光电图像检测技术

1、光光电电图图像像检检测测技技术术指导老师：李指导老师：李 伟伟组组 员：田世隆员：田世隆 张张 波波 郑明明郑明明 张张 涛涛一、什么是光电检测技术一、什么是光电检测技术二、光电图像检测系统概述二、光电图像检测系统概述三、基于三、基于PC机的光电图像检测系统机的光电图像检测系统四、四、VFD技术技术五、嵌入式光电图像检测系统五、嵌入式光电图像检测系统六、基于六、基于ARM的火灾检测系统的火灾检测系统什么是光电图像检测什么是光电图像检测？光电图像检测技术光电图像检测技术：光电图像检测技术是以现代光学为基础, 融光电子学、计算机图形，图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。图像

2、信息是人类获得外界信息的主要来源，图像中蕴涵着对事物本质的描述，也是人类最易接受的表达形式。随着计算机硬件性能的提高和软件技术的发展，将计算机应用于近代光学测试领域，进行光学图像信息的数字化处理、分析和表示，是测试技术向自动化、实时化、高精度、高效率发展的一个重要方向。图像检测技术是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图形/图形学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。它以光学系统所成图像为信息载体，经过A/D(D/A)转换，利用计算机来分析采样信号并从中提取可用信息，所得结果再以模拟或数字方式输出。 光电图像检测系统：光电图像检测系统：光电图像测量系统从硬件上包含了照明光源、光

3、学系统(含光学镜头)、光电传感器及控制电路、视频图像采集处理、计算机及接口、显示输出设备、光具座、载物台及其它各类附属设备;从软件角度，则是根据测量原理，设计适应操作系统的图像分析算法.综合而言，系统实际由光学成像、视频信号处理、数字图像处理、结果输出、机械结构调节等五个环节构成。对动态测量，还应包括精密的伺服反馈控制环节.下图给出了图像测量系统原理及构成环节框图。 光电图像检测系统的特点光电图像检测系统的特点：光电图像检测系统是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少地新技术，是光、机、电、计算机相结合地新技术，是最具有应用潜力地信息技术之一。 -高精度 -高速度 -远距离、大量程 -非

4、接触检测 -寿命长 -具有很强地信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理从原理上来看具有以下3个特点：A. 从主观光学发展成为客观光学也就是用光电探测器来取代人眼，提高了测试准确度与测试效率；B. 用单色性、方向性、相干性和稳定性都远远优于传统光源的新光源-激光，获得方向性和稳定性极好的光束，用于各种光电测试；C. 从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，充分利用计算机技术，实现测量及控制的一体化。从功能上来看具有以下从功能上来看具有以下3个特点：个特点：A. 从静态测量向动态测量发展；B. 从逐点测量向全场测量发展；C. 从低速测量向高速测量发展，同时具有存储和记录功能。基于基于PC机光

5、电检测结构图机光电检测结构图：这个结构是非常简洁的，硬件代价极低，由于借用了计算机的显卡和显示器，图像系统可以不设置D/A电路，也不再添加昂贵的监视器，高速图像处理机甚至不另设置图像帧存，随着高档计算机的普及，这种结构已经非常流行图象理解与计算机视觉近年来已在许多领域得图象理解与计算机视觉近年来已在许多领域得到广泛应用：到广泛应用：工业视觉工业视觉：如工业检测、工业探伤、自动生产流水线、邮政自动化、计算机辅助外科手术、显微医学操作；人机交互人机交互：如人脸识别、智能代理等；视觉导航视觉导航：如巡航导弹制导、无人驾驶飞机飞行、自动行驶车辆、移动机器人、精确制导等；虚拟现实虚拟现实：如飞机驾驶员训

6、练、医学于术模拟、场景建模、战场环境表示等图像自动解释：包括对放射图像、显微图像、遥感多波段图像、合成孔径雷达图像像自动解释：包括对放射图像、显微图像、遥感多波段图像、合成孔径雷达图像；对人类视觉系统和机理、入脑心理和生理的研究等；对人类视觉系统和机理、入脑心理和生理的研究等；计算机视觉图像检测系统的举例及应用 计算机视觉中一项理论意义与实际价值兼备的重要课题，对烟火事故的消防安全具有重要的实际意义。随着火焰视觉特征模型的不断完善，火焰检测方法的研究得到发展。 基于传统检测方法的火灾探测装置，主要是基于传感器检测技术设计的，即利用感烟、感温、感光等传感器对火焰的烟雾、温度、光等信息进行采集，并

7、利用这些特性来对火灾进行探测。此种装置存在一定的缺陷：一方面，它利用传感器对监控现场烟雾浓度、温度、火焰等敏感现象的实时变化进行检测，提取实时参数，因此传感器的性能优劣直接会影响火灾自动报警的准确度和可靠性。另一方面，在室外仓库和大型室内仓库等大空间场合中，火灾初期产生的热量和烟雾难以到达很高的空间，从而传感器信号由于空间的巨大而变得十分微弱。即使是高精度的传感器也会由于种种干扰噪声而无法工作，因此无法进行火灾的早期探测及准确报警。常规检测器传统的烟火监测器不可避免地存在一些局限性： -适用空间有限 -缺失过程信息 -快反能力有限 -成本高、通用和扩展能力有限VFD技术技术 近年来，视频监视设

8、备的日益普及与视频图像处理技术的发展极大地推动了视频火焰检测(VideoFire DetectionVFD)系统的研究和应用。对于视觉信息，人们可以直接利用标准的视频相机实现场景图像的实时采集和在线监视，并在燃烧生成的热和烟等发展到足以触发常规检测器之前，就可以通过计算机视觉的处理方法尽早地探测潜在的火源。近年来，随着各种监视相机在室内外公共场所的普及，VFD备受关注。VFD技术的优势与特点技术的优势与特点 VFD系统能提供许多常规检测器不具备的优势和特点： -直观主动的探测能力 -空间场所的普适性 -远程实时的在线快速反应与离线分析能力 -廉价、通用和可扩能力的兼备 -对其他传感器的融合性支

9、持VFD结构结构 依据火焰特征的层级描述，整个框架分信号特征、空间结构、时序变化和目标事件4个层次：VFD发展 基本的火焰监测VFD系统一般包括视频采集、火燃检测与决策、实时报警、信息分析和鉴定、监视显示终端和控制工作站等组成单元。目前国内外已投入实用的监测产品中，单纯的VFD系统还很少，多数是对原有常规系统的可视化改造。随着计算视觉技术的优越性日益突现，越来越多的烟火监测器向以视频监视为平台，以机器视觉为核心，融合多源探测信息，智能化远程监控与早期预警相结合的综合性系统发展。VFD实例实例嵌入式光电图像检测系统嵌入式光电图像检测系统定义定义：嵌入式图像检测系统是指以图像信号为检测和处理对象的

10、高速专用实时检测处理系统。 主要有两大特点：-嵌入式（针对特定需求具体定制）-检测信号为图像信息 一般由三部分组成：a. 目标图像采集b. 分析和处理c. 结果输出嵌入式光电图像检测系统嵌入式光电图像检测系统 图像信号一般由CCD、CMOS、CIS、硅光电池等图像传感器采集。 处理和分析部分由嵌入式微处理器及外围硬件构成。早期的微处理器一般为单片机，目前主要是使用ARM、DSP、FPGA等高速微处理器芯片。结果输出是指把目标图像的处理分析结果根据要求通过指定接口发送到相应的执行机构进行下一步动作。应用领域应用领域主要应用于物体的非接触式外观形貌检测和尺寸测量，有以下典型应用： -IC印刷电路板

11、的检查 -金融票据图像真伪鉴别 -药片缓释孔尺寸检测 -螺丝钉、连接器等冲压件质量的高速在线检测 -大米、珍珠、烟草等的质量检测 -纸、玻璃等平片状物体的检测 -齿轮等机械零件的检查 -货物包装的外观检查发展现状发展现状在国外，嵌入式图像检测系统起步较早，现在已经发展到了一个相对比较成熟的领域。专业的嵌入式图像检测设备生产厂商主要有DVT、PPT、Matrox、Coreco和Omron等。其产品集成度高，检测速度高，其检测算法有通用性，可以根据具体的应用需求定制不同的检测流程，其检测性能和速度都已经达到了很高的水准。以检测冲压螺丝钉为例，国外的产品如DVT公司的嵌入式系统可以做到每分钟1000

12、0个左右的检测速度。在国内，由于技术力量等原因，嵌入式图像检测行业还处于起步阶段，自有技术的嵌入式图像检测系统几乎为零。目前国内图像检测的自有产品几乎全部集中于板卡式设备，即采用摄像头、图像采集卡加上计算机，应用软件需要客户自行编制。这样带来的问题是硬件体积庞大且灵活性差；软件重复劳动，算法水平和代码执行效率低下。同样以检测冲压螺丝钉为例，国内产品检测速度只能达到每分钟600个左右。国内需求状况国内需求状况 -随着工业化生产技术水平的进步，生产效率不断提高，市场需求巨大。 -国外同类产品价格昂贵，通常每套检测设备都在价格几十万至上百万人民币，非国内一般企业所能承受。 -核心技术掌握在外国人手中

13、，对国家安全构成威胁。 因此，研发自有知识产权的嵌入式图像检测系统具有非常现实和积极的意义。嵌入式图像检测原理嵌入式图像检测原理 嵌入式图像检测系统是指以图像信号为检测和处理对象的高速专用实时嵌入式系统。 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。系统的组成及原理系统的组成及原理系统硬件组成框图如下图所示。它主要由图像采集部分、CPLD逻辑控制器、图像信号处理和传输等部分组成。嵌入式系统结构嵌

14、入式系统结构 广义而言，计算机可以作为某种技术过程的核心处理环节，直接与真实世界自然地接口与互动，按照环境事件的节拍主动、协调地做出响应，也就是“嵌入”到了一个技术过程中。成为一种嵌入式计算机。实现这种技术过程的系统就可看成嵌入式系统。在大系统中，嵌入式计算机不一定是可见的； 狭义而言，人们一般将埋藏在宿主设备中的专用的、使用者看不见的微处理器系统称为嵌入式系统。常见的单片机系统就是一种典型的初级的嵌入式系统。 嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合，是技术密集、资金密集、高度分散和不断创新的知识集成系统； 嵌入式系统必须根据应用需求对硬件和软件进行裁剪

15、，以满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。 比较好的发展模式是：首先建立相对通用的硬件和软件基础，然后开发出适应各种需要的嵌入式系统。 作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统比较具有以下特点特点：(1)及时响应；(2)并行处理；(3)专用性强；(4)多样性；(5)技术密集；(6)专门开发工具支持；(7)实时操作系统支持。 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。嵌入式系统麻雀虽小，五脏俱全。 软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件； 硬件除了CPU外，还需有外围电路支持，微处理器、微控制器、DSP已构成嵌入式系统硬件的基础。嵌入式系统硬件基础嵌入式系统

16、硬件基础 嵌入式系统的核心就是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已有上千种之多。实际上，几十年来，各种4、8、16、32和64位的处理器在嵌入式系统中都有广泛应用。常用的微处理器分为以下几类： 嵌入式微处理器EMPU 嵌入式微控制器MCU 嵌入式DSP处理器EDSP嵌入式系统软件基础嵌入式系统软件基础 众所周知通用操作系统(如Microsoft Windows系列的操作系统)并不适合直接应用在嵌入式系统上，为了适应嵌入式系统的需要，必须在整个系统的软件架构中引入嵌入式操作系统。 现在许多嵌入式系统要胜任的工作越来越复杂，需要采用32位的嵌入式处理器，这样嵌入式操作系统就成为嵌

17、入式系统设计中必不可少的一个环节。 在逐渐变得复杂的嵌入式系统中采用成熟的嵌入式操作系统成为更好的解决方案，如嵌入式Linux、VxWorks、pSOS、WinCE、DeltaOS、uCOS、TinyOS等等。嵌入式正在研究的方向嵌入式正在研究的方向 在嵌入式系统及开发环境方面，目前仍有许多问题尚在研究发展之中，如嵌入式系统的硬件软件协同设计方法；面向多目标，多任务的微内核嵌入式操作系统；分布嵌入式系统的实时性问题，分布式计算，分布式信息交互与综合处理；以及嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究等。基于基于ARM的火灾探测系统的火灾探测系统系统的体系结构系统硬件设计系统硬件设计基于AR

18、M处理平台的火灾探测系统由3个部分组成： -ARM微处理器平台 -USB摄像头图像采集模块 -GSM远程报警模块经过资料收集和反复比较，最终选择了Samsung公司推出的基于ARM920T 内核的S3C2440A 处理器。S3C2440A处理器是基于ARM920T处理器核，采用0.18m制造工艺的32位微控制器，采用5级流水线和哈佛结构，最高运行频率为400MHz。S3C2440A提供了一套较完整的通用外围设备，且使整个系统的功耗低，从而免去了添加、配置附加外围接口的麻烦，有效地缩小了线路板的面积。系统的硬件结构系统的硬件结构系统软件设计系统软件设计 定制操作系统：在主控制器上创建一个基于WindowsCENET的嵌入式操作系统平台，首先需要根据目标设备的硬件配WindowsCENET进行定制，安装或创建设备驱动程序，生成一个基于目标设备的硬件配置的操作系统映像文件。 本系统利用Platform Builder4.2并根据目标平台的硬件配置对WindowsCE操作系统进行定制，删除了在所开发的系统中不需要的功能模块， 并以流接口驱动的模式在Platform Builder下开发了ZC301PLH摄像头的winCE驱动，生成WinCE映像文件，并移植到硬件平台。同时，利用Platform Builder导出了在该平台上开发应用程序所需的SDK。系统软件结构系统