Построение изображений при помощи интегральных линз Френеля

Реферат

Тема: Машинное зрение

 

Содержание

 

Введение

1. Основные понятия

1.1 Основы оптики

1.2 Телецентричность

1.3 Построение изображений при помощи интегральных линз Френеля

1.4 Защита интеллектуальной собственности и водяные знаки

2 Освещение

2.1 Улучшение контраста при использовании органических фотодиодов

3 Электроника

3.1 Основные положения электричества

3.2 Кремниевые фотодиоды (методика расчета)

3.3 Операционные усилители

4 Обработка изображений

4.1 Измерение МПФ и др.

4.2 Введение в вейвлеты

4.3 Реконструкция изображений

5 Камеры

5.1 Модель ПЗС камеры и ее применение

5.2 Радужная 3D камера

5.3 Высокоскоростная камера высокого разрешения

Заключение

Список использованной литературы

 

Введение

Восемьдесят процентов информации об окружающем мире человек получает через зрение. Глаз является универсальным прибором, который позволяет определять размеры вещей, цветовую гамму, границы теней. Все эти параметры анализируется мозгом и человек может сказать: "Эта деталь "на глаз" неправильно выточена", "На этой плате не хватает чипа", "Судя по цвету этот резец – перекален". Но глаз не просто воспринимает изображение. Человек устроен так, что угол зрения может изменяться в очень широких пределах. Это позволяет говорить нам о форме предмета. Причем точность при этом поразительная и поэтому много операций сейчас выполняется вручную.

ЧТО ТАКОЕ МАШИННОЕ ЗРЕНИЕ?

В настоящее время в промышленности стремяться сократить время рутинной человеческой работы. Но заменить человеческие глаза очень сложно. Раньше для этой цели использовали системы "техническое зрение". Т.е считали, что если есть камера и плата ввода изображения, то это вполне достаточно чтобы заменить человеческий глаз. Но человек не просто смотрит на предметы, он изменяет угол зрения и получает полную информацию о предмете, которую мозг анализирует и делает выводы.

Новейшим этапом развития систем "технического зрения" являются системы "машинного зрения". Это новый класс систем, в задачу которых входит получение изображения, его математический анализ и, после этого, получение выводов на основе которых производится движение.

 

Технически такие системы состоят из камеры – снимающей изображение, платы ввода изображения – оцифровывающей изображение и платы управления движения – позволяющей перемещать камеру в пространстве. Системы "машинного зрения" способны полностью заменить глаз человека в производственных операциях.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

Система, которая будет использоваться на производстве, должна обеспечивать высокую производительность, надежность и быть в тоже время гибкой. Всем этим требованиям удовлетворяет платформа PXI, построена на основе шины Compact PCI. Существует большой набор плат сбора, хранения информации и управления для платформы PXI.

Для ввода в компьютер изображения используется плата ввода изображения и камера. Эта часть системы решает задачи "технического зрения". Исходя из задачи, могут использоваться, как очень мощные (возможно подключение до 4 камер), так и простейшие платы. Это позволяет создать системы под конкретную задачу с оптимальной стоимостью.

 

Для перемещения камеры используется плата управления движением. Возможности этих плат тоже очень широки. Если необходимо движение в плоскости, то используется плата на две оси движения. Если необходимо управлять движением по сложной пространственной траектории – на шесть осей движения. Все это позволяет выбрать плату под конкретную задачу.

Для работы с изображением используется библиотека функций, которая позволяет получать необходимую информацию из поступающих изображений. С помощью этой библиотеку можно проводить улучшение, сглаживание границ, пороговое разделение, сегментацию и количественный анализ поступающих образов. Большой набор функций позволяет получать изображение хорошего качества, без использования камер высокого разрешения.

 

 

Как правило, не бывает промышленного оборудования без дополнительных датчиков, поэтому в систему введена многофункциональная плата ввода/вывода. Она необходима для подключения дополнительного оборудования, сбора информации с датчиков и обрабатывание ее.

ПРИМЕНЕНИЕ.

Системы "машинного зрения" применяются в следующих областях промышленности:

· Автомобилестроение.

· Электроннике.

· Медицинской и фармацевтической.

· Машиностроении.

· Робототехнике.

· Лабораторных испытаниях.

За счет своей гибкости и универсальности система машинного зрения позволит снизить нагрузку на человека практически во всех областях промышленности.

Электронная промышленность.

В настоящее время производится большое количество различных плат. Как правило, на них устанавливается большое число монтажных элементов. Микросхемы устанавливает на плату машина, но контроль правильности установки производит человек. Но у человека наступает утомление через нескольких часов. И как результат – брак. Если на данной операции заменить человека системой машинного зрения, то это повысит качество и скорость проверки плат.

Автомобилестроение.

Другая область, в которой могут быть применены системы машинного зрения – автомобилестроение. На каждом этапе сборки машины необходим визуальный контроль. На кузове большое количество сварных швов – их нужно проверить. Кузов необходимо покрасить – качество окраски так же контролируется. Конструктивно необходимо закрепить большое количество деталей на кузове – нужно проверить все ли винты закручены правильно. Все эти операции производит человек и поэтому нельзя гарантировать 100% контроль. Система машинного зрения позволит резко ускорить процесс производства и довести надежность почти до 100 %.

Медицинской и фармацевтической.

Продукция, используемая в медицинской и фармацевтической промышленности, должна строго соответствовать стандартам и, поэтому необходим контроль ее качества на этапе выпуска. При маркировки готовых таблеток иногда происходят сбои, а таблетки с неправильной маркеровкой не могут использоваться. Системы "машинного зрения" позволяют производить автоматический контроль маркировки и обеспечивать 100 % гарантию надежности.

Лабораторные испытания.

Визуальный контроль характерен тем, что он не вносит возмущений в контролируемый предмет. Например, если мы измеряем температуру жидкости с помощью градусника, то мы понижаем температуру в области замера. Визуальный контроль лишен этих проблем и поэтому очень важен в научных исследованиях, а в некоторых незаменим. Если нам необходимо измерить изменение поверхности вращающихся лопастей вертолета, то это можно сделать только при помощи системы машинного зрения.

Машиностроении.

Получение изображения предмета с разных ракурсов позволяет получить полную информацию о предмете. Это свойство систем машинного зрения позволяет использовать их для контроля точности изготовления детали в машиностроительном производстве.

Робототехника.

Системы "машинного зрения" позволяют создавать мобильные роботы, которые бы могли заменить человека при работе рядом с атомным реактором, на пожаре и других ситуация, когда жизнь человека подвергается опасности.

Контроль с помощью систем машинного зрения можно производить на расстоянии и это позволяет использовать их для контроля в агрессивных средах.

Например, на теплостанции необходимо поддерживать постояную тепмпературу пара. Для этого температура в камере сгорания должна быть строго постоянной. С помощью систем машинного зрения можно определять температуру пламени по цвету с большой точностью, как это делает человек. И в соответствии с получаемыми данными либо увеличивать подачу топлива, либо уменьшать.

 

Основные понятия

Основы оптики

Способность человека и многих других групп животных визуально ощущать окружающее пространство реализована при помощи глаза и пучка нервов оканчивающегося в мозге. Для описания способности греки использовали слово «optikos», которое может быть интерпретировано, как видение или визуальная способность.

Истоки и развитие наших знаний об оптике очень интересны. Археологические раскопки времен фараонов (2600-2400 г. До н.э.) показали, что эта культура обладала превосходными анатомическими знаниями. Известно, что когда мы смотрим на статую, кажется, что она на вас смотрит, даже когда вы двигаетесь. Глубокие исследования показали, что изобретательная комбинация плоско-выпуклой линзы с соответственно выставленным зрачком ответственны за этот эффект. [7]

 

Телецентричность

 

Телецентрические линзы имеют уникальное свойство сохранять постоянное увеличение в определенном диапазоне расстояний до объекта. Это свойство позволяет системам технического зрения производить точные измерения трехмерных частей и компонентов различных высот. Телецентрические линзы пользуются преимуществом и находят широкое применение в оптической метрологии.

Когда вы используете обычные линзы для измерения трехмерных объектов, в результате получаем изображение искаженное дисторсией. Изменение увеличения с расстоянием в обычных изображающих системах настолько фундаментально, что люди обычно считают, что так и должно быть. Кроме всего, наши глаза являются типичными традиционными изображающими системами. Мы принимаем, что объект расположенный дальше кажется меньшим, чем тот же объект расположенный рядом. Изображение шахматной доски на рисунке иллюстрирует этот эффект, называемый перспективой. [12]

 

 

Построение изображений при помощи интегральных линз Френеля

 

Интегральная обработка изображений – это трехмерная техника, позволяющая достичь полного стереоскопического эффекта без дополнительных оптических элементов. Для записи информации о трехмерном объекте микролинзовая решетка и камера высокого разрешения были использованы. Из-за различного положения каждой микролинзы по отношению к объекту, множественные перспективы объекта могут быть зарегистрированы на ПЗС-камеру. Записанное изображение, которое содержит элементарные изображения от каждой микролинзы, может быть передано электронным способом и восстановлено использую пространственный световой модулятор высокого разрешения и еще одну микролинзовую решетку.

Интегральная фотография была предложена Липманом, много способов для увеличения глубины резко изображаемого пространства и поля зрения были исследованы. Метод с использованием микролинзовой решетки из неодинаковых линз был предложен Янгом для увеличения обоих параметров одновременно. Для демонстрации принципов работы, должна быть изготовлена линзовая решетка с варьируемым фокусным расстоянием. Существуют различные подходы для реализации линзовой решетки (рефрактивный, дифракционный или гибридный). При использовании рефрактивного подхода одиночная линза может быть изготовлена используя ультра-точные станки с ЧПУ, фоторезистивное прессование, горячее теснение или технику ионного обмена (для создания микролинзовых решеток для интегральной обработки изображений). Дифракционную одиночную линзу можно изготовить используя прямое лазерное излучение или запись электронным пучком, также хорошо как, технология с двоичными или серыми масками. Из-за комплексности процесса изготовления мультифокусной рефракционной и многоуровневой дифракционных линзовых решеток, мы решили сначала исследовать двоичную линзовую решетку Френеля. Целью было исследовать их характеристики в терминах разрешения, хроматических аберраций и контраста изображения и проверить могут ли быть использованы мультифокусные двоичные линзовые решетки Френеля в системах интегральной обработки изображений. [10]