光电信息技术其它.ppt

1,光电信息技术其它应用,光电信息技术其它应用 激光打印机和复印机 光盘存储 摄像机和数码相机 摄像测量,2,激光打印机和复印机,激光打印机和复印机 一激光打印机的特点 激光打印机是光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式，它综合利用了激光器，光束调制和偏转、精密光学机械和电子计算机处理技术，是一种非常有代表性的光电子仪器。它有以下特点： 1像素密度高，印字清晰，分辨率比机械点阵式高 近百倍。 2打印速度快，比普通打印机快630倍。 3工作无撞击，打印噪声小。,3,二激光打印机原理 激光打印机结构如下图所示。,激光打印机的打印原理如上图所示。,激光打印机和复印机,4,1 吸鼓带电 对应图2的1位置，在感光鼓也称吸鼓上用电极对感光体表面高压电晕放电，使感光层表面带电荷。感光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层，光电导层在光照时的电阻率下降。 2 扫描曝光 对应图2的2位置，用受被打印内容调制的激光束对感光层扫描曝光，受光照区域的电阻率下降，表面电荷被中和而消失，在感光层上形成由静电荷分布构成的潜像（电荷图象）。,激光打印机和复印机,5,激光扫描写入系统主要包括激光光源、光调制器、光偏转器、扫描透镜等光路元件及相应的控制电路。 3 静电成像 对应图2的3位置，用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接触，在静电场的作用下，炭精粉粒附在感光层的曝光区域上，形成可见的炭精粉图象，这过程也称显像过程。 4着色转印 对应图2的4位置，打印纸与已经显像的感光体接触，同时采用电晕带电体从纸的反面加电场，这时感光体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印。,激光打印机和复印机,6,5. 热压定影 对应图2的5位置，用热压器加热加压使着色剂牢固粘结在打印纸上，完成了静电打印。 6 清洗吸鼓 对应图2的6位置，将感光体用清洗器清除残留的色粉，准备下一张打印。 三激光打印机的光电技术 1. 激光器和调制器 实用的激光打印机般采用HeNe激光器或半导体激光器作激光光源。 激光打印机中使用的光调制器早期多为声光调制器。随着半导体激光器的发展，直接电流调制的方式已逐步代替声光调制方式。,激光打印机和复印机,7,2光偏转器 光偏转器实现激光束的扫描，大多采用旋转多面镜的方式，它是由以正多角柱体的侧面为镜面的多面反射镜和使其高速旋转的电动机组合而成。 3 激光打印机的主要技术指标 激光打印机的主要技术指标是打印宽度、打印速度和清晰程度。 四静电复印机 同激光打印机相同，复印机也是利用光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式。复印机与激光打印机的主要区别是图象信息产生的方式不同。复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和光强度扫描曝光完成打印的。,激光打印机和复印机,8,光盘存储,光盘存储 一光盘存储的类型 1、记录用光盘 记录用光盘也称“写后直读型”(draw)光盘，它兼有写入和读出两种功能，并且写入后不需处理即可直接读出所记录的信息，因此可用作信息的追加记录。这类系统根据记录介质和记录方式的不同又可分为作一次写入和可擦重写两类。 2、专用再现光盘 专用再现光盘也称“只读”型(read nly)。它只能用来再现由专业工厂事先复制的光盘信息，不能由用户自行追加记录,9,二、光盘存储的特点 1) 存储密度高、容量大 2) 写入读出率高 3)存储寿命长 4)每信息位的价格最低，易复制、寿命长。 5)有随机寻址能力，随机存取时间小于60ms。 6)光盘存储是非接触写入读出，防尘耐污染，操作方便，易与计算机联机使用。 三、光盘存储的工作原理 在光盘上写入信息的装置称作光盘记录系统；,光盘存储,10,能从光盘上读出数据的装置是光盘重放系统。大多数光盘装置具有记录和重放的双重功能。 1、只读型,光盘存储,11,下图给出了光盘的截面形状。,将载有音频、视频或文件信息的调制激光束被聚焦透镜缩小成直径1 um左右的光点。高能量密度的细束激光加热光盘的记录介质表面，使局部位置发生永久性变形，这造成介质表面光学特性的二值化改变。由于光盘是旋转的，而写入头是平移的，在,光盘存储,12,光盘面上会形成轨迹为螺旋状的一系列微小凹坑或其它形式的信息记录点。这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信息数据。 在读出状态时，将照射激光束聚焦在光盘信息层上。当激光束落在光盘信息层的平坦区域时，大部分光束被反射回物镜，落在凹坑边缘的反射光因衍射作用而向两侧扩散，只有少量反射光能折回物镜。落入凹坑底部的光束由于坑深为l4 ，故反射光相位与坑上反射光相位差为12 ，由干涉理论可知，当二束光相位差为12 时，由于干涉而形成暗条纹。由此可见，当激光束全部照在光盘信息层的平坦区域时，,光盘存储,13,反射光为亮纹，而当部分激光束落到凹坑底部时，反射光为暗纹，这样，当光盘按一定的速度旋转时，来自光盘的反射激光束亮度将随光盘上凹坑的变化而变化，只要用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强，就可得到：“0”或“1”的信号。 读出数据时，与写入信息相同，光盘转动，读数头作平移运动，即合成螺旋运动。 2可擦型 同只读型类似，只是在激光束照射光盘时，使光盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生变化。 另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置。,光盘存储,14,它的基本设备也和光盘装置相类似，主要的区别在于采用的是磁性的记录介质。在细束激光的调制作用下，通过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储。在信息读出时不是检测光的反射率，而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的磁化方向。 四光盘存储系统的关键技术 光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器，它是一种超精密光电子装置。主要包括：光学系统、机械系统、伺服跟踪系统和信号处理系统。,光盘存储,15,光盘驱动器的组成框图如图4.5.23所示。,光盘存储,16,1 光学系统 (1) 激光聚束光路 (2) 写入光调制器 (3) 循迹跟踪反射镜 (4) 光电检测系统 2 机械系统 (1) 转台机构 (2) 滑板机构 (3) 光电头机构,3 控制系统 (1) 转台恒速控制系统 (2) 滑板位移控制系统 (3) 调焦控制系统 (4) 循迹跟踪系统 4 信号处理系统 (1) 写入信号处理器 (2) 读出信号处理器 (3) 控制器,光盘存储,17,18,19,20,21,22,23,24,摄像测量,摄像测量 一摄像监视 摄像监视一般采用CCD摄像头对被监视的区域成像，最后通过监视电视显示出来，也可用存储设备保存以备后用。 如将摄像头与有关控制系统或报警系统相连，则可起到防盗报警、防火报警等功能。 二摄像检测 摄像检测主要用于工业和医疗系统，可实现远距测量、非接触测量和在线测量。,25,目前，摄像检测主要应用摄像技术和计算机数字图象处理技术对被测量进行自动检测和控制。下面举例说明。 三高压容器焊缝底片缺陷的摄像测量 随着摄像测量技术和模式识别技术的发展，已研制出底片的摄像测量法，利用计算机对摄像的焊缝底片进行自动识别。其原理框图如图4.5.41所示。,摄像测量,26,1、焊缝底片图象的摄像输入 2、图象预处理,（1）灰度变换 运用全域线形变换，增强缺陷与背景的反差，使图象清晰，特征明显。,设p0(i,j)为原始图象的灰度，p1(i,j)为经过变换后的灰度。初始灰度级范围为(a,b)，变换后的灰度级范围为(a,b),则： p1(i,j)=a+(b-a)*p0(i,j)-a/(b-a) a p0(i,j)b 即将原来的(a,b)范围扩展为(a,b)范围。经灰度变换后，图象对比度增强了（见图4.5.43）。,摄像测量,27,（2） 降噪处理 降噪处理通常称为平滑或滤波。其目的在于滤除干扰，突出目标特征。对滤波处理的要求有两条：一是使图象清晰；二是不要破坏图象中的轮廓和边缘等有用信息。常用的方法分为空域法和频域法。空域法包括噪声消除法、邻域平均法、中值滤波法、掩模匹配法等。频域法有低通滤波法等。 模糊加权均值滤波器(FWA)将滤波窗内的样本看作一个模糊集A中的元素，窗内样本xi根据其样本值有不同的隶属度ui，其隶属度由模糊集的隶属函数u(di)映射而得，其中di为样本xi与滤波输出之间的差值。,摄像测量,28,这里，隶属函数u(di)的定义域为（0,+，值域为0,1的单调递减函数。当由估计器算出的估计值导出的隶属度加权均值后所得的值等于原估计值时，达到最佳估计。 具体算法描述如下： 1、设滤波输出初值y0为滤波窗内各样本的均值，由这个初值导出样本的隶属度u0i； 2、对导出的模糊隶属度u0i进行加权均值，得到新的输出y1； 3、比较y0与y1的差值是否小于预定的阈值，若小于该阈值，则迭代结束，输出为y，否则由y1导出新的模糊隶属度u1i；,摄像测量,29,依次类推，直至前后两次估计值的差小于阈值。 本算法中取模糊隶属函数u(xi)=exp(-(xi-y)2/)，其中，y为滤波输出，为尺度参数。决定着模糊集的形状，实验证明，当在5000左右时，能够比较好的满足要求。降噪处理后的图象如图4.5.44所示。,3、图象分割 图象分割方法中的阈值化因易于实现、计算量小、性能较稳定而被广泛使用。,摄像测量,30,这里，采用单一阈值。设f(i,j) 为原图象的灰度值，g(i,j)为阈值图象的灰度值，T为阈值，则：,由此可见，T的选择很重要。若阈值选的过低，会将目标物体的像素误归为背景；若阈值选的过高，背景难以去除。 阈值选取方法很多，经过实验，采用一种基于二维灰度直方图Fisher线形分割的图象分割方法。,摄像测量,31,具体算法如下：,平均灰度直方图。 （2）对邻域平均灰度直方图，用改进的Otsu法，得到阈值T。 Reddi利用梯度概念，改进了Otsu法。其算法如下：,平均值，c为迭代次数，h(l)是各灰度级出现的频数； 2）计算梯度ec = m(0,kc)+m(kc,255)/2-kc ；,摄像测量,32,3）判断是否满足ec，若满足则转至6），否则继续； 4）令kc+1= kc + ec; 5）令c=c+1，转至2）； 6）输出kc作为阈值。,(3) 对图象进行阈值化 图象中，灰度值大于阈值的像素置为白，小于阈值的像素不变。阈值化之后目标物体与背景分离。图4.5.45是气孔缺陷经过图象分割后得到的阈值图象，该图象分割的阈值取123。,摄像测量,33,4 缺陷识别 焊缝缺陷主要有五类：圆形缺陷(包括球状气孔、点渣等)，裂纹，未熔合，未焊透，条状夹渣。 利用标记法对阈值化的图象进行标记目标物体，可得到物体个数，即缺陷个数。此时， 须对缺陷先进行人工判别，因为要区分单个缺陷和成组缺陷。然后再对每个缺陷进行参数确定和特征提取。 （一）轮廓跟踪 设背景像素值为0，物体像素值为1。下面给出轮廓跟踪算法： (1) 利用水平扫描法得到轮廓跟踪的初始点，其坐标为(start-x, start-y)，设它为x1； (2) 搜索第2个轮廓点，设它为x2；,摄像测量,34,先判断起始点的4邻域中0像素的位置。当下邻点为0，令n=6；当下邻点不为0，左邻点为0，令n=4；当下、左邻点都不为0，上邻点为0，令n=2；当下、左、上邻点都不为0，右邻点为0，令n=0； 从n位置出发，逆时针方向搜索1像素，最早找到的1像素即是第2个点，计下该点的链码值，并算出其坐标。 (3) 搜索第3个点及以后的点； 设第3个点为x3，若x2相对于x1的链码值为偶数，则搜索x3的起始位置n=(x2的链码值+7)%8; 若x2相对于x1的链码值为奇数，则搜索x3的起始位置n=(x2的链码值+6)%8，其中%表示模运算。由起始位置逆时针搜索1像素。以后点的搜索方法同第3点。 (4) 当搜索到的点的坐标与(start-x, start-y)相同时，表示一个轮廓跟踪已完成。,摄像测量,35,（二） 选取参数 面积S 周长L 等效面积S/L 长径A和短径B (5) 等效链码方向像素分布N0N3：NO为链码值为0和4的像素个数之和与总像素之比，N1为链码值为2和6的像素个数之和与总像素之比, N2为链码值为1和5的像素个数之和与总像素之比，N3为链码值为3和7的像素个数之和与总像素之比。 (6) 圆形度M,摄像测量,36,（三）模式识别 根据大量底片图象样本，由上述参数进行数据分析，建立识别模式。 (1) 长宽比3的是圆形缺陷，其中圆形度15.5，判为点渣；圆形度15.5，是球状气孔，若不满足进行(2)； (2) 等效面积0. 1，是裂缝，若不满足进行(3)； (3) 等效链码方向像素分布N00.8，判为未焊透，若不满足进行(4)； (4) 再