数字图像处理数字图像处理（（ Digital Image ProcessinDigital Image Processin

gg ））数字图像处理与模式识别研究所数字图像处理与模式识别研究所

山东科技大学信息与电气工程学院山东科技大学信息与电气工程学院

第八章 数字图像技术应用系统设计第八章 数字图像技术应用系统设计8.1 8.1 引言引言8.2 8.2 数字图像技术应用系统数字图像技术应用系统8.3 8.3 在线玻璃瓶口缺陷检测系统设计在线玻璃瓶口缺陷检测系统设计 8.3.1 8.3.1 基于视频的图像获取基于视频的图像获取 8.3.2 8.3.2 缺陷检测识别缺陷检测识别8.4 8.4 指纹识别系统设计指纹识别系统设计 8.4.1 8.4.1 指纹图像获取指纹图像获取 8.4.2 8.4.2 指纹分类指纹分类 8.4.3 8.4.3 指纹识别指纹识别8.5 8.5 无线视频监控系统设计无线视频监控系统设计 8.5.1 8.5.1 图像通信系统的基本构成图像通信系统的基本构成 8.5.2 8.5.2 无线视频监控系统的设计无线视频监控系统的设计 8.5.3 8.5.3 系统实现系统实现

8.2 8.2 数字图像技术应用系统数字图像技术应用系统

• 数字图像应用系统设计要结合应用要求，综合考数字图像应用系统设计要结合应用要求，综合考虑图像获取、图像处理、图像识别、系统控制等虑图像获取、图像处理、图像识别、系统控制等技术。从系统结构设计考虑，主要流程包括：技术。从系统结构设计考虑，主要流程包括：（（ 11 ）图像获取设备的选取，包括多个成像设备）图像获取设备的选取，包括多个成像设备的组网（如图的组网（如图 8.18.1 ）、光照系统的设置等；）、光照系统的设置等；（（ 22 ）图像处理，包括去噪、增强、压缩、传输）图像处理，包括去噪、增强、压缩、传输等；（等；（ 33 ）图像识别，包括特征提取与模式分类；）图像识别，包括特征提取与模式分类；（（ 44 ）系统控制，包括报警、筛选等。在算法的）系统控制，包括报警、筛选等。在算法的选择上，还要考虑系统对时间和精度的要求。选择上，还要考虑系统对时间和精度的要求。

16 路多传感器视频监控系统结构图

8.3 8.3 在线玻璃瓶口缺陷检测系统设计在线玻璃瓶口缺陷检测系统设计• 在线检测广泛用于草莓、大米、火腿肠塑料包装、玻璃瓶等在线检测广泛用于草莓、大米、火腿肠塑料包装、玻璃瓶等

的在线检测。玻璃瓶生产过程中，玻璃瓶会出现裂纹、缺损、的在线检测。玻璃瓶生产过程中，玻璃瓶会出现裂纹、缺损、气泡等缺陷。玻璃瓶生产流水线最大生产速率为气泡等缺陷。玻璃瓶生产流水线最大生产速率为 200200 瓶瓶 // 分分钟，玻璃瓶在生产线上无旋转，呈近似匀速直线运动，瓶间钟，玻璃瓶在生产线上无旋转，呈近似匀速直线运动，瓶间距基本相等，允许有空缺位置（如倒瓶等）。 距基本相等，允许有空缺位置（如倒瓶等）。

生产流水线

缺陷瓶剔瓶器

剔瓶器控制信号

缺陷识别

图象采集和输入

检测结果

坏瓶 出口

存储在线玻璃瓶口缺陷检测系统组成图

8.3.1 8.3.1 基于视频的图像获取基于视频的图像获取• 系统由位于流水线两端的两个顶拍摄像机（系统由位于流水线两端的两个顶拍摄像机（ 44 ）和遮光箱）和遮光箱

内的六个俯拍摄像机（内的六个俯拍摄像机（ 11 ，， 22 ，， 33 ），两个剃瓶器和一个），两个剃瓶器和一个旋转电机构成，如下图所示。旋转电机构成，如下图所示。

电机1

23

4 4

12 3

1第（ ）组 2第（ ）组

1剔瓶器

2剔瓶器

俯拍光源

俯拍光源

俯拍遮光箱

顶拍遮光箱

系统结构示意图

俯拍照明灯箱示意图 顶拍照明灯箱示意图

8.3.2 8.3.2 缺陷检测识缺陷检测识别别

系统初始化

检测图象识别

顶拍图象识别俯拍图象识别

瓶口定位 求瓶口边缘梯度

确定处理区域 图象二值化

自适应灰度校正

处理区域二值化

去噪声

连通域检测

判断有无缺陷

定瓶口椭圆中心

缺陷检测

去瓶口图象噪声

给出剔瓶信号

坏瓶计数好瓶计数

服务器综合数据

单机检测结果

联机检测识别结果

判断有无缺陷 有

无

无

有

建立极坐标

　　玻璃瓶口缺陷识别包括俯拍图像识别、顶拍图像识别两个部分，识别算法主要包括三部分：图像定位、缺陷提取和缺陷识别。

（ a ）好瓶 　　　（ b ）封锁环横裂纹 　（ c ）封锁环斜裂纹

俯拍图像缺陷检测

封锁环横裂纹及处理后图像

（ a ）原始图像 　　 （ b ）梯度二值化图像

顶拍图像缺陷检测

瓶口极坐标图像

去直线后瓶口图像 　　　　　 缺陷识别结果

8.4 8.4 　指纹识别系统设计　指纹识别系统设计

• 8.4.1 8.4.1 指纹图像获取指纹图像获取• 8.4.2 8.4.2 指纹分类指纹分类• 8.4.3 8.4.3 指纹识别指纹识别

生物特征 普遍性 唯一性 持久性 可采集性 识别性能 可接受性

人脸 高 低 中 高 低 高

指纹 中 高 高 中 高 中

手型 中 中 中 高 中 中

掌纹 中 中 中 中 中 中

虹膜 高 高 高 中 高 低

视网膜 高 高 中 低 高 低

签名 低 低 低 高 低 高

语音 中 低 低 中 低 高

生物识别技术比较

• 常用的指纹识别系统主要包括指纹图像获取、指纹常用的指纹识别系统主要包括指纹图像获取、指纹图像增强、指纹特征提取、指纹匹配四个部分。图像增强、指纹特征提取、指纹匹配四个部分。

自动指纹识别系统处理框图

指纹数据库

指纹输入

特征提取

手工确认

预处理（增

强）

特征匹配

8.4.1 8.4.1 指纹图像获取指纹图像获取

• 获取指纹图像的途径有两种：印泥按捺、活体扫描。获取指纹图像的途径有两种：印泥按捺、活体扫描。• 按捺指纹是一种早期的获取指纹的方式：在手指上均匀地按捺指纹是一种早期的获取指纹的方式：在手指上均匀地

涂抹印泥，然后在白纸上滚动，就可以得到比较清晰的滚涂抹印泥，然后在白纸上滚动，就可以得到比较清晰的滚动指纹图像。传统的指纹卡，就包括了全部十指的滚动指动指纹图像。传统的指纹卡，就包括了全部十指的滚动指纹图。滚动指纹图像经扫描仪或视频相机录入、数字化后，纹图。滚动指纹图像经扫描仪或视频相机录入、数字化后，存储在磁盘或光盘中。存储在磁盘或光盘中。

• 活体扫描指纹是直接从个体获得指纹图像。它采用传感机活体扫描指纹是直接从个体获得指纹图像。它采用传感机制感知指纹的脊和沟的纹理，无须经过中间数字化过程，制感知指纹的脊和沟的纹理，无须经过中间数字化过程，速度快且容易控制。目前得到应用的方法有：速度快且容易控制。目前得到应用的方法有： 11 ）光全反）光全反射；射； 22 ）超声全反射；）超声全反射； 33 ）温差感应；）温差感应； 44 ）电容感应等。）电容感应等。活体扫描指纹与滚动指纹图不同，它仅仅获得与传感器表活体扫描指纹与滚动指纹图不同，它仅仅获得与传感器表面接触的那一部分脊和沟的图像。面接触的那一部分脊和沟的图像。

8.4.2 8.4.2 指纹分类指纹分类• 传统上，依据指纹图的全局模式信息，可以将指传统上，依据指纹图的全局模式信息，可以将指

纹分为五类：旋，左箕，右箕，弓，尖弓。指纹纹分为五类：旋，左箕，右箕，弓，尖弓。指纹分类方法必须具备旋转、平移不变性并对指纹变分类方法必须具备旋转、平移不变性并对指纹变形等不敏感。形等不敏感。

• 分类算法一般都是基于奇异点的分布形态，这种分类算法一般都是基于奇异点的分布形态，这种算法容易用计算机程序描述，比较容易实现。奇算法容易用计算机程序描述，比较容易实现。奇异点有两种：异点有两种：中心点和三角区，中心点和三角区，用来标识指纹的用来标识指纹的宏特征。基于奇异点的分类算法本质是把指纹的宏特征。基于奇异点的分类算法本质是把指纹的“宏特征”“宏特征”用寻找奇异点的方法找出来，并用奇用寻找奇异点的方法找出来，并用奇异点表示。异点表示。

• 所谓“宏特征”，是指脊线的一种特定结构，如所谓“宏特征”，是指脊线的一种特定结构，如下图所示：下图所示：

　（ a ）中心点 　　　　　　　 （ b ）三角区

（ a ）弓 　　　　　 （ b ）尖弓 　　　 （ c ）左箕

（ d ）右箕 　　 　（ e ）斗

奇异点分布与指纹类别的关系

(a)细节举例 　　　（ b ）细节特征

一般来说，要判断两枚指纹是否采自同一个手指， 必须经过下面三个过程：

　　 (1) 首先进行全局模式比对，即判断这两枚指纹是否属于同一个类别。　　 (2) 接着做模式校准，通过定位参考点找出两枚指纹的平移和旋转关

系。　　 (3) 最后进行细节的匹配，在两枚指纹的有效区内，根据细节点的特

征和相互关系找出对应细节点的数目，计算匹配分数并做出判决。其细节点特征提取一般采用基于二值细化图像的方法，先将增强后指纹图像二值化提取出脊线轮廓，然后用形态学方法将其细化，得到脊骨架，最后在细化后的图像上寻找脊末梢和脊分叉点。

指纹特征提取算法流程图

• 算法步骤如下：算法步骤如下：• (1) (1) 方向场估计：将指纹纹理看作是一种有向的流场，即方向场估计：将指纹纹理看作是一种有向的流场，即

指纹的方向场，可以很容易地确定出有 着明确脊结构的指指纹的方向场，可以很容易地确定出有 着明确脊结构的指纹图像区域纹图像区域 (( 感兴趣区域感兴趣区域 )) 。。

• (2) (2) 脊线提取：指纹灰度图像中，在沿着垂直于局部方向脊线提取：指纹灰度图像中，在沿着垂直于局部方向场的方向，脊结构有局部极值，依据此特性，相应的像素场的方向，脊结构有局部极值，依据此特性，相应的像素就可以被标定为脊线或沟线，进行二值化处理。就可以被标定为脊线或沟线，进行二值化处理。

• (3) (3) 细节提取：二值指纹图像经细化后，得到单像素的脊细节提取：二值指纹图像经细化后，得到单像素的脊线骨架。考察每个像素的八邻域，如果满足一定的条件就线骨架。考察每个像素的八邻域，如果满足一定的条件就可以判断是细节点。一种细节提取算法作用于可以判断是细节点。一种细节提取算法作用于 NIST.4NIST.4 。。

• (4) (4) 细节点后处理：从上面步骤提取出的指纹细节特征往细节点后处理：从上面步骤提取出的指纹细节特征往往包含了很多的伪特征，还需一定的后处理，对特征进行往包含了很多的伪特征，还需一定的后处理，对特征进行过滤筛选。事实上，指纹细节的出现往往都遵循一定的规过滤筛选。事实上，指纹细节的出现往往都遵循一定的规则，人们可以利用这些启发性规则来纠正错误细节。则，人们可以利用这些启发性规则来纠正错误细节。

（ a ）输入增强图 （ b ）脊线图 （ c ）脊线骨架和细节

指纹特征点的局部细节信息

8.5 8.5 无线视频监控系统设计无线视频监控系统设计

• 8.5.1 8.5.1 图像通信系统的基本构成图像通信系统的基本构成• 8.5.2 8.5.2 无线视频监控系统的设计无线视频监控系统的设计• 8.5.3 8.5.3 系统实现系统实现

• 目前的压缩传输技术已有飞速的发展，产生了许目前的压缩传输技术已有飞速的发展，产生了许多新的应用，如（多新的应用，如（ 11 ）数字电视：演播、传输、）数字电视：演播、传输、接收，制作、存档、检索、编辑、交换全数字化，接收，制作、存档、检索、编辑、交换全数字化，交互式（交互式（ ITVITV ，， VODVOD ），多媒体，能在有限带），多媒体，能在有限带宽内提供更多的电视节目、提供更高的图像质量宽内提供更多的电视节目、提供更高的图像质量（（ HDTVHDTV ）、提供上网等新的业务；（）、提供上网等新的业务；（ 22 ）电视）电视会议：提供更高的图像质量；（会议：提供更高的图像质量；（ 33 ）可视电话：）可视电话：（（ 44 ）网络多媒体：多媒体信息浏览、检索；）网络多媒体：多媒体信息浏览、检索；（（ 55 ）移动多媒体：低码率，低功耗，小体积、）移动多媒体：低码率，低功耗，小体积、低成本。低成本。

• 关键问题主要有：摄像机、显示器；视频信号的关键问题主要有：摄像机、显示器；视频信号的有效存储和传输；传输体制；传输带宽和比特率有效存储和传输；传输体制；传输带宽和比特率要求。 要求。

图像通信系统的几种模型图

8.5.1 8.5.1 图像通信系统的基本构成图像通信系统的基本构成

8.5.2 8.5.2 无线视频监控系统的设计无线视频监控系统的设计

视频采集

无线数传模块

无线数传模块

视频处理、压缩

视频处理、解压

显示模块

终端机

主控机

传统的无线视频监控系统硬件结构

系统硬件结构框图

8.5.3 8.5.3 系统实现系统实现

• 1. 1. 视频采集模块视频采集模块• 2. 2. 主处理器模块主处理器模块• 3. 3. 协处理器模块协处理器模块• 4. 4. 存储器存储器• 5. 5. 无线传输模块无线传输模块