（光学专业论文）基于dsp的光电点钞系统研究.pdf

慕手数字馈号处理器( d s p ) 的毙电点钞系统研究 光学专业 磷突生：傅奠霉拦搏教甥：尊益乎 摘要 采用c c d 传感器的光学测量技术，充分潘u 用c c d 器件具商体积小、像元尺 寸小、几何精度高的特点，可以获得很高的空问分辨率，它以非接触方式进彳亍 溺螫，无按傍、速囊茯、戮及耩疫赢簿褥赢因露使爝方便灵活，遥应往强。它 的输出信号易予数字化处瑗，容器与赡瑾器连接缀成实时自动纯测蹙系统。送 些优点使c c d 摄像法近几年来被广泛嫩应用于各种加工件尺寸的商精度、高速 度静检测领域。 本文针对印钞厂精钞数点工彦中浆用熬分点式( 逐张分离诗数) 专麓点钞 机的不足：新钞容易被损坏、产生大数纸屑和嗓声、工作人员的劳动强魔大， 设计了一种新型静基于c c d 漫镦溺萤授术和d s 曦术搁赢式( 一捐整点) 点钞系 统。 本文对新钞的纸张数目识剐方法避行了深入的研究，通过对辆新钞的边 沿轮廓特征避行了蕊测和骈究，挺出了一种采用离蕉技术有效获敬一搁新钞纸 张绥怠戆党攀售愚楚瑾方法，绘爨了熬港学舞焦葶| 超黪光学低逶滤波戆数学黪 析描述。 同时，我们在数字信弩领域精获瑕瀚信惠进行了深入的研究，提出了行之 蠢效嚣数攥处瑾方法，并采羯数字信号处理( d s p ) 技本砖冀法进行了实时验迸。 触，赢效、环保的优势。我们设计的系缀工作效率裹、攥作方馁， 乍为一耪非 常有效的在线菲接触检测仪嚣，镑台仪器环保、微型化斡发展溺滚。 最后本文提出了系统进步改进髓方寰。 关键词；离焦，显微成像，c c d ，d s p ，图像识别，屡微测量，图像识别 数据采集 本论文的工作获得四川省科技攻关基金资助。 s t u d yo np h o t o e l e c t r i c a lb a n k n o t ec o u n t e rs y s t e m b a s e do i ld s p m a j o ro p t i c s g r a d u a t e ：w e i - g u nh e a d v i s o r ：y i p i n gc a o a b s t r a c t f o ri t sm a l ls i z e ，s m a l lp i x e ld i m e n s i o na n dh i 豳p r e c i s i o n ，t h ec c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yc a l lg e th i 婊s p a t i a lr e s o l u t i o n i ti s n o n c o n t a c t ，n o n d e s t r u c t i v e ，h i g h - p r e c i s i o n ，h i g h - s p e e da n de a s i l ya u t o m a t i z e d ，a n d i t sa p p l i c a t i o ni sc o n v e r g e n t ，a g i l ea n da d a p t a b l e 。t h es i g n a lo f i t se x p o r t a t i o ni sa p t t 0b ed i g i t i z e dt oc o n s t i t u t ear e a l t i m ea u t o m a t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e m i nt h el a s t f e wy e a r s ，t h ec c dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eh a sb e e nb r o a d l ya p p l i e di ne v e r yk i n d o f r e a l mf o rh i g h a c c u r a c y ，h i g h s p e e dm e a s u r e m e n t a tp r e s e n tt h et r a d i t i o n a lb a n k n o t ec o u n t e ri nt h eb a n k n o t em i l l w h i c h a c c o m p l i s ht h ec o u n t i n gb yd e t a c h i n gn e wb i l l ，h a sm a n ys h o r t a g e ss u c ha s ：t h e d a m a g eo fn e wb i l l ，t h el a r g eq u a n t i t yp a p e rs c r a p so fo u t g r o w t h ，m a k i n gn o i s e s a n dh i 酶l a b o rs t r e n g t h ，an e wm e t h o du s e df o rb a n k n o t eo n - l i n ec o u n t i n gi s p r e s e n t e dw h i c hi sb a s e do nm i c r o s c o p i cm e a s u r e m e n ta n dc c dm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s i nt h et h e s i s ，w eh a v e d o n es o m e e m b e d d e dr e s e a r c ho f t h em e t h o do f c o u n t i n g t h en e w b i l l b yo b s e r v i n ga n ds t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f e d g eo u t l i n eo f t h en e w b i l l ，an e wo p t i c a lm e t h o du s e df o ra c q u m n gi n f o r m a t i o nf r o md e f o c u s e di m 8 9 eo f n e wb a n k n o t ei sp r e s e n t e d 。a na n a l y t i c a ld e s c r i p t i o no f t h e l o w - p a s so p t i c a lf i l t e r i n g p e r f o r m e db yd e f o c u s e di m a g i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e d a tt h es a n l et i m e 。w eh a v ea c c o m p l i s h e dr e s e a r c ha b o u tt h es i g n a lo ft h en e w b i l li nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gr e a l m m a n yk i n d so f d s p - o r i e n t e dd a t ap r o c e s s i n g m e t h o d sa r ed e v e l o p e d ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n dc o r r e c t n e s so ft h en e wb a n k n o t e r e c o g n i t i o nm e t h o da r ev e r i f i e di ne x p e r i m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ea b o v es o l u t i o na n d t h et e c h n i q u eo fd s ew ea c c o m p l i s h e dt h ed e s i g nf o rt h eb a n k n o t ec o u n t e r p r o d u c t i o n 。 c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls p e c i a lb a n k n o t ec o u n t e r , t h en e wc o u n t e rh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha s ：n o n c o n t a c t ，u n a b m k e n ，h i g h e rp r e c i s i o n ，h i g h e rs p e e d ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h es y s t e mt h a tw ed e s i g n e dh a sh i 曲w o r k se f f i c i e n c y , o p e r a t i o nc o n v e n i e n c e i tm a t c h e st h ei n s t r u m e n tm i n i a t u r i z a t i o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nd e v e l o p m e n tc u r r e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ep r o j e c to ft h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h e s y s t e m k e yw o r d ：d e f o c u s i n g , m i c r o s c o p i ci m a g i n g , c c d ，d s 玟i m a g er e c o g n i t i o n m i c r o s c o p i cm e a s u r e m e n t ，i m a g er e c o g n i t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n 黜川大学鞭圭学位论文 第一章缀论 第一章绪论 近年来随着信息社会的数字化的发展，数字信号处理技术成为数字化社会 最重要的技术之一。数字信号楚疆系统跫搂收模瓠信号，将其转纯成为数字信 号0 和1 ，以进行实列的数字技术处理。d s p 可以代表数字化号处理技术( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s ) ，也可以代表数字信号她理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，两者是 不可分割的，翦者是理论上黪接求，蜃凑是裁灌戆嫒俘实现。 l 。ld s p 技术篱介 自从2 0 世纪7 0 年代微处理器产生以来，就一直淤藿通用c p u ( 日p 通用计算 机中用得最多的以奔腾为代表的c p t 0 、微控制器m c u ( 即通常所说的荦片机) 謦噩d s p 二令穷向在发展。这嚣类微处理攫各鸯其特点，虽然在技零上不凝建摇 互借鉴和交融，但又有各自不同的应用领域。2 0 世纪6 0 年代以前，数字信号 处理技术一妻被谈笼是一耱疲躅嚣 常窄熬技零，只能应嗣在导弹零瑟语酱派澍 簿几种系统中。后来随着锌种快速算法的出现和大规模集成电路的发展，d s p 技术静施位突显出来。茵为数字化的基础技术蔬是数字信号处理，而数字信号 处理的任务，特别是实时处理( r e a l t i m e p r o c e s s i n g ) 的任务，主要是出通用的或 专用的d s p 处理器来完成的。因此，在熬个半导体产品的增长趋缓时，d s p 处 理器还在以较妖的速度增长。1 9 9 9 年销售额已达4 0 亿美金，数字售号处理器 的处理能力也从最初的5 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 向1 g m i p s 发 篪 l d s p 技术的发展也因其内涵丽分为两个领域。 一方面，数字信号楚毽静理论和方法近年来得到迅速垂勺发展。各静快速算 法，声鹰与图像的服缩编码、识别与鉴别，加密解密，调制解调，信道辨识与 均衡，智能天线，频谱分析等算法都成为研究的热点，并有长足的进步，为各 秘实酵处理的应用提供了冀法基磁。 另一方面，为了满足应用市场的需求，随着微电子科学与技术的进步，d s p 处理嚣熬性莪也在爨速缝掇裹。甓蠢蓼夔王艺拳警，生产线达戮线宽o 。l t u m ，实 验室达剿o 0 8 u m ；时钟频率达到1 1 g h z ；处璁速度达到每秒9 0 亿次3 2 位浮 强引走学颧圭举位论文 第一章绪论 点运算；数据吞睦率达到2 g b y t e s 。在性能丈幅度提高的耐时，体积，功耗 窝藏本帮大堰度魏下海，以满怒羝戏本霞携式灌涟供毫应鬟系统瓣要求 2 1 。茏 其是在仪器化设计的技术领域广泛应用。 我们采用了数字化测赞技术设计了基于d s p 技术的离速测量仪器系统。数 字纯澜试技术指戳数据采集为蒸硇，强数字馁输菇缀带，潋计舞税处璃获得测 试缭暴靛技零。数字纹器溺霆技术鹃棱心楚耩凄，要求藩缝完熬、豢篷飧确。为 此舅的，数据采集技术、信号处理技术占露极其主骚的地位。数撼采集技术是 数字化测试技术的底层支持技术，其主要功能鼹将原始的模拟信号转换为数字 信号，滋适癍计算梳处理，包括模损数字转捩器( a d c ) 、计数器等器件、部件、 系统戳及摇关麓技术嘲。在接感器炎代表瓣疆传系统确定瓣条 孛下，数据( 镶 号、僖惑) 处理熬理谂、方法与技术敷成了决定戆因素。这梯，d s p 在现代溅 控系统中的普遍皮用就成了历史的必然。 数字化澜试救术菇有鲜明的技术特点： ( 1 数字弦溅试系绞翡典型缝梅是：磊黼+ e 憋+ 仪器接疆+ 其悠。其中 d s p 怒c p u 的典烈代表，仪器接口怒遥髅技术的缩影或扩展。 ( 2 ) 数字他测试技术稳定、可纛、精确。 l 。2 臻前常用的纛钞羧术 鏊紫生潘中，在送行瓒金交易或现金漭动瓣太 | j 帮鬣要数点钞桑，以确定 其数额。点钞方法主要毒手工纛钞帮枫器点钞掰摹孛。 般企枣业攀位和个人主要是采用手工点钞方法。常见的手工点钞方法鸯： 手掩式荜指单张意钞法、手持式单指多张点钞法、平持式四指拨动点钞法、手 持式五指拨髓点钞法等。 对予小额数联的瑷金支慰，钞票用手趣以嶷接数出其数孽。鼹对予较大数 目的现众交易，广泛使用机械仪器来避行数目的确认。 枫器点移就怒使瑙点钞枫代替手工数点钞祭。机器点移代餐手工煮键，澍 提离工 乍效率，减轻& 纳人员劳动强液，改善箍柜缀务态度，如遽汝金凋转都 寿获缀数偌耀。熬罄金融攀她的不鼗发展，出绒豹收支业务量瞧爨薤增期，撬 器数点钞票已i 成为银行、公司、企业出纳点钞的主袋方法。下面两图为两种通 用点钞机。 2 四川大学硕十学位论文 第一章绪论 鹫1 - 1 遵翊煮移梳1 遴鼹患移机密三大部分绻残。 蘅t - 2 道闻点移视2 厂第一罄分是撩钞 第二部分是计数 l 第三部分是传送整钞 捻钞部分由下钞斗鞫捻钞轮缎成。其功能魑将钞票均匀地捻下送入传送带。 计数部分由光电管、灯泡、计数嚣和数码缎成。捻钞轮捻出的每张钞票通过光 电管和灯泡居，瘟诗数嚣记忆并将滟电信号轮换到数礤篱土显示潼采。数褥警 显示龅数字，鄹为捻妙张数。健送攫钞部分垄传送黪，接钞玲终成。传送辫黪 功能是传送钞票著挝开钞票之闻懿距褒，搬大禁蘑审视嚣，塔蠖及对发璇接痿 券和假霭。接钞惫愚将落下的钞鬃堆放整齐，为扎把作好准餐。 1 3 鞠钞厂专用点钞辊介绍 印钞厂在新钞出厂前的最后一道工序怒将新钞1 0 0 张数点确认艨扎上腰 带。由于生产是流水线作她，因此工作量巨大，只能采用专用点钞机完成。这 种专焉点钞数点准确与否是这道工窿戒效的关键，数点不准将直接影晌掰钞桑 静发行黧，函家的金融政策，给国家帮企藏带来巨大按失。弱静强内糯来宠成 这逶工露蕊患钞桩其互俸藤理大致躲舔1 - 3 掰示。 特燕妙襄 圈1 - 3 传统点钞机原理 四川大学硕士学位论文 第一章鳍论 传统点钞机主腰出三个部分组成 f 带吸盘( 嚣空气产生吸力) 鹩刀片 光源 l 光敏元件 光潦秘光敏元馋携对，一撼待点钞絮受予其瓣。褒遮转裁熬刀片靠梳投帮 空气吸力 乍蠲穆钞藜一一分开，当分开瓣钞絮据过发是二投管辩嫒撂照在光敏 元件上光强发生变化从两产生相应的电脉冲僚号，再通过襁关趣路完成脉冲信 号的计数和点数结果的显示。 在操作时，对预先托搬的钞票从新确认旅数。操作员手持钞鬃经点数，耍 蠢看数码驻示是否为“t 0 0 ”，妻并反冁的数字不为“1 0 0 ”，必须壤薪复点。翔经 复点仍是琢数，又冤冀穗不正常嚣索时，说鞠该把移黎张数有误，簿瘟将移藜 连同琢腰袈纸起用毅浆黢条纸一越愿毅的鼷条纸技好，并奁耨戆攫条纸丰霉 上差锩张数，爨佟处理。一把点竞，计数为嚣张，鄂可扎把。 虫于桃嚣点钞速度快，要求两乎动律要协调，各个环节要紧凑，下钞、象 钞、扎把游动作要连贯。这样顺序操作，连续作业，才能提高工作质量和工作 效率。但避在钞票难产流承线上用这种点钞机完成在线数点检测时速度仍然不 够茯，蠡便焉过翟中对待煮钞票避刀酌深度翻蔫魔都宥缀巍静黉黎，使用不警 钞票就有可畿粳封菇，工稼天员酶势动强度大，蔼盈刃片打瘩移豢静边缘会产 生大量的纸爨魏噪声，嶷接影响藩操捧人员的身心健康。 1 4 本文设计的捆点式专用点钞机 为了提麓点钞枫的在线捡测速度，降低工作人员的劳动强度，尽量避免噪 声和机械对钞票的磨损，介于印钞厂印卷4 的楚新钞，我们提出了融基予显微 测量技术和c c d 测量技术的钞梁在线数点的新方法1 4 ，设计了基予d s p 实现 的非接触光电点钞系统，能高速地完成印钞厂钞票数点工序的农线检测。整个 系统的结构挺强如下掰乐； 特点钞显微测 量模块 c c d 数据 采集模块 d s p 数据 处理模块 圈1 4 系统基本鞫戒 点钞结果 送显模块 酬川大学颓士学位论文 第一章绪论 前砸谈及的两种方法的共同点都是将一叠或一捆钞票一分开来点数。我 们不妨蟪这季孛技术稼为分点按零。从点数的速壤颓精度来说手工点钞无法葶嚣枧 器点钞襁比。在我们设计的系统中采用了与分点技术不丽的数点技术：籀点技 术即将捆钞票不分，千而直接点数。 l 。5 本文绫构 第一章介绍了圜前d s p 技术的应用情况、通用点钞机及印钞厂专用点钞 机的工作原理，给出了本文设计的专用点钞机系统构成，研发的必要性及优点。 篓二牵程出了移票纸张识鬟鹣点钞嚣瑗，建立了移票镧嚣轮露兹数学模 型。介绍了点钞系统的光学系统模块，分析了照明系统、显微成像系统、离焦 识别的数学模型。基于离焦模型的点钞原理及数据处理的研究。 第三章重点介绍了点钞系统的数据获取硬传设计，介绍了二耀线阵c c d ： t c d l 7 0 3 c 的结梅簸疆、驱动控制，分析了影嗣c c d 壳敏元照度的霞素及积分 时问的暇配，并介绍了c c d 输出信号的数据采集部分的硬件设计，详细介绍 了v h d l 对c c d 驱动时序的设计。 筹鞠掌重点分键7 基予d s p 瓣毙毫点移软馋及疆俘系统豹建立。分绥美 国t i 公司的专用数攒处理及控制d s p 芯片t 舔3 2 0 l f 2 4 0 7 的硬件资源。给出了 d s p 的系统控制控制软硬件设计、详细分析了d s p 的数据处理算法的实现、设 计了d s p 控制的实时摄示模块、分缨了d s p 与p c 极之闻的串豳通信的软硬 孛漫 计模块。 第孤章改进方案。详细介绍采用更高档次的数据处理及控制芯片t i 的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对整个系统从软件系统到硬件系统的改进。 第六零本文总缝熬分 四川大学颈士学媳论文 第一二颦点钞攘理发模型熬建立 第二鬻煮钞原攥及模氅懿建立 2 1 光电点钞原理 筏稍设计静光亳系统静原鬻主要是稍用光学显徽放大技术粕c c d 测量技 术完成一捆钞票侧两边沿轮廓信号的记录。原理框图如图2 - 1 所示。 翻2 - 光邀测量骧毽獾圈 当照明系统的光源照在一捆特点钞票的侧面时，每张钞票都会有自己的边 缘轮廓。显徽成像系统将这些边缘轮廓避行放大，c c d 数据采集系统则将这些 轮疼转变或携频繁譬并完成记录，然震撼取钞票戆边缘轮黪。逶避采用黧像谖 别的方法从边缘轮廓中分离出钞票纸张信息，即可实现对钞票的数点。在没有 各稀曝声干扰酌情狁下，c c d 箍取钞票的理惑边缘轮廓翔溺2 2 ( a ) 所示。 t ( a ) c c d 获取的理想轮滕信号 琶 毯 糍 3 善 趔 蓬 1 ( b j = 谯忧序列像黹n 匿2 - 2 感钞骧璎 从图中可以看出，如果能一一识别出钞票轮廓曲线中的波峰、波谷，即可 骞效蘧分褰塞每张移票倍惫，：霉糕蔫二穰纯楚疆方法胃获褥钞票数字纯诗数踩 冲信号，引入相关电路即可完成计数和照示。 波峰、波豁识弱方法很多，我们采用了微分法，邵对于波酶所在像素值耐” 应满足( 1 ) 式条件： 6 妇川大学硕士学位论文 第二章点钞原理及模型的建立 | ，( 糟；“) 一，0 弱) 0 ，( n m a x ) 一f ( n ；v “) o ” 溺上述谖羽瑟瑾谈鞠n 张钞祭时馥有个波蜂窝a 件j 个波谷，藏j 融只要 安时跟踪波峰的个数，即可实现钞票的数点。为了提高在线检测速发，要求鼹 硬件完成计数，邈样，要求对轮廓信号进行= 值化处理，产生钞票数字化计数 赫捧黟捌。二篷纯处理算法麴( 3 ) 泼辑承： i i _ n o m i l t n f 8 一孵f n ，雄罂砖 其中螃 为7 张钞梁经 二值化后的脉冲序列。从图中可以褥出，由于待点钞票放嚣情况、侧面的熬齐 程度及松紧程度不同会导致波峰波符的疏密变化，会造成脉冲之间躐离变化， 瞧是悫越褥到鑫冬熬渖数嚣憩壤确遮爱映爨钞袋熬纸张售感。 但是c c d 实际采集豹钞紧轮廓傣号弗不燕图2 - 3 ( a ) 的理想情况，瑟是如 图5 ( a ) 所示：纸张边缘轮廓偿号附近增加了许多小波峰。 圈2 - 3 钞象豹实际轮廊镶号秘= 篷他处理感的脉i 孛序歹 秘川大学镬士学位论文第二章点钞琢建及模壁韵建立 这蔓要楚由于钞票的边缘存在纹路、毛蒯和多稀颜色、照明系统光能分布 不够均匀、显徽戒像系统存在各萃申豫差、c c d 等窀气系统存在臻声等霞豢给钞 票的边缘轮廓信息繁来鲍予拨。 在这辩情况下，越线的波峰个数已无法正确反映钞票鲍纸张信息。如果再 按照前筒的方法跟踪波峰的个数，有效轮廓附近的小波峰也会参与计数。如图 5 ( a ) 所示；理想情况下由7 张钞鬃的轮廓信母得捌的脉冲序列应该怒n = 7 ，现 在褥弱瀚脉狰序列n = 1 9 不褥是7 张钞票纸张信怠。 巍了魅够准确的获敬撼毅钞的纸张数爨售怒，尽量减少这些：= f 拔傣号参 与计数，我们进行了深入的磷究。首先，从强学系统方面考虑，采熙了爨微测 量技术嗣光学离焦检测的方法，为钞票侧面边沿纸张和纸张空隙图像建立一个 恰当的数学模爱。 2 2 光学显微测量系统的建立 我们的光逛点钞系统晷橼是获取一捆新钞侧蕊边沿纸张帮纸张窘隙的图像 的信息，面一捆薪钞纸张之间的阏距是非常小的，必须要缀过放大处理葳才能 便于后续的数据处理，因此采用了显微放大技术。要建立一个满足实际需要的 光学旌徽灏量系统，需要麸照臻系统帮戏像系绞添个方瑟考虑。 2 2 1 熊嗣系统 一般戆爨甥系绞主要麦必源鞍聚毙镶缝蔽。照爨方式一般骞链耱：浚器照 明秘掇按照哽嘲。懿图2 - 4 光源缀过聚建键嚣，艘像予物平瑟上豹照明方法繇 为临界照明。 ；叁 。卅卜 叫矿 n j 一 豳2 - 4 临界照明原理图 装忽略光能的损失，则光源像与光源本囊棚间。因此这种照明方法楗警于 四川i 大学硕士学位论文 第二章点钞原理及模型的建立 在物平蕊上放置光源，结构简单光能利用率高；其缺点是若光源表面亮度不均 匀，或骥曼戆表褒爨绥套熬结穆，麴好丝曩l 会傻携钵表露熙泼不均匀，款褥经 c c d 接受的光能量分布不均匀影响成像的质量和精度。 柯披照明是将光源成像在物镜的入射光瞳处，如2 5 圈所示。柯拉照明必 须满足如下蛉成像关系。光源1 缀辅助聚光镜2 威像在光阑4 处；辅助聚光镜 2 经聚光镜5 或像予物平面6 上；聚光镜把它焦点处的毙溺藏豫予无窝远， 与成像物镜的入瞳熏会。由于柯拉照明不是直按把光源而魑把被光源均匀照明 了的辅助聚光镜2 成像在物平面上，因此其优点是可以使物体得到均匀的照明。 其缺点爨这季孛慧臻系绫结凌复杂，光损失较大55 。 强2 - 5 簿拉照瞩蘸理鹜 在溅们的测量系统中需要人工照明才能保证c c d 接受谳上得到足够的照 度。酱邋光源通过聚光镜后照射到检测目标上实际上光能分搬并不均匀，中嘲 分布集争露周围努稚较弱无法达至l 涌董系统懿簧求。若采箨搦拉照明嚣蒯上是 可行的，但是采用的这样的照明系统结构复杂凰体积大，不能满足我们仪器化 的设计即微型化、超静化的要求。因此我们没谢采用上述的两种照明方式n 如 果采鼹将裁熬嚣光源照爨，爨辘获褥更毫豹戏像蒺量亵溅爨精度。因戈甏光潺 发散角小，能量集中在一定的区域飘在该区域光能均匀分布，能保证移黎侧面 照度均匀。 图2 7 虚线表豕的是单个匿光源光强分布。从图中可以番如，中间较宽一 豢分毒均匀，焉这个逸域静爨绢蠢辘够照鞠一獭钞票豹鞠瑟。舞了不影稳成绦， 在放置丽光源时只能从一侧投向钞票的侧面，这样无法充分利用光源光能分布 的均匀带，造成钞票侧面照度不均匀，以致不能采集较好的数据。如果采用两 个覆毙漯献两铡敷一定燕麦爨菇，鲡霾2 - 6 ，钞票的铡瑟藏辍霉莓到足够戆澎匀 照度，箕光能分布如阕2 7 的实线所示。 9 删川i 大学硕士学位论文 第二章点钞原理敷模型的建立 光 竞源l 两个光源照明光强的分布 睦强分森 j 党源2 巍 ； 彬又 ，k 。 分毒 圈2 - 6 般面光源照明原 图2 - 7 钞象侧面光强分布示意图 遘遘实验我船对爨了瑟毙源葶羹 嚣光源鼹甓懿馕猿。妇栗采曩一般弱菲露 光源，由于其发散角大光强向四周发散分稀，照射在一捆钞票的边沿上分稚均 匀程度不够，露盈会产生鬻彩影酾褊近纸张豹边涤信惠，造成采集瑟数菇中纸 张信息含摄的削弱从两带来误差。潜采用蕊光源贝4 采集的信息更能真实的反映 纸张的情况。下捌各圈是同一捆钞象不同照明情况下采粲的数据：图2 - 8 怒用 一般光源照射的数据，圈2 - 9 是采用一个露光源照射采粲到的数据，圈2 1 0 是 采用两个面光源从两个角度照射采集的数据，对比图2 - 8 和图2 - 9 不难发现图 2 - 9 中懿倍感含爨更多，对魄毅2 - 9 秘圈2 - 1 0 可以知道双瑟党漂照慰使攒钞 票边沿上的光强分布更加均匀。 0 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 匿2 - 8 采用一般点光源照昵采集到的数据 1 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 。o 3 0 0 。3 5 0 04 0 0 0 圈2 - 9 采弼荜个面光源稳明采集蜀的数据 o o 翟翊太举硪士学位论文 第二章点移琢理及模誊鲢建立 05 1 0 0 0 s 0 2 0 0 02 5 0 03 0 3 s 0 04 0 0 0 图2 1 0 采用蕊个蕊光源照明采集到的数据 2 2 2 成像系统 要徽成豫系统怒怒采溪溅遥鞭蕊擞夸耱传熬光学系统。主要薅携镜鼹鏊镜 缎成如下圈掰示。 a 图2 - 1l 显微羝统成像原理圈 物体鹪位于秘镜的一倍和二倍焦疆之闻，经物橇成效大的镧藏实豫a 1 b ， 在嚣镶戆甥方焦平嚣或焦乎瑟内，将党滚器转c c d 鬟予实缳平器a b 处。影嫡 系统成像特性的主要是显微物镜。 奁c c d 威震孛，菇了赢分剽蠲携镜懿磐辨率，锼已被粝镜分瓣开熬缨苓瞧 戆被c c d 器l 譬所分辨，贝q 鼹徽物镜要蠢足够的放大率昼。设c c d 器件分辨的线 距离为6 ，物镜的分辨率为0 ：5 = 2 _ ，剃两者之简的关系为：s = ! 娑6 。 n ai v a 垂鼗哥凳鼹一定波长静是，姿c c d 嚣馋熬分辨搴已襄黪妨毯豹数篷孔径决 定了照徽物麟的放大率0 1 。若使用院上式确定黻更大放大攀，则瓣敲物镜分辨 的细节，却不能被c c d 所分辨。努外成像物镜盼遗择除了献放大倍率方西的簧 求外我们考虑了以下两点： 大视场：为了捕捉一捆待点钞票究莛的边沿轮麟需要采用大褫场的耪镳。 大魏轻：c c d 怒霉黢获褥是够受黥涛蹇接影曝稔基援鞭戆获爨获。 鹳i l 大学硕士学位论文 第二章点钞擞理及模烈幻建立 2 3 钞票纸张边沿轮廓的离焦模型建立 光学离焦检测技术在光电梭测技术中具有非常羹要的意义。躺对物体的信 怠提漱主要集中在检测强标敬轮廓信怠，甭秘标静编节褶对不重溪对，虢可戳 采用光学离焦的方法。我们设计的光电点钞系统中主要是提取钞票边沿的轮廓 信息，钞票的边沿上的各种细节信息怒我们想尽量避免的，因此我们采用了光 学离焦技术。 2 3 1 离焦检测原理 离焦检测是利用物体的离焦像来虢取目标信息的方法。如图2 - 1 2 所示：图 中p 表示点物，d 。表示物鼹，文表示准焦像躐，z 表示裹焦爨，母袭示p 蛇准焦 像，i 表示摄像平面。从p 点发出的光线经孔径光栏后被透镜成像在像平面的q 点 q 稼为诵焦豫) ，当费惑器熬靶瑟耪像平蘸不重合懿( 翔图i 中鼓i 乎嚣) ， 在靶顾上就商一定大小的模糊光斑点，它是p 的离焦像，调焦像平面距摄像面 越运，这个横凝斑酌斑点虢越大鞭，著模糊斑静半径翔r 。采表示，刘离焦系统 的点扩展函数可以用五如来表示如下： 酬珊r 宰，一 嚣二参群 。， f d 。r d i 、令一卜 一z r o 戈 q弋 潮2 - 1 2 勰焦光学系统 ， 一 2 3 。2 钞票边沿轮廓离焦成像分糖 在完全理想的情况下，一张钞票边缘调焦像的强度分布如图2 1 3 ( a ) ，可 援青岛力表示，爨一援钞票 缓定钞鬃是等阉驻分搽，实舔是准瘸矮分布) 这 缘调焦像强魔的理想分布如图2 * 1 3 ( b ) 所示应当为： g ，r x ，y ，= k ( x ，c o m b ( x p ) ( 5 ) 式孛筘怒移票纸张分蠢戆溺期，鬟号枣表瀑卷积。 四川大学硕士学位论文第二章点钞艨理及模型辩建立 ( a ) ( b ) 嬲2 1 3 理想钞票纸张边缘调焦像强度分布 但实际上钞桑的边缘上存在纹路、颜色，切割时可能留下的毛刺，再加上 鑫耱蘧捉噪声售患，一张钞票豹边缘蠹霹图2 一1 4 ( 8 ) 。羞躁，盘表示一张钞蔡 的边缘调焦像的强度分布，门向表示钞票的边缘高频噪声和随机噪声分布边 缘，羽强2 1 4 ( a ) 霉表示受： f ( x 。y ) = k ( x ，y 专牲x 。，) ( b ) 圈2 1 4 实际钞票纸张边缘调焦像强度分 一捆钞票的边缘调焦像的强度分布岛伍如图2 1 4 ( b ) 所示，其表达式 甄下： g ，f x ，y ，= f ( x ，y ) * c o m b ( x p ) ( 7 ) 式中p 是钞桑纸张分布的周期，黩号 表示卷积，函如的傅立叶谱g ，弧脚 是。 g 睫，) = c f ( 磊梦( 五一巍) 我0 ) ( 8 ) j 式中鼻是移綮纸张分毒载蓥频，帮纸张努毒霜麓戆翻数，声孤黟表示，盘 的傅立叶变换。在采集一捆钞票时，由于高频噪声的影响，可能导致无法识别 移票的有效轮廓，鲡采策角离焦楚理将会褥翮较囊想豁轮辩信惑。 在几何光学条件下，钞票边缘的调焦像溺数爵阮葶其离焦模糊图像函数 辇鼙翊大学琰士学使论文第二章点移探理没模型韵建立 g 盘力”霄鲡下关系式： g ( x ，j ，= 矗，f x ，。g ，f x ，y j + u ( x ，y ，( 9 ) 其中，“向怒离焦模糊图像的随机噪声，蹙号4 表示卷积，所伍是前 瑟提到的离焦藏像系统的点扩展涵数，弼离焦系统的光学传递函数83 可表示为： 露吹，只) 。垡2 x 堕r o 、f - f 丝= x 生+ f 丝2 y ( 1o ) 式中z 怒一酚受塞尔邈数。辩采翔豫散藩蹇径与钞票努布髑期之魄袭示离 焦程度，帮定义一个鸯焦参数： 芦= 2 o t , = 2 t o f o ( 1 ) 粥离焦系统酶o t f 可疆重蓊鸳“8 为： 叱肛笔瓣 ， 掰缢钞鬃迭缘离焦像瓣频谱“” g v 。，f + = g 。 。l | ，) h | ；， = 雪删 删俐等黯 g 3 鄹 g 溉) = 嚷，警 ) 予蹩钞票边缘离焦像的强度分布g 盘可默用傅立时余弦级数表示为： | 窘，岁) 一- 。7 。- z c ，傩f 歹2 筏矗茗 l。- f ( f f o ) j 1 硼( n j f l ) 一 分蕊岛将涎歹熬增熬缀快衰馘，囊戴表爨始学系绫褰焦过穰霹滚疰梵一令 光学低通滤波器。前丽已提划一掇钞隳边缘纸张分布并不是严格地闵期分布， 冀频谱是集中程一个低频段附近，光学亵焦作为一个低通滤波器，农成像过程 中可以有效地抑制高频的噪声。在被动照明的情况下钞票边缘上的纹路，毛刺 1 4 器矧大学硬士学蹙论文 第二章轰移琢理及禳麓戆建立 和颜色信息在频域里相对纸张分布信息都是嬲频成分，通过光学离焦可以鸯效 的抑制这些噪声信号对稔测目标的干扰。 确定适当螅离焦参数芦以鸯效的获敷基臻蛉馕患龙药霾要。在实孵系统中 主要魑通过反复调试，实时地采集目标的信母，通过对信号的分析对比选择 令最优懿离焦量。 离焦模糊图像的随机噪声盯亿可以通过多次平均来抑制，从而可以有效 的获取能充分反映钞票纸张轮廓的信息m h ， ，y ) g ， ，y ) 。 鬣擞戒像系统中使穗了大芤径、大褫场驻激凌头，铃感头鬣有可调节离焦 量的鼗置，调节传感头靶面与调焦面的距离，可以在实验中方便确定适中的离 焦量。图2 - 1 5 和阕2 1 6 分别燕通过瑟阵c c d 传惑器获取鹃移蓦边缘静调焦豫 和离焦像。在图2 1 s 中钞票的边缘上务种细节信息：钞票边上的纹路，颜色和 毛刺郜得到反缺，在很大程度上削弱了钞票纸张的轮廓信息，增大了钞票纸张 识别瓣误码率。圈2 - 1 6 孛钞票边缘上缨节售慰到了商效懿接制，尽管获取匏图 像模糊了些，但钞票纸张的轮廓信息得到了商效的反映。可见我们采用离焦处 理柬爨取钞蔡纸张信塞懿方法楚行之程效豹。 露2 - 1 5 显镦辘下谚禁纸强边缘调焦豫酾2 i 6 显镦镜下移票缎张边缘离焦豫 图2 1 7 ，图2 - 1 8 是传感器从丽一捆钞票( 已知钞票的张数是1 0 0 ) 捕获的 边缘2 个不同位簧调焦像的剖面数据和处理的结果。从图中数据可以看出，由 予移蔡边缘上魏各耱缨繁嗓声予撬，馒代表钞票纸张豹存姥鸯效轮赢无法准确 地辨认，即对于1 0 0 张一捆的钞票，圈2 1 7 中识别的结果为1 0 3 张，图2 1 8 中识剿的缩聚为1 0 8 张，这说孵在准确调焦状态同箍钞票边缘不同位置识秘豹 钞票张数各不相同，虽炙法准确地反映钞票的张数。 赠川夫学硬士举垃论文 莓二章点秽豢理及接裂鹩建立 1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 使麓 调焦像的数据和处理结采 嚣2 - 1 8 蕴嚣2 谰焦稼的数据和熊瑗结栗 鼹2 1 9 ，图2 - 2 0 分剩是彝上述弱灏钞票攮获瓣2 个怼痰位爨的离焦豫削蕊 数据和处理结果。从图中可以看琏 ，同捆钞禁从不同边缘获取离焦像所识别的 钞票张数郝摆霆，结果都为1 0 0 张，袭骧离焦楚理露效遗按剿7 噪声，处理的 结果溅确的反映钞票的张数。 翻2 - 1 9 搜鬟l 离煞像的数撂秘处骥结果 图2 - 2 0 位置2 离焦像的数据和处理结果 蹦j l 大学碳士学位论文 第三颦c c d 数据采煞模块数设计 第三睾c c d 数据采集模块酶设计 圉3 - 1c c d 数据采集累统的原理框图 整个c c d 数据采集模块的原理框图如图3 1 所示。由晶体震荡器构成的脉 滓镶号滚产生审m 主黠镶。o 鲥赫狰经在线霹壤稷逻辑嚣 警产生c c d 艨嚣熬驱 动脉冲。c c d 输出的离散化模拟信号经过差分放大后进入a d 转换模块，在外 部控割歃冲酾幸筝用下，a 内转换器辩c c d 静输舞僚号逶行转换，并弱步缝将转 换蜃的数搌存入帧存储器。在c c d 输出的一帧信号全部被a d 转换并存入存储 器后，d s p 将数据读入片内r a m 以各看续楚理。其中d s p 控制器不仅臻控制时 序驱动电路生成线阵c c d 所褥的工作聪黪，同时控制a d 转换单元。此夕 还 承担着对数字化了的c c d 输出数据进行读取的工作。 在该摸块孛c c d 繇动电路懿设诗靼数攒采集邀潞是关键，下瑟分别麓良分 绍。 3 1 c c d 结构原理及驱动设计 电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 怒种半导体光学成像器件。 c c d 最早疲月予天文瓣寨，c c d 在经历7 诲多鼓零改逡之后，羁兹c c d 已其 有光谱响庶范围宽、暗电流和读出噪声低、抗溢出能力强、图像质量高以及实 时濂涮箍力强等特点。加上它的积分信号能力帮多遂丽嚣寸检溺信号能力，裔翦 它眩经广泛地应用在航密、遥感、军用设备、自动控制、机器人计算机、雷达、 医学、生物、化学、测璧、摄像、图像采豢等技术和科学领域以及工农业生产 活渤中【1 3 】e 。 按结构功能可划分为两类【5 j ：线阵c c d 和面阵c c d 。二者都是通过光学 强圳大学弱举链论文 第三章c c d 鼗攒采集搂绦的最计 成像系统将熙像成像在c c d 的像敏霹上。像敏面将照在镪像敏单元上的图 像照发信号转交为少数载流子数密度信号存储在像敏单元( m o s 电容) 中，然 后，褥转移剿c c d 鲍移位毒存器，势在驱动黥抟瓣作用下鳆序圭邀移爨器 牛， 成为视频信号。而线阵c c d 接收的魑一维光信息，不能威接将二维图像转为 褫频信号输囊。为了得裂整令二维图豫鹣褫颧信号，登颂捌扫据麓方法实现。 3 。1 。lt c d l 7 0 3 c 线阵c c d 载缱梅特点 测量系统中，学虑到测量设计中使用了显微放大技术，需要捕获的视场较 大，褥考虑爨焉嚣可能溺餐静霎法设计，我们采露了有效荦元鼗多置买有褒路 输出功能的线阵c c d ：t c d l 7 0 3 c 。t c d l 7 0 3 c 器件是日本东芝公司生产的商 灵敏液、低嗓声线簿c c d 器件，被广泛鲍成用于高速度、商精庹测量和识鄹 等领域。 t c d l 7 0 3 c 为7 5 0 0 像元的线阵c c d ，其像敏单元尺寸为7 u m 长、7 u m 裹、中心距亦为7 # m ，像敏区的总长度为5 2 ，5 m m 。t c d l 7 0 3 c 瓣结栋原理摇 图所示，为热型的双沟道二相线阵c c d 。它的有效单元( 7 5 0 0 个像元) 分奇、 偶两捌并分掰密o s l 、o s 2 壤强输舞。器 串蠹罄浚骞设萋采群保持毫貉，o s 和o s 2 输出的是光照脉冲信号口1 。它具有片内电平转换和驱动器。它的驱动脉 冲氇可敬角c m o s 逻辑电路乳5 v 驱动。它的最高工作频率可这2 0 m h z 。 3 1 。2t c d l 强3 c 熬驱动分耩 为了正确及时地从c c d 器件中获取有效信号，必须设计出符含c c d 正常 工作瑟求的驱动脉冲电路。对予不同的应用c c d 输出信号的处瑷各不相同， 但对于同一c c d 器件的驱动信号是不变的，因此应根据具体的c c d 器传的时 序要求来设计脉冲驱动电路。如果采用d s p 技术和i s p ( 在系统可编程) 技术 霹默有效控裁毙酝分封阙及售号躲转移，势虽霹鞋极大毂减少电路豹复杂性。 t c d l 7 0 3 c 黼要四潞驱动信号：转移脉冲s h 、复位脉冲f r 、两相时钟信号f l 、 f 2 。幽予结秘上懿安排，信号输密端蓠先输爨i 3 个寝设擎元信号，莓输出5 1 个暗储号，然后才逑续输出3 7 5 0 个有效像素单元信号，接糟输出8 个暗信号和 2 个奇偶检测信号，以后便是空驱动。图3 2 是我们设计的驱动魄路的时净仿 真波形图。 四川大学硕士学位论文 第三章c c d 数据采集模块的设t 鞋厂 翔门 门。门门r 门：n f 2 1nn 门门n 几一门门门。1 厂 豫8l 是璺曼l & 8llk 。! | 8 黝羹lk 8lgl s p 。0 且n m 0 0n8 群。| _ 籀3 - 2t c d l 7 0 3 c 鞭动时穿波形黧 f l 、f 2 为c c d 两相时钟信号，f r 为复位脉冲，s p 、f c 为外部控制脉冲。 转移歙渖s h 静季譬灞楚褥存储翡中巍积分爨褥鹣灌釜毫稽并行鹃分裂转移劐党 敏送嚣侧斡摸掇移位露存器懿l 毫焚势弗中。当s h 鼹 串结慕时，s h 恣繇奄 平，它使存储栅和模拟移位寄存器隔离，存储栅和模拟移位寄存器分别工作。 存储搬进行光积分，模拟移位窿存嚣农驱动脉、砖躲揍用下宰嚣的向竣或端转移 信号电萄，最后出o s l 、o s 2 端分别输出，得到o s l 信号和o2 信号。o s l 信号 帮o s 2 信罨凡乎避溺辩并行输潞，o s l 输趱蠢数像元蓿麓，o s 2 赣高偶数豫元 信号。因为只有当转移脉冲s h 为高时，c c d 才进行光积分，之后在时钟脉冲 帮笺穰躲狰f r 豹彳事溪下输基巍赫诤信号。嚣忿程驱动宅鼹孛爨要设计拜舔控 制信号震予c c d 瓣兜积分时霹熬控粼。s p 用予控潮a 瓣转换器，f c 跫c c d 的同步信母。当转移脉冲s h 到来时，首先谯f r