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论文正本

摘要

光电模式识别通过光实现互连和运算，光电模式识别的基础与光学相关，是基于傅里叶变换系统和滤波函数概念的一种方法，传统的匹配滤波器由于其高鉴别率，已被应用于导弹、火箭的导航系统上。

在实现结构方面则侧重可编程的联合变换相关器的研究。

联合变换相关器已广泛应用在诸多领域，如彩色图像的识别，帧频移动测量，不透明粒子大小排序，图像检测分析等。

此外，各种新方法也被不断的应用到光电相关模式识别的研究中。

比如神经网络方法，模糊逻辑方法，小波变换方法，分数傅里叶变换，数学形态学方法等，使得其应用范围变得更加广阔。

但是，这些方法的运用基本上是基于相关结构的。

它们或是被用于相关运算前的特征提取和后处理上，或是依赖相关器实现变换。

视频（video）指动态图像（movingimage），可以认为是随时间变化的静态图像系列（still-frameimage/picturesequence）。

在静态图像中，信息密度随空间分布，且相对于时间为常量；而动态图像的空间信息密度特征随时间变化。

视频图像的数学表达式的一般形式可以写成S（x,y,t）。

x,y为空间变量，t为时间变量，而S为对应于时空点（x,y,t）的光度学物理量。

视频图像的主要获取途径是各种摄像机。

摄像头分为真空光导体摄像头和CCD/CMOS摄像头。

本课题使用CCD摄像头拍摄静态图像，并且进行形状识别。

本课题主要完成了两个方面的任务：

第一、研究CCD成像的基本原理，器件特点、颜色识别的基本规律。

第二、确定CCD颜色识别的方案，建立数学模型和计算机模型，编制计算机程序，用实验验证方案的正确性。

关键词：

CCD摄像头；图像；颜色；识别

Abstract

Thelightelectricitymodeidentifiestopassthelightrealizestoconnecteachotherandcalculate,thebaseofthelightelectricitymodeidentifiesisrelatedwithoptics,akindofmethodtobaseonthePhiliye’stransformationsystemandafiltratingwavefunctionconcept,matchthefiltertraditionallybecauseofitshighdiscriminaterate,havebeenappliedinthenavigationsystemoftheguidedmissileorrocketup.Atrealizetheconstructionthenlayparticularemphasisonprogrammableinassociationwiththeresearchoftheunitedrelatedmachineintransformation.Thatisalreadyextensiveappliedinmanyrealms,suchasthecolorpictureidentifies,movingmeasuretherate,opaqueparticlesub-sizerowpreface,pictureexaminationanalysis,etc.Inaddition,everykindofnewmethodweretooappliedtothelighttheelectricitytherelatedtheresearchthatmodeidentifytheinsidecontinuously.Forexamplenervenetworkmethod,mistylogicmethod,thesmallwavetransformationmethod,thescorePhiliye’stransformation,themathematicsmorphologymethodetc.,makingitsapplicationbecomemorevast.Butthebasicinapplicationofthesemethodsisbaseonrelatedstructural.Theywereusedfortherelatedcalculatebeforeextractingcharacterandendinghandle,ordependontherelatedmachinerealizestransformation.

Videomeansmovingimage,itcanthinktostill-frameimage/picturesequenceatanytime.Instill-frameimage/picture,theinformationdensitydistributeswiththespace,andoppositeintimeisoftenconstant;andthespaceinformationdensitycharacteristicofmovingimageisatanytimeavariety.Thegeneralformofvideoimage’smathematicalcanexpressS（x,y,t）.X,ychangesdealforthespace,tchangesdealforthetime,andSistheamountofphysicsintheintensityoflightthatcorrespondingthetimespoint（x,y,t）.It’smainwaythatallkindsofcamcordercanobtainvideoimage.ThecamcorderisdividedintothevacuumlightconductorcamcorderandCCD/CMOScamcorder.TheCCDcamcordertakesstill-frameimageinthetask,andidentifiestheshape.Thetaskcompletedtwomissionsprimarily:

Thefirst,studythebasicregulationofCCDtakesimage,thebasicprincipleofthemachinecharacteristicandpictureidentify.

Thesecond,certainprojectthatthepictureofCCDidentify,establishthemathematicsmodelandcalculatormodel,compilecalculatorprocedure,usetheexperimenttoverifytheaccuracyoftheproject.

Keywords:

CCDcamcorder/image/color/identify

目录

引言---------------------------------------------5

1．课题主要任务与要求--------------------------6

2．方案设计--------------------------------------7

2.1设计方案-------------------------------------------7

2.2出现的问题及解决方法-------------------------------8

3.硬件介绍------------------------9

3.1数码影像输入设备介绍-------------------------------9

3.2图像处理基本原理-----------------------------------20

3.2.1光电成像系统-----------------------------------20

3.2.2数字图像处理系统-------------------------------20

3.2.3彩色图像处理与颜色空间-------------------------22

3.2.4彩色图像处理对颜色空间的要求-------------------25

3.2.5抽样与量化-------------------------------------25

3.3我使用的摄像头-------------------------------------28

3.4USB摄像头与计算机的连接原理-----------------------29

4.软件说明--------------------------------31

4.1程序使用的语句，函数，对象介绍---------------------31

4.2程序使用的属性与事件介绍---------------------------31

4.3程序流程图-----------------------------------------34

4.4源程序及注译---------------------------------------35

4.5界面及操作方法-------------------------------------47

5.结论------------------------------------52

谢辞---------------------------------------53

参考文献-----------------------------------54

附录---------------------------------------55

引言

只有认真地使用了MicrosoftVisualBasicforWindows可视化编程系统，才能真正想象开发一个多媒体项目的情况。

Windows编程支持传统的程序语言，因此绝大多数多媒体开发者转向选择更具通用性而少一些灵活性的创作系统。

VB是一个可以完全扩展的开发系统。

几乎没任何不被VB本身所直接支持。

要么以Windows动态连接库，要么以一个定制控件的形式提供。

VB是一种真正的编程语言，它不但具备灵活性，还具有创作系统的简单性和快速开发的特点。

我利用了VB的特性编制了这个程序，符合了毕业设计的要求。

1课题主要任务与要求：

1.1任务：

CCD颜色识别的研究：

就是采用USB摄像头和计算机进行对某一种特殊颜色的识别。

1.2要求：

1）选用USB接口的摄像头摄取图像并传送到计算机。

2）采用VB或其他多媒体软件进行图像的读取。

3）设计一个操作界面，要求简单明了。

4）要求能够选定要颜色的形状。

5）要求能够判断并指示符合条件的颜色。

6）数出符合条件颜色的斑块个数。

7）完成操作说明和软件说明。

8）根据课题任务和要求，做出可供演示的模拟样机。

2.方案设计：

2.1设计方案：

VB即VisualBasic，是在90年代由Microsoft公司推出的，以结构化BASIC语言为基础，以事件驱动作为运行机制的新一代可视化程序设计语言。

它比传统的程序设计语言有明显的优势，且随着版本的改进，功能越来越强大，不但可以作为多媒体软件制作工具、实现数据库管理，而且还具有网络功能等。

VB提供了大量控件，可用于设计界面和实现各种功能，程序员可以通过拖放操作完成用户界面设计，不仅大大减轻了工作量、简化了界面设计过程，而且有效地提高了应用程序的运行效率与可靠性。

VB是一套通用的程序开发工具，提供了各种常用的功能，如界面设计、计算与绘图、网络通信、数据访问和Internet访问等功能，但与其它开发工具相比仍具有一定局限性，更适合开发小型的Windows应用程序。

VB6.0是VB的最新版本，该版本在以前版本的基础上增强了数据访问（特别是远程数据访问）功能和Internet应用功能。

VB的基本概念有对象、控件、事件、属性、方法等。

对象指程序处理的事物。

VB6.0提供了大量对象，如按钮、菜单、对话框等。

程序员只需了解对象的功能和使用，而不必关心其内部实现机制。

控件是对象的基本组成部分，也是开发的基础，一般包括属性、事件和方法。

控件分为可直接从工具箱中选取的固有控件和使用前需首先将其加入工具箱的扩展控件。

属性是控件的基本特性之一，决定控件的表现（如大小、颜色、位置、字体等）及功能（如使用协议等）。

可以在属性窗口中或程序的适当位置修改属性。

事件是控件对消息循环的响应，每一个事件对应不同的系统消息。

在VB6.0中，只能通过控件（对象）的事件获得系统消息。

控件通过方法实现指定功能。

方法由程序调用，通知控件执行的操作。

2.2出现的问题及解决方法：

在设计过程中出现了各种各样的问题，主要是对VB程序设计语言不够熟悉。

1）主要问题如下：

第一、加载摄像头自带的应用程序时，不知道如何直接调用，以为要自己编译一个用来摄像的应用程序，但是这样做就加重了设计的复杂性，是不合理的。

第二、编译打开已经拍摄并存储下来的图像时，找不到存储路径。

第三、因为拍摄的图像是彩色的，我的设计也因此要对图像的颜色进行处理。

想要把图像先进行灰度处理，然后再根据灰度阀值进行对比，找出一个中间的阀值，超出一定数值就置1，低于一定数值就置0。

但是不知道如何才能找出一个中间的具有代表性的灰度阀值。

第四、如何利用灰度阀值进行边缘的识别，也就是只显示出图像中物体的边缘形状，把包含在其中的其他灰度颜色全部去除，这样就基本完成了设计任务。

2）解决方法如下：

第一、看书后学习到VB有一个语句“shell”是用来调用Windows内的应用程序的，只要找到该应用程序的路径就可以执行这个语句了。

具体的使用方法为：

shell“C:

\i-mage\usbcam.exe”,vbnormalfocus

第二、仔细查找后知道，原来这个摄像头在拍摄图像后，就自动存储到自带的应用软件I-Mage的目录中了，具体的路径为：

C:

\i-mage\Snapshot。

第三、经过向别人求教，知道了Windows自带的画图程序有把图像存储为黑白图像的功能，这个功能就是利用自动设定的一个阀值127，这个阀值就是颜色数字化后的中间值，某个点的像素的值超过这个值就把它置位1，即白色的值；低于这个值就把它复位0，即黑色的值。

这样就把图像变成了具有强烈对比的黑白图像。

于是，根据这个指导思想，编译了黑白处理这个过程，放弃了以前的进行灰度处理过程，简化了程序设计过程。

第四、看书以及向别人求教，得到图像二值化的各种方法，利用二值化原理，改

物体内部每一个点的像素值，只把边缘的点的像素值置位1或者复位0，这是因为考虑到背景颜色可能为黑或者白，所以设计了两种背景的处理，虽然是两种情况，但是处理的方法是一样的，只是把像素值进行对调就可以了。

以上所列出的问题以及解决方法只是这几个月进行学习VB6.0程序编译以来遇到的主要问题。

因为在图像方面遇到的问题比较简单，在看过相关的书籍后已经合理的解决了，所以不在这里列出来。

在这之前还因为用过DELPHI7.0进行这个设计的程序编译，也遇到了不少的问题，但是现在不再使用它来进行程序编译，所以也不在这里列出来。

3.硬件介绍：

3.1数码影像输入设备介绍：

1）数码影像设备的感光媒体：

数码影像设备的感光媒体也称为图像传感器，影像传感器或光电转换器。

其作用的将接收到的光信号转换成相应的模拟电信号。

目前，数码影像产品中使用的感光媒体主要有CCD

（ChargeCoupledDevice）电荷藕荷器件和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）互补型金属氧化物半导体器件两种类型。

感光媒体是数码影像设备的信号输入端，其质量的优劣将直接决定数码影像设备成像的质量。

2）CCD器件：

电荷藕荷器件简称CCD，是目前绝大多数数码影像产品所采用的图像传感器。

它能将光信号转换成与之一一对应的模拟电信号。

在一定单元面积的CCD器件上，诚矩阵排列的感光元件的数目越多，它所代表的图像象素点就越多，经光电转换后所重现的图像的清晰度也越高。

1.CCD器件分类：

根据CCD器件的光敏成像单元的排列结构不同，CCD器件可分为线阵型CCD，面阵型CCD和蜂巢型CCD（SCCD）3种。

（1）线阵型CCD器件

线阵型CCD器件的光敏成像单元呈单条直线形排列，在获取景物图像时，通常是在控制机构的作用下，匀速扫描景物的光像，每次获取景物图像中的一条线，然后再由图像信号处理电路按扫描顺序合成整幅图像。

扫描速度越慢，所获得的景物图像的线数越多，重现图像的清晰度就越高。

但要获得一幅完整的图像所需要的时间也就越长。

由于线阵型CCD的工作方式是以扫描的方式来获取图像，且扫描需要一定的时间。

因此线阵型器件只能用于拍摄静止的图像画面，而不能用于拍摄活动图像，使其在数码影像设备中的应用受到一定的限制。

线阵型CCD器件主要用于高分辨率的室内扫描型数码相机和扫描仪中，而不能用于摄像机和数字摄像头中。

（2）面阵型CCD器件

面阵型CCD器件的光敏成像单元呈二维平面矩阵形排列，平面矩阵中的每一个光敏成像单元代表图像中的一个像素点。

当拍摄景物图像时，整幅景物图像同时曝光，当拍摄景物图像的光能量信息由面阵型CCD器件自动进行光电转换，产生代表景物图像亮度变化的模拟电信号，并在控制电路的作用下通过电子扫描的方法将CCD器件的模拟电信号按一定顺序输出，送到信号处理电路进行图像数据处理。

因此，CCD矩阵中的光敏成像单元越多，它所代表的图像像素点就越多，重现的图像越能够表现出原景物图像的细节部分，所获得的图像的清晰度也就越高，面阵型CCD器件由于曝光成像的速度快，适合于拍摄活动图像，因而在摄像机和数字摄像头中得到广泛应用。

（3）蜂巢型CCD

CCD器件的光敏成像单元的增加存在技术上的瓶颈----如果在一块面积固定的CCD器件上排列更多的光敏成像单元，即意味着每一个光敏成像单元的尺寸必须更小，由此带来的直接后果是光敏成像单元的灵敏读，信噪比以及动态范围等都将有所损失。

因此，如果要保证获得一定水平的图像质量，CCD器件的光敏成像单元的数量就不能无限制的增加。

如果在保证图像质量的前提下，进一步增加光敏成像单元的数目，以提高数码影像产品的成像质量，一直是数码影响设备生产厂家的研究方向，并取得了一定的成就，即根据入眼的视觉原理开发出了蜂巢型CCD—SuperCCD（SCCD）。

2.工作原理：

（1）CCD器件的结构和光电转换原理：

CCD是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。

图4-1是CCD器件一个电极的基本构造。

在P型（或N型）硅单晶体的衬底上生长一层很薄的优质二氧化桂（SiO2），再在其上蒸发一层以很小间距排列的铝电极条。

在电极上适当的正偏压（或负偏压）时，它形成的电场穿过SiO2薄层排斥P型（或N型）硅中的多数载流子（即电荷），于是在电极下形成一个电荷耗尽区，而在SiO2-Si的界面上得到一个能够储存少数载流子的势阱。

所加偏压越大，势阱就越深。

图4—1单个CCD电极的基本构造图

通过CCD器件，将光学镜头聚焦后的图像光信号转换成相应的电信号，再经过A/D转换电路转换成数字信号送到存储单元保存起来。

当被摄图像的光经过镜头汇聚在CCD器件上成像时，每个光敏成像单元在强弱不同的光照射下产生与之相对应的不同数量的电荷。

通过译码电路，可以得到从每一个光敏成像单元上藕荷输出的电荷而形成电流，电流经A/D变换即形成一个二进制数字信号。

该数字信号即对应于景物图像的每个像素点。

上百万像素点的数字量的集合，即构成了数字图像。

下面讲述如何进一步处理和保存这些数字图像信号。

（2）CCD器件的工作过程：

为了详细说明CCD器件如何实现光电转换，以及信号处理电路如何从CCD器件中读取代表图像的电信号。

下图4-2所示的三相CCD（即假设CCD的结构像一排排输送带上并列放置的小桶，每一个小桶就是一个CCD电极下的势阱。

景物图像的光像雨滴撒入各个小桶中，每个小桶代表被拍摄景物图像的一个像素。

快门从开启到关闭的拍摄过程，其实就是按一定的顺序测量在某一短暂时间中，每个小桶中落进多少“光滴”，并将其转换成相应的电信号，经电路处理后形成相应的图像数据文件，一般的CCD对每种基色（一般采用红，绿，蓝）的亮度用8位二进制数据来记录，即其小桶上的刻度是3*8=24格。

也有用10位甚至12位进制数据来记录基色信号，更高的色彩位数在记录彩色时就会更精确，尤其是在光线条件比较差时，能够记录下丰3个控制电极的CCD）为例说明其工作原理。

4—2（a）

4—2（b）

4—2（c）

4—2（d）

在3个控制电极上分别加上如图4-2（a）所示的三相电压时钟脉冲V1，V2，V3。

脉冲的周期为T。

CCD器件的工作过程可分为下面两个步骤：

1）光电转换与信号电荷的积累。

假设在某一时刻t1，V1为较高电位，V2，V3为低电压位，如图4-2（a）所示。

则在具有V1电位的各电极下形成较深的势阱，如图4-2（b）。

因此，当硅晶体受到景物光像照射而产生电子---空穴对后，少数载流子（即自由电荷）在电场作用下被吸引到较深的势阱中（故势阱也称为电荷包）。

而势阱中所捕获的电荷树木的多少与该处照射光的强弱成正比。

每个电极下的电荷包对应于景物图像的一个像素点。

可见，景物的光像已经转变成了存储在CCD器件中的由积累电荷所描绘的电子图像。

从而完成了光电转换与电荷积累的过程。

2）信号的读出。

为了按扫描顺序取出每个代表景物图像内容的电荷包而形成图像电信号，三相CCD采用了如图4-2（a）所示的三相驱动时钟脉冲（或称寻址转移信号）。

当电荷积累过程结束后，由t=t2开始V1的电位下降，而V2的电位变为最大，于是电荷包从电位为V1的各电极下向电位为V2的各电极下的最深势阱转移，如图4-2（c）到t3时刻，电荷包全部转移完毕。

然后，当V2的电位下降而V3变成最大时，电荷包又从V2电极下转移到V3电极下。

以此类推，每经过时间T（时间脉冲周期），电荷包就完成转移一个像素的全过程。

由此说明，三相时钟脉冲可保证电荷包做定向转移。

而电荷藕荷器件CCD实质上也是一种移位寄存器。

当电荷从CCD器件开始端依次传送到CCD器件的末端时，可通过反向偏置的PN结收集，并经放大器（放大器也可以集成在同一硅片上）顺序读出图像电信。

（3）CCD器件的电荷转移方式：

CCD器件的电荷转移方式也称为信号读出方式。

根据其结构不同，可分为帧转移方式，行间转移方式和帧—-行间转移方式3种。

其中，行间转移方式又分为隔行扫描方式和逐行扫描方式。

1）帧转移方式：

帧转移方式（FrameTransfer）简称FT。

其结