快速高精度计算机视觉测量系统

1、快速高精度计算机视觉测量系统简介及可行性分析一、项目简介本项目的目标是使用人工智能技术解决长期困扰计算机视觉领域的光照敏感问题。 同时使计算机视觉系统对被测物体的姿态和距离不敏感。其直接成型产品将会是用 于油田野外实时测量管杆内外径的计算机视觉尺寸测量系统。该项目的完成可以大大增强现有计算机测量系统的使用范围。完成后的系统将会在 石油管杆测量，工业无损检测，国防目标识别及测量等诸多方面具有极其广泛的应 用前景。这类系统的使用将会使我国在实时高精度无损测量及目标识别方面具有巨 大的优势。计算机视觉技术是利用视觉传感器获得可用输入，包括可见光，红外光，射线，甚 至超声波等，使用计算机技术对其进行分

2、析，获得所需信息的综合技术。它包含了 传感器技术，计算机软硬件技术，人工智能技术以及数学等学科。是一项国内外学 术界及工业界都给与高度重视的科研领域。但是计算机视觉技术并不是一项非常成熟的技术，还有许多问题急需克服从而或得 更广泛的发展和应用。该项目将使用先进的人工智能，特别是计算机学习技术，来提高现有计算机视觉系 统的可使用范围。主要目标就是要克服光照对计算机测量系统精度的影响。同时解 决被测物体必须相对于计算机测量系统姿态恒定的问题。该项目的主要研究内容有两项：1. 增强计算机视觉系统对外界光照条件的适应能力。降低系统对光照条件的依 赖，从而扩大系统的使用范围。使系统可以应对不同的光照情况

3、而不需要人 为提供额外的辅助；2. 被测量物体可以有更大的摆放自由度。现有测量系统绝大部分都有一个测量 平台，被测物体必须有一个相对于测量系统固定的位置。这使得野外测量很 难进行。该项目将允许操作者可以依据实际条件摆放物体而无须携带专用平 台，使测量更加容易进行。该项目的研究目标是：使用人工智能技术解决长期困扰计算机视觉领域的光照敏感问题。同时使计算 机视觉系统对被 测物体的姿态和距离不敏感。本项目将解决两项关键问题：1. 如何使得计算机视觉系统适应广泛的光照条件；2. 如何使得计算机视觉系统高精度测量任意摆放的被测物体。该项目的核心概念是使用人工智能技术使计算机视觉系统学习到不同光照情况对测

4、 量的影响，从而自动对不同的光照条件进行自动参数调节。同时，由姿态和距离传 感器和并列摄像头提供被测物体的位置和距离信息，使被训练过的计算机视觉系统 获得应对被测物体任意姿态和距离的能力。该项目将构建一个可移动实验平台，可 以进行户内和户外的不同光照情况下的数据采集。对于不同的光照情况，计算机将 记录下摄像机每个像素的响应，特别是对边缘等关键特征的响应。这些数据将作为 后续计算机训练算法的训练集。一些不同尺寸和形状的物体将用于实验。对物体位 置和距离的实验将使用距离和姿态传感器的数据对计算机进行训练。同时，会使用 立体视觉技术，采用多个摄像头实现对空间坐标的感知。该项目的关键技术是如何保证测量

5、精度的一致性，也就是说，对于同一个被测物体， 无论其光照情况，与摄像头的相对位置和姿态，计算机视觉测量系统都应该得到一 致的测量结果。该项目的意义主要在于：1. 计算机视觉系统将会获得更广泛的使用范围。对光照的要求将会降低到最低 程度。目前的计算机视觉系统，特别是高精度测量系统对光照要求很高，光 照强度必须严格控制在一定范围，这大大降低了计算机视觉系统的可使用范 围；2. 被测量物体可以有更大的摆放自由度。现有测量系统绝大部分都有一个测量 平台，被测物体必须有一个相对于测量系统固定的位置。这使得野外测量很 难进行；3. 高精度、非接触、高可靠性、高适用性的计算机测量系统可以使各种环境下 的测量

6、变得非常容易实施。比如野外石油管杆螺纹的测量，现在基本依靠量 规进行接触式测量，不仅精度不高，速度低，而且对量具要求很高，很容易 磨损，增加了操作成本。该项目将会克服这类困难，大大提高监测效率和精 度；4. 可以对被测物体实施更加频繁的测量，从而减少系统故障的发生。精确的测 量可以保证可用部件不被错误丢弃，而报废部件也不会被错误地继续使用。 这种高效测量带来的经济效益是显而易见的；5. 可以高精度地测量无法进行接触测量却必须进行测量的物体，比如贵重的航 空器材；6. 该技术可以应用于国防。由以上例举可见，该项目具有重大社会意义。二、项目背景及可行性分析目前国内外都投入了巨大的人力物力进行这方面

7、的研究。在西方国家已经获得了广 泛的使用。申请人在这方面具有丰富的经验。在国内曾经为广东某国内最大电子陶 瓷生产商开发了陶瓷基片自动分类计算机视觉系统，获得了成功应用，被该企业视 为其最高技术机密之一，因为高精度的分类使其产品大大超越了竞争对手，几乎垄 断了该行业。申请人在英国攻读博士学位的方向正是人工智能与计算机视觉技术。 凭借出色的研究，在博士未毕业就获得了顶尖的英国克兰菲尔德大学博士后研究员 的职位，从事计算机视觉技术研究。在工作期间完成了生物细胞的分类研究，现在 正从事计算机视觉自动侦查系统的开发，目前系统已经获得了充分认可，进入高级 开发阶段。本项目将立足于国内外现有成果，进行创新性

8、研究。本项目的核心技术是人工智能 技术，其中最主要的将会是计算机学习技术。以人工智能技术为核心，结合计算机 软硬件技术、计算机传感器技术以及数学等学科的使用来实现项目目标。该项目的硬件包括计算机视觉传感器，主要是CCD或者CMOSg像机，增强型高性能笔记本，光传感器，姿态传感器，测距传感器，高性能电源等组成。具体选型由 项目实施时的设备报告以及实验决定。该系统将会基于 windows 操作系统，使用 visual studio.NET 进行 C+的开发。申请人过去已经在这方面积累了丰富的经验。比如广东的项目，便实现了光照一致 性，在一定的范围内，无论光照情况如何变化，测量结果始终保持在高精度。

9、对于 姿态的处理，申请人也获得了一定的经验。比如目前正在进行的项目中，便使用了 像素参数进行距离的计算和对物体尺寸的测量。传感器的使用将会使测量精度有更 大提高。申请人参与和完成了大量的计算机视觉系统的项目，获得了丰富的计算机 视觉技术和人工智能，特别是机器学习方面的实际经验。这些项目大部分是创新型 的项目，对原有的技术都有一定的突破。对于该项目，申请人已经做了初期的准备， 软件已经初具规模，利用现有设备做了基本的实验，获得了良好的结果。该项目是 充分可行的。该项目的独特之处在于赋予计算机视觉系统以一定的智能，从而能应对各种不同复 杂的外界环境。该项目将采用先进的计算机学习技术并且利用多种技术

10、来大幅提高 计算机视觉系统的性能。目前尚无类似项目的报道，这是一项开创性的项目。其创新之处在于计算机学习技 术的应用以及姿态，距离传感器和多个摄像头的综合使用。该项目是一项应用型的 项目，计划在项目结题的时候获得相当的客户订货，每套设备预期价格为 50 万元 左右，销售 100-150 台套，并且申请相关专利。我公司已经拥有普通台式计算机，笔记本，通用摄像头。还需要购买高性能笔记本，高精度工业级摄像头，激光测距传感器，姿态传感器，数据采集卡，图像采集卡， 工业级数据线，高性能便携电源。该项目在最初应用阶段将会应用于石油管杆的测量，管杆直径范围为0-400mm精度为0.001mm适用于各种自然光

11、照射情况，管杆相对于摄像头位置和姿态任意。 已经有油田的客户表示出了极大的兴趣。初期预期年产 100-150台套系统用于石油 系统。每台套预期价格 50 万元人民币。并且将扩展至其他应用领域。 3-5 年内实 现年产值 3 亿元人民币 本项目具有巨大的市场潜力，无论在民用还是军工产业范围，都有巨大的市场需求 来实现其完全的产业化。该项目在初期主要瞄准石油管杆测量市场。当前石油管杆 螺纹的测量，现在基本依靠量规进行接触式测量，不仅精度不高，速度低，而且对 量具要求很高，价格高昂但是很容易磨损，增加了操作成本。该项目将会克服这类 困难，大大提高监测效率和精度。三、已完成相关项目计算机视觉技术使用计

12、算机及传感器技术实现对现实世界的感知。通俗的讲，就是 模拟人类的眼睛，使计算机能够看到现实的世界，从而实现对物体的认知。计算机 视觉技术的核心是计算机技术，传感器技术，数学算法的综合。这项技术已经获得 了非常广泛的应用，特别是在工业，医疗等方面，已经展示了不可替代的作用，极 大的提高了工作效率。以下是一些成功的范例。我公司已经拥有成熟的计算机视觉平台，可以根据客户要 求进行系统开发。我们也欢迎和客户共同进行合作，无论是技术还是市场。1.高精度面阵CCD测量系统这是一套非常成功和成熟的计算机视觉系统，从2000年起已经成功应用于广东一家大型半导体元件生产企业，用于测量其产品的尺寸。其精度超过日

13、本同类产品，测量范围为010厘米，精度为0.01毫米。该系统的稳定性, 可靠性和速度同样超越日本同类产品，但价格仅为日本产品的三分之一。该 企业订购该产品超过20套，直到8年后的今天，仍然非常满意该系统的性 能，并有意继续升级其功能。图1工件图像。图中小短线为测量点。该系统可测量工件的长度，宽度, 边的平行度，直线度，并且可根据用户要求对工件自动分类。该系统使用德国高精度工业级摄像头，加拿大图像采集卡，国产图形工作站。 可以和PLC控制器以及机械手配合，构成机器人系统，由机器人进行工件填 充和分类，实现完全的无人自动化操作。该系统的精度可以根据客户要求进行设计，具有非常高的性能价格比。其工 作

14、效率远远超过一般的人工测量。例如，如果使用人工测量，这家广东企业 一个人5分钟可以完成对一个工件的测量和分类，这台设备却能够达到每 分钟40件，效率是普通工人的200倍。特别是，测量的重复精度是工人难 以达到的，日本设备同样达不到。2. 自动磁环检测系统这套技术是高精度面阵 CCD测量系统的另一个应用。主要用于圆形工件的 测量。这是针对山西省磁环生产企业推出的一套系统。这类企业为飞利浦之 类的电子企业生产大量的磁性圆形元件，供货量非常高。但是基本上没有高 精度检测手段，只能靠人工筛选，效率和精度都不能满足工业化的要求。图2这套设备可测量圆环的内径，外径，同心度，内圆和外圆的圆度等参 数这是一套

15、高速测量设备，测量范围为 0-10毫米，精度为1微米，速度为 每分钟900片。同样，我们可以实现这套系统的机器人化，极大提高工作 效率。3. 玻璃板质量监测系统这套系统是针对一些南方生产液晶显示器玻璃的企业而开发。其难度在于被 测物体为透明玻璃，同时尺寸也是超出了一般传感器的测量范围。图3图中的白点为玻璃板上的缺陷或灰尘这套系统实现了测量的动态化和高速化。玻璃板的运动速度大于每分钟9米，10微米以上的缺陷和灰尘必须被检测到。4. 人脸检测软件这套软件主要用于人脸的动态检测。它的扩展便是动态身份识别，可用于安 全检测等场合。该系统的难点在于实时人脸识别以及高效率的身份识别。其核心是人工智能 的应

16、用。我们训练计算机，得到一个高效率的模型，从而使计算机具有一定 的智能，从复杂的背景中快速准确的找到目标。类似的技术在战场机器人上 同样有广泛应用。图4实时的人脸识别，速度为每秒26帧，使用普通单核PC5.运动图像分析这套系统用于分析运动员的每个动作，可以计算出各个关节的速度，加速度 这些分析可用于提高运动员的成绩。Display jOK图5这套技术的最大挑战在于准确的找到运动员，并且从复杂的背景中分 离出目标6.细胞识别技术这项技术在西方发达国家是一个研究热点。并且已经应用于临床诊断。我们 希望我们能找到合适的渠道 在国内推广这项技术或者共同开发适合我国的 技术。这项技术的核心是人工智能技术。计算机经过训练可以高效准确的找 到目标细胞，并自动分类，可以帮助医疗人员进行对