面阵CCDWord文档格式.docx

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目录

正文1

1.1.引言1

1.2.主体1

1.2.1.物理思想1

1.2.2.实验仪器1

1.2.3.实验原理1

1.2.4.实验目的2

1.2.5.实验步骤3

1.2.6.实验结果4

1.2.7.误差分析与校正9

1.2.8.注意事项10

参考文献11

正文

引言

20世纪70年代国际上出现的电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices,CCD）光电传感器是一种新型的固体成像器件，是光电成像领域里非常重要的高新技术产品。

CCD光电传感器具有灵敏度高、光谱范围宽、动态范围大、性能稳定、工作可靠、几何失真小、抗干扰能力强、便于计算机处理等优点，在工业生产中得到了广泛应用。

主体

物理思想

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。

一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。

CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

实验仪器

1．带有USB2.0输入端口的计算机，推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024×

768分辨率；

2．彩色面阵CCD多功能试验仪YHACCD--Ⅱ（或Ⅲ）型一台。

实验原理

面阵CCD是一系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列，相邻光敏元的中心距d和间隙a决定了CCD的分辨率。

如图1-1所示，d和a的典型尺寸是几个微米，而一些低分辨率的面阵CCD则达到十几微米。

图1-2是CCD测量系统的基本原理，物体经透镜成像于CCD的光敏面上，成为景物图像，而CCD光敏元的分布是离散的，相当于对景物图像进行了抽样，抽样频率为1/d另外，由于像元间距的存在，CCD探测到的不是整个图像的信息，而是其中被光敏元覆盖的部分，这相当于对景物图像进行了积分。

这样，CCD在完成对图像的空间离散过程后，将光学信号变成电信号，最后合成完整的视频信号输入计算机进行后续处理。

图1-1CCD结构简图

图1-2测量系统原理图

本测量系统由光学照明系统、面阵CCD成像系统、计算机及图像处理软件构成。

光源的照明使基片产生阴影轮廓,由透镜系统放大或缩小成像于CCD面阵上,CCD将图像信号变成电荷信号,完成对图像的空间离散化过程,同时合成完整的视频信号,输入计算机,由计算机软件完成对数字图像的预处理过程,经边缘提取、自动识别、像素细分后,计算出基片的尺寸及误差,进而完成分类任务。

实验目的

1.了解CCD的基本工作原理；

2.了解图形变换的类型和方法；

3.掌握CCD中图形几何变换的方法。

实验步骤

1．用USB数据线将CCD实验仪器和计算机2.0接口相连；

2．打开计算机电源开关，确定“面阵CCD数字图像处理实验”程序是否已经安装，若未安装，请安厂家指定光盘，进行安装，若已经安装，则可以继续进行实验；

3．检查面阵CCD摄像机的电源线与视频线是否已经和实验仪器连接好。

接着打开仪器电源开关；

4．确认视频切换按钮已经按下，切换指示灯点亮，说明已经将外置面阵CCD摄像机的视频信号接入视频信号数据采集系统；

5．将仪器提供的彩色样品图片安装在“被测物夹持架”上，调整摄像系统的物象关系，使图像尽量清晰；

6．点击实时“采集”按钮，进行图像采集；

7．点击“停止”按钮，界面出现“几何变换（G）”选项。

再点击“几何变换”选项，显现如图1-3所示的几何变换算法菜单。

先点击“查看”菜单，观察图形的直方图的分布情况；

再选择“几何变换”菜单中“图像平移”选项，弹出如图1-4所示的图像被平移参数设置对话框。

设定平移量，确定后图像将被平移。

如图1-5图像被平移到图1-6的位置；

图1-3几何变换菜单图1-4图形平移参

图1-5采集的原图图1-6平移后的原图

8．把鼠标移到采集图像上，通过软件左下方地址栏观测鼠标点击像素点的灰度值，如图1-7所示，在此图像平移实验中，为了验证像素平移前后的灰度值不变，首先在图像平移前用鼠标点击原图像上任意一点记录下其坐标值和灰度值，然后进行平移操作。

图像平移后，通过设定的平移参数和提前记录下的这一点的坐标值来计算出该点平移后的坐标位置，最后在将鼠标移动到平移后的坐标位置上，验证灰度值是否与平移前相同；

图1-7灰度值

9．重新采集一幅图（如图1-8），点击“几何变换”菜单中其他选项“平移”（如图1-9），“垂直翻转”（如图1-10），“水平翻转”（如图1-11），“图像缩放”（如图1-12），“图像旋转”（如图1-13）分别进行实验，观察他们对所采集图像产生的效果。

实验结果

1.原图：

图1-8原图

2.平移（水平平移量：

10，垂直平移量：

10）：

图1-9平移后的原图

3.垂直镜像：

图1-10垂直镜像后的原图

4.水平镜像：

图1-11水平镜像后的原图

5.缩放（水平所放量：

0.3，垂直所放量：

0.35）：

图1-12缩放后的原图

6.旋转（45度）：

图1-13旋转45度后的原图

误差分析与校正

在实际测量中影响系统测量精度的因素很多,主要有以下几方面：

1．CCD引入的系统误差

由于CCD的工作原理实际上是一个光学抽样和图像积分的过程,CCD的光敏元间距限制了图像的抽样频率,当光敏元间距越小,抽样频率越高,所丢失的信息越小,误差就越小。

由于计算机可读取由CCD器件传输图像的最小单位为一个像素,由此引入的系统误差也是一个像素单位。

2．光路影响

由于照明系统中视场光强不可能绝对均匀,成像时会受光的衍射、外界杂散光等噪声的影响,透镜的边缘部分会使成像模糊等,这些因素都会影响到CCD的成像质量和边缘特征的提取。

我们开发出新的照明系统,提高光源质量,使视场内光强变化幅度小于7%。

另外将CCD的工作点选在接近光强的饱和点,但最大光强又不进入饱和区,减小光强不均匀性对CCD灵敏度的影响,又可提高光电转换精度。

照明系统被做成一个封闭的方形箱体,严格保证所有光学成像器件间互相平行,他们的主轴线都与箱体的中心轴线重合减少外界噪声的影响,保证照明系统的刚度和稳定性,提高测量精度。

另外,选用90mm的大直径透镜对球差有较好的修正,以降低透镜边缘对成像质量的影响。

3．电压误差

实测过程中发现电源电压的波动对测量结果也有较大的影响。

为减少电源电压的波动,我们采用直流稳压电源供电。

如果要用交流稳压电源供电,应使用大的滤波电容。

4．其它误差

系统中由于光学镜头畸变会引起测量误差,灰度分级给对准判别带来误差,CCD像素刻划不均匀也会引入误差等,由于事先很难精确测定可调镜头距基片的距离、镜头的放大倍数、CCD平面与基片平面的夹角等,不能确定每个像素具体代表的精确尺寸,这些误差在本系统中均通过系统标定来修正。

注意事项

1．保证电压稳定，防止电压的波动，造成成像失真或者仪器损坏；

2．保证光强稳定和均匀，防止光强的波动和不均匀，造成成像的失真；

3．实验时采用多次拍照，选取成像清晰且能反应图像性质的图片作为实验结果；

4．所需要保存的数据及文件保存到软盘或者闪存中，以免关机时丢失；

5．实验过程中不要用手接触镜头，若镜头有灰尘，可用专用试纸擦拭；

6．实验完成后关掉计算机和CCD实验仪器，盖好镜头盖。

参考文献

[1]李介谷.计算机视觉的理论和实践[M].上海:

上海交大出版社,1993:

36-45.

[2]王庆有,孙学珠.CCD应用技术[M].天津:

天津大学出版社,1993:

7-66.

[3]王润生.图像理解[M].长沙:

国防科技大学出版社,1995:

31-42.

[4]王建民,普昭邦,尹继学.空间矩亚像素细分算法的研究[J].光学技术,1997（7）:

3-6.

[5]霍汉平.近代物理实验[M].石油工业出版社2013:

9-5.