)。
本文實現(xiàn)了通過手勢識別來操作計算機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)，通過攝像頭采集使用者的手勢，并傳輸給計算機(jī)進(jìn)行處理，通過對手勢幾何特征的分析和決策來判定手勢類型，最后驅(qū)動多媒體的效果表現(xiàn)，進(jìn)而控制計算機(jī)。
二、系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)的基本原理是利用攝像頭采集方式獲取使用者的手勢，并將該動作傳輸紿計算機(jī)進(jìn)行處理，計算機(jī)內(nèi)的應(yīng)用程序則根據(jù)所捕捉的畫面進(jìn)行分割、識別、處理，最后驅(qū)動多媒體的效果表現(xiàn)。
2.1手勢輸入與識別
使用高清攝像頭作為采集單元，保證在合適的視野和景深范圍內(nèi)對目標(biāo)（手勢）的檢測和識別。檢測過程采用非接觸方式，目標(biāo)（手勢）識別檢測率高。然后采用模式識別算法，對輸入的手勢圖像進(jìn)行分析與處理，來進(jìn)行目標(biāo)（手勢）的檢測。
通過高清攝像頭獲取視頻數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)流分割、識別、處理從而將交互手勢從數(shù)據(jù)流中剝離，然后將輸入手勢與預(yù)先手機(jī)的手勢命令庫進(jìn)行特征配準(zhǔn)，最后，形成驅(qū)動相關(guān)應(yīng)用的交互指令。
2.2噪聲去除與信息增強(qiáng)
從視頻流的輸入，到手勢識別，再到信息轉(zhuǎn)換，這些過程的每一個環(huán)節(jié)都有可能受到設(shè)備電磁干擾、算法局限性等各方面的影響，這些干擾與影響最終將形成數(shù)據(jù)噪聲，對噪聲的處理不當(dāng)將使手勢圖像產(chǎn)生畸變，從而影響最終的交互指令。
因此，在手勢圖像處理之前，本文加入了一個圖像平滑/銳化處理的噪音過濾預(yù)處理，其目的是盡量消除噪聲保證手勢圖像的質(zhì)量。
2.3手勢分割與特征提取
通過實現(xiàn)建立手勢模型數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)流中的手勢進(jìn)行分割與特征提取。本文主要采用串行邊界分割技術(shù)和并行區(qū)域分割技術(shù)實現(xiàn)手勢模型的特征參數(shù)提取，并最終依據(jù)手勢模型數(shù)據(jù)庫特征配準(zhǔn)形成最終的交互命令。在手勢識別過程中，可以根據(jù)圖像邊緣像素值、手勢輪廓、手勢形狀、運動方向、骨骼等數(shù)據(jù)建立手勢特征向量。首先，通過背景分離算法將圖像背景與手勢圖像進(jìn)行分離，然后根據(jù)數(shù)據(jù)流中剝離的手勢圖像與特征庫中的手勢圖片中的各維屬性映射到特征向量中從而完成手勢圖像的特征提取。
2.4特征分類
手勢特征被提取出來后，通過模式識別智能算法對手勢進(jìn)行分類，并最終對應(yīng)到一組具體的功能命令。本文采用基于統(tǒng)計學(xué)的決策樹做分類器，決策樹實際上利用了“分治”的思想，結(jié)合建立的手勢-命令對照表，使用決策樹算法對數(shù)據(jù)表經(jīng)行遍歷從而將手勢特征與功能命令進(jìn)行匹配，最終完成從手勢到制酸劑指令的轉(zhuǎn)換。
三、結(jié)語
基于虛擬現(xiàn)實與手勢識別的人機(jī)交互系統(tǒng)計算機(jī)通過攝像頭理解人們的手勢并做出相應(yīng)的反應(yīng)，從而使人們擺脫了傳統(tǒng)鍵盤和鼠標(biāo)的種種束縛和弊端，以達(dá)到更加方便、人性化的交互方式。該系統(tǒng)可用于家庭娛樂，會議展示，商品展示，校園展示。在眾多公司產(chǎn)品展示中應(yīng)用廣泛，但以往很多傳統(tǒng)展示系統(tǒng)難以達(dá)到人們要求，該系統(tǒng)更人性化，更美觀，更直觀。
詳細(xì)通訊地址：四川省南充市順慶區(qū)師大路一號西華師范大學(xué)實驗中心 郵編：637002
聯(lián)系電話：13890857890
參 考 文 獻(xiàn)
[1]童小念，劉娜.一種基于遺傳算法的最優(yōu)閾值圖像分割算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報. 2008.32（2）：301-304.
[2]鄭友蓮.鋼筋自動計數(shù)系統(tǒng)中圖像識別算法的研究[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報. 2008.20（1）：31-34.
第3篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
關(guān)鍵詞：AR；教育教學(xué)；多平臺；移動技術(shù)
引言
在當(dāng)前以信息技術(shù)為背景的現(xiàn)代教育教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，主體性得到了較大的發(fā)揮。但是，大部分多媒體信息存在一定的局限性，它只能按照時間的流程，按電腦中程序設(shè)計的流向有限制地瀏覽。早在2011年的《地平線報告》中，增強(qiáng)現(xiàn)實與游戲?qū)W習(xí)（Game-Based Learning）同被列為未來兩三年內(nèi)將會廣泛使用的技術(shù)。[1]
隨著科學(xué)的發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)運而生，虛擬現(xiàn)實是利用計算機(jī)發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)實一樣的感覺。增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）是一種新興的體驗形式。運用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，又稱擴(kuò)增內(nèi)容（Augmented Content，計算機(jī)依據(jù)現(xiàn)實環(huán)境的相關(guān)信息實時生成）可以無縫地整合到現(xiàn)實環(huán)境中，為人類所感知。擴(kuò)增內(nèi)容可以是二維及三維物體、視頻及音頻材料、文本信息等，甚至可以是嗅覺及觸覺信息?？傮w而言，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可以幫助個體了解背景、獲取信息、擴(kuò)充知識，能形象生動地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，營造一個跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識、技能的效率，真正使教學(xué)者更容易地去表達(dá)自己的教學(xué)思想和內(nèi)容，使學(xué)習(xí)者更直觀、更容易理解教學(xué)者的教學(xué)思想和教學(xué)內(nèi)容。可以預(yù)言，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將是繼多媒體、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景的一項技術(shù)。[2][3]
增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)
AR技術(shù)是通過攝像頭采集現(xiàn)實數(shù)據(jù)（如mark），然后調(diào)用虛擬的三維數(shù)據(jù)，并且交互的實時性強(qiáng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)（如科學(xué)實驗、商業(yè)應(yīng)用、科學(xué)教育、娛樂、文化等）和各種平臺（如Windows、IOS、Android）。其基本原理如圖1。
1.主要原理
現(xiàn)在AR設(shè)備層出不窮，如頭盔式、桌面式、手持式等，最基本的設(shè)施就是采集現(xiàn)實信息的攝像頭，一個數(shù)據(jù)處理終端和一個顯示器。基本的原理：①通過攝像頭對現(xiàn)實的場景進(jìn)行實時的采集，并將采集的信息傳輸給處理器。②當(dāng)場景中出現(xiàn)marker時，處理器就會做出相應(yīng)的工作，將虛擬的三維信息與marker的信息相關(guān)聯(lián)。③處理器處理完后將信息傳輸?shù)斤@示器。④人眼通過觀看顯示器即可看到虛擬的三維物體。
2.關(guān)鍵技術(shù)
AR系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)就是信息識別的技術(shù)，現(xiàn)在比較流行的三種技術(shù)是GPS+Sensor、marker識別和圖像識別。本文介紹的是marker識別的技術(shù)，marker的信息主要是一個關(guān)于灰度值大小的數(shù)組。[4]marker識別型的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)將marker圖像的信息事先保存，通過識別技術(shù)，在當(dāng)前的圖像中查找識別marker圖像，從marker圖像中獲取位置信息，然后在marker圖像上疊加顯示。[5]
Unity3d開發(fā)環(huán)境搭建
1.Unity3d概覽
Unity3d是一款可以輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內(nèi)容的、多平臺的綜合游戲開發(fā)工具。支持多種主流三維建模軟件的模型格式，其編輯環(huán)境可運行在Windows和Mac OS X下，可以游戲至Windows、Mac、iPhone和Android平臺，也可以利用Unity web player插件網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽（如圖2）。[6]
2.開發(fā)環(huán)境的搭建
在Windows和Mac OS X環(huán)境下安裝Unity3d軟件，Unity到Android和IOS平臺是需要相應(yīng)的SDK來支持的，所以需要在電腦上安裝Android-sdk和ios-sdk。并且還要注意，在Windows下是不能到IOS平臺的，所以本文介紹的案例是使用兩種系統(tǒng)環(huán)境完成的。
3.基于Unity3d的AR技術(shù)原理
基于Unity3d的AR案例的開發(fā)，主要是運用marker識別的技術(shù)，其原理框圖如圖3。
在Unity3d開發(fā)環(huán)境中具體的工作如圖4，在場景中主要存在一個主camera就是在顯示器看到的內(nèi)容，一個承載攝像頭拍攝的真實場景，當(dāng)攝像頭檢測到marker后，會將模型的信息與marker的信息綁定在一起。當(dāng)制作完成后可以到不同的平臺。
案例介紹――magic book
該案例是一本講述關(guān)于恐龍的科普書（如圖5），講述的是霸王龍、副櫛龍、三角龍、翼龍的生存時代和生活習(xí)性。不僅能閱讀文字，同時可以通過電腦或者手持的移動設(shè)備看到三維的恐龍。改善原有純粹以靜態(tài)二維文本、圖像為主的教育教學(xué)方式，通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)環(huán)境中，可以大大提高學(xué)習(xí)者的興趣。
當(dāng)程序到Windows，在光線明亮處，將書放到攝像頭下，立刻在屏幕中出現(xiàn)恐龍。其效果圖如圖6。
移動技術(shù)的發(fā)展和智能終端的出現(xiàn)，使增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)從固定的電腦上轉(zhuǎn)移到了不受地理限制的智能終端上，可以隨時隨地的學(xué)習(xí)。以智能Android手機(jī)和蘋果iPad為應(yīng)用實例，到Android環(huán)境后生成了一個*.apk文件，安裝在Android手機(jī)上后打開即可，其效果如圖7。
到IOS環(huán)境需要經(jīng)過Xcode編譯后才能安裝到iPad。其效果如圖8。
總結(jié)與展望
本文主要介紹了AR技術(shù)，并基于Unity3d的開發(fā)平臺制作增強(qiáng)現(xiàn)實的教育教學(xué)案例，在制作之前Unity的環(huán)境一定要搭建好，在此之后進(jìn)一步的工作是要以故事作為內(nèi)容，加入3D角色、聲音及互動道具，實現(xiàn)更多的交互操作，設(shè)計更加美觀的、有意義的教學(xué)應(yīng)用案例。
隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多實用新技術(shù)將不斷出現(xiàn)，AR技術(shù)也將會出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，如怎樣在其中創(chuàng)建教學(xué)活動，學(xué)習(xí)者之間如何更直接地交流？如何與現(xiàn)有的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)整合？這些都需要我們在面對挑戰(zhàn)的同時，探討怎樣將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)更有效地應(yīng)用于學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以使學(xué)習(xí)媒體在情境化、沉浸感及自然交互性方面有所突破。
參考文獻(xiàn)：
[1]The Horizon Report 2011 Edition[EB/OL].
[2]增強(qiáng)現(xiàn)實學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)之研究[EB/OL].http：///club/bbs_58209.shtml，2012.
[3]張寶運，惲如偉.增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)及其教學(xué)應(yīng)用探索[J].實驗技術(shù)與管理，2010.
[4]ARToolkit.[EB/OL]. [2011-05-21].http：//hitl.washington.edu/artoolkit.
第4篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
在現(xiàn)代交通管理和道路規(guī)劃中，交通流量和通行車輛的類型、速度是重要的參數(shù)。自動獲取這些數(shù)據(jù)的方法大致可以分為兩類：一類是利用壓電、紅外、環(huán)形磁感應(yīng)線圈等傳感器獲得車輛本身的參數(shù)， 這類方法跟蹤識別率較高，但是容易損壞，安裝也不方便；還有一類就是基于圖像處理和模式識別的方法，克服了前面一類方法的局限，由于圖像處理識別技術(shù)的進(jìn)步和硬件性價比的大幅提高，有一定實用價值的系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。這些系統(tǒng)的使用證明；圖像處理識別車輛的方法晶趨成熟，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，能長期穩(wěn)定工作，但是計算量大，識別正確率不如感應(yīng)線圈、激光讀卡等方法高。本文的研究屬于后者，利用安裝在高處的單個靜止攝像頭監(jiān)視路面，利用運動分割與模型匹配的方法，檢測并統(tǒng)計多車道的車流信息。
識別過程分三步：分割、跟蹤和車型判定。運動目標(biāo)的分割常采用幅差法。在監(jiān)控場合，攝像頭大多是固定的，背景基本沒有變化或者變化緩慢，可以從圖像序列中逐漸取出背景圖像，然后利用幀差法檢測出目標(biāo)區(qū)域，同時還可以檢測靜止目標(biāo)。由于識別過程中利用二值邊緣，所以本文在圖像分割中對輸入圖像進(jìn)行了梯度二值化處理。三維空間和二維圖像平面之間映射關(guān)系的確定，采用基于針孔模型的攝像機(jī)定標(biāo)來計算。對目標(biāo)區(qū)域的跟蹤，采用了區(qū)域特征向量的匹配跟蹤方法，減小了運算量。由于圖像處理的方法很難提取輪數(shù)、軸距等車輛本身參數(shù)，所以在圖像車型識別中一般都采用三維模型在圖像上投影和車輛邊緣相匹配的方法。
1 背景重建和圖像分割
由于攝像頭固定，背景變化緩慢，因此，可以利用圖像序列逐漸恢復(fù)出背景圖像。其基本原理是：對每一個像素進(jìn)行監(jiān)控，如果在較長時鐘內(nèi)灰度不發(fā)生明顯變化，則認(rèn)為該象素屬于背景區(qū)域，將該象素灰度值復(fù)制到背景緩沖區(qū)，否則屬于前景區(qū)域。由于光照以及車輛陰影等影響，采用這種方法恢復(fù)出來的 背景圖像存在較大噪聲。因此大實驗中對原始輸入圖像進(jìn)行了梯度二值化處理，然后進(jìn)行背景重建。這樣可以減小陰影的干擾，加快背景重建速度。由于識別是利用邊緣信息，所以度化對后面的識別過程沒有影響。
在得到背景邊界圖像后，利用幀差法可以分割出感興趣的目標(biāo)。但是，如果目標(biāo)區(qū)域和背景邊界后果合（都興趣的目標(biāo)。但是，如果目標(biāo)區(qū)域和背景邊界重合（值都為“1”），相減之后該目標(biāo)區(qū)域被錯誤判定為背景區(qū)域（來"0"）。為了減小錯誤判決區(qū)域，本文在分割時參考了相鄰兩幀的二值化幀差fdmask，判決準(zhǔn)則如下：如果fdmask中革像開綠素為“0”，則輸入圖像和背景圖像相應(yīng)像素相減；否則直接復(fù)制輸入圖像中相應(yīng)的像素值。分割結(jié)果經(jīng)過噪聲消除、形態(tài)學(xué)平滑邊辦、種子填充、區(qū)域標(biāo)記等后續(xù)處理，就分字出了目標(biāo)。
2 攝像機(jī)定標(biāo)
在模型匹配中，需要從二維圖像恢復(fù)目標(biāo)三維信息，同時將三維模型投影到圖像平面上，因此必須計算三維空間到圖像平面的投影關(guān)系矩陣。這個過程就是攝像機(jī)定標(biāo)。本文采用基于針孔模型的攝像機(jī)定標(biāo)方法，其基本原理是利用給定的一組三維世界的點坐標(biāo)和這些點在圖像中的坐標(biāo)，求解線性方程組，計算透視投影矩陣中的各個元素。透視投影矩陣如下：
其中：（u,v）是圖像坐標(biāo)，（Xw,Yw,Zw）是三維坐標(biāo)，M為投影矩陣，Zc為三維空間中點到攝像機(jī)鏡頭的矢量在光主軸上的投影距離。要求解M的各個元素，通常方程組不獨立，沒有唯一解，采用近似計算的誤差羅大。在（21）式基礎(chǔ)上經(jīng)過變形，將12階方程分拆成三個4階方程組，只需要利用4個點的投影關(guān)系，方程組的階次也只有4階，可以有效避免出現(xiàn)奇異矩陣，求出唯一解。由式（1）可以得出：
另外，除了4組點的坐標(biāo)之外，還需測定鏡頭主光軸的水平垂直傾角。
3 車輛的跟蹤和分類
在區(qū)域分割后，接下來進(jìn)行區(qū)域跟蹤，利用相鄰兩幀的區(qū)域匹配從而圖像序列中建立目標(biāo)鏈，跟蹤目標(biāo)從進(jìn)入監(jiān)視范圍到駛離監(jiān)視范圍的整個過程。首稱要確定區(qū)配準(zhǔn)則。常用的圖像匹配方法有Hausdorff距離區(qū)域法和圖像互相關(guān)。這兩種方法都需要逐個含金量紗的計算。為了減小計算量，采用區(qū)域特片跟蹤法。目標(biāo)區(qū)域的特征包括區(qū)域形心坐標(biāo)、區(qū)域包圍矩形、區(qū)域運動速度及運動方向和區(qū)域面積。本文匹配準(zhǔn)則采用了兩個假定：同一目標(biāo)所對應(yīng)區(qū)域在相鄰兩幀中面積相近；同一目標(biāo)在前一幀中的區(qū)域形心加上運動速度所得到的形心預(yù)測值與后一幀中區(qū)域形心距離相近。跟蹤過程如下：
（1）將第一幀的各個區(qū)域當(dāng)作不同的目標(biāo)，對各個目標(biāo)區(qū)域啟動目標(biāo)鏈。
（2）根據(jù)判決準(zhǔn)則，如果某目標(biāo)鏈中的區(qū)域在當(dāng)前幀找到了匹配區(qū)域，則用找到的的匹配區(qū)域特片更新該目標(biāo)鏈中的區(qū)域特征。
（3）如果在形心預(yù)測值所在位置，當(dāng)前幀區(qū)域和目標(biāo)鏈中區(qū)域面積相差很大，則可以認(rèn)為發(fā)生了合并或者分裂現(xiàn)象。對目標(biāo)鏈中的區(qū)域包圍矩形，在本幀查找該矩形覆蓋了幾個區(qū)域，如果多于一個區(qū)域，則認(rèn)為發(fā)生了分裂現(xiàn)象。對分裂現(xiàn)象出現(xiàn)的新區(qū)域，啟動新目標(biāo)鏈。同理，對于本幀區(qū)域的包圍矩形，查找該矩形覆蓋了幾個目標(biāo)鏈中的區(qū)域，如果多于一個，則認(rèn)為發(fā)生了合并現(xiàn)象，利用合并區(qū)域啟動新的目標(biāo)鏈，同時終止那些被合并區(qū)域的目標(biāo)鏈。
（4）對于目標(biāo)鏈中的區(qū)域，如果在本幀沒有與之相匹配的區(qū)域存在，則認(rèn)為發(fā)生了消失現(xiàn)象。目標(biāo)鏈并不立即終止，只有在經(jīng)過數(shù)幀仍沒有找到匹配之后，才終止該目標(biāo)鏈。
（5）查找本幀是否還存在新進(jìn)入的區(qū)域，如果存在，則啟動新的目標(biāo)鏈。
采用這種方法可以快速跟蹤圖像序列中的目標(biāo)，同時得到車輛在監(jiān)視范圍的平均速度。在計數(shù)時，只有目標(biāo)在連續(xù)數(shù)幀里出現(xiàn)才認(rèn)燭一個真正的目標(biāo)區(qū)域，只有目標(biāo)在連續(xù)數(shù)幀都沒有出現(xiàn)才認(rèn)為消失，因此可以消除那些暫時消失引起的計數(shù)錯誤。
車輛分類是個很復(fù)雜的問題。圖像處理方法要獲得輪數(shù)、軸距等車輛本身參數(shù)比較困難，因此圖像識別車型通常采用模型匹配方法?，F(xiàn)有的研究大多是先抽取車輛的幾條直線邊緣，然后用線條和模型邊緣匹配。由于在圖像中抽取直線本身的計算量相當(dāng)大，所以本文沒有抽取車輛邊緣直線，而是直接利用了Canny邊緣檢測的整體結(jié)果與模型相匹配。Canny邊緣與模型邊緣之間存在較大的形變，Hausdorff距離匹配對形變不敏感，所以采用Hausdorff距離作為匹配準(zhǔn)則是很適宜的。
設(shè)有兩組有限點集A={a1,…，ap}和B=={b1,…，bq}，則二者之間的Hausdorff距離定義為：
H（A，B）=max(h(A,B),h(B,A)) (3)
其中： ||bj-ai||,h(A,B)被稱為從A到B的有向Hausdorff距離，它反映了A到B的不匹配程度。h(B,A)的意義與h(A,B)相似。在具體計算Hausdorff距離時，通常采用距離變換的方法。車輛分類步驟如下：
（1）在分割結(jié)果的基礎(chǔ)上，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行Canny算子邊緣檢測，僅僅處理分割出目標(biāo)區(qū)域的邊緣，減小了運算量。
（2）對Canny邊緣，采用串行距離變換，得到距離變換圖像。距離變換圖像的每個像素灰度值等于該像素到目標(biāo)邊緣的最近距離。
（3）對各分割目標(biāo)，恢復(fù)車輛的三維信息，只計算長度和寬度。由于二維圖像平面上一點對應(yīng)了攝像機(jī)坐標(biāo)中不同深度的一第洌 點，所以在從圖像上一點恢復(fù)該點在世界傺 標(biāo)中的信息時，首先要給定該點在世界坐標(biāo)值中一個分量以減少不確定度（這樣恢復(fù)出來的數(shù)值有些誤差，通常給出Z方向高度值Zw）。
（4）在計算目標(biāo)區(qū)域長度和寬度的同時，可以求出車輛底盤形心在地面上的位置（X，Y），根據(jù)速度方向判斷車輛在地面上的角度α。利用車輛本身的三維模型數(shù)據(jù)以及（X，Y，α），通過式（1）透視投影，消隱處理，可以確定車輛模型在圖像平面上的投影。
（5）當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入指定區(qū)域后，以模型投影圖像為模板，將投影圖像在距離變換圖像上移動，在每一個位置，求出模型影圖像下距離變換圖像被模型輪廓線覆蓋的像素值之和，以這個和值作為在該位置當(dāng)前模型與實際車輛的匹配程度。將當(dāng)前模型在各位置所得區(qū)配程度的最小值作為當(dāng)前模型與車輛的實際匹配程度，該最小值除以模型輪廓線的像素數(shù)目，即該模型與車輛之間的Hausdorff距離。對各種模型，分別求出它們與車輛之間的Hausdorff距離，取其中最小值對應(yīng)的那種模型那為車型識別結(jié)果。實驗過程中為了減小計算量，搜索方法采用了三步搜索法。
4 實驗結(jié)果
本實驗所采用的352×288視頻圖像，來自采用單個固定CCD攝像機(jī)于杭州天目山路拍攝的交通場影片斷。主要算法在Trimedia1300 DSP上用C語言實現(xiàn)，在圖像分割過程中進(jìn)行了較多的梯度、降低噪聲、填充和標(biāo)記運算，平均處理一幀大約耗時0.3s。算法流程全過程如圖1所示。
實驗證明，抽取背景和當(dāng)前幀之間進(jìn)行差異檢測，分貧窮交為準(zhǔn)確。對于比較淡的陰影，用梯率二值化方法可以部分消除陰影影響。由于只監(jiān)視邊緣變化部分，背景重建速度比直接利用灰度圖像重建背景快很多，干擾也較小。梯度二值化處理之后得建背景只需150-200幀，而不經(jīng)過新穎度二值化處理在上升幀之后仍然沒有較好的背景，并且點狀噪聲和去霧狀模糊比較嚴(yán)重。
第5篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
【關(guān)鍵詞】圖像邊緣; 邊緣檢測; 微分算子
1、引言：
邊緣檢測是圖像處理中的重要內(nèi)容。它如此重要主要有以下幾個理由：首先，人眼通過追蹤位置物體的輪廓而掃視一個未知的物體。第二，經(jīng)驗告訴我們：如果我們能夠成功的得到圖像的邊緣，那么圖像分析就會大大的簡化，圖像識別就會容易多。第三，很多圖像并沒有具體的物體，對這些圖像的理解取決于他們的紋理性質(zhì)，而提取這些紋理性質(zhì)與邊緣檢測有及其密切的關(guān)系[1]。計算機(jī)視覺處理實質(zhì)上就是簡化信息的一個過程。這就意味著要扔掉一些不必要的信息而盡可能的利用物體的不變性質(zhì)，而邊緣就是最重要的性質(zhì)。因此邊緣檢測是圖像處理中最基礎(chǔ)和最重要的任務(wù)之一[2]。因此，邊緣檢測在圖像分割、模式識別、計算機(jī)視覺等眾多方面都有著非常重要的地位[3]。
2、圖像邊緣特征
圖像邊緣存在于圖像灰度劇變處，能夠反映出圖像邊界。通常圖像邊緣分為階躍邊緣和屋頂邊緣（也稱為線狀邊緣）。這些圖像邊緣是根據(jù)圖像灰度變化特征來劃分的，在圖2.1（a）中，灰度值呈現(xiàn)階躍性變化，在邊緣點的左右兩側(cè)，灰度信息明顯從一個級別跳到另一個級別，灰度信息變化非常明顯。圖2.1（b）中是線性邊緣，從圖上顯示可知，在邊緣附近，灰度信息逐漸增加，直到另一個級別以后又開始逐漸減小，在圖中顯示出一個尖峰。
（a）階躍邊緣 （b）線狀邊緣
圖2.1 邊緣分類
根據(jù)以上圖像邊緣的特性，我們主要分析一下階躍邊緣的提取方法。根據(jù)上圖2.1（a）階躍邊緣灰度值變化的特征，我們很容易將提取圖像邊緣問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，我們對階躍邊緣求一階導(dǎo)和二階導(dǎo)數(shù)，結(jié)果如圖2.2所示：
（a）一階導(dǎo)數(shù) （b）二階導(dǎo)數(shù)
圖2.2 階躍邊緣的微分特征
從上圖中可以看出，圖像邊緣點就存在于圖像一階導(dǎo)數(shù)的局部最大值，或者是二階導(dǎo)數(shù)的過零點處。邊緣具有兩個很重要的屬性，分別是幅度和方向，幅度反映的是圖像灰度變化程度，并且是圖像中局部幅值最大的點。而在數(shù)學(xué)理論中梯度就反應(yīng)了變化速率，所以可以把求局部幅值最大問題轉(zhuǎn)換為求梯度幅值最大問題。
3、邊緣檢測基本實現(xiàn)步驟
圖像邊緣檢測可以從圖像的灰度曲線著手，根據(jù)曲線變化來尋求邊緣點，這就是邊緣檢測的基本原理。在我們實際應(yīng)用中，在我們進(jìn)行邊緣檢測過程中，通常既要求檢測到的邊緣定位準(zhǔn)確，又要盡可能減少假邊緣的出現(xiàn)，因此，在我們進(jìn)行邊緣檢測的過程中，通常會包含四個過程：
1）濾波：由于我們實際看到的圖像往往都攜帶著很多噪點，然而，噪點經(jīng)過求導(dǎo)以后，會被大大增強(qiáng)，給邊緣檢測造成很大影響，所以，我們就希望在進(jìn)行求導(dǎo)之前先對噪點進(jìn)行濾波，盡量濾去更多噪點，以減少其對檢測效果的影響。
2）增強(qiáng)：圖像可能受到各方面的影響，比如照相機(jī)像素低，或者是晚上、陰暗處光線弱、環(huán)境差，或者照片放的時間過久導(dǎo)致圖像褪色等問題，造成圖像模糊，這時候直接處理起來可能會丟失很多信息，如果在進(jìn)行處理之前，對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，從而可以大大提高檢測效果。
3）檢測：檢測過程主要是從很多梯度幅值相對比較大的點中來檢測邊緣點，雖然，我們對于邊緣點的定義是可以通過梯度的大小來確定的，然而在實際操作中，并不是所有梯度幅值大的點都是邊緣點，有可能是噪點，所以，我們還需要再一次進(jìn)行邊緣檢測，從而得到更準(zhǔn)確的邊緣點。
4）定位：我們雖然已經(jīng)檢測出來邊緣點，然而這些邊緣點有可能和真正的邊緣點的位置有落差，這時候我們需要精確定位。邊緣檢測的基本步驟如圖3.1所示。
圖3.1 邊緣檢測的基本步驟
4、常用算子
根據(jù)上面圖像邊緣的分析，衍生出來一階微分算子和二階微分算子。一階微分算子的主要思想就是對邊緣求一階導(dǎo)數(shù)，認(rèn)為局部最大值點是圖像邊緣點，其中，Roberts算子在水平和垂直方向檢測效果較好，但對噪點比較敏感，并且定位精度低;Sobel算子總體上檢測效果較好，對噪點有抑制作用，但是運算量大，定位精度不高;Prewitt算子和Sobel算子大致相同，對噪點有抑制作用，但同樣存在定位精度不高的問題;Kirsch算子能夠減少細(xì)節(jié)丟失問題，但是計算量比較大?？偟膩碚f，在一階微分算子中，利用某一閾值來確定邊緣點，檢測出來的邊緣通常都比較粗，導(dǎo)致邊緣定位精度低。
二階微分算子的主要思想是，對邊緣求二階導(dǎo)數(shù)，認(rèn)為過零點即是圖像邊緣點，其中，在無噪情況下，Laplacian算子和Log算子兩者的檢測效果都差不多，而當(dāng)對含噪圖像進(jìn)行檢測時，拉普拉斯算子受到噪點的影響較大，檢測出許多假邊緣，而Log算子對噪點有一定的抑制作用，檢測效果相對來說比較好，所以在以后的檢測中，Laplacian算子就慢慢的被Log算子所代替。
5、總結(jié)
圖像邊緣檢測技術(shù)是圖像處理學(xué)科中最基礎(chǔ)也是最重要的部分，目前，邊緣檢測依舊受到人們的關(guān)注，本文主要是對傳統(tǒng)算子進(jìn)行了分析總結(jié)。目前，邊緣檢測算子相對較多，而且效果越來越完善，在對邊緣沒有特殊要求的情況下，傳統(tǒng)算子是一個不錯的選擇。
參考文獻(xiàn)：
[1]康牧，王寶樹.圖像處理中幾個關(guān)鍵算法的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.
第6篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
0引言
水產(chǎn)養(yǎng)殖是指商業(yè)性的飼養(yǎng)水生生物(包括魚類、軟體動物、甲殼類動物和水生植物)的活動［1］，按操作的基面性質(zhì)可分為陸地、水面和灘涂等3大類。以陸地為主的系統(tǒng)主要包括池塘、稻田以及在陸地建造的其他設(shè)施;以水面為基礎(chǔ)的養(yǎng)殖系統(tǒng)包括攔灣、圍欄、網(wǎng)箱及筏式養(yǎng)殖，通常位于設(shè)有圍場的沿海或內(nèi)陸水域;以灘涂為基礎(chǔ)的養(yǎng)殖系統(tǒng)包括基塘養(yǎng)殖和高位池養(yǎng)殖［2］。我國是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，也是世界唯一的養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的國家，而且目前水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模仍在繼續(xù)快速增長中。在為滿足世界水產(chǎn)品需求做出巨大貢獻(xiàn)的同時，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖正面臨著水環(huán)境狀況的日益惡化、社會輿論的監(jiān)督、政策與法規(guī)的監(jiān)控及水產(chǎn)品質(zhì)要求日益提高等各方面的壓力，水產(chǎn)養(yǎng)殖日益成為當(dāng)前研究熱點之一。
遙感具有探測范圍廣、獲得資料速度快、周期短、時效性強(qiáng)、成本低、經(jīng)濟(jì)效益大等優(yōu)點。利用遙感圖像能快速提取所需水產(chǎn)養(yǎng)殖的專題信息，可幫助養(yǎng)殖場選址、決定養(yǎng)殖品種，開展養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖水體污染(赤潮、水質(zhì)等)監(jiān)測;結(jié)合GIS技術(shù)，還可對養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行規(guī)劃和管理，評估水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)對環(huán)境的影響，加深對魚類等水生生物棲息地的理解和認(rèn)識［3－4］。以往由于農(nóng)業(yè)活動和降水作用導(dǎo)致的水質(zhì)隨季節(jié)變化明顯，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖遙感識別需要更高的時間分辨率數(shù)據(jù)來獲取信息等原因，相對于在其他領(lǐng)域(如地質(zhì)學(xué)和林學(xué)等)的應(yīng)用，遙感在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用發(fā)展較遲緩［5］。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，日益豐富的多平臺、多種類、多分辨率的遙感數(shù)據(jù)為水產(chǎn)養(yǎng)殖信息獲取提供了新的契機(jī);許多研究人員也對水產(chǎn)養(yǎng)殖專題信息的快速、高精度提取方法進(jìn)行了積極的探索和研究，使得遙感在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用日趨廣泛。本文針對目前的研究現(xiàn)狀，對用于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域識別的遙感數(shù)據(jù)源、識別方法進(jìn)行分析和總結(jié)，并進(jìn)一步探討其研究和應(yīng)用的趨勢。
1多源遙感數(shù)據(jù)源
隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的不同類型的遙感傳感器數(shù)據(jù)被用于對水域的觀測。不同類型的遙感數(shù)據(jù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖信息提取中具有各自的優(yōu)勢和特性，因而也對應(yīng)有不同的應(yīng)用領(lǐng)域和信息提取精度。一般來說，多光譜遙感記錄了地物的反射、輻射波譜特征，擁有豐富的地物空間分布及光譜信息，有助于識別水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，是目前水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)信息提取的主要信息源。但大多數(shù)多光譜遙感圖像數(shù)據(jù)空間分辨率相對較低，即空間的細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力比較差，將多光譜圖像和全色圖像融合，可有效提高圖像解譯能力。目前常用的識別水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要有全色圖像、多光譜圖像和微波雷達(dá)圖像等，具體參數(shù)如表1所示。SAR具有全天時、全天候、多波段、多極化工作方式、可變側(cè)視角、穿透能力強(qiáng)等特點，SAR圖像中則含有豐富的地表紋理結(jié)構(gòu)信息。在沿海水域，由于海水對微波雷達(dá)的回波能量較弱，而養(yǎng)殖用的基座、圍欄和網(wǎng)箱等回波能量較強(qiáng)，色調(diào)比周圍的海水更亮，二者對比度較大，因而可從SAR圖像中提取養(yǎng)殖區(qū)域的相關(guān)信息。此外，在進(jìn)行精度驗證時，還可利用GoogleEarth平臺提供的在線照片，這為實地調(diào)查驗證提供了便利。2水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域的識別方法由于受研究時間、研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源等客觀因素的限制，還沒有一種方法是最普遍和最佳的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的識別方法。目前常用的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)識別方法主要有目視解譯、基于比值指數(shù)分析的信息提取、基于對應(yīng)分析的信息提取、基于空間結(jié)構(gòu)分析的信息提取以及基于面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〉取?/p>
2．1目視解譯
目視解譯是遙感應(yīng)用最常用、最基本的方法之一。它根據(jù)遙感圖像目視解譯標(biāo)志(位置、形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、圖形及相關(guān)布局等)和解譯經(jīng)驗，與多種非遙感信息資料相結(jié)合，運用相關(guān)知識，采用對照分析的方法，進(jìn)行由此及彼、由表及里、去偽存真、循序漸進(jìn)的綜合分析和邏輯推理，從遙感圖像中獲取需要的專題信息。目前，目視解譯一般都采用人機(jī)交互方式。在解譯前先通過遙感圖像處理軟件對圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理，包括圖像增強(qiáng)、圖像融合等，有效地改善圖像的可識別能力，突出主要信息，提高判讀的精度。楊英寶等依據(jù)6景TM圖像和3期高精度航片，利用人機(jī)交互式解譯方法分析了東太湖20世紀(jì)80年代以來網(wǎng)圍養(yǎng)殖的時空變化情況［6］;李新國等采用3景航空圖像對東太湖的網(wǎng)圍養(yǎng)殖面積動態(tài)變化進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯［7］;樊建勇等在經(jīng)過增強(qiáng)處理后的SAR圖像上，對膠州灣海域養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了交互跟蹤矢量化［8］;褚忠信等利用不同時期的TM圖像，對黃河三角洲平原水庫與水產(chǎn)養(yǎng)殖場面積進(jìn)行了人機(jī)交互解譯［9］;吳巖峻等用4景ETM+圖像，經(jīng)過多次外業(yè)調(diào)查，建立解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互方法，對海南省海水和島上水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了勾畫［10］;宮鵬等借助1987—1992年和1999—2002年的TM/ETM+圖像及GoogleEarth平臺提供的高分辨率圖像和部分在線照片，對包括海水養(yǎng)殖場在內(nèi)的全國濕地分布進(jìn)行了目視解譯，并繪制了專題圖［11］。目視解譯簡單易行，而且具有較高的信息提取精度，適用于絕大多數(shù)養(yǎng)殖區(qū)域的識別，但是也存在一定的缺點。當(dāng)解譯人員的專業(yè)知識背景、解譯經(jīng)驗不同時，可能得到不同的結(jié)果，其結(jié)果往往帶有解譯者的主觀隨意性。當(dāng)養(yǎng)殖區(qū)域水體同非養(yǎng)殖區(qū)域水體的光譜特征或空間結(jié)構(gòu)特征等相似時，解譯人員就很難根據(jù)標(biāo)志將其區(qū)分開來，使精度受到影響;而且目視解譯工作量大、費工費時，難以實現(xiàn)對海量空間信息的定量化分析和保證信息的時效性，因此研究遙感信息的自動提取方法已成必然。
2．2基于比值指數(shù)分析的信息提取
比值型指數(shù)［12］創(chuàng)建的基本原理就是在同一圖像的多光譜波段內(nèi)，求得每個像元在不同波段的亮度值之比，構(gòu)成新的圖像，以壓制某些造成光照差異的因子或背景的影響，增強(qiáng)地物光譜特征的微小差別，突出目標(biāo)地物的輻射特征。比值型指數(shù)通常又會作歸一化處理，使其數(shù)值范圍統(tǒng)一到－1～1之間。馬艷娟等利用ASTER數(shù)據(jù)，分析養(yǎng)殖水體與非養(yǎng)殖水體在圖像各波段上的特征差異，構(gòu)建用于提取圖像中水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域的指數(shù)(normalizeddifferenceaquacultureindex，NDAI);并分析用NDAI提取得到的結(jié)果中錯分的受大氣、傳感器影響的水體與自然水體的各波段灰度值的分布，構(gòu)建了用來進(jìn)一步提取深海區(qū)域的指數(shù)(marineextractionindex，MEI)，將近海水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖水體與其他水體區(qū)分開［13］，取得了較高的精度。由于比值指數(shù)分析的信息提取方法只考慮各波段上的灰度信息，當(dāng)部分養(yǎng)殖區(qū)在光譜上與深海水域接近或是當(dāng)深海水域光譜并非均一時，會導(dǎo)致錯分。該方法適用于養(yǎng)殖區(qū)與背景環(huán)境光譜差異大的地區(qū)，否則將無法克服傳統(tǒng)遙感分類方法所普遍存在的“椒鹽”噪聲，從而影響信息提取的精度。
2．3基于對應(yīng)分析的信息提取
對應(yīng)分析是在因子分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分析方法，又稱“R－Q型因子分析”［14］。該方法已在生物和統(tǒng)計領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用，但在遙感領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。在遙感應(yīng)用中對應(yīng)分析方法既研究圖像波段特征屬性及其相互關(guān)系，也研究像元特征之間的關(guān)系，有利于提高信息提取的精度。王靜等應(yīng)用該方法快速有效地進(jìn)行了滆湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)湖泊圍網(wǎng)分布信息的提?。?5］。該方法對遙感圖像的質(zhì)量要求較高，并在分析前要進(jìn)行嚴(yán)格有效的圖像預(yù)處理。此外，該方法并無法有效地解決“異物同譜”和“異物同紋理”的分類問題。
2．4基于空間結(jié)構(gòu)分析的信息提取
空間結(jié)構(gòu)分析的處理方法有鄰域分析、紋理分析、線性特征提取等。其中，鄰域分析是對波段每一個像元依據(jù)四周鄰近的像元對其進(jìn)行空間分析的方法［16］，分析和運算的像元數(shù)目和位置由掃描窗口確定;紋理表現(xiàn)是指圖像灰度在空間上有序重復(fù)出現(xiàn)的特征，反映了一個區(qū)域中某個像元灰度級的空間分布規(guī)律，其基本分析方法有3類:統(tǒng)計分析方法、結(jié)構(gòu)分析方法和頻譜分析方法。周小成等采用ASTER遙感圖像，以九龍江河口地區(qū)為研究示范區(qū)，利用卷積算子，采用鄰域分析法來增強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖地的空間紋理信息［17］;李俊杰等利用紋理統(tǒng)計分析方法中的灰度共生矩陣(graylevelco－occurrencematrices，GLCM)，選用中巴資源衛(wèi)星02星多光譜數(shù)據(jù)，以白馬湖為試驗區(qū)，提取湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)，實驗表明紋理量化的均值指標(biāo)能夠較好地反映自然水體、圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)和其他地物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，取得了較理想的效果［18］;林桂蘭等利用方差算法對廈門海灣海上的吊養(yǎng)和網(wǎng)箱養(yǎng)殖進(jìn)行紋理分析，得到養(yǎng)殖專題圖［19］;初佳蘭等選用長?？h廣鹿島海區(qū)的SAR圖像，統(tǒng)計有效視數(shù)(ef-fectivenumberoflooks)，并對圖像進(jìn)行多種方法濾波分析，提取了浮筏養(yǎng)殖信息［20］?；诳臻g結(jié)構(gòu)分析的養(yǎng)殖區(qū)識別方法，適用于近海水產(chǎn)養(yǎng)殖地的自動提取，而不適用于內(nèi)陸水產(chǎn)養(yǎng)殖地，因為后者在空間上的分布孤立，斑塊小，與其他農(nóng)用坑塘水體的空間特征類似，但仍可以作為一種遙感圖像識別的輔助方法。
2．5基于面向?qū)ο蟮男畔⑻崛?/p>
面向?qū)ο蟮膱D像分析主要思想是:首先將圖像分割成具有一定意義的圖像對象，然后綜合運用地物的光譜特征、紋理、形狀、鄰近關(guān)系等相關(guān)信息，在最鄰近法和模糊分類思想的指導(dǎo)下，確定分割對象所屬類別，得到精度比較高的遙感圖像分類結(jié)果［21］。對于養(yǎng)殖區(qū)分布的提取，面向?qū)ο蟮膱D像分析方法基本步驟包括多精度圖像分割、面向?qū)ο蟮乃憚澐趾头丘B(yǎng)殖水域剔除。首先，使用多精度圖像分割對原始圖像進(jìn)行分割以獲得分割圖斑，并計算各個圖斑的特征，為后繼分析服務(wù);然后，根據(jù)遙感圖像中水域的輻射特性進(jìn)行水陸分割;接著根據(jù)圖斑的光譜、形狀及空間特征提取出面狀、線狀非養(yǎng)殖水域部分;最后，在水陸劃分得到的水域全圖的基礎(chǔ)上剔除以上提取的面狀水系和線狀水系，得到養(yǎng)殖水域提取結(jié)果［22］。謝玉林等利用該方法，對珠江口養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行了提取，驗證該方法在水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)提取上的可行性［22］;關(guān)學(xué)彬等采用該方法對海南省文昌地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，取得了理想效果［23］;孫曉宇等采用該方法，利用多時相遙感數(shù)據(jù)對珠江口海岸帶地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖場的變化進(jìn)行了提?。?4］。面向?qū)ο蟮膱D像分析將處理的對象從像元過渡到了圖斑的對象層次，更接近人們觀測數(shù)據(jù)的思維邏輯，更利于知識與規(guī)則的融合。在很多情況下，面向?qū)ο蟮倪b感圖像分析方法會比基于像元的分析方法取得更好的效果。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在解決常規(guī)圖像分類時的椒鹽噪聲效應(yīng)、結(jié)果的可解釋性上有很大優(yōu)勢，因此在高分辨率圖像信息提取中能夠發(fā)揮更大的作用。但是當(dāng)特征及隸屬度函數(shù)選取不當(dāng)時，會出現(xiàn)較嚴(yán)重的誤分現(xiàn)象，此時要結(jié)合目視解譯方法，判別分類結(jié)果的合理性，優(yōu)化隸屬度函數(shù)，重新進(jìn)行分類。
3總結(jié)與展望
第7篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
關(guān)鍵詞：牛肉分級；邊緣檢測；二值化處理；自動分級
中圖分類號：TS251.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2013）04-0010-05
2003年10月我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《牛肉質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)》開始實施，鑒于牛肉眼肌橫切面包含了大理石紋、肉色、脂肪色、背膘厚度和眼肌面積等評定指標(biāo)，所以在牛肉質(zhì)量的分級標(biāo)準(zhǔn)和體系中，進(jìn)行牛肉等級評定時，通常都將眼肌面積橫切面作為主要的評定對象。但目前為止，國內(nèi)外的牛肉分級體系采用的分級方法還是以主觀的視覺評定為主，評定過程受到人為因素的干擾，不僅效率低，而且還會產(chǎn)生較大的誤差。因此，計算機(jī)視覺、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖像處理技術(shù)，被認(rèn)為是實現(xiàn)牛肉自動分級的最有效的方法。在國外，1989年Chen Shengwei等[1]首次針對美國牛肉大理石花紋標(biāo)準(zhǔn)圖版，應(yīng)用圖像處理技術(shù)對美國牛肉的肌肉脂肪面積進(jìn)行計算，用于牛肉質(zhì)量分級，并將其作為判定牛肉質(zhì)量等級的定量指標(biāo)，在隨后的相關(guān)研究中，研究學(xué)者運用圖像處理方法等技術(shù)分別有效的預(yù)測大理石紋、顏色等級、脂肪面積比、脂肪顆粒分布均勻度等特征參數(shù)，探討了基于圖像處理的牛肉等級評定技術(shù)[2-5]。在國內(nèi)，計算機(jī)技術(shù)在牛肉等級評定中的應(yīng)用還處于初步研究階段，主要是通過眼肌切面圖像的紋理分割，通過計算脂肪面積比[6-7]的方式來計算牛肉等級[8-10]，對脂肪在肌肉中分布所形成的特征分析不夠深入，對牛肉等級評定的準(zhǔn)確性和實際應(yīng)用等方面都有不足之處。本研究擬運用計算機(jī)視覺系統(tǒng)對牛肉眼肌的形狀特征值、脂肪含量和分布進(jìn)行量化，在VC++6.0的環(huán)境下自行開發(fā)適用于牛肉眼肌自動分級軟件，提高分級的準(zhǔn)確性和工作效率，為我國牛肉智能化分級技術(shù)的研究奠定理論依據(jù)[10]。
1 材料與方法
1.1 材料、軟件及基本原理
采用Visual Basic6.0作為實驗分析軟件，利用圖形處理中的二值化算法、邊緣檢測算法等對采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行處理和分析，提取出用于牛肉眼肌自動分級的眼肌面積、圓度、大理石紋密度等重要參數(shù)，再利用模糊數(shù)學(xué)理論利用計算出的參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對牛肉眼肌的智能自動分級。
1.2 方法
1.2.1 邊緣檢測法
物體圖像的邊緣信息特征因為顏色、紋理結(jié)構(gòu)和灰度值的變化是以不連續(xù)性的形式出現(xiàn)，是圖像最基本的特征之一。邊緣檢測法提取圖像特征是圖像識別中的一個重要屬性和重要環(huán)節(jié)[11]。圖像邊緣檢測中的經(jīng)典算法SUSAN算法[12]選用放在不同5個位置上圓形模板，如圖1所示。
比較模板內(nèi)像素的灰度與核心的灰度，其差值在閾值內(nèi)時，認(rèn)為灰度相同。與核的灰度相同的像素數(shù)目之和稱為模板的面積（USAN）。SUSAN算法根據(jù)USAN區(qū)的大小和矩陣特性來檢測圖像邊緣及角點等特征的位置及方向信息[13]。由圖1所示，平坦區(qū)域USAN區(qū)最大（d，e），邊緣處USAN區(qū)大小降為一半（a），角點附近USAN區(qū)變得更?。╟）。
1.2.2 二值化處理
圖像二值化是指對僅含黑白二值的圖像進(jìn)行參數(shù)提取數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要技術(shù)。采用直方圖均衡化，同態(tài)濾波對圖像進(jìn)行預(yù)處理抑制外界因素提高圖像質(zhì)量，或者將圖像劃分為若干區(qū)域，分別設(shè)定閾值Tn，則：
（1）
由于所提取的大理石紋圖像中，僅有肉色和脂肪色，即只有紅色和白色兩類顏色信息，因此在二值化處理過程中，采用第1種方法進(jìn)行二值化處理。
圖像分割是基于邊緣檢測或基于區(qū)域的分割，將同一屬性但區(qū)域互不相交，均滿足特定區(qū)域一致性條件的不同區(qū)域分割開來[14]。本研究采用區(qū)域生長法實現(xiàn)對圖像的分割。
1.2.4 模糊綜合評判
對模糊事物實現(xiàn)較合理的評價可采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合評判法 [15]。設(shè)定因素集，集合中的某一元素Ui表示決定事物的第i個因素，評價集Vi表示對事物評價結(jié)果。
2 結(jié)果與分析
2.1 利用二值化算法提取大理石花紋
2.1.1 二值化算法
對大理石紋圖像的特征參數(shù)提取時，均需要先對圖像進(jìn)行二值化處理，將彩色圖像處理成只包括黑色像素點和白色像素點的圖像。由于所提取的大理石紋圖像中，僅有肉色和脂肪色，即只有紅色和白色兩類顏色信息，因此在二值化處理過程中，采用第1種方法進(jìn)行二值化處理。
假定彩色圖像的大小為M×N，fn其表示像素點的顏色值，f（I，j）表示像素點（I，j）的二值化結(jié)果，當(dāng)f（I，j）=1時，像素點（I，j）被標(biāo)記為黑色像素點，當(dāng)f（I，j）=0時，像素點（I，j）被標(biāo)記為白色像素點。對于某一像素點（I，j），如果該像素點的顏色值fn大于閾值T，則令f（I，j）=1，否則f（I，j）=0，實現(xiàn)對彩色圖像的二值化處理。二值化方法如式（2）所示在二值化算法中，閾值的選取是二值化處理的關(guān)鍵，如何選取合適的閾值t，準(zhǔn)確提取出不同圖像中的大理石紋，是本算法的一個關(guān)鍵技術(shù)。本研究的所有實驗，都是基于VC++6.0編程完成。在所有圖像的二值化處理中，程序設(shè)計使用inputbox函數(shù)的數(shù)據(jù)輸入方式，由用戶根據(jù)個人經(jīng)驗輸入某一個閾值T。
（2）
經(jīng)過二值化處理后的圖像，白色點表示脂肪像素點，黑色點代表肌肉像素點。本算法進(jìn)行大理石紋的面積計算、圓度測量、密度分析等算法都是在圖像二值化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，圖像二值化的結(jié)果將直接影響到后面參數(shù)的提取準(zhǔn)確度問題。
2.1.2 二值化實驗結(jié)果分析
圖2是對原圖像1采用不同閾值t的檢測結(jié)果，圖3是對原圖像2采用不同閾值t的檢測結(jié)果。從圖2、3結(jié)果可以看出，對于不同亮度的圖像，采用相同的閾值，如t=90時，對原圖像1，可以很好的提取出二值化圖像；而對原圖像2，無法正常提取出所需要的區(qū)域信息。同樣，對于t=160時，從圖2D可以看出，對于原圖像1，由于閾值太大，造成一些有用的大理石紋信息丟失，而對于原圖像2，能更好的提取出需要的大理石紋信息，為后繼準(zhǔn)確的提取大理石紋信息提供保證。
本算法中，閾值的選取采用人機(jī)對話的方式選擇閾值，希望后期工作中能研究出一種能自動根據(jù)圖像顏色亮度特征智能選取閾值的算法。
2.2 利用區(qū)域生長算法提取有效眼肌面積
由于眼肌面積圖像中僅含有白色和紅色兩種顏色區(qū)域，有效眼肌面積區(qū)域是一塊連通區(qū)域，因此，采用種子點生長算法，可以很好的提取出和所選種子點相連通的所有連通區(qū)像素點。
有效眼肌面積的提取步驟如下：以原圖像1（圖3A）中眼肌面積的提取為例，先采用二值化算法，選用閾值t=90，使得眼肌內(nèi)的區(qū)域為大片黑色聯(lián)通區(qū)，再利用種子點生長算法，利用鼠標(biāo)選取眼肌中黑色聯(lián)通區(qū)中的一點作為種子點，生成的眼肌面積內(nèi)的聯(lián)通區(qū)，如圖3所示。由于生成的聯(lián)通區(qū)內(nèi)存在大理石紋，所以眼肌面積是圖像總面積減去灰色聯(lián)通區(qū)的面積。
首先采用二值化算法，對原圖像進(jìn)行二值化處理，然后對處理好的二值化圖像，用鼠標(biāo)選取屬于要計算面積區(qū)域中的某一黑色像素點，采用種子點生長算法[16]，將所選取的像素點作為種子點，進(jìn)行生長，識別出面積輪廓。由于圖4中的面積區(qū)域，還存在白色大理石紋，不能直接計算出面積大小，因此，再對圖4進(jìn)行二值化處理，選取背景色中的任意1點作為種子點進(jìn)行生長，然后進(jìn)行背景圖像區(qū)域的識別，再用總面積減去背景區(qū)域的面積，即可算出眼肌面積。對原圖像1，利用本實驗算法計算出的有效眼肌面積共14742個像素點。
2.3 肌肉和脂肪色度值
將圖像中所有肌肉像素點采用種子點生長的算法提取出來所有的紅色像素點區(qū)域，對提取出的肌肉連通區(qū)圖像，遍歷整個圖像，計算出連通區(qū)中所有像素點的Red、Green、Blue三個顏色分量的平均值，再使用顏色公式w（x，y）=Red+Green×256+Blue×65536，計算出所有肌肉像素點的顏色平均值。同樣的算法，可以提取出白色脂肪的色度值。對原圖像1（圖2A）進(jìn)行肌肉色度和脂肪色度的計算，計算出了脂肪色度為11437206，肌肉色度為7428162，對原圖像2（圖3A）所示的圖像，計算出的脂肪色度為11718453，肌肉色度為127466071。該顏色值越大，說明圖像顏色亮度越大，色值越高。
2.4 眼肌圓度
有效眼肌面積的圓度可以采用計算其長軸的長度和短軸的長度，通過長短軸的比值來衡量眼肌面積的圓度。在一幅灰度圖像中，已知中兩個像素點的坐標(biāo)（x1，y1）、（x2，y2），利用兩點間距離的計算公式：
（3）
可以計算出某一直徑，直徑的大小即為長軸的長度。因此，查找到有效眼肌面積的長軸的兩個像素端點是計算長軸的關(guān)鍵。
本算法采用種子點生長算法提取出有效眼肌面積的連通區(qū)，然后由用戶利用鼠標(biāo)，選取出長軸的起點，如圖5B所示，設(shè)置出長軸的起點坐標(biāo)（x1，y1）。然后在如圖5C所示的連通區(qū)中找到離該點最遠(yuǎn)的像素點坐標(biāo)值（x2，y2），利用兩點間距離公式，計算長軸的長度。短軸是在長軸垂直平分線上的離長軸中點（（x1+x2）/2、（y1+y2）/2）最遠(yuǎn)的點和中點間的距離。測量結(jié)果顯示，長軸215.94，短軸55.08，長短軸比率：55.08/215.94≈0.51，比值越接近于1，說明眼肌面積越趨向圓。
2.5 大理石紋密度
對大理石紋密度統(tǒng)計分析分為5個步驟進(jìn)行：第1步，采用區(qū)域生長法或者邊緣檢測算法對原圖像進(jìn)行圖像分割，將圖像分割成不同的很多連通區(qū)；第2步，對所有連通區(qū)進(jìn)行著手標(biāo)記，同一連通區(qū)著相同的顏色，不同的連通區(qū)采用不同的顏色；第3步，統(tǒng)計所有連通區(qū)各自的面積大小區(qū)域；第4步，統(tǒng)計圖像中連通區(qū)總數(shù)目；第5步，統(tǒng)計標(biāo)記的連通區(qū)面積在0～5、5～10、10～15、15～20等范圍內(nèi)的連通區(qū)個數(shù)。
2.5.1 不同連通區(qū)著色
采用眼肌面積算法中的種子點生長算法，對整個圖像進(jìn)行遍歷，識別出所有的連通區(qū)，并用不同的顏色值標(biāo)記出不同的連通區(qū)。
對照高標(biāo)準(zhǔn)的密度檢測結(jié)果圖7和低標(biāo)準(zhǔn)的密度檢測結(jié)果圖8檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同像素點下連通區(qū)總數(shù)越多，說明大理石紋越豐富。像素點總數(shù)小于5的連通區(qū)的個數(shù)表明大理石紋的分散程度，值越大，說明越分散，密度越大。
2.6 基于模糊數(shù)學(xué)理論的牛肉大理石花紋自動分級系統(tǒng)
針對牛肉自動分級中大理石紋參數(shù)特征值的模糊性、相關(guān)性、多變量等特點，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，將所提取出來的所有眼肌面積、大理石紋密度，眼肌面積的圓度、色度等多個參數(shù)，采用模糊數(shù)學(xué)理論中的綜合評判技術(shù)建立了基于模糊綜合評判的牛肉大理石紋自動分級模型。例如：使用模糊綜合評判算法記U={眼肌面積，圓度，肌肉色度，脂肪色度，大理石紋密度}，表示因素集，表示決定牛肉分級品質(zhì)的所有因素。記?={a1，a2，a3，…，an}。取評價集V={低品質(zhì)牛肉，中等品質(zhì)牛肉，優(yōu)質(zhì)牛肉，特優(yōu)級牛肉}，表示牛肉的評價結(jié)果。
對牛肉品質(zhì)等級的判定，需要綜合考慮各種因素，如牛肉的大理石紋分布的密度，有效眼肌面積的圓度、色度、面積大小等。結(jié)合本系統(tǒng)中采用數(shù)字圖像處理技術(shù)自動提取出的相關(guān)的參數(shù)信息，然后考慮所有因素對評價集V中各等級的隸屬度，可得綜合評判矩陣如。
3 結(jié) 論
利用了圖像處理中的邊緣檢測技術(shù)、二值化處理和圖像分割技術(shù)，先對原牛眼肌圖像進(jìn)行二值化處理，然后對處理好的二值化圖像，采用種子點生長算法，識別出眼肌面積輪廓，進(jìn)行背景圖像區(qū)域識別，計算眼肌面積，并采集連通區(qū)中所有像素點的Red、Green、Blue 3個顏色分量，計算出所有肌肉和脂肪像素點的顏色平均值，并對有效眼肌區(qū)域的圓度和大理石紋分布密度進(jìn)行參數(shù)提取和檢測。結(jié)果證明，本實驗設(shè)計的算法能夠近似的估算出牛眼肌面積、脂肪比例、色度值、眼肌圓度和大理石花紋密度，是一種有效的估算方法，并通過大量實驗數(shù)據(jù)和人工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，證明使用圖像處理技術(shù)自動估算上述5個特征參數(shù)是可行的，為基于計算機(jī)視覺的牛肉品質(zhì)自動分級檢測奠定基礎(chǔ)。后期工作中希望能并結(jié)合大理石花紋的特點和特征描述以及具體牛肉圖像的特點，通過大量的數(shù)據(jù)，使用模糊聚類，模糊識別、模糊綜合評判等技術(shù)，給出接近現(xiàn)實的、準(zhǔn)確的牛肉等級判定結(jié)果，為進(jìn)一步研究基于計算機(jī)視覺的牛肉自動分級系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。
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第8篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
【關(guān)鍵詞】微動；微多普勒；激光雷達(dá)；技術(shù)瓶頸；解決途徑
1.概述
微動[1-4]，指目標(biāo)或目標(biāo)組成部分在徑向相對雷達(dá)的小幅（相對于目標(biāo)與雷達(dá)的徑向距離） 非勻速運動或運動分量。
雷達(dá)目標(biāo)微動特征提取與識別[5]是目前一個新興的研究領(lǐng)域，它是運動學(xué)與雷達(dá)信號處理的交叉結(jié)合，技術(shù)涉及運動建模、時頻分析、變采樣濾波、雷達(dá)成像理論和技術(shù)等。目前，在軍事領(lǐng)域，目標(biāo)微動特性在彈道導(dǎo)彈防御體系中已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用。運動特征是導(dǎo)彈目標(biāo)識別所依據(jù)的主要特征之一，彈道導(dǎo)彈的振動、自旋、進(jìn)動和章動都屬于微動范疇，可望為導(dǎo)彈目標(biāo)識別難題提供新的解決手段。對于空中和地面目標(biāo)如飛機(jī)或地面車輛，基于目標(biāo)微動的目標(biāo)識別也具有明顯的優(yōu)勢，對于不同的引擎和轉(zhuǎn)動部件，微多普勒頻移是獨一無二的，經(jīng)處理后與目標(biāo)特征庫進(jìn)行對比，由自動目標(biāo)識別算法就可以確定目標(biāo)的身份。基于振動微多普勒頻移的目標(biāo)識別算法具有不受方位角限制、超視距、適用于非合作目標(biāo)的識別等優(yōu)點。地面目標(biāo)的運動，如行人手臂和腿部的擺動、車輛表面的振動、車輪和履帶的轉(zhuǎn)動以及天線罩的轉(zhuǎn)動都屬于微動源。這些微動特性為監(jiān)測和識別地面目標(biāo)提供了一種有效的途徑，而且對于已經(jīng)識別出的地面目標(biāo)來說，還可以利用精細(xì)的微多普勒幅度和頻率差異進(jìn)行精確身份辨別。在現(xiàn)代高度自動化的戰(zhàn)爭中，微多普勒目標(biāo)識別還具有非常大的發(fā)展前景和空間。
我們知道，多普勒現(xiàn)象對工作頻率很敏感，而相干激光雷達(dá)工作頻率1013 ～1015 Hz ，因而激光雷達(dá)相對于微波雷達(dá)探測微多普勒信息具有明顯的優(yōu)勢。隨著單頻激光技術(shù)特別是全固態(tài)單頻激光技術(shù)的發(fā)展，使微多普勒探測的發(fā)展更加迅速。另外由于激光雷達(dá)具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積和重量都比微波雷達(dá)小等優(yōu)點，所以在高精度、實時探測低頻、低振幅微多普勒效應(yīng)的研究中存在著巨大的發(fā)展空間。
國外對于激光微多普勒效應(yīng)的分析和研究較早，并已經(jīng)取得初步成果[6-7]。國內(nèi)研究起步較晚，在此領(lǐng)域研究較為深入的是北京理工大學(xué)趙長明團(tuán)隊，他們搭建了試驗系統(tǒng)驗證了相干激光提取微多普勒的可行性[8]。在實驗系統(tǒng)中，以單塊單頻激光器為光源，用外差探測的方式觀測到在不同目標(biāo)特征下的微多普勒信息，并通過一系列基于激光雷達(dá)的算法進(jìn)行多普勒信息提取，從而達(dá)到探測和識別目標(biāo)表面微動狀態(tài)的目的。
2.相干激光雷達(dá)提取目標(biāo)微動特征的基本原理
基于相干體制的激光雷達(dá)與微波雷達(dá)提取微多普勒特征的基本原理是一致的，在徑向距離上半個波長的變化就會引起回波信號360°的相位改變，由于多普勒頻移可以反映相位函數(shù)隨時間的變化情況，因此，可以通過回波信號的多普勒頻移來探測和識別目標(biāo)表面的振動狀態(tài)。因為激光雷達(dá)的工作頻率高于微波雷達(dá)4～5數(shù)量級，目標(biāo)微動引起的多普勒頻率更顯著，需要識別細(xì)節(jié)特征的相干時間更短。換句話說，激光雷達(dá)能夠輕易看到微波雷達(dá)看不到的細(xì)微特征。
微多普勒特征提取激光雷達(dá)的工作原理非常簡單，是根據(jù)目標(biāo)運動造成的多普勒頻移f d 來測量目標(biāo)徑向速度V 。多普勒激光雷達(dá)采用相干探測方式，也稱之為光外差探測。相干探測原理如圖1所示。
后向散射光與本振光同時投射到光電探測器表面，產(chǎn)生相干疊加（即混頻）， 然后輸出差頻為f s - f 的射頻電信號和直流分量，再經(jīng)過中頻放大器和鑒頻器，最后獲得所需的多普勒頻移f d =f s - f。
接下來是通過時-頻分析方法—短時傅里葉變換STFT來分析微多普勒頻率隨時間變化的情況，得到信號的時頻圖像，通過信號的時頻圖像，可以很好地得到目標(biāo)的運動速度、振動頻率及振幅等一系列特征。
圖1 相干探測的原理
3.實現(xiàn)相干激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離微多普勒探測的技術(shù)瓶頸分析
雖然相干激光雷達(dá)在微動特征提取的固有優(yōu)勢和實驗結(jié)果令人振奮，但在實際應(yīng)用，尤其是遠(yuǎn)距離探測，相干激光雷達(dá)存在以下技術(shù)瓶頸：
（1）空間匹配
雖然光學(xué)相干探測是公認(rèn)的具有量子極限探測本領(lǐng)的體制，探測靈敏度高于直探方式2～3數(shù)量級。但是為了實現(xiàn)目標(biāo)散射/ 反射回波信號的充分利用，必須保持本振光與信號光的空間匹配（相位、振幅和偏振匹配）[9]，提高外差效率和探測器光敏面處電流微元的互相關(guān)性，而這是首要難題。
在以往的試驗系統(tǒng)里采用玻璃鏡片實現(xiàn)兩束光空間準(zhǔn)直的方法被證明是不可靠的。近年來，隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)多采用帶尾纖的光電二極管作為光電探測器，并且采用單模光纖干涉儀加偏振控制器[10]，或者用單模光纖干涉儀加偏振分極檢測來改善本振光與信號光的空間匹配，實現(xiàn)最佳混頻來提高信噪比。這種全光纖激光雷達(dá)在一定程度上弱化了調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的難題。但如何將空間光低損、穩(wěn)定地耦合進(jìn)直徑僅有7μm的單模光纖中仍是一個非常棘手的問題。
（2）激光源的穩(wěn)定性
微多普勒激光雷達(dá)要想在實際應(yīng)用中發(fā)揮作用，必須要解決遠(yuǎn)距離精確探測的問題。而其中重要的因素就是激光器線寬的影響。線寬的加寬主要由激光器內(nèi)部自發(fā)輻射導(dǎo)致的噪音造成。傳輸距離越長，噪聲的影響越大。理論分析可知，窄線寬且探測距離短的激光雷達(dá)多普勒測量誤差較小。隨著探測距離的延長，當(dāng)探測距離延長到相干長度的量級時，探測到的光電流譜線寬度實際上只決定于激光器的輸出線寬，而不是探測距離的長短。
減小探測距離和壓窄激光器輸出的激光線寬均可以起到減小系統(tǒng)誤差的目的。但是由于kHz 量級的線寬對于激光器而言已經(jīng)是非常優(yōu)秀的頻率特性，并且片面的壓窄線寬還會影響單頻激光器輸出功率。 減小目標(biāo)和激光雷達(dá)的距離可以減小系統(tǒng)誤差，卻失去了遠(yuǎn)距離探測的意義。
（3）大氣湍流的影響
湍流是指大氣中局部溫度、壓力的隨機(jī)變化而帶來的折射率的隨機(jī)變化。折射率的變化表現(xiàn)為兩種形式：①由于地面溫度的影響，大氣中溫度隨高度會有梯度出現(xiàn)，于是折射率也出現(xiàn)一個梯度；②折射率隨位置和時間作迅速的變化，變化的頻譜可達(dá)數(shù)百赫茲，變化的空間尺度可能小到毫米量級，變化的強(qiáng)度與天氣狀況和地面狀況有一定的相關(guān)關(guān)系。由于湍流大氣中折射率的隨機(jī)不均勻分布，當(dāng)激光通過它時，就會在不均勻元上產(chǎn)生散射，從而對原來穩(wěn)定傳播的激光束產(chǎn)生擾動。即使在弱湍流下，折射率的改變很小，但由于存在大量的不均勻元，以致在一定距離之外，積累效應(yīng)就十分顯著，包括光束漂移、光束擴(kuò)展、到達(dá)角起伏、大氣閃爍等。針對大氣湍流的影響，常規(guī)的方法有：
1）擴(kuò)大發(fā)射光束的發(fā)散角以克服光束漂移帶來的問題，當(dāng)發(fā)散角大于漂移角時，探測器總能落入接收光斑內(nèi)，但代價是接收的能量大大減?。?/p>
2）用高功率發(fā)射器來補(bǔ)償由于激光束發(fā)散和激光閃爍所造成的損失。但對半導(dǎo)體激光器來說，功率提高，調(diào)制帶寬就會降低，目前來說，提高功率在技術(shù)上是有限的。
（4）目標(biāo)的捕獲與跟瞄
相比雷達(dá)等傳感器來說，激光的視場角很小，很難在較大空域內(nèi)搜索和捕獲到目標(biāo)，須有引導(dǎo)信息。
4.相應(yīng)解決途徑的研究
4.1激光源相干性問題的研究
首先，跳出具體技術(shù)細(xì)節(jié)，從更高層面上橫向比較微波雷達(dá)和激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，有助于我們找到正確的解決途徑。事實上，可以將激光雷達(dá)看作微波雷達(dá)的頻段高端，雷達(dá)工作頻率是從最初的短波逐步向上擴(kuò)展到P波段、L、C、X、Ku、Ka波段、乃至W波段。工作體制也是從最初的磁控管振蕩簡單脈沖非相參，后來經(jīng)由準(zhǔn)相參，最終發(fā)展到全相參體制，全相參系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)采用主振-放大鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使得更為復(fù)雜的信號調(diào)制方式成為可能，雷達(dá)信號從僅能提取幅度信息，擴(kuò)展到時間、頻率、相位、乃至?xí)r-頻域進(jìn)行全面分析。隨著全相參體制的出現(xiàn)，雷達(dá)品種也日益繁多起來，脈沖壓縮、動目標(biāo)檢測、相控陣、合成孔徑/逆合成孔徑、數(shù)字陣列、多輸入多輸出等等新技術(shù)、新體制層出不窮。
可以斷言，上述發(fā)展歷程將會在激光頻段上亦步亦趨的復(fù)現(xiàn)，而目前，激光雷達(dá)處在由非相參向全相參過渡的關(guān)鍵時段，我們可以借鑒微波雷達(dá)的技術(shù)思路解決相似的技術(shù)難題。下面簡單整理一下這一階段出現(xiàn)的相參處理技術(shù)。
由于磁控管固有的特點，其發(fā)射脈沖的初相是隨機(jī)的，而且由于調(diào)頻效應(yīng)，發(fā)射脈沖間的頻率和脈內(nèi)的頻率也是變化的，所以磁控管雷達(dá)系統(tǒng)若不作相參處理，其接收回波是非相參的。為了使系統(tǒng)具有多普勒相參功能，采用的方法主要有四種：發(fā)射注入式鎖相、接收注入式鎖相、模擬中頻相參接收和數(shù)字相參接收等。
發(fā)射注入式鎖相是較早出現(xiàn)的一種，注入鎖相磁控管系統(tǒng)由于受到鎖定振蕩器相位噪聲、磁控管振蕩器頻率不穩(wěn)和鎖相系統(tǒng)本身鎖相不穩(wěn)等因素的影響，性能不高，可靠性低，實現(xiàn)成本高。
接收注入式鎖相是在接收端將發(fā)射樣本中頻脈沖（通常稱主波）注入至中頻相參振蕩器，用于同步相參振蕩器，鎖相同步后的相參振蕩器輸出可視為發(fā)射脈沖振蕩的延續(xù)，應(yīng)用最為廣泛。其缺點是鎖相后相參振蕩器頻率不穩(wěn)、鎖相誤差較大，由于鎖相脈沖只在瞬間有效，鎖相后其會慢慢漂移，導(dǎo)致定相精度隨距離增加而降低，遠(yuǎn)區(qū)定相精度差，在動目標(biāo)雷達(dá)中其改善因子一般只能達(dá)到10 dB～25 dB 左右。同時由于受模擬電路隨溫度變化等固有缺點的影響，穩(wěn)定性差。
模擬中頻相參接收在原理上和注入式相參接收相似，其區(qū)別在于利用聲表面波（ SAW）器件暫存發(fā)射樣本中頻脈沖，SAW存貯相關(guān)卷積器作為中央處理單元在中頻段進(jìn)行復(fù)共軛相關(guān)處理，消除或減小發(fā)射系統(tǒng)的不穩(wěn)定對改善因子的限制。優(yōu)點是模擬信號處理速度快，成本低，缺點是SAW 器件本身的非理想因素限制了雷達(dá)改善因子的進(jìn)一步提高，運算精度不高，靈活性差，對于發(fā)射脈沖較寬的系統(tǒng)實現(xiàn)有一定的難度。
數(shù)字相參接收在原理上和模擬中頻相參接收相似，利用AD對發(fā)射脈沖樣本進(jìn)行取樣，然后用該取樣值和回波信號進(jìn)行相關(guān)或卷積，實現(xiàn)相位校正，達(dá)到消除隨機(jī)初相的目的，在許多文獻(xiàn)中也稱其為DSU （數(shù)字穩(wěn)定單元）技術(shù)。這種方法對改善因子的限制可達(dá)30 dB。
上述相參技術(shù)是伴隨著電路基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展次第出現(xiàn)的，隨著數(shù)字技術(shù)的高度發(fā)展，我們今天解決激光雷達(dá)相參性可以直接選取數(shù)字相參實現(xiàn)，但是采用該技術(shù)的前提需要一個穩(wěn)定的本振信號。
對于遠(yuǎn)距離提取微多普勒信號的相干激光雷達(dá)來說，其對穩(wěn)定本振的要求是這樣的：要在光波往返雷達(dá)與目標(biāo)的時間范圍內(nèi)，本振光線寬要在kHz以下，例如，要提取10km處目標(biāo)的多普勒信號，要求67μs時間段內(nèi)測量激光的線寬要小于1kHz。
獲得足夠相干時間長度的穩(wěn)定本振方案有兩種：
一是種子源本身穩(wěn)定性能夠達(dá)到要求，主振蕩器輸出激光經(jīng)分束鏡后， 部分激光（ < 1 %） 與主振蕩器聲光頻移后的0級衍射光在監(jiān)視探測器光敏面進(jìn)行相干，監(jiān)視探測器輸出的信號iIF1 作為參考信號輸入到信號處理系統(tǒng)，發(fā)射的激光光束經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束后出射。反射光經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡后，耦合到光線耦合器，主振蕩器聲光頻移后的0級衍射光經(jīng)分束后也耦合到光線耦合器，兩束光在光纖內(nèi)傳輸，并在信號探測器光敏面上相干，信號探測器輸出信號iIF2 輸入到信號處理系統(tǒng)。兩路信號從探測器輸出后，經(jīng)A/ D 采樣后，送信號處理系統(tǒng)中進(jìn)行卷積處理，處理消去了脈間相位和幅度不穩(wěn)的影響，使其具有較好的相干接收效果。
二是種子源相干時間長度能夠達(dá)不到要求，可以采用本振延時的辦法縮短所需的相干時間，即種子源輸出的本振光進(jìn)入一個光纖延時網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)目標(biāo)的距離，本振光做適當(dāng)延時后再輸出。實驗證明，該方法是有效的，但是增加了光纖延時網(wǎng)絡(luò)設(shè)備量。這一方案是一種權(quán)宜之計，根本解決辦法還是要提高激光源的穩(wěn)定性。
4.2空間匹配問題的研究
因為相干探測對回波光和本振光的準(zhǔn)直度提出了非常苛刻的要求，要求兩束光平行且重合的照射在探測器光敏面上，光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整和維持非常困難，這也是限制相干激光探測應(yīng)用的主要瓶頸。為此，我們采用全光纖系統(tǒng)，避免使用玻璃鏡片光路，光纖系統(tǒng)都是軟連接，系統(tǒng)的魯棒性大大增強(qiáng)。
由于安裝誤差、溫度形變、平臺振動、大氣湍流引起的光束偏移、到達(dá)角起伏等影響，不可避免的影響光纖耦合系統(tǒng)，使耦合效率下降甚至失效。解決這一問題可以通過伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制二維快擺鏡將光導(dǎo)入光纖透鏡中，這也是一種軟連接，大大降低了對結(jié)構(gòu)的精度要求，同時通過閉環(huán)控制可以補(bǔ)償大氣湍流引起的光斑漂移。
對于偏振配準(zhǔn)，全光纖系統(tǒng)中可以采用正交偏振六端口接收，將回波分解成兩路正交偏振信號，分別與本振光混頻輸出四路偏振正交、相位正交的I/Q信號，實現(xiàn)了偏振和相位的匹配接收，而且還可以獲得偏振散射矩陣，對目標(biāo)識別和抗雜光干擾非常有利。這種高度集成的光學(xué)六端口接收設(shè)備有現(xiàn)成的COTS產(chǎn)品。
4.3 激光雷達(dá)波形設(shè)計的研究
激光多普勒效應(yīng)明顯是提取微多普勒信息的優(yōu)勢，但同時也帶來了信號設(shè)計方面的問題，因為激光多普勒頻率非常寬，按照無模糊測距要求設(shè)計脈沖重復(fù)頻率，會存在嚴(yán)重的測速模糊。
為此，可以借鑒微波雷達(dá)中距離門控脈沖串波形設(shè)計思路，將低重頻無模糊測距和高重頻無模糊測速結(jié)合起來，采用脈沖對波形設(shè)計：脈沖對是由兩個子脈沖構(gòu)成，通過測量兩個子脈沖回波相位差來提取微弱多普勒信號。
子脈沖寬度τ決定了距離分辨率，可根據(jù)距離遠(yuǎn)近和測距精度要求調(diào)整，最小脈寬為7ns；子脈沖間隔Ts決定了多普勒范圍和多普勒測量精度，Ts是一個從1μs～幾百μs可調(diào)范圍，以適應(yīng)大到200m/s直升機(jī)螺旋槳葉的轉(zhuǎn)速，小到幾m m/s～cm/s疊加在其上面的低頻微弱振動。Ts取值在20～200μs可以獲得非常高的多普勒分辨率，用于提取微多普勒特征和目標(biāo)識別，取值在1～3μs可以獲得中等精度的多普勒分辨率，用于距離-多普勒成像。用多脈沖參差的方法也可以解決測速范圍寬和高精度測量的要求；而脈沖對之間的間隔PRF決定了無模糊測距范圍，隨著目標(biāo)的遠(yuǎn)近而調(diào)整。
與距離門控脈沖串波形設(shè)計接近的是一種稱為單脈沖多普勒波形設(shè)計可以用于遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)中，它是用一個寬的單個脈沖代替上述的脈沖串（對），在接收時，將雷達(dá)回波的過采樣（相對常規(guī)一個脈沖1-2個采樣點）并行饋到一組開關(guān)中，這些門按照脈沖寬度（如果采用了脈沖壓縮，則對應(yīng)于脈沖壓縮的寬度）的時間值依次打開，打開時間也對應(yīng)于脈沖的寬度，（如果采用了脈沖壓縮，則對應(yīng)于脈沖壓縮前的寬度）對應(yīng)于每一距離增量，采樣值在通過開關(guān)門后被距離倉收集，進(jìn)行相干積累，再送到多普勒濾波器組。由于積累時間受脈沖寬度的限制，速度分辨率較低，需要進(jìn)一步提高，可以采用二級多普勒濾波器將幾個脈沖一級多普勒輸出到二級濾波器組中。組顯而易見，在峰值功率相同的情況下，其平均功率明顯增加，前提是不要求探測近距離目標(biāo)。
這里需要強(qiáng)調(diào)的一個概念是，采用了相干探測體制以后，激光雷達(dá)探測靈敏度取決于發(fā)射平均功率（或者說能量），而不是峰值功率。
4.4 大氣湍流影響抑制的研究
當(dāng)前，在無線光通信領(lǐng)域中被國內(nèi)外研究者所重視的大氣湍流影響抑制技術(shù)包括：大孔徑接收、分集、部分相干光傳輸、時域處理與閾值優(yōu)化、自適應(yīng)光學(xué)、信道編碼（RS 編碼、LDPC 編碼等）、傳輸層自動請求重傳（ARQ） 與前向錯誤校正（ FEC） 等技術(shù)[11]。
通信和探測技術(shù)在一定程度上是相同的，分集技術(shù)也可以用于激光雷達(dá)探測中，但是由于探測提取的是多普勒信號，因此應(yīng)有所區(qū)別。
多光束傳輸技術(shù)是一種非相干光束疊加技術(shù)，即多個（ ≥2） 相互間不相干的激光束經(jīng)過不同的傳輸路徑發(fā)送到遠(yuǎn)場接收端并非相干疊加，以平滑接收信號光強(qiáng)閃爍的技術(shù)，實際上是一種空間發(fā)射分集技術(shù)。
從發(fā)射機(jī)角度講，多光束傳輸是有益處的，由于散熱等因素，單個發(fā)射機(jī)的功率不可能任意做大，而采用分布式多個發(fā)射機(jī)并行放大，大大弱化了對設(shè)備散熱的要求。
對多光束傳輸技術(shù)來說，必須盡量減小各激光發(fā)射器輸出激光的相干性， 否則會在接收面上出現(xiàn)明暗條紋，導(dǎo)致接收光強(qiáng)起伏增大。MISO 大氣光通信鏈路抑制光強(qiáng)閃爍的能力依賴于各光束的空間相關(guān)性大小，其和發(fā)射器間距d 、接收器孔徑D 、傳輸距離L 及湍流條件有關(guān)?？臻g相關(guān)性越小，抑制光強(qiáng)閃爍的能力越強(qiáng)。
該技術(shù)對應(yīng)微波雷達(dá)被稱為多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，受MIMO通信系統(tǒng)的啟發(fā)，雷達(dá)系統(tǒng)在DBF陣列接收的基礎(chǔ)上采用MIMO多發(fā)多收天線技術(shù)獲得性能提升。發(fā)射、接收天線個數(shù)可以相同或不同，可以收發(fā)共用也可收發(fā)分離甚至采用雙基地方式。關(guān)鍵在于多天線發(fā)射分集實現(xiàn)自由度擴(kuò)展和輻射能量在空間的發(fā)散分布，由此帶來角度高分辨、對目標(biāo)RCS閃爍不敏感、低截獲概率（LPI）等諸多好處。與MIMO通信系統(tǒng)相類似，MIMO雷達(dá)的發(fā)射分集可通過某種編碼方式實現(xiàn)，只要各發(fā)射天線同時對外發(fā)射獨立或正交波形即可實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)中的多輸入。由于各發(fā)射信號不會在空間相干疊加形成窄波束，因此各信號到達(dá)目標(biāo)并經(jīng)由目標(biāo)反射回接收機(jī)時將經(jīng)歷相對獨立的不同信道傳輸特性。
將MIMO技術(shù)移植于激光雷達(dá)有兩個特殊問題需要注意：
一是由于激光雷達(dá)的多普勒頻移非常大，所以在設(shè)計正交發(fā)射波形的時候要考慮到這一因素，否則即使是發(fā)射信號是正交的，但由于目標(biāo)移動產(chǎn)生多普勒頻移，破壞了回波信號的正交性，造成信號之間有互耦，降低了分集的性能，甚至分集失效。
（1）Keystone變換前 （2）Keystone變換后
圖2 Keystone 變換前后FFT 的結(jié)果
二是大氣激光通信處于成本等方面的考慮，接收機(jī)采用直探方式，多波束之間非相干合成是在光電探測器上實現(xiàn)的。而對于相干探測激光雷達(dá)來說，采用正交頻分多址（OFDM）發(fā)射不同頻率的正交信號，遇到同一目標(biāo)，產(chǎn)生不同的多普勒頻率，由于頻率不同，無法直接合成，需要通過Keystong[12]變換， Keystone變換是對各通道的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行時域重采樣，使各通道具有相同的采樣間隔，圖2 比較了各通道數(shù)據(jù)在Keystone 變換前后分別進(jìn)行FFT 處理的結(jié)果，可見，若不進(jìn)行Keystone 變換，同一目標(biāo)在不同的通道上所處的多普勒單元相差較大，無法進(jìn)行通道間非相參積累。而經(jīng)過Keystone 變換后，目標(biāo)位于相同多普勒單元上，可以進(jìn)行通道間積累。
4.5 目標(biāo)的捕獲與跟瞄技術(shù)的研究
針對激光雷達(dá)波束窄，目標(biāo)捕獲難的問題，可以考慮與視場較大的紅外探測器共平臺甚至共孔徑設(shè)計，遠(yuǎn)距離由紅外搜索捕獲和跟蹤目標(biāo)，激光雷達(dá)實現(xiàn)測距和微多普勒特征提取實現(xiàn)目標(biāo)識別，隨著目標(biāo)的接近像素點的增多，可融合紅外圖像或者基于陣列探測的激光雷達(dá)三維圖像識別目標(biāo)。
若要求激光雷達(dá)在一定范圍內(nèi)自主捕獲跟蹤目標(biāo)，可利用光纖稀疏組陣，借鑒MIMO雷達(dá)中虛擬陣元、虛擬孔徑技術(shù)，在接收機(jī)中合成發(fā)射波束，并用多接收波束填充發(fā)射波束，實現(xiàn)目標(biāo)同時搜索和跟蹤（TAS）。由于涉及內(nèi)容較多，另撰文介紹。
5.需要進(jìn)一步研究的問題
上述主要是前期針對激光雷達(dá)硬件平臺展開的研究匯總。隨著相干激光雷達(dá)試驗床的建立和不斷完善，后續(xù)研究和解決的難點主要將集中在以下幾個方面：
1） 微動目標(biāo)雷達(dá)特征分析
微動引起的雷達(dá)信號調(diào)制包括時域、頻域、極化域、RCS調(diào)制，目前國外研究人員主要集中于研究微動目標(biāo)回波信號的瞬時頻率特征，對于其他的幾個特征很少有研究。
2）多微動目標(biāo)分辨
在實際應(yīng)用中，目標(biāo)可能包含多個微動分量，或有多個目標(biāo)并且每個目標(biāo)有各自的微動特性，因此，相關(guān)的研究需要深入下去。
3）微動目標(biāo)的參數(shù)估計
微多普勒是估計目標(biāo)參數(shù)的前提，目前國外的研究重點放在時頻分析中，對于點目標(biāo)、線目標(biāo)、體目標(biāo)的參數(shù)估計研究較少。目前的時頻分析如短時傅立葉變換、WVD變換的能力和精度對于估計參數(shù)還不夠準(zhǔn)確，尚有待改進(jìn)。
4）建立完善的目標(biāo)識別系統(tǒng)
微動是目標(biāo)的特有信息，在目標(biāo)識別方面有著特殊優(yōu)勢。要對特定的軍事目標(biāo)進(jìn)行識別，就需要建立完善的軍事目標(biāo)的微動特征和參數(shù)庫，例如對于每種型號軍事目標(biāo)的質(zhì)量分布特征、慣量比、發(fā)動機(jī)引擎調(diào)制特征等。今后的研究側(cè)重點將是建立較為完善的微動目標(biāo)雷達(dá)特征體系、形成統(tǒng)一的微多普勒信號分析與目標(biāo)識別方法，逐步將識別對象從簡單的點、線目標(biāo)向復(fù)雜微動目標(biāo)推進(jìn)。這樣才能使微多普勒目標(biāo)識別技術(shù)逐步成熟起來。
6.結(jié)語
在以單頻激光器為光源的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)中，利用時頻變換的方法，已成功地觀測到了微多普勒頻移，同時還利用觀測到的不同物體的微多普勒頻移特征，進(jìn)行了初步的運動狀態(tài)識別實驗。本文針對期工程化應(yīng)用若干關(guān)鍵難題作了分析研究，并提出了解決思路。作為基于相干激光雷達(dá)的激光微多普勒探測技術(shù)，如何從無線電雷達(dá)已有的成熟技術(shù)特別是信號處理技術(shù)中吸取有益的思想，結(jié)合現(xiàn)有的激光雷達(dá)技術(shù)和特點取長補(bǔ)短，還有很多技術(shù)需要研究。
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第9篇：圖像識別技術(shù)的基本原理范文
1.18028型焊線機(jī)工作原理
本機(jī)利用超聲波摩擦原理來實現(xiàn)不同介質(zhì)的表面焊接,是一種物理變化過程。首先金絲的首端必須經(jīng)過處理形成球形(本機(jī)采用負(fù)電子高壓成球),并且對焊接的金屬表面先進(jìn)行預(yù)熱處理；接著金絲球在時間和壓力的共同作用下,在金屬焊接表面產(chǎn)生朔性變形,使兩種介質(zhì)達(dá)到可靠的接觸,并通過超聲波摩擦振動,兩種金屬原子之間在原子親和力的作用下形成金屬鍵,實現(xiàn)了金絲引線的焊接。金絲球焊在電性能和環(huán)境應(yīng)用上優(yōu)于硅鋁絲的焊接,但由于用貴金屬的焊件必須加溫,應(yīng)用范圍相對比較窄。
圖1.18028型焊線機(jī)
1.28028型焊線機(jī)的結(jié)構(gòu)組成
1.2.1新型的料盒承載系統(tǒng)
新式料盒承載系統(tǒng)：90mm寬的軌道容量，優(yōu)化的速度可滿足客戶的應(yīng)用需要，實現(xiàn)高產(chǎn)量，并提高工作效率。簡潔的料盒手柄設(shè)計：采用簡化設(shè)計，使之更加可靠并易于轉(zhuǎn)換。
1.2.2圖像識別系統(tǒng)
新式圖像采集引擎：強(qiáng)健的操作為不同的管芯和引線框架原料提供了最高的精確性和識別率。
1.2.3新式NV-照明
采用工程照明源，為小型管芯提高了識別率。先進(jìn)的圖像采集技術(shù)：經(jīng)過改良的處理周期，視點關(guān)聯(lián)性和向前的光學(xué)特性為當(dāng)今受成本驅(qū)動的封裝行業(yè)提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。
1.2.4K&S檢驗技術(shù)
高分辨率的X/Y臺面，適合高速的高解析度的X/Y工作臺，采用高性能的工作臺及其出眾的可重復(fù)性配置，提供了更快的焊接速度。使用先進(jìn)的輕質(zhì)材料，卻不降低硬度。
1.2.5高性能的伺服馬達(dá)技術(shù)
經(jīng)過檢驗的線性馬達(dá)技術(shù)為高速焊接提供了最快的響應(yīng)時間，且在大量生產(chǎn)及長期使用中驗證了其可靠性。
1.2.6µT-超聲波傳感器
在最小沖擊力下能夠有效地發(fā)送穩(wěn)定的超聲波。
1.2.7Pro-Pulse夾線系統(tǒng)
快速的開閉動作，降低了焊接的整個周期、減少了維護(hù)量并提高了過程監(jiān)控能力。
1.2.8Precision-ArcEFO系統(tǒng)
穩(wěn)定的初始球（free-air-ball）控制確保高產(chǎn)量及出色的焊接良品率。
1.38028型焊線機(jī)的特點
本機(jī)的焊頭架采用垂直導(dǎo)軌上下運動方式（Z向運動）二焊移動（跨距）通過焊頭架水平導(dǎo)軌運動實現(xiàn)（Y向運動），兩種運動均采用進(jìn)口步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，因此本機(jī)的一焊和二焊的瞄準(zhǔn)高度，拱絲高度，跳線距離均可真正實現(xiàn)數(shù)字控制，從而保證了焊接的質(zhì)量穩(wěn)定，焊點控制精確，焊線質(zhì)量重復(fù)率高，拱絲高度一致性好的優(yōu)點；該機(jī)的二焊點可設(shè)定為自動焊接，操縱者只要需按一下操縱盒上的很界按鈕即可按照操作員設(shè)定的參數(shù)完成整個焊接過程，使焊接速度更快，可以大幅度的提高單班產(chǎn)量（不同產(chǎn)品，產(chǎn)量可達(dá)每小時3000條線）。本機(jī)特有的多焊線全記憶功能使之在高端產(chǎn)品的應(yīng)用上得心應(yīng)手，滿足了產(chǎn)品的高性能要求。8028Maxµmultra融合諸多技術(shù)改進(jìn)，堪稱當(dāng)今綜合封裝應(yīng)用的最佳選擇。新型的焊接壓力控制系統(tǒng)采用了壓電傳感技術(shù)，在不增加焊具沖擊力的情況下，即可實現(xiàn)更高的焊接頭速度。新型的微處理器控制系統(tǒng)提供了更快的處理能力，更有PC風(fēng)格的USB功能來實現(xiàn)更為簡單的軟件和數(shù)據(jù)處理。另有一套增強(qiáng)型焊線進(jìn)線/拉伸系統(tǒng)，降低了焊線進(jìn)線途中的摩擦力，從而以更高的速度達(dá)成弧度控制的一致性。
（1）自動雙向焊接第二點,且三軸(焊頭,位移,送料)同步運行,大大提高了焊線的速度,對于兩條線的藍(lán)白管特別適用
（2）焊線速度可達(dá)(4-6K/H)自動機(jī)一般速度在8-12(K/H)
（3）不同操作模式,可以適用不同的初學(xué)者,熟練工及固晶不良,框架不良的影響
（4）計算機(jī)控制弧度形成,弧度可能是國內(nèi)最好的
（5）由于采用自動檢測瓷嘴是否到位和數(shù)控調(diào)整一檢,二檢高度,對一焊,二焊高度差較大的器件,也同樣應(yīng)對自如
（6）負(fù)電子成球(EFO),成球大小精確可調(diào),一致性好,為此,可以大大節(jié)約金絲和提高劈刀的壽命
（7）調(diào)整方便,各種參數(shù)(超聲功率,時間,壓力,溫度,燒球,弧度,尾絲,瞄準(zhǔn)點高度,跨度等)均置于面板上,用旋鈕調(diào)節(jié)
（8）溫度采用PID系統(tǒng),精確,穩(wěn)定
（9）燒球不成功，自動報警
28028型焊線機(jī)設(shè)備故障診斷技術(shù)
2.1故障機(jī)理
通常我們說設(shè)備工作正常是指它具備應(yīng)有的功能，沒有任何缺陷，或雖有缺陷但仍在容限范圍內(nèi)。異常是缺陷有了進(jìn)一步發(fā)展，使設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，性能惡化，但仍能維持工作。故障則是缺陷發(fā)展到使設(shè)備性能和功能都有所喪失的程度。
設(shè)備的異常或故障是在設(shè)備運行中通過其狀態(tài)信號變化反映出的。由于監(jiān)測與故障是在設(shè)備不停機(jī)的情況下進(jìn)行的，因此必然以狀態(tài)信號為依據(jù)。二次效應(yīng)就是設(shè)備在運行中出現(xiàn)的各種物理的、化學(xué)的現(xiàn)象，如振動、噪聲、超聲功率,時間,壓力,溫度,燒球,弧度,尾絲,瞄準(zhǔn)點高度,跨度等，這些都是焊線機(jī)設(shè)備運行所固有的。監(jiān)測與診斷就是要快速、準(zhǔn)確地提取設(shè)備運行時二次效應(yīng)所反映的特征。
2.2焊線機(jī)的故障診斷過程
2.2.1狀態(tài)監(jiān)測
主要是測取與設(shè)備運行有關(guān)的狀態(tài)信號。狀態(tài)信號是故障信息的唯一載體，也是診斷的唯一依據(jù)。因此在狀態(tài)監(jiān)測中及時、準(zhǔn)確地獲取狀態(tài)信號是十分重要的。
狀態(tài)信號的獲取主要是依靠傳感器或其它監(jiān)測手段進(jìn)行故障信號的檢測。焊線機(jī)檢測中主要有以下幾個過程：
（1）信號測?。褐饕峭ㄟ^電量的或傳感器組成的探測頭直接感知被測對象參數(shù)的變化（如：當(dāng)焊線機(jī)在焊線過程中出現(xiàn)二焊點脫落時，金線就會和地面形成回路，系統(tǒng)會自動報警）；
（2）中間變換：主要完成由探測頭取得的信號的變換和傳輸；
（3）數(shù)據(jù)采集：就是把中間變換的連續(xù)信號進(jìn)行離散化過程。數(shù)據(jù)是診斷的基礎(chǔ)，能否采集到足夠長的客觀反映設(shè)備運行狀態(tài)的信息，是診斷成敗的關(guān)鍵。
2.2.2特征提取
就是從狀態(tài)信號中提取與焊線機(jī)設(shè)備故障有關(guān)的特征信息。狀態(tài)檢修這樣一種新的檢修策略，它建立在對焊線機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和對設(shè)備故障診斷技術(shù)上，根據(jù)焊線機(jī)設(shè)備的運行狀態(tài)和健康狀況，進(jìn)行預(yù)知性作業(yè)。隨著傳感技術(shù)、微電子、計算機(jī)軟硬件和數(shù)字信號處理技術(shù)、模糊集理論等綜合智能系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷中的應(yīng)用，使基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和先進(jìn)診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修研究得到發(fā)展，成為故障診斷系統(tǒng)中的一個重要研究領(lǐng)域。實現(xiàn)焊線機(jī)設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)是各種設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測能準(zhǔn)確、實時地反映焊線機(jī)設(shè)備的狀況和預(yù)測使用壽命，為檢修決策提供依據(jù)。
2.2.38028焊線機(jī)的故障診斷
故障診斷就是根據(jù)所提取的特征判別狀態(tài)有無異常，并根據(jù)此信息和其它補(bǔ)充測試的輔助信息尋找故障源。
你不能使用過去的工具來支持未來的制造生產(chǎn)。比如：一個簡單的元件正在三個不同的焊線機(jī)上處理，同時每個焊線機(jī)由不同的操作者運行。新型MES系統(tǒng)將能回答下列問題：
哪個操作者與元件有關(guān)？
哪個焊線機(jī)將會被MES系統(tǒng)記錄？
哪個金屬線軸在組裝元件時被使用？
如果金屬絲有缺陷，哪個部分需要重做？
當(dāng)金屬絲拖拉檢測進(jìn)行時，哪臺設(shè)備是作為信息源頭被記錄的？
設(shè)備人員怎樣知道哪個工具需要維護(hù)?
設(shè)備人員怎樣使用設(shè)備來檢測沒有記錄的問題？
新型MES結(jié)構(gòu)提供元件轉(zhuǎn)移的靈活追蹤，此轉(zhuǎn)移獨立于設(shè)備行為。結(jié)果是輸入事務(wù)變得簡單了，但全面的記錄和分析卻變得更多了。有關(guān)自動生產(chǎn)、周期時間和參量數(shù)據(jù)收集的過程信息被剛好獲得了，這些信息來自操作者、設(shè)備、生產(chǎn)線、元件和產(chǎn)品。
2.38028型焊線機(jī)的故障診斷原理
設(shè)備診斷是利用被診斷的對象（焊線機(jī)）提供的一切有用信息，經(jīng)過分析處理以獲得最能識別設(shè)備狀態(tài)的特征參數(shù)，以便做出正確的診斷結(jié)論。焊線機(jī)設(shè)備運行時產(chǎn)生多種信息，當(dāng)其功能逐漸劣化時，就出現(xiàn)相應(yīng)的異常信息，如機(jī)器的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的異常振動、噪聲、溫度、超聲功率等信號；焊線機(jī)劣化過程產(chǎn)生的磨損微粒、油液及氣體成分變化的化學(xué)信號等。利用檢測儀器對最敏感的故障特征信號進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，做出正確的分析和診斷，可以及時預(yù)測機(jī)器設(shè)備可能發(fā)生的故障。
傳感器安裝在診斷對象（焊線機(jī)設(shè)備）上，以傳遞溫度、壓力、振動、變形等信號，這些信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到信號處理裝置，在信號處理裝置中將輸入的診斷信號與預(yù)先儲存在系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)信號是根據(jù)事先積累的大量數(shù)據(jù)資料和實際經(jīng)驗分析歸納而制定出來的判定標(biāo)準(zhǔn)，是設(shè)備各種參數(shù)的允許值。通過比較做出判斷，確定故障的部位和原因，預(yù)測可能發(fā)生的故障。
38028型焊線機(jī)的常見的故障及診斷排除
焊線機(jī)在工作過程中最常出現(xiàn)的故障有引線短路、鋁柱狀突起、一焊點不粘、二焊點脫落、各種誤測報警、斷線、球規(guī)等等。由于線弧異常、頸部靠等因素造成的引線短路是最常見的故障；另外，由于溫度的原因造成在鋁晶粒的邊界，應(yīng)力釋放，形成鋁的柱狀突起缺陷也是常見的故障之一。因此，本章第一節(jié)主要介紹了封裝中的引線短路現(xiàn)象及診斷排除，第二節(jié)主要介紹了高溫厚鋁濺射時柱狀突起缺陷現(xiàn)象及診斷排除。
3.1采用交叉引線技術(shù)維修焊線中的引線短路
在焊線機(jī)工作過程最常出現(xiàn)的故障中，由于線弧異常、頸部靠等因素造成的引線短路是最常見的異常之一。下面主要介紹設(shè)備人員在解決引線短路所采用的方法。
引線鍵合工藝中常見的缺陷之一就是引線短路的問題。單個芯片中的兩根導(dǎo)線上會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，多個芯片應(yīng)用中更為復(fù)雜的精細(xì)引線上也會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。考慮到引線鍵合工藝的復(fù)雜性，我們認(rèn)為芯片密封工藝期間成型復(fù)合材料的反向流動是影響引線短路的重要因素，因此分析起來就更加復(fù)雜。根據(jù)工藝、封裝、工藝環(huán)境、材料和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，所采取的解決方法也會有所不同。失效機(jī)理不同解決方法也就不同，所采用的解決辦法可從改變環(huán)路參數(shù)到改變芯片位置，方法很多，也各不相同。本文著重介紹了設(shè)備人員采用交叉引線技術(shù)與優(yōu)化成型轉(zhuǎn)移參數(shù)分布相結(jié)合的方法解決引線短路問題。我們將引線交叉技術(shù)作為當(dāng)前解決間斷性電短路問題的最佳手段。此外為了控制引線短路，我們還對成型工藝做了一些相應(yīng)的變化和調(diào)整。
金(Au)、鋁(Al)和銅(Cu)都是引線鍵合工藝中最常用的引線材料。引線的作用是充當(dāng)半導(dǎo)體芯片與引線框架或基板之間的一級互連。圖3.1給出了芯片與引線框架（多芯片與單芯片應(yīng)用）之間一級互連變化情況的典型實例。
圖3.1采用金引線鍵合技術(shù)時的一級互連變化情況
引線的直徑一般在0.8至20mils之間，分為細(xì)引線和粗引線兩種類型。直徑小于2mils的引線稱為細(xì)引線，而直徑大于2mils的引線稱為粗引線。如果不考慮引線材料的影響，引線鍵合缺陷表現(xiàn)有幾種常見的失效模式。其中最為常見的失效模式就是引線與引線之間的短路，一般稱為“短路”。圖3.2示出了引線短路的實例。
圖3.2引線與引線之間的短路，即通常所稱的“短路”現(xiàn)象
3.1.1引線與引線間的短路現(xiàn)象
不同的短路現(xiàn)象具有不同類型的失效機(jī)理。最令用戶擔(dān)心的失效類型是某些電短路失效已經(jīng)產(chǎn)生，但在單元測試工藝期間由于讀數(shù)時斷時續(xù)或模糊不清而造成漏測。圖3.3示出了可能使測試過程中讀數(shù)不連續(xù)的典型的短路現(xiàn)象。在這種失效模式中，造成短路測試讀數(shù)不連續(xù)的罪魁禍?zhǔn)拙褪潜”〉乃芊獬尚蛷?fù)合材料。
圖3.3由于接觸面上覆蓋著一層極薄的塑封成型復(fù)合材料，因而導(dǎo)致了單元測試讀數(shù)的時斷時續(xù)
3.1.2造成引線短路的因素
考慮到器件或封裝的類型會有所不同，要確定鍵合焊盤的結(jié)構(gòu)和引線的粗細(xì)程度就必須對引線的性能進(jìn)行全面的了解。完成引線鍵合工藝需要考慮的一個重要因素就是環(huán)路的高度。尤其是當(dāng)鍵合焊盤的節(jié)距非常緊湊或當(dāng)鍵合焊盤的設(shè)計不同時（如圖3.4所示），對環(huán)路高度的優(yōu)化設(shè)置就顯得更加重要。
圖3.4通過本環(huán)路高度模擬結(jié)果可看到，引線拉細(xì)有可能導(dǎo)致引線折斷和引線松垂等問題
因此，通過對環(huán)路類型的選擇、優(yōu)化環(huán)路高度、鍵合焊盤節(jié)距間隔等因素進(jìn)行綜合考慮就可以找到一種較為合理的技術(shù)選擇。圖3.5示出了環(huán)路高度、鍵合節(jié)距間隔的調(diào)節(jié)與引線拉細(xì)以及引線松垂之間的相互關(guān)系。一旦獲得最佳的結(jié)構(gòu)，即可將這一方案應(yīng)用于下一步成型密封研究中，從而揭開導(dǎo)致引線短路現(xiàn)象產(chǎn)生的真正原因。
圖3.5對環(huán)路高度和鍵合節(jié)距間隔進(jìn)行調(diào)整時的典型引線特性
3.1.3引線短路的故障排除方法
成型密封工藝對引線短路與成型流程機(jī)理間的有著十分重要的關(guān)聯(lián)。就引線位置而言，加壓成型的流動方向會對引線的偏距造成一定的影響。
必須對相關(guān)的成型參數(shù)進(jìn)行成型表征并對其加以識別。根據(jù)研究結(jié)果，可以將成型轉(zhuǎn)移壓力做為一個重要的影響參數(shù)進(jìn)行考慮，對其進(jìn)行表征以獲得最佳值和較高的安全允許范圍。
解決方案：考慮了三種實驗設(shè)計方案：環(huán)路參數(shù)表征、與交叉引線技術(shù)相結(jié)合的環(huán)路類型選擇、優(yōu)化成型轉(zhuǎn)移分布。
環(huán)路參數(shù)表征：
我們采用現(xiàn)有的材料、引線鍵合設(shè)備、成型工藝和條件對10條引線進(jìn)行了實驗，以確定引起引線短路的最大環(huán)路參數(shù)。
主要考慮了三種成型參數(shù)：第一種是轉(zhuǎn)移壓力，第二種是停頓時間，第三種是轉(zhuǎn)移速度。上述全部參數(shù)，在其改變前后都進(jìn)行了收集和監(jiān)測。
必須研究用交叉引線技術(shù)對引線鍵合環(huán)路參數(shù)進(jìn)行表征的結(jié)果與成型轉(zhuǎn)移分布之間的相互關(guān)系以獲得最佳的工藝參數(shù)。同時還要衡量運用交叉引線技術(shù)的效果。
采用交叉引線技術(shù)時對引線鍵合環(huán)路類型的選擇
對正常環(huán)路型和梯形環(huán)路型兩種環(huán)路類型進(jìn)行了考慮并對兩種類型加以比較。因為梯形環(huán)路中形成的第二個扭結(jié)的特點非常適合作為額外保護(hù)結(jié)，用以防止成型流動效應(yīng)引起的引線偏差，因而我們選擇了梯形環(huán)路。為了提高引線鍵合的效率，使用交叉引線技術(shù)。首先要從修改參數(shù)上實現(xiàn)一個目標(biāo)，即同一個接地引腳中的每一條引線不會導(dǎo)致任何的短路機(jī)理，每一條引線都得到相互支撐而不是只支撐孤零零的一條引線，這種方法具有一個重要的優(yōu)點，再與交叉引線布局方法相結(jié)合就可以解決引線短路本身的隔離問題。雙引叉引線產(chǎn)生的嚴(yán)重的引線彎曲結(jié)果說明，引線平均擺動最低，在結(jié)果一定的情況下，我們選擇了采用交叉引線技術(shù)的雙引腳作為這兩種方法中較好的引線布局設(shè)計。
對轉(zhuǎn)移壓力和時間進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化之前和之后都要進(jìn)行上述分析。對這些參數(shù)完成優(yōu)化之后，即可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移參數(shù)分布會有所改善，而且就引線偏差而言最終產(chǎn)品的質(zhì)量還會有所提高。我們發(fā)現(xiàn)采用交叉引線技術(shù)與優(yōu)化成型轉(zhuǎn)移參數(shù)分布相結(jié)合的方法可以徹底消除由成型工藝流程影響而導(dǎo)致的引線短路現(xiàn)象。
3.2高溫厚鋁濺射時柱狀突起故障診斷與排除
本節(jié)介紹了高溫厚鋁濺射（Alsputter）時柱狀突起缺陷（whiskerdefect）的產(chǎn)生原因，針對影響柱狀突起缺陷的各個因素，進(jìn)行分析診斷，數(shù)據(jù)化各因素的影響程度，找出最大的影響因素，實現(xiàn)了一種在現(xiàn)有的設(shè)備條件并保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，以最小成本控制和優(yōu)化鋁柱狀突起缺陷的方法。
濺射法是在半導(dǎo)體制程焊接中用于鋁互連線淀積的最主要方法，基本原理：在工藝腔中形成等離子體環(huán)境，用帶正電的氣體離子氬轟擊靶材，把動能直接傳遞給靶材原子，從而使靶原子逸出，淀積在襯底材料上的物理化學(xué)過程。氬不斷轟擊靶材，靶原子不斷淀積在襯底材料上，在此過程中會產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致工藝腔升溫，工藝腔需要有良好的溫控系統(tǒng)。在某一制程中，由于大電流通過的要求，頂層金屬鋁需要加厚到一定厚度，濺射時溫度設(shè)定為300℃，在現(xiàn)有的工藝條件下，連續(xù)濺射淀積如此厚的金屬，在鋁濺射完成后產(chǎn)生大量缺陷，由于此種缺陷目視時為沿鋁晶粒邊界的柱狀突起，定義此種缺陷為鋁柱狀突起缺陷（Alwhiskerdefect）。質(zhì)量與成本在生產(chǎn)過程中永遠(yuǎn)是對立統(tǒng)一的兩面，尋求兩者的平衡是工業(yè)化的基礎(chǔ)。在設(shè)備成本增加最少，設(shè)備生產(chǎn)效率影響最小的前提下，控制和排除鋁柱狀突起缺陷，使得其對質(zhì)量無影響，是本節(jié)討論的目標(biāo)。
3.2.1鋁柱狀突起缺陷形成診斷分析
某產(chǎn)品在風(fēng)險量產(chǎn)時，頂層鋁刻蝕后在線缺陷檢測發(fā)現(xiàn)大量缺陷，全數(shù)檢測此批次產(chǎn)品所有硅片，所有硅片都缺陷超標(biāo)。生產(chǎn)線停止，設(shè)備檢查，并對生產(chǎn)線上其它產(chǎn)品進(jìn)行缺陷檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷超標(biāo)，初步判斷只是此批工藝產(chǎn)品缺陷超標(biāo)。針對此問題進(jìn)行分析定位。
圖3.6鋁濺射后顯微鏡下的照片圖3.7鋁濺射后掃描電鏡下的照片
圖3.8鋁刻蝕后顯微鏡下的照片圖3.9鋁刻蝕后電鏡下的照片
3.2.2缺陷的分析、定位過程
頂層鋁刻蝕完成后在線檢測發(fā)現(xiàn)大量缺陷，顯微鏡下目視為小黑點（圖3.8）。
掃描電鏡觀察為柱狀突起刻蝕殘留（圖3.9），進(jìn)行成分分析，確定殘留物的主要成分為鋁。
對鋁刻蝕前可能產(chǎn)生缺陷的工藝步驟進(jìn)行分析，設(shè)備狀態(tài)確認(rèn),增加在線檢測，尋找缺陷的來源。
頂層鋁濺射后在線檢測發(fā)現(xiàn)大量缺陷，顯微鏡下目視為小黑點（圖3.6），掃描電鏡觀察為柱狀突出（圖3.7），跟蹤此缺陷，在鋁刻蝕后此缺陷表現(xiàn)為柱狀突起刻蝕殘留（3.9），確定缺陷為鋁濺射產(chǎn)生。
檢查工藝設(shè)備歷史記錄，未發(fā)現(xiàn)異常。同一工藝腔進(jìn)行重復(fù)試驗，檢測到缺陷。用其它設(shè)備的同樣工藝腔重復(fù)試驗，檢測到缺陷。判斷與此制程產(chǎn)品的鋁濺射工藝有關(guān)。
追加掃描其它層次鋁濺射，未發(fā)現(xiàn)同樣缺陷。進(jìn)行不同厚度鋁濺射，薄鋁條件時未發(fā)現(xiàn)缺陷，厚鋁條件時缺陷數(shù)量增多。判斷此種缺陷的產(chǎn)生與鋁厚度有關(guān)。
3.2.3工藝條件對鋁柱狀突起缺陷的影響分析
在上面的分析中已確定了鋁柱狀突起缺陷的產(chǎn)生原因：溫度積累產(chǎn)生應(yīng)力釋放。在工藝過程中影響溫度的原因有很多：濺射壓力、功率、濺射速率、鋁厚度、工藝腔真空度、加熱臺溫度設(shè)定和靶材壽命等。現(xiàn)在我們需要在這些條件中找出對缺陷影響最大的因素。
工藝條件比較：通過對濺射時每一片硅片的工藝參數(shù)比較（濺射功率、工藝腔真空、壓力條件、濺射實際時間和濺射穩(wěn)定時間等），一個批次濺射時第一片硅片和最后一片硅片工藝條件無差異。
設(shè)備條件比較：通過對每一片硅片工藝時的設(shè)備參數(shù)比較（硅片進(jìn)入工藝腔前后的真空度比較、冷卻水流量比較、工藝腔加熱臺溫度設(shè)定比較等）發(fā)現(xiàn)工藝腔加熱臺溫度第一片硅片和最后一片硅片存在差異，使用溫測硅片（TCwafer）測量發(fā)現(xiàn)不同硅片間有20℃以上的差異。
溫度是產(chǎn)生鋁柱狀突起缺陷的最主要因素，之所以缺陷數(shù)量隨濺射硅片數(shù)量的增加而增加是由于連續(xù)濺射，濺射時的等離子體連續(xù)轟擊工藝腔，造成工藝腔加熱臺溫度由于散熱效率不夠而升高，濺射的越多，溫度越高，缺陷數(shù)量越多。
3.2.4鋁濺射時溫度變化分析
鋁柱狀突起缺陷產(chǎn)生原因找到，影響最大的因素“溫度”也找到了，現(xiàn)在的問題是如何控制“溫度”。為了不降低設(shè)備生產(chǎn)效率（改變工藝條件，降低濺射速率也可以有效控制溫度，但嚴(yán)重降低設(shè)備效率），我們從分析分析工藝腔的構(gòu)造入手，尋找控制硅圓片“溫度”的方法。
3.2.5硅片熱源的診斷分析
濺射時的等離子體轟擊，使硅片升溫的主要因素。硅片加熱臺（waferheater）的加熱作用（使硅片保持在一個穩(wěn)定的溫度狀態(tài)），工藝時間較短時，加熱硅片，但在此工藝中，硅片由于等離子的轟擊作用產(chǎn)生的升溫，遠(yuǎn)高于加熱臺加熱的升溫，此時加熱臺起降溫作用。
3.2.6硅片散熱方式
輻射散熱，但工藝腔為高真空，效率很低。
通過熱傳導(dǎo)散熱：
（1）加熱臺熱傳導(dǎo)：在加熱臺下方有冷卻水循環(huán)，以保證加熱臺能夠在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)（＋/-10℃）。我們的工藝腔是普通爪式夾具加熱臺（Clampheater），控溫能力有限，在高溫厚鋁濺射時對溫度的控制很差（設(shè)備供應(yīng)商處已有靜電吸附式加熱臺）可以有效的控制溫度，但成本高）。
（2）直接接觸硅片的爪式夾具（Clamp）通過與其它部件的接觸，熱傳導(dǎo)散熱：在此工藝中爪式夾具也被等離子體轟擊，并且材質(zhì)為金屬，受等離子體轟擊的面積也大，升溫很快，實際對硅片起加熱作用。
3.2.78028型焊線機(jī)的工藝腔控溫方式
工藝腔主體有獨立循環(huán)冷卻水，溫度可以得到很好的控制。
靶材部件有獨立循環(huán)冷卻水，溫度可以得到很好的控制。
加熱臺有獨立循環(huán)冷卻水，但在此種長時間的工藝過程中，本文中設(shè)備使用的普通爪式夾具加熱臺（Clampheater）無法有效控制硅圓片溫度。
爪式夾具及其接觸部件Clamp，無循環(huán)冷卻水，完全依靠本身材料散熱，溫度控制差。
3.2.8故障排除辦法
給爪式夾具及其部件降溫是我們現(xiàn)在可行的方法。成本最低是我們的目標(biāo)，設(shè)備人員動手改造工藝腔給爪式夾具部件中的適配器添加一路循環(huán)冷卻水,通過熱傳導(dǎo)作用，降低爪式夾具部件溫度，從而給硅片降溫。為了確認(rèn)爪式夾具部件增加循環(huán)冷卻水后對鋁柱狀突起缺陷的影響，比較增加前后的兩個批次（試驗條件：連續(xù)濺射厚度為3萬埃的一個批次硅片，檢測第2、6、11、18、25片硅片，比較缺陷數(shù)量）硅圓片的缺陷檢測結(jié)果：增加循環(huán)冷卻水后，缺陷數(shù)量明顯減少。爪式夾具部件增加循環(huán)冷卻水后，能夠有效的減少鋁柱狀突起缺陷。
