（光学专业论文）牛顿环计算机测量系统的研究与设计.pdf

一 摘要 牛顿环是典型的等厚干涉现象，在实际的生产生活中的应用十分广泛，它可以用来 测量光波波长、透镜的曲率半径、检验表面的光洁度、平面度和研究零件内部应力的分 布等物理量。传统的人工牛顿环测量成本高，耗时长，且误差大，不便于长时间的连续 观测，并且对图像信息没法存储。基于人工牛顿坏测量存在的诸多问题，本文提出了一 种全新的数字图像处理技术的计算机测量牛顿环的方法。在本文中，我们采用c c d 图 像采集系统代替人眼作为接收器，并加入中继透镜用以扩大视场。深入研究了数字图像 处理、测量与识别方法。主要包括图像信息的提取、图像信息的二值化与平滑处理、图 像增强与清晰处理、分割等处理，并在此基础上，通过自主编写的程序，完成对牛顿坏 直径的测量以及得到被待测透镜曲率半径。最终，我们以w i n d o w sx p 为操作平台采用 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d ic + + 6 0 等工具丌发出了牛顿环测量系统，完成了整套系统的软 件设计。实验证明，该系统具有识别精度高及速度快等优点。实现了传统实验与现代计 算机的有机结合，使传统的物理实验趋于现代化，在物理实验教学方面具有一定的实用 价值。 关键词：牛顿坏c c d 数字图像处理曲率半径 r a b s t r a c t n e w t o n sr i n g si sat y p i c a lt h i c k n e s si n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o n ，i t h a sb e e n w i d e l ya p p l i e di n t h ea c t u a lp r o d u c t i o na n dl i f e ，i t c a nb eu s e dt om e a s u r e w a v e l e n 础o fl i g h ta n dc u r v a t u r er a d i u so f l e n s ，t oc h e c k o u tt h es u r f a c et l n l s h 、 f l a t n e s sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f i n t e r i o rs t r e s s t r a d i t i o n a lm a n u a lm e a s u r e m e n t h a sah i g hc o s t ，l o n gt i m ea n db i ge r r o r , i ti s n o te a s yt ol o n gc o n t l n u o u s o b s e r v a t i o n ，a n di t c a nn o ts t o r et h ei m a g ei n f o r m a t i o n b a s e d o nm a n y p r o b l e m si n m a n u a lm e a s u r e m e n to fn e w t o n sr i n g s ，a n e wd i 9 1 t a l l m a g e p r o c e s s i n gm e t h o dw i t hc o m p u t e r i sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , c c di m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e mi su s e da sar e c e i v e rt or e p l a c et h eh u m a n e y e s ，a d d i n gt h e r e l a y1 e n st oe x p a n dt h ev i e wf i e l d a tt h es a m et i m e ，d i g i t a li m a g e p r o c e s s m g ， m e a s u r e m e n ta n di d e n t i f i c a t i o na r ed e e p l ys t u d i e d i tm a i n l yi n c l u d e sp i c k i n g u pi m a g ei n f o r m a t i o n ，b i n a r ya n ds m o o t h i n g ，e n h a n c e m e n t a n dc l e a rp r o c e s s m g ， a n di m a g es e g m e n t a t i o n o nt h i sb a s i s ， m e a s u r e m e n to fn e 砒o n sr m g s d i a m e t e ra n dt h el e n sc u r v a t u r er a d i u sc a nb ec o m p l e t e dw i t hi n d e p e n d e n t p r o g r a m f i n a l l y , am e a s u r e m e n ts y s t e mo nn e w t o n sr i n g i sd e v e l o p e dw l t h w i n d o w sx pa so p e r a t i n gp l a t f o r ma n d m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i oc + + 6 oa ss o r t 0 0 1 e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e m h a sh i g ha c c u r a c ya n ds p e e d ，w h l c n r e a l i z et h ec o m b i n a t i o no ft r a d i t i o n a le x p e r i m e n ta n dm o d e mc o m p u t e r , a n d m o d e m i z et h et r a d i t i o n a lp h y s i c se x p e r i m e n t s ，s h o wag r e a tp r a c t i c a lv a l u e o n p h y s i c se x p e r i m e n t st e a c h i n g k e vw o r d s ：n e 讯o n sr i n g s ，c c d ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，c u r v a t u r er a d i u s i v 目录 第1 章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 1 1 牛顿环的发展及应用1 1 1 2 牛顿环的应用：2 1 2 图像处理技术的发展状况3 1 2 1 图像处理的研究内容3 1 2 2 数字图像处理的应用4 1 3 本文研究的内容6 第2 章牛顿环测量系统的组成及其原理9 2 1 牛顿环原理9 2 2 系统的光路设计1 0 2 3c c d 图像采集系统设计1 1 2 3 1c c d 视频相机1 1 2 3 2 图像采集卡1 l 2 4 系统中软件部分的总体设计思路1 3 2 4 1 总体设计框架图1 4 2 5 牛顿环计算机测量软件介绍1 4 2 6 牛顿环测量系统硬件构成1 6 2 7 本章小结1 7 第3 章牛顿环图像的图像预处理技术研究1 9 3 1 图像的降噪1 9 3 1 1 空间域滤波方法1 9 3 2 图像的增强技术2 3 3 2 1 图像的直方图2 3 3 2 2 直方图均衡2 4 3 2 3 图像的灰度变换2 6 3 3 图像锐化2 8 3 4 边缘检测3 0 3 4 1 图像的边缘3 0 3 4 2 基于s u s a n 算子的边缘提取3 1 v 3 5 本章小结3 4 第4 章牛顿环的参数测量3 7 4 1 基于区域特性的参数测量3 7 4 1 1 连通区域3 7 4 1 2 对连通区域的标号处理3 7 4 1 3 通过标号处理计算牛顿环的数目3 8 4 1 4 连通区域的参数选择3 9 4 1 5 特征参数的计算3 9 4 2 基于投影算法的参数测量4 0 4 2 1 测量原理4 0 4 2 2 牛顿环个数及直径的测量4 1 4 2 曲率半径的计算4 3 4 3 结果分析：4 4 第5 章总结与展望4 5 5 1 本文主要完成的研究工作：4 5 5 2 文章主要创新点4 5 5 3 展望4 5 参考文献4 7 致谢5 1 研究生期间发表论文5 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 传统的牛环实验使用读数显微镜对干涉环进行测量，从而得到透镜的曲率半径【l 】。 由于读数显微镜视场范围较小，要实现精确的测量，一般需要测量几十环的直径。因此，观 测者在对环计数的过程中，容易由于视力疲劳引起条纹计数错误，而且如果测量过程中出 现干扰，还会造成“回程误差”。针对当前牛顿环试验测量设备的种种不足，目前计算机 和c c d 在物理学实验中被广泛应用。 随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，光学测量的技术发生巨大变化。通过引入 光电技术、数字显示、自动记录、自动测量等先进技术，极大地提高了光学测量的精度 和效率，为光学精密测量技术丌辟了广阔的发展前景。在光学测量技术中，曲率半径的 测量具有着重要的应用价值。由于计算机的迅猛发展使得计算机控制下的测量变的高 效、灵活。并且应用于多个领域，如果将此应用于大学物理实验，特别是光学测量，会 使得实验误差大大降低，得到较为准确的数据。 曲率半径是决定光学特性的重要参量，它是光学冷加工过程中衡量光学元器件加工 质量的一项重要指标。测量透镜的曲率半径，可以审核光学元件设计和制造质量，以便 进一步进行深加工，使光学元件达到更高的精度。人们研制了各种曲率半径测量仪器， 大部分是传统常规的目视仪器，检测效率相对低，不能实时保存测量的数据，自动化程 度不高，精度受限。本文所研究的计算机牛顿环测量仪能够实时的存储测量所需要的数 据【2 】【3 】。 1 1 1 牛顿环的发展及应用 从物理光学上来讲，牛顿环是一种薄膜干涉现象。当用一个曲率半径很大的凸透 镜的凸面和一平面玻璃接触，在日光下或用白光照射时，可以看到接触点为一暗 点，其周围为一些明暗相问的彩色圆环；而用单色光照射时，则表现为一些明暗 相问的单色圆圈。这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。 它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。牛顿环的示意 图( 图1 1 ) ， 牛顿环计算机测餐系统的研究与设计 a a lt 惑 r 1 ； 厂毒 7 孑。鲤每 上 、g 2q毒掌 掌、 b 图1 1 牛顿环示意图 f i g1 1n e w t o n sr i n g ss c h e m a t i cd i a g r a m 图1 1 b 为平面玻璃，a 为平凸透镜，其与平面玻璃的接触点为o ，在o 点的 四周则是平面玻璃与凸透镜所央的空气气隙。 当平行单色光垂直入射于凸透镜的平表面时。在空气气隙的上下两表面所引起 的反射光线形成相干光。光线在气隙上下表面反射( 一是在光疏媒质面上反射， 一是在光密媒质面上反射) ，两束反射光发生干涉。牛顿在1 6 7 5 年首先观察到这 一现象，他将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，用单色光照射 透镜与玻璃板，从而观察到一些明暗相间的同心圆环。在实际观测到的牛顿环中， 圆环分布是中间疏、边缘密，圆心在接触点o 。从反射光方向上，看到的牛顿环 中心是暗的，从透射光方向上，看到的牛顿环中心是明的。若用白光入射，则将 观察到彩色圆环。 1 1 2 牛顿环的应用 牛顿环的应用除了本文重点研究测量透镜的曲率半径以外，其它的应用： 1 ) 光学器件表面质地检验。 将标准件盖在待测件上，用单色光照射，若不出现牛顿环表明两者密合，即 待测件与标准件的曲率相同，若出现牛顿环，则表明被测工件曲率半径不同于标准 值。如果出现牛顿环，且牛顿环不为圆形，则表明被测件曲率不均匀。通过观测牛 顿环可以判断待测件的优劣，对其进行精密加工。 2 ) 透镜表面凸凹的判断 利用牛顿环干涉现象可以有效地判断透镜表面的凸凹情况将待测表面置于一 平面标准件上，然后对上面的待测透镜轻轻施压，观察牛顿环图样的变化：若中心 2 第l 章绪论 有环涌出，各环半径向边缘扩散，则透镜待测表面为凸面，这是因为在施压时空气 膜厚度减小，牛顿环的半径相应增加：同理，若观察到中心有环淹没，各环半径向中 心收缩，则透镜待测表面为凹面。 3 ) 牛顿环测液体的折射率 利用牛顿环的对比法可以测的液体的折射率。在牛顿环装置中加入液体后看 到的条纹半径比空气膜的要小，而且随着液体折射率的增大，条纹半径也会随之 变大。根据对计算结果的分析可以得出加入液体的折射率，用该方法计算出水的 折射率与理论值相比较为准确，相对偏差最小，仅0 7 4 。所以可以采用这种方法 测量任何液体折射率，该方法调节步骤简单，测量结果准确，可以广泛应用于生 产实践中。 1 2 图像处理技术的发展状况 1 2 1 图像处理的研究内容 图像处理一般指数字图像处理。数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代， 采用数字压缩技术，通过海底电缆从英国伦敦传输了一幅照片到美国纽约。2 0 世 纪的5 0 年代人们开始对数字图像处理技术进行系统的研究。1 9 6 4 年，美国加利福 尼亚的喷气推进实验室使用数字计算机，处理太空船“旅行者7 号”发回的月球照 片，这是数字图像处理的的个重要的里程碑，到2 0 世纪的7 0 年代，数字图像 已经形成较完善的学科体系，并成为一本独立的新学科1 4 l 。 数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： 1 ) 图像变换由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。 因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变 换等间接处理技术，将空问域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而 且可获得更有效的处理( 如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理) 。目前新 兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也 有着广泛而有效的应用。 2 ) 图像编码压缩图像编码日i 缩技术可减少描述图像的数据量( 即比特数) ， 以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的 前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法， 它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。 3 ) 图像增强和复原图像、增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除 噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感 3 牛顿环计算机测鼍系统的研究与设计 兴趣的部分。强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；强化低 频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解， 一般讲应根据降质过程建立”降质模型”，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来 的图像。 4 ) 图像分割、图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图 像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这 是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前己研究出不少边缘提取、 区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像 分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。 5 ) 图像描述、图像描述是图像识别和理解的必要f j i 提。作为最简单的二值图 像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述， 它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描 述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了 体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 6 ) 图像分类( 识别) 图像分类( 识别) 属于模式识别的范畴，其主要内容是 图像经过某些预处理( 增强、复原、压缩) 后，进行图像分割和特征提取，从而 进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法( 结 构) 模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图 像识别中也越来越受到重视。 自2 0 世纪6 0 年代第三代数字计算机问世以后，数字图像处理技术出现了空前 的发展，在该领域中需要进一步研究的问题主要有如下五个方面： 1 ) 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题； 2 ) 加强软件研究，开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技 术和研究成果，创造新的处理方法； 3 ) 加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展； 4 ) 加强理论研究，逐步形成处理科学自身的理论体系； 5 ) 注意图像处理领域的标准化问题。 1 2 2 数字图像处理的应用 目前，数字图像处理的应用领域涉及到人类生活和工作的方方面面。随着 人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大睛3 。 1 ) 航天和航空技术方面的应用数字图像处理技术的应用，对月球、火星照片 4 第1 章绪论 的处理之外，另一应用是在飞机遥感和卫星遥感技术中。在气象预报和对太空其 它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。 2 ) 生物医学工程方面的应用数字图像处理在生物医学工程方面的应用十分广 泛，而且很有成效。除了c t 技术之外，还有一类是对医用显微图像的处理分析， 如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别等。此外，在x 光肺部图像增 晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学渗断方面都广泛地 应用图像处理技术。 3 ) 通信工程方面的应用当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据 结合的多媒体通信。具体地讲是将电话、电视和计算机以三网合一的方式在数字 通信网上传输。目前国内外下在大力开发研究新的编码方法，如分行编码、自适 应网络编码、小波变换图像压缩编码等。 4 ) 工业和工程方面的应用在工业和工程领域中图像处理技术有着广泛的应 用，如自动装配线中检测零件的质量、并对零件进行分类，印刷电路板疵病检查， 弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分 拣，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进的设计 和制造技术中采用工业视觉等等。 5 ) 军事公安方面的应用在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确木制 导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统， 飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；公安业务图片的判读分析，指纹识别，人脸 鉴别，不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速 公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别都是图像处理技术成功应用 的例子。 6 ) 文化艺术方面的应用目前这类应用有电视画面的数字编辑，动画的制作， 电子图像游戏，纺织工艺品设计，服装设计与制作，发型设计，文物资料照片的 复制和修复，运动员动作分析和评分等等，现在已逐渐形成一门新的艺术一计算 机美术。 7 ) 机器人视觉：机器视觉作为智能机器人的重要感觉器官，主要进行三维景物 理解和识别，是目前处于研究之中的丌放课题。机器视觉主要用于军事侦察、危险 环境的自主机器人，邮政、医院和家庭服务的智能机器人，装配线工件识别、定位， 太空机器人的自动操作等。 8 ) 视频和多媒体系统：目前，电视制作系统广泛使用的图像处理、变换、合成， 牛顿环计算机测越系统的研究与设计 多媒体系统中静止图像和动态图像的采集、压缩、处理、存贮和传输等。 9 ) 科学可视化：图像处理和图形学紧密结合，形成了科学研究各个领域新型的 研究工具。 1 0 ) 电子商务：在当前呼声甚高的电子商务中，图像处理技术也大有可为，如身 份认证、产品防伪、水印技术等。 总之，图像处理技术应用领域相当广泛，已在国家安全、经济发展、日常生活 中充当越来越重要的角色，对国计民生的作用不可低估。 数字图像处理的应用领域阳3 ： 1 ) 分析图像、改进图像 2 ) 机器自动理解、存储、传输、显示 图像处理技术未来发展大致可归纳为： 1 ) 图像处理的发展将围绕h d t v ( 高清晰度电视) 的研制，丌展实时图像处理的 理论及技术研究，向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发 展。 2 ) 图像、图形相结合，朝着三维成像或多维成像的方向发展。 3 ) 硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在芯片上，使之更便于应用。 4 ) 新理论与新算法研究。在图像处理领域，近几年来，引入了一些新的理论并提 出了一些新的算法，如小波分析( w a v e l e t ) 、分形几何( f r a c t a l ) 、形态学 ( m o r p h o l o g y ) 、遗传算法( g a ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 、人工神经网络等( a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k s ) 。这些理论及建立在其上的算法， 将会成为今后图像处理理论与技 术的研究热点。 1 3 本文研究的内容 牛顿环实验是大学物理实验教学中的基本实验。传统的牛顿环实验仪是通过读数显 微镜对牛顿环干涉条纹进行测量，进而计算出待测透镜的曲率半径。实验中，为了提高测 量的准确度，一般需要测到4 0 环的半径或直径( 待测孔径为l o m m 以上) 。因此观测者在 计数的过程中很容易由于视力疲劳引起条纹记数错误，而且如果中途出现碰撞、振动等干 扰还会造成记数失败。这些往往是实验者花费较长实验时间和出现人为测量误差的主要 原因。另一方面，由于读数显微镜视场范围小，无法看见牛顿坏干涉图样的全景，所以对实 验教学而言，直观性较差。 针对以上种种不足，我们利用计算机技术结合c c d 成像技术，将读数显微镜中的 观测到的牛顿环条纹直接采集到计算机上，并利用自主研发的程序，对采集到得图像数 据进行处理【7 1 1 8 1 。从而可精确的计算出待测透镜的曲率半径等大家所关注的参数。 6 第1 章绪论 本文的重点需要解决的问题主要来源于以下几个方面： 1 设计基于c c d 相机的牛顿环图像采集系统。 2 对各种图像预处理技术进行研究并提出适合本课题的算法。 3 对牛顿坏图像进行处理，并设计测量特征参数的算法。 第2 章牛顿环测量系统的组成及其原理 第2 章牛顿环测量系统的组成及其原理 牛顿环计算机测量系统主要由硬件部分和软件部分两大部分组成。其中，硬件部分 包括光路系统和c c d 图像采集系统。软件部分主要根据测量流程设计各个模块，以实现 对图象的采集、处理和参数测量的功能。 2 1 牛顿环原理 利用透明薄膜上下表面对入射光的依次反射，入射光的振幅将分解成有一定光程差 的几个部分，这是获得相干光的重要途径，若两束反射光在相遇时的光程差取决于产生 的反射光的薄膜厚度，则同一干涉条纹所对应的薄膜厚度相同，即等厚干涉。当以平行 单色光垂直入射时，入射光将在此薄膜上下表面的反射，产生具有一定光程差的两束相 干光，显然，他们的干涉图像是以接触点为中心的一系列的同心圆环牛顿环( 图1 1 ) 。 由牛顿环的光路分析可知，与第k 级条纹对应的两束相干光的光程差为 ， 瓯= 2 + 芸 ( 2 1 ) 式中害是因为光线有光疏介质进入到光密介质在反射时有一相位为万的改变，因而引起 的附加的光程差。有图1 1 可知 ( r 为凸透镜半径长度，d 为空气层薄膜厚度，r 为环所在的半径) 因为r d ，则可以略去二级小量d 2 。所以得 p 2 d = 二_ 一 2 r ( 忽略d z ) ( 2 2 ) 上式表明d 与，一2 成正比，说明离中心越远，光程差增加越快，干涉条纹越来越密。入 射光是垂直入射到牛顿环，计算光程差需要充分的考虑光波在平面玻璃上 反射会有半波损失，因而带来州2 的附加光程差 9 牛顿环计算机测鼙系统的研究与设计 暗环产生的条件： ：2 d + 曼 2 = ( 2 k + 1 ) 害 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中k = 0 ，1 ，2 ，3 为干涉暗条纹的级数，暗环为例，由( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可得出k 级暗环的半径为： 咤= ；c 鼢 t 辫一露= m r 3 ( 2 5 ) (2 6 ) 可见穗。一彳与空气的厚度无关。又因为暗环圆心不易确定，故取暗环的直径替换，得 d 玉麓一d ；4 脚戤 式子中d 。、d 。+ 。分别表示是第k 、k + m 暗环的直径。这样可以计算得凸透镜半径长度r r ；里乙二盟 4 m 3 , 2 2 系统的光路设计 牛顿环计算机测量仪的光路如图( 2 - 1 ) 本测量系统的所用光源为钠光灯( 入= 5 8 9 3n m ) ， ，经过半反半透的玻璃m ，反射，反射光 通过牛顿环装置，经平凸透镜的下表面 的反射光与平板玻璃上表面的反射光透 过m ，在m 正上方是读数显微镜，读数 显微镜的目镜上采用高性能c c d 采集牛顿环图片。 1 0 光 源 ( 2 7 ) 光学平板玻璃 图2 1 牛顿环测量仪光路图 f i g2 1n e w t o n sr i n gs o p t i c a ip a t h 第2 章牛顿环测量系统的组成及其原理 2 3c c d 图像采集系统设计 本系统是要用c c d 相机代替人眼作为接收器，能够实现对牛顿环图像的采集和处 理。 2 3 1c c d 视频相机 在图像传感器中，应用最为广泛是c c d 图像传感器。c c d 图像传感器分为线阵和 面阵两大类。c c d ( 电荷耦合器件) 摄像机将可视图像的模拟信号进行采集并输入到图 像采集卡进行a d 转换，得到数字信号，再输入计算机进行图像处理。视频相机的选 择要考虑分辨率、灵敏度、动态范围、信噪比等性能，随着c c d ( 电荷耦合器件) 相机性 能的提高和价格的下降，为了提高成像系统性能、稳定性和寿命的c c d 视频摄像机成 为首选。 2 3 2 图像采集卡 图像采集卡具有图像数据采集和处理功能。图像采集卡是图像采集部分和图像处理 部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图象并输入、存储到帧存储器的过程， 叫做采集。由于图像信号的传输需要很高的传输速度，通用的传输接口不能满足要求， 因此需要图像采集卡。图像采集卡还提供数字i o 的功能。由于通过高速p c i 总线可实 现直接采集图象到v g a 显存或主机系统内存，这不仅可以使图象直接采集到v g a ，实 现单屏工作方式，而且可以利用计算机内存的可扩展性，实现所需数量的序列图象逐帧 连续采集，进行序列图象处理分析。此外，由于图象可直接采集到主机内存，图象处理 可直接在内存中进行，因此图象处理的速度随c p u 速度的不断提高而得到提高，因而 使得对主机内存的图象进行并行实时处理成为可能。当图像采集卡的信号输入速率较高 时，需要考虑图像采集卡与图像处理系统之间的带宽问题。在使用计算机时，图像采集 卡采用p c i 接口的理论带宽峰值为1 3 2 m b s 。在实际使用中，p c i 接口的平均传输速率 为5 0 9 0 m b s ，有可能在传输瞬间不能满足高传输率的要求。为了避免与其他p c i 设 备产生冲突时丢失数据，图像采集卡上应有数据缓存。一般情况下，2 m b 的板载存储 器可以满足大部分的任务要求。图像采集卡安装在计算机中，主要作用是进行a d 转 换，将成像系统采集来的模拟信号转换为能被计算机识别的数字信号成为数字图像。并 通过计算机对数字图像进行各种处理，如：预处理、分割和特征提取等等，并可进行数 字图像的存储、显示。在测试系统中，根据视频相机的像素数、制式等，选用加拿大生 产的m a t r o xc r o n o s p l u s 采集卡。如图2 2 所示为m a t r o xc r o n o s p l u s 采集卡 l l 牛顿环计算机测量系统的研究与设计 图2 2m a t r o xc r o n o s p l u s 采集卡 f i g2 2m a t r o xc r o n o s p l u sv i d e u m i ib r o a d c a s t e r m a t r o xc r o n o s p l u s 是一种价格很低的采集卡，由于采用了高级的通用集成 芯片，对于标准模拟黑白彩色视频采集来说具有较高的性价比，它可以将采集到 的图像传输到系统( 主c p u ) 进行处理和显存( 显卡) 以实时活动视频窗口进行 显示。其视频图像可以在被传输到主系统或显示之前被实时格式化。 该卡是基于p c i 总线的黑白图像采集卡，视频模拟信号经过滤波、放大、a d 转换 后，通过p c i 总线传到计算机的内存。 该卡的主要特点有： ( 1 ) 、p c 视频采集卡； ( 2 ) 、采集n t s c ，p a l ，r s 1 7 0 和c c i r 视频信号； ( 3 ) 、连接4 路c v b s 或l 路y c 输入； ( 4 ) 、7 路t t l 辅助i o s l ； ( 5 ) 、3 2 b i t 3 3 m h zp c i 总线主模式； ( 6 ) 、帧图像大小：7 6 8 x 5 7 6 ； ( 7 ) 、图像亮度等级：8 位； ( 8 ) 、a d 转换频率：4 m h z 6 5 m h z ； ( 9 ) 、工作温度：0 0 c 5 5 0 c ( 3 2 0 f 1 3 l o f ) 。 m a t r o xc r o n o s p l u s 采集卡图表如图2 3 所示： 1 2 第2 章牛顿环测量系统的组成及其原理 b n c - i - - d b 2 5 图2 3m a t r o xc r o n o s p l u s 采集卡图表 f i g2 3m a t r o xc r o n o s p l u sv i d e u m i ib r o a d c a s t e rc h a n 2 4 系统中软件部分的总体设计思路 本系统测试的整个测试过程离不开软件系统的支持，根据图像特征检测的流程，本 系统软件主要设计四大模块，包括图像采集模块，数据库模块，图像处理与分析模块，。 参数测量模块。首先进行图像采集，采集到图像存入到计算机内存中然后进行处理；图 像分析处理主要包括了：图像降噪、灰度变换、边缘检测、图像锐化等功能。参数测量 模块主要根据需要完成牛顿环直径和透镜曲率半径测量等功能。参数可以直接存入数据 库。数据库采用了s q l s e v e r 2 0 0 0 和a d o 接口技术进行设计。 本测量软件的编程是基于模块化软件设计的思想，模块化的软件设计就是把程序划 分为可独立命名且可以独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集合起 来构成一个完整的整体。这样做的优点是可以把复杂的问题降解为解决一系列简单的问 题，系统是实现模块功能的函数和过程的集合，结构清晰、可读性好，是提高软件开发 质量的一种有效手段。 牛顿环计算机测量系统的研究与设计 2 4 1 总体设计框架图 图2 4 总体框架图 f i g2 4f r a m e w o r km a p 2 5 牛顿环计算机测量软件介绍 基于图像处理的牛顿环测量系统结合最传统的光学显微镜与最新数码成像设备，通 过数字图像处理，可以方便的保存图像，测量图像中相关参数并保存到计算机。对老仪 器的改造更是传统科研和光学测试手段的升级。通过对图像处理软件的研究。结合本文 的实际应用，利用v i s u a lc + + 语言开发的基于图像处理的牛顿环测量系统。软件的主 界面如图( 2 5 ) 。本测量系统的主菜单包括i ( 图2 6 ) 驱动c c d 摄像头，图像预处理， 图像边缘检测，图像参数的测量。图像预处理：图像的灰度变化、直方图均衡化、图像 的中值滤波、均值滤波。图像边缘检n - s o b e l 算子、r o b e r t s 算子、l o g ( l a p l a c i a no f g a u s s i a n ) 算子、c a n n y 算子和s u s a n 算子。 1 4 第2 章牛顿环测鼙系统的组成及其原理 图2 - 5 牛顿环测量系统 f i g2 5e e w t o n sr i n g sm e a s u r e m e n ts y s t e m 图2 - 6 牛顿环测量软件主要功能图 f i g2 6n e w t o n sr i n g sm e a s u r e m e n ts y s t e mf u n c t i o nc h a r t 牛顿环测量软件 1 系统丌发环境及实际功能 1 ) 软件丌发环境 w i c r o s o f tw i n d o w sx p v i s u a lc + + 2 ) 软件环境 l5 牛顿环计算机测餐系统的研究与设计 i n t e rc p u2 4 0 内存1 0 0 g 2 软件实现的主要功能 1 ) 驱动c c d 摄像机、图像的采集、存储。 2 ) 图像预处理：图像降噪、图像增强、图像分割。 3 ) 图像边缘检测：s o b e l 算子、r o b e r t s 算子、l o g 算子、c a n n y 算子和s u s a n 算 子。 4 ) 牛顿环参数测量：基于形态学的牛顿环测量、手动测量、基于投影算法的牛顿 环测量；曲率半径的计算。 2 6 牛顿环测量系统硬件构成 计算机牛顿环测量系统由光源( 钠光) 、牛顿环、读数显微镜、u s b 显微镜摄像头、 计算机组成。牛顿环测试系统的拓扑结构框图如2 。7 所示。本实验测试系统实验装置图 如图2 8 所示。 囡一囡 图2 - 7 牛顿环测量系统结构框图 f i g2 7n e w t o n sr i n g sm e a s u m m e ms y s t e md i a g r a m 测试系统的中钠光灯的的主要是产生黄色单色光，主要的技术参数：钠光波长：5 8 9 纳米和5 8 9 6 纳米两种，波长平均值为5 8 9 3 纳米。 读数显微镜是目前高等院校用于基础实验的必备仪器。操作方面，用途广泛可以完 成长度的测量、也可作观察使用，扩大一般读数显微镜的使用范围，可根据不同使用要 求在不同的方向上测量及观察。显微镜可置水平和垂直位置，能搭成各种测试装置。它 的主要参数： 型号：j c d 测量范围： 纵向5 0 毫米，最小读数值0 0 1 毫米；升降方向4 0 毫米，最小读数值0 1 毫米 测量精度：纵向测量精度为0 0 2 毫米 显微镜放大倍数：3 0 显微镜工作距离：5 4 0 6 毫米 1 6 第2 章牛顿环测量系统的组成及其原理 u s b 显微镜摄像头具有2 o u s b 输出功能，实现与计算机数据对接，可对标本拍照和 u s b 2 0 标准输出，色彩还原性好，图像色彩丰富、逼真。分辨率高，图像质量好， 体积小，外观精致。采用5 v 供电，功耗小。它的主要技术参数： 数据输出：u s b2 0 传感器：1 4 c m o s 静态像素：3 0 0 万像素 最大分辨率：2 0 4 8 1 5 3 6 帧速率：c i f3 0 帧秒，v g a1 5 帧秒 视场线值比： 6 0 视场清晰范围： 6 0 视场中心偏移量： 1 5 的显示视场 数据格式：r g b2 4 色彩：m a x1 6 4m i l l i o n2 4 b i tc o l o r 视频模式：1 2 8 0 1 0 2 4 光谱响应：4 0 0 h m 1 0 0 0 n m 灵敏度：0 8 v l u x s e c 5 5 0 n m 动态范围： 7 2 d b 白平衡：a u t o m a t i co rm a n u 电源：p cu s b2 0p o r t 图2 - 8 牛顿环测量实验装置 f i g2 8n e w t o n sr i n g sm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 7 本章小结 本章主要介绍了牛顿环形成的原理、牛顿环测试系统的光路设计、c c d 图像采集、 系统中软件部分的设汁、总体框架图和软件的主界面及牛顿环测试仪装置图。为后续章 节奠定基础。 1 7 牛顿环计算机测量系统的研究与设计 1 8 第3 章牛顿环图像的图像预处理技术研究 第3 章牛顿环图像的图像预处理技术研究 c c d 采集系统本身存在着多种降质因素，如光电转换过程中敏感元件灵敏度的不 均匀性；数字化过程的量化噪声；传输过程中的误差及人为因素等，均会存在着一定程 度的噪声干扰噪声恶化了图像质量，使得图像模糊、甚至特征淹没，给分析带来困难。 实际得到图像具有对比度不高、边缘模糊、图像噪声多、存在较大的背景起伏等特点， 不便于直接进行处理。因此，对检测系统取得的图像，必需进行适当的预处理。预处理 的目的是采用一系列技术改善图像的视觉效果或将图像转换成一种更适合于人眼观察 或计算机进行分析处理的形式，主要是指按需要对图像进行适当的变换突出某些有用的 信息，去除或削弱无用的信息。在本系统中，进行图像预处理，就是要去除噪声干扰和 突出目标，以便于进一步进行分析。故此，本章有针对性的对各种图像平滑和图像增强 以及其他预处理技术进行了研究，并进行了大量的实验，力图得出适用于牛顿环图象的 预处理的方法。 3 1 图像的降噪 c c d 采集的图像中存在着大量的随机噪声以及光电转换过程中敏感元件灵敏度的不 均匀性、数字化过程的量化噪声、传输过程中的误差及人为因素等，均会存在着一定程 度的噪声干扰。于是导致图像分辨率下降，与周围背景区域的空间对比度下降，消除图 像噪声的工作称之为图像平滑。平滑的主要目的就是减少噪声【4 5 i 和消除图像中的噪声， 以改善图像质量，有利于抽取对象特征进行分析。 3 1 1 空间域滤波方法 空问域滤波是图像处理中常用的方法之一，它是通过一个称为模板的子图像在待处 理的图像中逐点地移动，在每一点处，滤波器在该点的响应通过事先定义的关系来计算。 在滤波器子图像中的值是系数值，而不是像素值。空间域滤波具有运算速度快的优势， 选取合适的方法也能够达到很好的去噪效果。 l 中值滤波降噪 中值滤波是一种局部平滑技术，它是一种非线性的信号处理方法，与其对应的中值 滤波器也是一种非线性的滤波器。由于它在实际运算的过程中并不需要图像的统计特 1 9 牛顿环计算机测量系统的研究与设计 性，所以使用比较方便。中值滤波器是在1 9 7 1 年由j m j u 忌e y 首先提出并应用在一维信 号处理技术中( 时间序列分析) ，后来被二维图像信号处理技术所引用。一般来说，二 维中值滤波比一维中值滤波更能抑制噪声。二维中值滤波器的窗口形式有线性、方形、 十字形、圆形和菱形等，不同形状的窗口产生不同的滤波效果，使用中必须根据图像的 内容和不同的要求加以选择。由经验可知：对于有缓变的较长轮廓物体的图像，采用方 形或者圆形窗口比较合适；对于包含有尖顶角物体的图像，则适宜采用十字形窗口。使 用二维中值滤波器值得注意的就是保持物体图像中的有效地细线状物体。二维中值在一 定的条件下，可以克服线性滤波器如最小均方滤波、平均值滤波等所带来的图像细节模 糊，而且对滤波脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效。特别适合用在很强的胡椒粉式或脉 冲式的干扰时，因为这些干扰值与其邻近像素的灰度值有很大的差异，因此经排序后取 中值的结果是强迫将此干扰变成与其邻近的某些像素的灰度值一样，达到去除干扰的效 果。中值滤波目的只是把干扰去掉，而不是刻意让图像模糊。 一般地，设有一个一维序列石， ，六，六，取该窗口长度( 点数) 为脚( m 为奇 数) ，对一维序列进行中值滤波，就是从序列中相继抽取m 个数 z 州，小z ，z + ，z + ，；其中z 为窗口的中心点值，1 ，= ( m - 1 ) 2 。再将这脚个点值 按其数值大小排序，取中间的那个数作为滤波输出，用数学公式表示为： y j = m e d f 一，一l ，z ，z + l ，+ ， ，其中f z ，= ( m - 1 ) 2 中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值来替 代指定点( 一般是窗