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1. 成像系統模型
圖(tu)1:成(cheng)(cheng)像(xiang)系(xi)統的簡化(hua)(hua)模(mo)型機器視覺的成(cheng)(cheng)像(xiang)系(xi)統的簡化(hua)(hua)模(mo)型,如圖(tu)1所示。光學(xue)成(cheng)(cheng)像(xiang)系(xi)統對現實世界中的可見光、紅外線、X射線等(deng)實施某種轉換T(x,y),將物理(li)量轉換為電信(xin)號,再經圖(tu)像(xiang)采集設備采樣、量化(hua)(hua)后生成(cheng)(cheng)數字(zi)圖(tu)像(xiang)。
圖(tu)(tu)2:RGB色(se)(se)彩模型(xing)圖(tu)(tu)像(xiang)是指所(suo)有具有視覺效果的(de)(de)(de)(de)畫面(mian),它(ta)是對客(ke)觀對象的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)相似的(de)(de)(de)(de)、生動(dong)的(de)(de)(de)(de)描(miao)述(shu)。根(gen)據(ju)色(se)(se)彩不同(tong),圖(tu)(tu)像(xiang)可以(yi)分(fen)(fen)(fen)為(wei)彩色(se)(se)圖(tu)(tu)像(xiang)和黑白(灰度)圖(tu)(tu)像(xiang)。色(se)(se)彩可以(yi)分(fen)(fen)(fen)解為(wei)不同(tong)強度RGB基(ji)本色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)組合,這(zhe)種(zhong)表示色(se)(se)彩的(de)(de)(de)(de)方式稱為(wei)RGB顏(yan)色(se)(se)模型(xing)或(huo)RGB色(se)(se)彩空間(jian),如圖(tu)(tu)2所(suo)示。相應地,可以(yi)將彩色(se)(se)圖(tu)(tu)像(xiang)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究分(fen)(fen)(fen)解為(wei)對RGB分(fen)(fen)(fen)量所(suo)對應的(de)(de)(de)(de)灰度圖(tu)(tu)像(xiang)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究。
圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)根(gen)據記(ji)錄(lu)方式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不同可分(fen)為模擬(ni)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)和數字圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)兩大(da)類。如(ru)果將灰(hui)度(du)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)看(kan)作二(er)維空(kong)間(jian)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光強度(du)函(han)數f(x,y),則模擬(ni)灰(hui)度(du)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)就是(shi)對該空(kong)間(jian)上光強度(du)幅(fu)值(zhi)(zhi)(zhi)f變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)連續記(ji)錄(lu)。當(x,y)和f為離散、有限(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數值(zhi)(zhi)(zhi)時,光強度(du)幅(fu)值(zhi)(zhi)(zhi)f的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)將以類似矩陣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)式(shi)被(bei)記(ji)錄(lu),此時所(suo)記(ji)錄(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)就稱為數字圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang),而(er)所(suo)記(ji)錄(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)(zhi)對應在圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)每個點稱為像(xiang)(xiang)素(su)(pixel),橫(heng)向及縱向像(xiang)(xiang)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)個數稱為圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)辨率(image resolution),如(ru)圖(tu)(tu)3所(suo)示。機器視覺系(xi)統(tong)中提及的(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)通常是(shi)數字圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)。
圖3:數字圖像及其像素
除了(le)圖像分辨率外,系(xi)統分辨率和(he)像素分辨率也是(shi)機器視覺(jue)系(xi)統設計時(shi)較常(chang)見的(de)參數。它們通常(chang)與(yu)客戶對機器視覺(jue)系(xi)統的(de)需求關系(xi)最為密切(qie),是(shi)選擇相機和(he)鏡頭的(de)重要依據(ju)。
系(xi)統分辨(bian)率指成像系(xi)統可以(yi)識(shi)別出監測目(mu)(mu)標(biao)的(de)最小(xiao)細節或最小(xiao)特(te)征,例如, “要(yao)求(qiu)系(xi)統能檢測0.1mm的(de)目(mu)(mu)標(biao)”,“要(yao)求(qiu)系(xi)統測量精度達到0.01mm”之類的(de)要(yao)求(qiu)一般都和系(xi)統分辨(bian)率相關。
像(xiang)素(su)分(fen)辨(bian)率指(zhi)為(wei)了表(biao)示(shi)檢(jian)測目(mu)標(biao)所需要的(de)像(xiang)素(su)數。一般情況下,可以根據客戶對檢(jian)測目(mu)標(biao)中最小特征(zheng)的(de)要求來(lai)確定最小像(xiang)素(su)分(fen)辨(bian)率。
如果將整個圖像看作周期為最小特征大小的周期信號,則根據奈奎斯特采樣定律,必須對信號每個周期采樣2個點以上,才能完整恢復該信號。因此如果客戶沒有特別要求,常用至少兩個像素來代表檢測目標中的最小特征。
圖像傳(chuan)感器(qi)應(ying)具備的(de)最小(xiao)像素分辨率常通過下面的(de)公(gong)式(shi)計算:
上式中,Rmin為最小像素分辨率,Lmax為檢測目標的最大長度,lmin為檢測目標的最小特征長度(視覺系統的分辨率),pmin為表示最小特征的像素數,無特別要求時Pmin=2。
視場(Field of View, FOV)指成像系統中圖像傳感器可以監測到的最大區域。在機器視覺系統設計時,考慮到一般都會使被檢測目標盡量填滿整個視場,因此常用視場大小代替目標的最大長度Lmax來計算視覺系統的像素分辨率。
如果橫縱方向上(shang)視場大(da)小為[FOVh,FOVv],檢測(ce)目標的最小特征的大小為[lh,lv],則圖像(xiang)(xiang)傳感器(qi)應具有的(de)最小像(xiang)(xiang)素(su)分(fen)辨率為
機(ji)(ji)器視覺系統(tong)常用使用配備(bei)各種鏡(jing)頭系統(tong)的(de)(de)工(gong)業(ye)CCD/CMOS相(xiang)機(ji)(ji)作(zuo)為(wei)成(cheng)像(xiang)系統(tong)。相(xiang)機(ji)(ji)鏡(jing)頭到所檢(jian)測目標的(de)(de)距(ju)(ju)離(稱為(wei)工(gong)作(zuo)距(ju)(ju)離,相(xiang)當于物距(ju)(ju))相(xiang)對于相(xiang)機(ji)(ji)焦(jiao)距(ju)(ju)可(ke)近似(si)認為(wei)是無窮(qiong)遠。若將其帶入(ru)高(gao)斯(si)成(cheng)像(xiang)公(gong)式(shi),可(ke)得(de)出此時相(xiang)機(ji)(ji)像(xiang)距(ju)(ju)近似(si)等于其焦(jiao)距(ju)(ju),也就是說相(xiang)機(ji)(ji)成(cheng)像(xiang)在焦(jiao)平面上。據此,可(ke)以(yi)將鏡(jing)頭系統(tong)抽(chou)象(xiang)為(wei)類(lei)似(si)小(xiao)孔成(cheng)像(xiang)的(de)(de)簡化模(mo)型,如圖3所示。
圖3:鏡(jing)頭的小孔成像(xiang)簡化模型根據該簡化模型,可(ke)以得(de)出機器(qi)視(shi)(shi)覺系統圖像(xiang)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)尺寸S(傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)平(ping)面某個方向(xiang)上(shang)的長度)、視(shi)(shi)場(chang)FOV、工(gong)作距離WD及鏡(jing)頭焦距f之間(jian)的約束關系:
此時,鏡頭的放大(da)率(lv)M則可以等效為(wei):
如果進一步將前述最小像素分辨率的計算公式與該約束關系結合(用視場FOV代替目標的最大長度Lmax),則(ze)可以(yi)得出以(yi)下成像系統簡(jian)化模(mo)型(xing)的參數約束關(guan)系:
該公式所顯示的參(can)數間(jian)的相(xiang)互約束關系是機器視(shi)覺系統設計和搭建部署時系統設計和設備選型的基礎。
實際(ji)操作(zuo)中,傳感器(qi)尺寸S可以通過查詢相機的技(ji)術規范獲知,焦距(ju)f、工(gong)作(zuo)距(ju)離WD直接由所選擇的鏡頭(tou)決定。
在已(yi)知(zhi)這(zhe)些參數時,可以很容易地計算出視(shi)場FOV。
相機的像(xiang)素(su)分辨率(lv)由其(qi)有效像(xiang)素(su)區域(即傳感(gan)器(qi)尺寸)決定,通常(chang)用(yong)橫向(xiang)(xiang)和縱向(xiang)(xiang)有效像(xiang)素(su)數來表示(如(ru)768×576)。
為機器視覺系統所選擇的相機像素分辨率,必須大于或等于按照項目需求(包括對最小特征尺寸lmin和用于表示最小特征的像素數pmin的要求)計算出的最小像素分辨率Rmin。
圖4:機器視覺成像系統中的相關參數2. 鏡頭在機器視覺系(xi)(xi)統(tong)中,鏡(jing)頭(tou)的質量和技術指標(biao)直接影響成(cheng)像(xiang)系(xi)(xi)統(tong)的性能,合理地選擇和安裝(zhuang)鏡(jing)頭(tou)是決定機器視覺成(cheng)像(xiang)系(xi)(xi)統(tong)成(cheng)敗的關(guan)鍵。與鏡(jing)頭(tou)相關(guan)的主(zhu)要技術參數有鏡(jing)頭(tou)分辨率、焦距(ju)、最(zui)小工(gong)作距(ju)離、最(zui)大像(xiang)面、視場(chang)(chang)/視場(chang)(chang)角、景深(shen)、光圈(quan)和相對孔徑(jing)及其安裝(zhuang)接口類型等。
· 鏡頭分辨率
通過拍攝正弦光柵(zha),研(yan)究鏡頭(tou)每毫米內能(neng)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)的(de)(de)(de)線(xian)對數(shu),就可以(yi)獲知鏡頭(tou)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)。鏡頭(tou)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)越高,則說(shuo)明其每毫米內能(neng)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)的(de)(de)(de)線(xian)對數(shu)越多。對于機(ji)(ji)(ji)器(qi)視覺系統(tong)設計(ji)來說(shuo),只需要查詢鏡頭(tou)參數(shu)表(biao)即可獲知其分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)。鏡頭(tou)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)、相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)像(xiang)素(su)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)、相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)、系統(tong)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)和系統(tong)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)是幾個(ge)極容(rong)易混淆的(de)(de)(de)概念。相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)像(xiang)素(su)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)是指相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)傳感器(qi)上縱橫(heng)方向上的(de)(de)(de)像(xiang)素(su)數(shu);相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)卻表(biao)示它的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)極限(xian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)能(neng)力。根據(ju)前述(shu)相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)奈奎(kui)斯特定(ding)律,相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)要能(neng)恢復(fu)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)圖像(xiang),必(bi)須至少(shao)使用2個(ge)像(xiang)素(su)來表(biao)示圖像(xiang)的(de)(de)(de)最小(xiao)單元(yuan)。可以(yi)通過像(xiang)素(su)的(de)(de)(de)物理大(da)小(xiao)來計(ji)算(suan)相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)。例如,某相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)像(xiang)素(su)物理大(da)小(xiao)為8.4μm×9.8μm,則相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)(ji)在橫(heng)縱方向上的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)為
系統(tong)(tong)的(de)(de)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)取鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)和相機(ji)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)最小(xiao)值(zhi)。例如,在上述例子中,最好選(xuan)擇空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)大(da)于59.53lp/mm的(de)(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)。如果鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)的(de)(de)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)比(bi)(bi)相機(ji)的(de)(de)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)小(xiao),則說鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)可以分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)單個線(xian)對(dui)(dui)的(de)(de)能力要比(bi)(bi)相機(ji)識別的(de)(de)單個線(xian)對(dui)(dui)的(de)(de)能力弱(ruo)。也就是說極限情(qing)況下(xia),鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)傳給相機(ji)的(de)(de)圖像不清晰,因此(ci)只有鏡(jing)(jing)頭(tou)(tou)的(de)(de)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)大(da)于相機(ji)的(de)(de)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)時(shi),才能確(que)保成像系統(tong)(tong)的(de)(de)空(kong)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)最佳(jia)。系統(tong)(tong)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv),在機(ji)器視覺系統(tong)(tong)設(she)計時(shi),并(bing)不是指系統(tong)(tong)對(dui)(dui)線(xian)對(dui)(dui)的(de)(de)空(kong)間(jian)極限分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)力,而是指系統(tong)(tong)可以識別檢(jian)測目(mu)標中最小(xiao)特征的(de)(de)能力。
(上(shang)式(shi)中,分母應為(wei)(wei)(wei)R_min) 例如(ru),如(ru)果(guo)成像(xiang)(xiang)系統(tong)的(de)水平方向(xiang)上(shang)視場(chang)為(wei)(wei)(wei)0.9m,相機在(zai)水平方向(xiang)上(shang)的(de)像(xiang)(xiang)素數為(wei)(wei)(wei)720,則(ze)代表最小特征的(de)像(xiang)(xiang)素數為(wei)(wei)(wei)2時(shi),系統(tong)分辨率為(wei)(wei)(wei)2.5mm。
· 焦距
焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)(ju)是指無限遠處(chu)目(mu)標(biao)在鏡頭(tou)的(de)(de)像(xiang)(xiang)(xiang)方所成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)置(zhi)到(dao)像(xiang)(xiang)(xiang)方主面的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)(ju)離。焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)(ju)體現(xian)了鏡頭(tou)的(de)(de)基本特性:即在不同物(wu)距(ju)(ju)(ju)(ju)上,目(mu)標(biao)的(de)(de)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)置(zhi)和(he)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)大(da)小(xiao)由焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)(ju)決定。市(shi)面上常見的(de)(de)鏡頭(tou)焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)(ju)大(da)小(xiao)包括6mm、8mm、12.5mm、25mm以及(ji)50mm等。對機(ji)器(qi)視(shi)覺成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系統來說(shuo),工作(zuo)(zuo)距(ju)(ju)(ju)(ju)離就(jiu)是成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系統中所說(shuo)的(de)(de)物(wu)距(ju)(ju)(ju)(ju)。由于(yu)視(shi)覺成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系統模型(xing)的(de)(de)假定條件是工作(zuo)(zuo)距(ju)(ju)(ju)(ju)離相對于(yu)鏡頭(tou)焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)(ju)為無限遠,因此一般在鏡頭(tou)的(de)(de)產品參數中都(dou)會說(shuo)明其(qi)最小(xiao)工作(zuo)(zuo)距(ju)(ju)(ju)(ju)離。當(dang)相機(ji)在小(xiao)于(yu)該最小(xiao)工作(zuo)(zuo)距(ju)(ju)(ju)(ju)離的(de)(de)環境下工作(zuo)(zuo)時,就(jiu)會出現(xian)圖像(xiang)(xiang)(xiang)失真,影(ying)響(xiang)機(ji)器(qi)視(shi)覺系統的(de)(de)可靠性。
· 最大像面、視場/視場角
最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)、視(shi)(shi)場(chang)/視(shi)(shi)場(chang)角都(dou)是用來(lai)(lai)衡量鏡(jing)(jing)頭(tou)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)范圍的(de)(de)(de)關(guan)鍵參(can)數。最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)是指鏡(jing)(jing)頭(tou)能支(zhi)(zhi)持(chi)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)清(qing)(qing)晰成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)范圍(常用可觀(guan)測(ce)范圍的(de)(de)(de)直徑表示(shi)(shi)),超出這個范圍所成(cheng)的(de)(de)(de)像(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)比度會(hui)降低而且會(hui)變得模糊不清(qing)(qing)。最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)是由鏡(jing)(jing)頭(tou)本身(shen)的(de)(de)(de)特(te)性決定的(de)(de)(de),它的(de)(de)(de)大(da)(da)小也限定了鏡(jing)(jing)頭(tou)可支(zhi)(zhi)持(chi)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)場(chang)的(de)(de)(de)大(da)(da)小。鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)場(chang)就是鏡(jing)(jing)頭(tou)最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)所對(dui)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)觀(guan)測(ce)區域。視(shi)(shi)場(chang)角等(deng)于最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)對(dui)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)目(mu)標張(zhang)角。通常,在遠距(ju)離(li)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統中(zhong),例如(ru)望遠鏡(jing)(jing)、航拍(pai)鏡(jing)(jing)頭(tou)等(deng)場(chang)合(he),鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)范圍均用視(shi)(shi)場(chang)角來(lai)(lai)衡量。而近距(ju)離(li)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong),常用實際物面(mian)的(de)(de)(de)直徑(即幅面(mian))來(lai)(lai)表示(shi)(shi)。由于機器(qi)(qi)視(shi)(shi)覺成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統中(zhong)的(de)(de)(de)傳感器(qi)(qi)多制作成(cheng)長方形(xing)或正(zheng)方形(xing),因此鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)常用它可以支(zhi)(zhi)持(chi)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)(da)傳感器(qi)(qi)尺寸(cun)(單位為英寸(cun),1英寸(cun)約(yue)為2.54cm)來(lai)(lai)表示(shi)(shi)。相應(ying)(ying)地,鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)場(chang)也可以用最(zui)大(da)(da)像(xiang)(xiang)(xiang)面(mian)所對(dui)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)橫(heng)向和縱(zong)向觀(guan)測(ce)距(ju)離(li)或視(shi)(shi)場(chang)角來(lai)(lai)表示(shi)(shi),如(ru)圖5所示(shi)(shi)。
圖(tu)5:機器視(shi)覺(jue)系統中鏡頭的(de)(de)(de)視(shi)場(chang)和最大(da)像面一般(ban)來(lai)說(shuo),鏡頭的(de)(de)(de)失(shi)真(畸(ji)變(bian))會(hui)隨著焦(jiao)距的(de)(de)(de)減小(或視(shi)場(chang)角的(de)(de)(de)增大(da))而增大(da),因而在(zai)構建(jian)機器視(shi)覺(jue)系統(特別(bie)是精(jing)確測量系統)時,一般(ban)都不會(hui)選擇焦(jiao)距小于(yu)8mm或視(shi)場(chang)角很大(da)的(de)(de)(de)鏡頭。鑒(jian)于(yu)鏡頭能清楚成像的(de)(de)(de)范圍受(shou)到最大(da)像面的(de)(de)(de)限(xian)制,因此在(zai)為相機選配(pei)鏡頭時,要(yao)特別(bie)注意相機傳感器與鏡頭可支持(chi)最大(da)傳感器之間(jian)的(de)(de)(de)關(guan)系。一般(ban)來(lai)說(shuo),必須確保(bao)所選鏡頭可支持(chi)的(de)(de)(de)最大(da)傳感器尺(chi)寸(cun)(cun)大(da)于(yu)或等于(yu)相機的(de)(de)(de)傳感器尺(chi)寸(cun)(cun)。這樣做的(de)(de)(de)另一個(ge)主要(yao)原因是為了避免(mian)漸暈(Vignetting)現(xian)象的(de)(de)(de)發生(sheng)。
圖6:鏡(jing)(jing)頭大(da)小與相機(ji)(ji)傳(chuan)感器(qi)尺(chi)(chi)(chi)寸不同時的(de)(de)成(cheng)像情況(kuang)如圖6(c)所(suo)示(shi),如果相機(ji)(ji)傳(chuan)感器(qi)的(de)(de)尺(chi)(chi)(chi)寸大(da)于(yu)鏡(jing)(jing)頭可支持(chi)的(de)(de)最大(da)傳(chuan)感器(qi)尺(chi)(chi)(chi)寸時,所(suo)生成(cheng)的(de)(de)圖像就會(hui)形成(cheng)類似隧道(dao)的(de)(de)效果,該(gai)現(xian)象(xiang)稱為漸暈現(xian)象(xiang)。漸暈現(xian)象(xiang)會(hui)增加機(ji)(ji)器(qi)視(shi)覺(jue)系統的(de)(de)開發(fa)難度,因此應盡(jin)量避免(mian)。圖6中的(de)(de)(a)、(b)分(fen)別顯示(shi)了(le)在鏡(jing)(jing)頭可支持(chi)的(de)(de)最大(da)傳(chuan)感器(qi)尺(chi)(chi)(chi)寸等于(yu)或大(da)于(yu)相機(ji)(ji)的(de)(de)傳(chuan)感器(qi)尺(chi)(chi)(chi)寸時視(shi)覺(jue)系統的(de)(de)成(cheng)像情況(kuang),這兩(liang)種情況(kuang)下機(ji)(ji)器(qi)視(shi)覺(jue)系統均能正常(chang)工作。
· 景深
景深也是(shi)一個(ge)與鏡(jing)頭和成像(xiang)系(xi)統關系(xi)十分密(mi)切的(de)參(can)數,它(ta)是(shi)指在鏡(jing)頭前沿著光(guang)(guang)(guang)軸(zhou)所測(ce)定的(de)能夠清晰成像(xiang)的(de)范(fan)圍,如(ru)圖7所示。在成像(xiang)系(xi)統的(de)焦(jiao)(jiao)點(dian)前后,物點(dian)光(guang)(guang)(guang)線呈錐(zhui)狀開始聚集和擴(kuo)散(san)(san),點(dian)的(de)影像(xiang)沿光(guang)(guang)(guang)軸(zhou)在焦(jiao)(jiao)點(dian)前后逐漸變(bian)得模糊,形成一個(ge)擴(kuo)大的(de)圓(yuan),這個(ge)圓(yuan)稱(cheng)(cheng)為彌(mi)(mi)散(san)(san)圓(yuan)(circle of confusion)。若這個(ge)圓(yuan)形影像(xiang)的(de)直徑(jing)足(zu)夠小(離焦(jiao)(jiao)點(dian)較(jiao)近),成像(xiang)會足(zu)夠清晰,如(ru)果圓(yuan)形再大些(遠(yuan)離焦(jiao)(jiao)點(dian)),成像(xiang)就(jiu)會顯得模糊。當在某個(ge)臨界位置所成的(de)像(xiang)不能被(bei)辨(bian)認(ren)時,則該圓(yuan)就(jiu)被(bei)稱(cheng)(cheng)為容許彌(mi)(mi)散(san)(san)圓(yuan)(permissible circle of confusion)。焦(jiao)(jiao)點(dian)前后兩個(ge)容許彌(mi)(mi)散(san)(san)圓(yuan)之間的(de)距離稱(cheng)(cheng)為焦(jiao)(jiao)深。在目標物一側(ce),焦(jiao)(jiao)深對(dui)應的(de)范(fan)圍就(jiu)是(shi)景深。
圖7:焦深與景深景深的計算公式如下:
其中,δ為(wei)(wei)容許彌(mi)散圓(yuan)的(de)直徑,f為(wei)(wei)鏡(jing)(jing)頭(tou)焦(jiao)(jiao)距(ju),D為(wei)(wei)對(dui)焦(jiao)(jiao)距(ju)離,F為(wei)(wei)鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)拍攝(she)光圈(aperture)值。從景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)公式可(ke)(ke)以看出,后景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)要(yao)大(da)于(yu)(yu)前景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen),而且景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)一般(ban)隨(sui)著(zhu)鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)焦(jiao)(jiao)距(ju)、光圈值、對(dui)焦(jiao)(jiao)距(ju)離(可(ke)(ke)近似于(yu)(yu)拍攝(she)距(ju)離)的(de)變化而變化。在其他(ta)條件不(bu)變時:(1)光圈越(yue)(yue)大(da)(光圈值F越(yue)(yue)小),景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)越(yue)(yue)小;光圈越(yue)(yue)小(光圈值F越(yue)(yue)大(da)),景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)越(yue)(yue)大(da)。(2)鏡(jing)(jing)頭(tou)焦(jiao)(jiao)距(ju)越(yue)(yue)長,景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)越(yue)(yue)小;焦(jiao)(jiao)距(ju)越(yue)(yue)短,景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)越(yue)(yue)大(da)。(3)距(ju)離越(yue)(yue)遠,景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)越(yue)(yue)大(da);距(ju)離越(yue)(yue)近,景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen)越(yue)(yue)小。在檢測目標(biao)的(de)高(gao)度在一定(ding)范圍內可(ke)(ke)能變化的(de)情況下(xia),選擇合適的(de)景(jing)(jing)(jing)(jing)深(shen),對(dui)于(yu)(yu)機(ji)器視覺系(xi)統的(de)穩定(ding)性尤為(wei)(wei)重要(yao)。
· 對比度
對比度用于表示圖像在亮度層級上的差異(圖像分辨率表示圖像在空間上的差異)。它是一幅圖像中明暗區域最亮IBrightest和最暗IDarkest兩個不同亮(liang)度層級之(zhi)間的(de)差異,常用下面公式計(ji)算:
根據該(gai)公式,當明暗度(du)(du)(du)之間的(de)差(cha)異越(yue)大(da)(da)時(對(dui)(dui)比(bi)度(du)(du)(du)的(de)值(zhi)趨(qu)于1),對(dui)(dui)比(bi)度(du)(du)(du)越(yue)大(da)(da),圖像(xiang)越(yue)清晰醒(xing)目,色彩也越(yue)鮮明艷麗;當明暗度(du)(du)(du)之間的(de)差(cha)異越(yue)小(xiao)時(對(dui)(dui)比(bi)度(du)(du)(du)的(de)值(zhi)趨(qu)于0),對(dui)(dui)比(bi)度(du)(du)(du)越(yue)小(xiao),整個圖像(xiang)的(de)清晰度(du)(du)(du)、細節(jie)、灰度(du)(du)(du)層次表現就(jiu)會越(yue)差(cha)。通常如(ru)(ru)果要(yao)處理(li)的(de)目標涉及(ji)較多細節(jie),就(jiu)需(xu)要(yao)盡可(ke)能調整光圈獲取較高對(dui)(dui)比(bi)度(du)(du)(du)的(de)圖像(xiang),減(jian)少后期機器視覺軟件開發(fa)的(de)難度(du)(du)(du)。如(ru)(ru)果光圈調整還不能達(da)到目的(de),就(jiu)需(xu)要(yao)通過(guo)調整光源或相機增益來提高對(dui)(dui)比(bi)度(du)(du)(du)。
· 畸變
實際中(zhong),鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)自(zi)身特性(xing)(xing)(xing)與理想成像系統模型(xing)總是有差距的(de),鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)特性(xing)(xing)(xing)的(de)不(bu)完美性(xing)(xing)(xing)對成像系統有較大影響(xiang)。例如,在使(shi)(shi)用(yong)廣角(jiao)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)或變(bian)焦鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)廣角(jiao)端(duan)時(shi),成像畫面(mian)常呈桶(tong)形(xing)(xing)膨脹(zhang)狀態(tai),稱(cheng)這種情(qing)況為桶(tong)形(xing)(xing)畸變(bian)(barrel distortion)。而(er)在使(shi)(shi)用(yong)長焦鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)或變(bian)焦鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)長焦端(duan)時(shi),成像畫面(mian)常會(hui)向中(zhong)間(jian)收縮,稱(cheng)這種情(qing)況為枕形(xing)(xing)畸變(bian)(pincushion distortion)。還有些(xie)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)產生(sheng)的(de)畸變(bian)是圖(tu)像中(zhong)心處接近桶(tong)形(xing)(xing)失真(zhen)(zhen),但由中(zhong)心向邊(bian)緣(yuan)逐漸過渡到枕形(xing)(xing)失真(zhen)(zhen),這時(shi)圖(tu)像上半(ban)部(bu)分(fen)極其像八(ba)撇胡(hu)須,故而(er)稱(cheng)為須形(xing)(xing)畸變(bian)(mustache distortion)。這些(xie)由于鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)自(zi)身特性(xing)(xing)(xing)引起的(de)畸變(bian)統稱(cheng)為鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)畸變(bian)(lens distortion),如圖(tu)8所示。
圖(tu)(tu)8:鏡(jing)頭畸變鏡(jing)頭相(xiang)對于被測目(mu)標的安裝(zhuang)(zhuang)位置(zhi)和角度也影(ying)響成像系(xi)統的質量。例(li)如在相(xiang)機未能(neng)垂直于被測目(mu)標安裝(zhuang)(zhuang)時,就會產生(sheng)透視畸變(perspective distortion)。在這種(zhong)情(qing)況下,所成圖(tu)(tu)像遵循透視規律(lv),即離鏡(jing)頭越(yue)(yue)近,所成圖(tu)(tu)像越(yue)(yue)大(da),反之(zhi)越(yue)(yue)小,如圖(tu)(tu)9所示。
圖(tu)(tu)9:投影失真(zhen)若要使用(yong)搭建好(hao)的(de)(de)機(ji)器視覺(jue)系(xi)(xi)統(tong)(tong)進行準確測量控(kong)制,必須(xu)綜合(he)考(kao)慮機(ji)器視覺(jue)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)多種(zhong)畸(ji)變因素,實(shi)時地把圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)中像(xiang)(xiang)素包含的(de)(de)信息映射(she)(she)到真(zhen)實(shi)世界(jie)中去。這(zhe)(zhe)就需要事先(xian)獲知成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)像(xiang)(xiang)素與真(zhen)實(shi)世界(jie)坐(zuo)標系(xi)(xi)之(zhi)間(jian)的(de)(de)映射(she)(she)關系(xi)(xi)。通過各種(zhong)流程和方法,尋(xun)找這(zhe)(zhe)個對(dui)應(ying)關系(xi)(xi)的(de)(de)過程稱為系(xi)(xi)統(tong)(tong)空間(jian)校準(標定)。
· 接口
鏡頭(tou)與相(xiang)機之間的物理接(jie)(jie)口(kou)(kou)必(bi)須匹配才能安裝在一起(qi)搭配使(shi)用。常(chang)見的接(jie)(jie)口(kou)(kou)標(biao)準有C接(jie)(jie)口(kou)(kou)(C-mount)、CS接(jie)(jie)口(kou)(kou)(CS-mount)和F接(jie)(jie)口(kou)(kou)(F-mount)。在機器視覺(jue)領域,目前C和CS接(jie)(jie)口(kou)(kou)的鏡頭(tou)及(ji)相(xiang)機占主導地位(wei),它們的唯一區別是背焦距不同,如圖10所示(shi)。F接(jie)(jie)口(kou)(kou)常(chang)用于(yu)高像(xiang)素數的線掃描相(xiang)機(2048像(xiang)素以上),獲取比C和CS接(jie)(jie)口(kou)(kou)鏡頭(tou)更大的圖像(xiang)。
圖10:C與CS接口C接口鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)后焦(jiao)(jiao)(jiao)距是(shi)17.526mm,CS接口鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)后焦(jiao)(jiao)(jiao)距則為12.5mm,因此(ci),只(zhi)(zhi)要為C接口鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)配(pei)備(bei)一(yi)個5mm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴展管(guan)(轉換器(qi)(qi)(qi)),就可以(yi)得到(dao)CS接口的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou),但CS鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)卻不能與C接口的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)機(ji)(ji)(ji)搭配(pei)使(shi)用。C接口是(shi)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)國際標(biao)(biao)準,因此(ci)有很多C接口的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)可供選(xuan)擇。鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與相(xiang)機(ji)(ji)(ji)連接之(zhi)(zhi)初,觀測(ce)目標(biao)(biao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)像(xiang)面(mian)不一(yi)定恰巧與相(xiang)機(ji)(ji)(ji)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)面(mian)重(zhong)合。為了(le)得到(dao)清(qing)晰(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影像(xiang),就需要調(diao)(diao)(diao)整(zheng)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)成(cheng)像(xiang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置,使(shi)之(zhi)(zhi)恰巧落在(zai)相(xiang)機(ji)(ji)(ji)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)面(mian)上,這個過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)稱為調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)。調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)并不改變(bian)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)或(huo)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)組自身的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦(jiao)(jiao)(jiao)距(或(huo)改變(bian)很小),而只(zhi)(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)(guo)(guo)沿著(zhu)光(guang)(guang)(guang)軸前(qian)后移(yi)(yi)動(dong)整(zheng)個鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)或(huo)只(zhi)(zhi)微小調(diao)(diao)(diao)節(jie)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)組中某(mou)一(yi)個透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置,使(shi)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)像(xiang)面(mian)和(he)相(xiang)機(ji)(ji)(ji)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)感(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)面(mian)重(zhong)合。幾乎所有鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)筒上都有一(yi)個調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)環,日常(chang)生活(huo)中,轉動(dong)調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)環以(yi)獲取清(qing)晰(xi)圖像(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)實際上就是(shi)通(tong)過(guo)(guo)(guo)機(ji)(ji)(ji)械(xie)裝置調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)。與調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)不同(tong),變(bian)焦(jiao)(jiao)(jiao)是(shi)指在(zai)保證像(xiang)面(mian)不動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)提(ti)下(xia),通(tong)過(guo)(guo)(guo)移(yi)(yi)動(dong)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)組內(nei)透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)對位(wei)置使(shi)整(zheng)個鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦(jiao)(jiao)(jiao)距發生較大(da)變(bian)化。除了(le)光(guang)(guang)(guang)學元件(jian),鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)設備(bei)一(yi)般還包括固(gu)定光(guang)(guang)(guang)學元件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)零件(jian)(如鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)筒、透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)座、壓圈(quan)、連接環等)、鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)調(diao)(diao)(diao)節(jie)機(ji)(ji)(ji)構(如光(guang)(guang)(guang)圈(quan)調(diao)(diao)(diao)節(jie)環、調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)環等)和(he)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)連接機(ji)(ji)(ji)構等。高級點的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)上有時(shi)還有自動(dong)調(diao)(diao)(diao)整(zheng)光(guang)(guang)(guang)圈(quan)、自動(dong)調(diao)(diao)(diao)焦(jiao)(jiao)(jiao)或(huo)光(guang)(guang)(guang)強度感(gan)(gan)測(ce)等電(dian)子機(ji)(ji)(ji)構。這些設備(bei)與光(guang)(guang)(guang)學系(xi)統(tong)協同(tong)工(gong)作,可以(yi)確保鏡(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)(tou)和(he)相(xiang)機(ji)(ji)(ji)構成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)像(xiang)系(xi)統(tong)為視覺系(xi)統(tong)工(gong)作提(ti)供良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖像(xiang)信號(hao)基(ji)礎。
3. 為機器視覺項目選擇鏡頭和相機的簡化流程
圖11:選擇相機和鏡頭的簡化流程如果事先既未確定相機又未確定鏡頭,則需要先了解項目工作環境對相機安裝(工作距離)、要檢測的最大范圍(視場)、最小特征的尺寸和代表它的像素數的要求,然(ran)后根據這些條件來(lai)計(ji)算應使(shi)用何種(zhong)鏡頭或相機。
機械手視覺定位、圖像(xiang)處(chu)理(li)庫等為(wei)核心的(de)(de)(de)20多款自(zi)主知識(shi)產(chan)(chan)(chan)權產(chan)(chan)(chan)品(pin)。涉及(ji)自(zi)動貼合機(ji)(ji)、絲印(yin)機(ji)(ji)、曝光機(ji)(ji)、疊片(pian)機(ji)(ji)、貼片(pian)機(ji)(ji)、智(zhi)能(neng)檢(jian)測(ce)、智(zhi)能(neng)鐳射等眾多行業(ye)領域。雙(shuang)翌視(shi)覺系統最高(gao)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)精(jing)(jing)(jing)度(du)可(ke)達um級別,圖像(xiang)處(chu)理(li)精(jing)(jing)(jing)準、速度(du)快,將智(zhi)能(neng)自(zi)動化制(zhi)造行業(ye)的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)水平提升到一個(ge)更(geng)(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)(de)層次(ci),改進了以往落后的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)流程,得到廣大用戶的(de)(de)(de)認(ren)可(ke)與(yu)肯定。隨(sui)著智(zhi)能(neng)自(zi)動化生(sheng)產(chan)(chan)(chan)的(de)(de)(de)普及(ji)與(yu)發展,雙(shuang)翌將為(wei)廣大生(sheng)產(chan)(chan)(chan)行業(ye)帶來(lai)更(geng)(geng)(geng)全面(mian)、更(geng)(geng)(geng)精(jing)(jing)(jing)細、更(geng)(geng)(geng)智(zhi)能(neng)化的(de)(de)(de)技術(shu)及(ji)服務。