（光学工程专业论文）激光散射显微镜的图像采集与处理.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着现代物理学和惯性技术的发展，激光陀螺以其独特的优点成为惯性传感 器的一个发展方向。在激光陀螺的研制和生产过程中，如何减小或消除闭锁效应 是激光陀螺的一大难点，一直阻碍着激光陀螺的发展。研究发现产生闭锁效应的 主要原因是激光陀螺中各反射镜的背向散射，所以减少背向散射是压缩锁区的一 个有效方法。 本文主要研究一种自动化的激光散射显微镜测试系统，该测试系统利用了激 光散射成像方法和虚拟仪器技术。应用这套系统可以检测出反射镜上均匀性最好 的区域，即背向散射最小的区域。设计的这套测试系统包括光学机械部分、图像 采集与检测部分、以及测试控制软件等三部分。系统检测的是激光辐照条件下膜 片表面的散射光，经c c d 成像后，将光信号转换为电信号，然后经过图像采集卡 的采样、a ，d 转换，送往计算机进行存储及处理。激光入射点和辐照方向的变换 是通过电动平移台和旋转台来完成的。用l a b v i e w 编写的这套控制软件具有仪器 控制、参数设置、图像处理与显示等功能。 最后本文利用这套激光散射显微镜测试系统对激光陀螺用的反射镜片进行了 测试，并且对测试结果进行了分析。结果表明：激光散射显微镜测试系统在固定 的激光入射角度下，可以有效地检测反射镜选定面积内的散射光强分布，选择出 膜片上均匀性最好的区域，并检测该区域在不同的激光辐照方向上的散射光强， 从而确定散射最弱的激光辐照方向。 主题词：背向散射激光散射显微镜图像采集与处理l a b v ie w 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc u r r e n tp h y s i c sa n di n e r t i a lt e c h n o l o g y ，r i n gl a s e r g y r o ( r l g ) h a sb e e nad e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h ei n e r t i a lg y r of o ri t sp a r t i c u l a r s t r o n g p o i n t i nt h er e s e a r c h i n ga n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fr l g ，h o wt or e d u c eo r r e m o v et h el o c k - i ne f f e c ti so n eo ft h ed i m c u l tp r o b l e m s w h i c hb l o c k st h ed e v e l o p m e n t o fr l ga l la l o n g t h r o u g hi n v e s t i g a t i o np e o p l ef o u n dt h a tt h eb a c k s c a t t e r i n go ft h e r e f l e c t o r si nt h er l gi st h ec h i e fr e a s o no ft h el o c k - i ne f f e c t ，s oo n ee f f e c t i v em e t h o dt o c o m p r e s sl o c k i nt h r e s h o l di st h er e d u c t i o no fb a c k s c a t t e r i n g a na u t o m a t e dt e s t i n gs y s t e mo fl a s e rs c a t t e r i n gm i c r o s c o p ew a ss t u d i e dm a i n l yi n t h i sp a p e r t h es y s t e ma p p l i e st h em e t h o do fi m a g i n gb yl a s e rs c a t t e r i n ga n dt h e t e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t t h em o s tu n i f o r ma r e a ，i e t h ea r e ao nw h i c ht h e b a c k s c a t t e r i n gi sw e a k e s t ，o nt h er e f l e c t o rw i l lb ed e t e c t e db yt h i ss y s t e m t h ed e s i g n e d s y s t e mc o n t a i n st h r e ep a r t s ：o p t i c a lp a t ha n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，i m a g ec o l l e c t i n ga n d d e t e c t i n gs y s t e m ，a n dc o n t r o ls o f t w a r e t h eo p t i c a ls i g n a li sc o n v e r s e dt oe l e c t r i cs i g n a l b yc c dc a m e r a ，t h e nt h es i g n a li ss a m p l e da n dt r a n s f o r m e dt od i g i t a ls i g n a lb yt h e i m a g ec a r d ，a n df i n a l l yt h es i g n a li ss e n dt ot h ec o m p u t e rt ob es t o r e da n dp r o c e s s e d t h ee l e c t r i cd i s p l a c e m e n tp l a t f o r ma n dr o t a t i n gp l a t f o r ma r eu s e dt os w i t c ht h et e s t i n g p o s i t i o n a n di r r a d i a t i n gd i r e c t i o no ft h el a s e r t h ec o n t r o ls o f t w a r eb a s e do n l a b v i e wh a st h ef u n c t i o n so fi n s t r u m e n t sc o n t r o l l i n g ，p a r a m e t e r ss e t t i n g ，i m a g e s p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n ge t c f i n a l l y ，s o m er e f l e c t o r so fr l gw e r et e s t e db yu s i n gt h et e s t i n gs y s t e mo fl a s e r s c a t t e r i n gm i c r o s c o p e ，a n dt h et e s t i n gr e s u l t sw e r ea n a l y z e di nt h ep a p e r t h er e s u l t s i n d i c a t e ：u n d e rt h ef i x e di n c i d e n ta n g l eo fl a s e r ，t h es y s t e mc a nc h e c kt h es c a t t e r i n g l i g h ti n t e n s i t yo ft h er e f l e c t o r si nt h ec h o s e na r e ae f f e c t i v e l y ，a n ds e l e c t st h em o s t u n i f o r ma r e a t h e nt h es c a t t e r i n gl i g h ti n t e n s i t yo ft h em o s tu n i f o r ma r e a b yt h e d i f f e r e n tl a s e ri r r a d i a t i n gd i r e c t i o n sw a sc h e c k e db yt h es y s t e m ，a n dd e t e r m i n e so n w l i c hd i r e c t i o nt h el i g h ts c a t t e r i n gi sw e a k e s t k e yw o r d s ： b a c k s c a t e r i n g l a s e rs c a t t e r i n gm i c r o s c o p e i m a g e c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gl a b v i e w 第i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：邀迸邀塾垦筮焦鲍图焦苤篡多缝堡 学位论文作者签名：盘垒缝日期：互。0 1 年i1 月2 碉 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：童塑馥日期：晒件1 1 月二7 日 作者指导教师签名：兹纠日期：哆7 年，月矽日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 激光陀螺与传统的机电陀螺相比，具有动态范围大、耐冲击振动能力强、对 与加速度有关的误差不敏感、启动时间短、可靠性高等一系列优点，是捷联惯性 导航系统的理想元件，其主要应用领域包括航天、航空、航海和陆地各种运动载 体的导航、制导、定位、定向和姿态控制，是精确制导武器和各种作战平台实现 精确打击和精确姿态控制的核心和关键部件。 纵观激光陀螺的发展过程，主要是同闭锁效应斗争的历史。闭锁效应的实质 是由于正反两束行波相互耦合【l 】，产生耦合的最主要的因素是反射镜片的背向散 射。背向散射【2 】是光散射的一种表现形式，而光散射是光学研究领域的一个基本问 题。在任何一个光学系统中，偏离主光线的方向上都存在着散射。引起光散射现 象的原因很多，如光学表面的缺陷、光学材料本身的结构缺陷，以及光学元件光 学参数的分布不均匀等【3 】。一方面，在大多数的光学应用场合，光散射是系统的非 设计因素，自然会增加系统的噪声【4 】【5 1 ，散射的存在对于整个光学系统的性能而言， 影响是负面的；另一方面，光散射的分布和反射光、透射光等主光线分布在一起 构成了光波与光学元件相互作用后的所有信息分布，从而为人们研究光学系统的 性质【6 】- 【8 】，如表面粗糙度、表面面形及材料的非均匀性等特征，提供了客观的途径， 可以作为一种非接触法测量和研究光学表面的特征【9 】【1 0 1 。 激光反射镜的质量，受基础工业的限制，不可能一下子产生质的飞跃，更不 可能达到百分之百的反射率【1 1 1 ，但是可以依靠有效的测试手段对待装配的反射镜 片进行测试，以找出均匀性最好的区域作为激光的入射区即反射镜的工作区。本 文的选题“激光散射显微镜的图像采集与处理 正是基于激光陀螺用反射镜 片均匀性测试的需要而提出的。 本课题研究利用散射光成像技术和先进的虚拟仪器技术来确定出膜片上均匀 性最好的区域，并实现其自动化，提高膜片测试的效率。本文的研究意义也正在 于此。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 激光陀螺的闭锁效应 由激光陀螺的输入输出关系式可以看出，激光陀螺理想的输入输出关系应为 一条过坐标原点的直线，直线的斜率即为激光陀螺的比例因子。但是，实际的激 光陀螺的输入输出曲线并非如此，原因是激光陀螺中存在着的三种误差源，即闭 锁效应、比例因子变化和零点漂移。其中限制激光陀螺实际应用最严重的误差， 莫过于闭锁效应【1 2 1 【1 3 】，即当输入角速率低到一定程度时，正反两束光频率相同， 无拍频信号输出，这种情况下陀螺将不能敏感低于锁区阂值的转动角速度，只有 当输入角速率大于闭锁阈值q ，时才有拍频输出，如图1 1 所示。 y 1 一0 q q 图1 1 闭锁效应不恿图 关于闭锁效应的理论研究，f a r o n o w i t z 等人早在二十世纪六、七十年代就对 影响锁区的因素进行了系统深入地研究【1 4 】，研究结果表明锁区的大小主要受反射 镜面的背向散射的影响，即q ，= r c ( 2 z l ) ，其中，为反射镜表面的平均背向散 射系数。 关于闭锁效应的很多其它的研究1 5 j 【1 6 】，也都认为闭锁效应主要来源于环路的 非均匀性，首先是多层介质膜上各点的非均匀散射和损耗，其次是光阑的类似效 应，再其次是管壁效应。其中多层介质膜是主要的。当激光射到多层介质膜上的 非均匀区时，一部分光被散射到空间的其他方向，这一部分中又有- 4 , 部分光被 散射回与入射激光相同的方向上，正是这一小部分光造成了正逆光的耦合。虽然 这个耦合系数非常小，但是它却成了低转速下的主要误差效应。 很显然，削弱闭锁效应所引起的误差首先要作的是设法使q ，减小。所以，在 装配激光陀螺时，可以在满足总腔长不变的情况下，使每个反射镜的工作区域的 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 均匀性都尽可能的高，这样可以达到压缩锁区、减小q 的目的。 1 3 1 光学检测技术概况 1 3 光学检测技术 凡是利用光学原理进行精密测量的行为和技术，都称为光学检测。它包含： 光学计量、光学测量以及光学检验和光学测试等几个方面。表1 1 列出了光学检 测技术的研究领域。 表1 1 光学检测技术的研究领域及主要内容 研究领域主要内容 光学成像技术光放大技术，c c d 成像技术，p s d ( 位置传感器) 技术， 自准直技术，光扫描技术，图像处理技术 光偏振技术双折射效应，椭偏技术，光弹效应，光热效应，p o c k e l s 电光效应，k e r r 电光效应，f a r a d a y 磁光效应 光干涉技术共路干涉技术，切剪干涉技术，外差及零差干涉技术，多 光束干涉技术 光度与色度技术发光与分光测量，光度与照度测量，颜色评价，色度测量， 生理光学 光谱技术棱镜光谱技术，光栅光谱技术，拉曼光谱技术，原子吸收 光谱技术 光电技术光电与光电倍增技术，摄像技术，红外技术，微光技术 光散射技术拉曼散射，米氏散射，布里渊散射，偏振散射 其它物理技术t a l b o t 效应，薄膜技术，多普勒技术，频谱技术 光学检测具有非接触性、高灵敏度、高精度、三维性、快速性以及实时性等 几大特尉1 7 1 。随着科学技术的发展，光学检测技术的发展方向有如下几点： 1 亚微米、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展； 2 快速发展小型的、微型的非接触式传感器； 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 半导体激光器( l d ) 及其阵列，光开关，光滤波器，光电探测阵列等新器 件将在过程控制，在线测量与控制上得到广泛的应用； 4 微光学这类微结构系统将崭露头角； 5 快速、高效的3 一d ( 三维) 测量技术将取得突破； 6 发展带存储功能的全场动态应变测量仪器； 7 发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光学控制的一体化； 8 以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和其他微传 感器将成为技术的主流方向； 9 发展光学诊断和光学无损检测技术。 1 3 2 光学成像技术 光学成像测试技术【l8 】是近年来得到迅速发展并具有广阔应用前景的一种新的 光学测试手段，可以概括为光传感器检测方法、图像扫描检测方法、光信息处理 检测方法以及数字图像检测方法等。该技术借助光学成像与光电信号转换的手段 把光信息变换成电信息，然后用电子学的方法，而且进一步可以用计算机来进行 处理，其测量的实时性、遥控性、快速性是这些方法总的特点。由于这些技术多 数依靠计算机，因此能适应各种复杂情况下的测试与控制工作。 近代科学技术的迅速发展使生产效率越来越高，科学研究也越来越深入和复 杂。在大规模的生产和研究中，要求测试的项目和研究的问题也越来越多和复杂， 从而推动了自动测试技术的发展。图像，作为一种特殊的客观世界的信息，具有 信息量大、内容复杂但信息直观等优点，在自动测试技术发展的过程中，图像处 理与分析的重要性得到了充分的体现，并逐步发展为自动测试技术的一个重要分 支。采用视觉技术和图象处理技术可对表面进行直观、现实的描述，图像可传递 大量易于解释的信息，是定性表征待测物体表面的有效方法。 1 4 1 虚拟仪器的概念 1 4 虚拟仪器技术 随着计算机技术的高度发展，传统仪器开始向计算机化方向发展。以计算机 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 为核心，计算机软件技术与测试技术的有机结合，产生了新的仪器概念即虚拟仪 器【1 9 1 ，它既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能，是一种高 档低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发 展的最新方向和潮流。 什么是虚拟仪器? 首先看看传统仪器的构成，传统仪器由信号采集、信号处 理和结果表达与仪器控制三部分组成。在传统仪器里，这三部分都是用电子线路 来实现的，即都是采用硬件来实现的。 随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处 理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软 件代替硬件成为可能，即用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功 能。同时，结果表达与仪器控制原本就是计算机的“强项”。这样，把传统仪器 的后两部分( 信号处理、结果表达与仪器控制) 用计算机软件来实现，而不再采 用硬件( 电子线路) 来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。 综上所述，可以给出虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简 称v i ) ，就是用户在通用计算机平台上根据自己的需求来定义和设计仪器的测试 功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪 器一样。 虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义而用户无法改变的工作模 式，使用户可以根据自己的需求来设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计 中尽量用软件来代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪 器的功能。“软件就是仪器 是虚拟仪器的最简单，也是最本质的表述。 1 4 2 虚拟仪器的特点 现代生产不仅要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且 要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要 求。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点【2 0 】： 1 仪器功能可由用户自己定义。 传统仪器的功能是供应商定义的，用户不可更改，而对虚拟仪器，当用户的 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 测试要求发生变化时，用户可以力便地增减软件模块或者重新配置系统以满足新 系统的测试要求，系统开放灵活。 2 速度和可靠性高。 对于传统仪器，在测试过程中人工干预多、操作容易出错、测试的速度和稳 定性也难以保证，这些都大大影响了测试特别是生产测试的顺利进行。虚拟仪器 技术把仪器的部分功能软件化，封装形成模块以供调用，实现了软件的即插即用， 这样用户就可以通过友好的用户界面调用不同的软件模块来实现不同的测试功 能，减少了人工干预部分，提高了测试的速度和可靠性。 3 数据可以进行编辑、存储和打印。 普通测试设备需要人工记录测试数据，或者通过仪器自带的软盘驱动器与其 他分析仪器交流数据。而对于虚拟仪器技术，测试设备得到的数据将会实时、直 接地通过计算机总线传输到计算机内存或硬盘供以后分析使用。 4 基于软件的结构体系可大大节省开发费用。 传统仪器的关键是硬件，开发维护费用高，技术更新周期长，而虚拟仪器的 关键是软件，维护费用低，技术更新周期较短。 5 价格低廉，是传统仪器的五至十分之一。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大降低 了硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 把虚拟仪器与传统仪器进行比较，可以看出虚拟仪器的优势相当突出。而决 定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：“虚拟仪器的关键 是软件”。 1 4 3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 1 通用仪器硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心； 2 ) i 0 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 实际情况采用不同的i 0 接口硬件设备，如数据采集卡( d a q ) 、图像采集卡、g p i b 总线仪器、v x l 总线仪器模块、串口仪器等。在上述五种接口硬件设备中，本文使 用了第二种和第五种方式，前一种方式借助于插入计算机内的板卡( 图像采集卡) 与专用软件，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 或通用编程工具v i s u a lc + + 和v i s u a l b a s i c 等相结合，可以充分地利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。后一 种方式是借助于从串行口连接的仪器与专用软件相结合。 2 软件结构f 2 l 】 虚拟仪器软件由两大部分构成： 1 ) 应用程序。它包含两方面的程序：实现虚拟面板功能的前面板软件程序； 定义测试功能的流程图软件程序。 2 ) i 0 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱 动与通信。 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前已有多种虚拟仪器的软件开发工 具。文本式编程语言：如c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等。 图形化编程语言：如l a b v i e w 、h p v e e 等。 本文选用的为l a b v i e w t m8 0e x p r e s s ，将在第五章中作详细介绍。 1 5 系统的自动化设计概述 如1 1 节分析，高性能的激光陀螺对其高反射率镜片的质量要求很高，必须 尽量降低其散射和吸收损耗，尤其是要降低反射镜的背向散射。因此，在组装激 光陀螺之前，要对膜片表面进行散射光强度二维分布的测量，以找出膜片上的散 射光强最小的点，即均匀性最好的点。鉴于光学测试方法是一种非接触的测试， 不会损坏或污染被测样品，对于反射镜薄膜的散射是一种较为理想的测试方法。 目前，对膜片均匀性的检测采用的是激光散射的无损检测方法，装置结构如 图1 2 所示。激光以固定角度入射到待测膜片上的某点，检测人员通过显微镜用 肉眼观察膜片上该点在垂直方向上的激光散射图样。对于理想的光学表面，膜片 在该方向上的散射光强应该为零，但由于膜片上或多或少地存在着一些颗粒状和 划痕状的散射源，这些散射源在激光的作用下将产生散射光，而且散射光的强弱 与激光的入射方向有关。因此，根据观察到的散射光光强的图像可以定性判断出 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 膜片上散射源的大致分布情况。 图1 2 膜片测试装置示意图 在膜片检测的过程中，通过手动移动待测膜片可以对其待测区域进行逐点检 测，通过手动旋转膜片可以检测膜片的特定区域在激光以不同方向入射条件下的 散射光强。这种检测方法虽然速度很快，但对检测人员的熟练程度要求较高，而 且人为干预的因素较多，多多少少都存在一些人为误差，影响了检测的精度，因 此，将对膜片质量的人工检测方法改进为软件控制的自动检测方法是一个很好的 解决措施。本课题设计的激光散射显微镜测试系统在原有的显微镜测试装置的基 础上作了以下三方面的改动： 图像采集部分：把双目体视显微镜的一个目镜镜头换成c c d 摄像机( 保留另 一个目镜镜头的肉眼观测功能) ，由c c d 采集的图像经视频线传送到图像采集卡， 再由图像采集卡把采集到的图像保存到计算机中以备后续处理； 运动控制部分：把原来手动移动和旋转膜片来改变观察点和激光入射方向的 方式改成电脑控制自动扫描膜片，即把膜片固定在一个三维电动工作台上( x 、y 平面扫描和z 轴旋转) ，计算机通过步进电机控制器来操控电动工作台以实现待 测膜片的移动和旋转； 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 测试软件部分：这是这套测试系统最核心的部分，它完成了步进电机的控制 指令以及图像的采集存取、处理等命令的发出，并且可以使采集的图像和处理结 果显示在计算机屏幕上，便于分析判断。 测试系统的原理示意图如图1 3 所示，从图中可以看出，整个测试系统是以计 算机为核心的，人为干扰的因素大大的减少了。 r 、l ，7 - i 降隙暇# 卜赳 l 戮嚣女铡 i - i j 5 0 d b 3 2 图像采集卡 面阵c c d 输出的信号一般是符合一定电视制式并具有行、场同步的全电视信 号，又称为视频信号，需要借助图像采集卡对全电视信号进行采样并作a d 转换 从而成为数字信号，然后将此数字信号输入计算机进行处理。 3 2 1 黑白全电视信号及采集 隔行扫描：将摄像机获取的图像转变成视频信号是用扫描的方式隔行进行的， 隔行扫描把帧图像分两场扫完，如图3 3 所示，第一场先扫1 、3 、5 、7 行，即 奇数场，如图中实线所示。在最后一行扫完一半时，在垂直方向回扫，然后再扫 第二场，如图中虚线所示，第二场的每一行夹在第一场的相邻行中间。相邻行由 奇场和偶场图像交叉形成了一帧图像。在水平方向一行中的像素从左到右是以纳 秒级的速度顺序出现的，而一帧图像的上下二个相邻像素的相隔时间为一场的场 周期，可达几十毫秒。这种隔行方式，在同样的分辨率、没有因人眼惰性有限而 第2 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 带来太大的闪烁性的情况下，视频信号的频带带宽几乎减低了一倍，节省了宝贵 的通信资源。 一一=：j：三：i：；三：j；三：j；三：；三：；：i?喜：一一- 一三三三三喜兰兰芝= 、_ - - ! 一一一一一一一一一一一一一一一一 一芑= = = 二二二二二二二二二二一： 、- - - ：一一一一一一一、一一一一一一 7 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 图3 3 隔行视频信号扫描 从上述的视频信号的扫描方式可以看出，为了让接收端正确接受视频信号， 除了传送代表图像亮暗的灰度信号外，尚需传送每一行每一场的同步信号。所以 在黑白全电视信号中包含了三种主要信息：灰度图像、同步信号和消隐信号。消 隐信号，即黑电平，是零电平，在零电平的上部是灰度图像，数值越大越亮，零 电平处为全黑，在零电平的下部是行、场同步信号，包括隔行扫描中的奇场和偶 场的识别脉冲信息等。 采样：一幅数字图像，是由矩形或方形点阵形成的，例如水平5 1 2 点，垂直 也是5 1 2 点的5 1 2 5 1 2 方阵；水平7 6 8 点，垂直5 7 6 点的矩形点阵，阵列中的每 一点的数值代表这个位置图像的灰度，在8 b i t s 时取值范围为0 - 2 5 5 ，在1 0 b i t s 时取值范围为0 1 0 2 3 。点阵中的一行数据是采样全电视信号中相应行中的图像信 息而获得的，将每一行数据自上而下排列起来构成了一场或一帧数字图像。 自参考电平 黑参考电平 零电平( 黑电平)_ ， + 一 图3 4 视频信号的a d 转换 a d 转换：图像采集卡是在黑参考电平与白参考电平之间作a d 转换的，即把 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 这个范围内的模拟量分成2 5 6 级( 在8 b i t s 时) ，黑参考电平处为二进制0 ，白参考 电平处为二进制2 5 5 ，黑参考电平可以上下调节，称为亮度调节，或零点调节 ( b r i g h t n e s s ) ，根据用户的需要，调节范围甚至可低于零电平；黑参考电平和白 参考电平之间的范围大小也可以调节，称为对比度( c o n t r a s t ) 调节，如图3 4 所 示。 在实验中采用的是北京嘉恒中自图像技术有限公司0 k 系列的图像采集卡，黑 白图像采集卡的亮度调节和对比度调节的范围都很大，可分别达到1 5 v 和 0 2 v 3 v 峰峰的可调范围，调节精度达到1 2 5 6 。 3 2 2 图像采集卡的基本结构 如图3 5 所示，由c c d 输出的视频信号进入图像采集卡后分为两路，一路经 过同步分离器分出行、场同步信号，送给鉴相器，使之与卡内的时序发生器产生 的行、场同步信号保持同位相关系，并通过控制电路使卡上的各单元按照视频信 号的行、场电视制式的要求同步工作。另一路视频信号输入预处理电路，由该电 路将视频的灰度信号由峰一峰值为1 的标准电视信号放大到a d 转换器所需要的 幅度，然后送入a d 转换器成为数字信号，并调整好白电平和对比度。a d 转换后 叫吲少毋痿h 卜叛一锈卜 l 筏镌输久卜_ 时1 7 笈缴 器b 弼步 叫披缝l 瓢毪终h “瞧羧貉i - 杉荀嚣 l jl l 魏瓤锁舜嚣卜 1r l 阿憾线 ：?： 汁够静：内住l ( 1 l lz l # 雾i 狱永 = 卜一 猩示器 l 图3 5 基于p c i 总线的图像采集系统 得到的数字视频信号经过一个简单的缓存器即可直接存到计算机内存，既可供计 算机进行图像处理，也可以将采集到内存的图像信号传送到计算机的显示卡显示， 第2 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 甚至还可将a d 输出的数字视频信号经过p c i 总线直接送到显示卡，在计算机终 端上实时显示图像。 3 2 3 北京嘉恒中自o k m 1 0 a 图像采集卡 图3 6o k m 1 0 a 黑白图像采集 课题采用的0 k m 1 0 a 黑白图像采集卡如图3 6 所示，该采集卡是基于p c i 总 线的标准视频黑白图像采集卡，是0 k 系列的二代产品，属于0 k m 1 0 m 的升级型， 并涵盖了o km 8 0 的绝大部分功能。 o k m 1 0 a 是一款专业级的标准黑白采集卡，它采用了多项先进技术，具有高带 宽输入，数字抗混叠、滤波等功能，使此卡的性能比o k m 1 0 m 有了显著的提高， 是广泛用于科学研究、工业检测等图像处理系统的通用性高质量图像采集卡。 其技术特点及指标如下： 视频输入可为p a l 或n t s c 等标准视频信号。 四路视频输入软件切换选择。 8 位高精度高信噪比a d ，宽范围亮度对比度软件调节。 输入的视频幅度可适应0 2 v 一3 v 峰峰，零点调整可适应1 5 v 变化范围。 点阵扰动( p i x e lj i t t e r ) 小于4 n s 。 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图像采集采用高效总线分享技术，提高c p u 并行处理能力。 可自动测量行场视频特性。 可直接采集格式为8 位、2 4 位、3 2 位。 可支持1 ：1 和4 ：3 采集点阵比例，最大采集分辨率7 6 8 5 7 6 。 支持图像上下、左右镜象采集。 高带宽输入，数字抗混叠滤波技术，图像水平分辨率达6 0 0 线。 可采集单场，单帧，连续帧，精确到场。 外触发信号输入( t t l 低电平) 。 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章软件部分的设计 前面两章已经完成对激光散射显微镜测试系统的全部硬件设计的描述。实际 上，在完成这些硬件的设计后，系统己经可以用来测试样品，只是一切需要人工 操作和干预，如步进电机控制参数的设置与变动、图像的采集和处理等。为了使 测量更加方便，编写了基于虚拟仪器技术的控制软件，完成电机的控制、图像的 采集与处理等的自动化，提高了测量的效率。 控制软件的主要功能有：第一，测试仪器参数和状态的设置；第二，样品的 测试控制；第三，图像的采集与处理。 4 1 1 软件设计目标分析 4 1 总体设计 首先要明确测试的工作过程。 薄膜测试的原理示意图如图1 3 ，氦氖激光器发出的激光束以一定角度入射到 膜片上，带c c d 摄像头的显微镜接收法线方向的散射光，并且通过图像采集卡存 储到计算机中。激光光斑在样品上的位置通过x y 电动平移台选择，激光的入射 方向由旋转台控制。在这一工作过程中，计算机通过p c i 插槽上的图像采集卡采 集每一位置和方向的散射图像，通过r s 2 3 2 接口向仪器传送控制指令。 基于上述叙述和对激光散射显微镜的测试要求，测试控制软件要完成以下目 标： ( 1 ) 提供友好的界面，方便用户设置与测试有关的参数； ( 2 ) 控制步进电机按特定的运动方式运动； ( 3 ) 测试图像和曲线的显示； ( 4 ) 检测到的散射光强分布图像以b m p 格式存储，增强图像在读取、分析和 进一步图像处理方面的能力； ( 5 ) 测试过程可以随时停止，并有复位功能，可重新测试。 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 1 2 软件层次的分析 通过对软件目标的分析，在设计中，测试系统在软件上包括三个层次的界面： 主界面；仪器参数设定；处理后的图像显示。 对应于设计目标，软件界面的设计如下： ( 1 ) 主界面上为扫描状态设定和采集图像的实时显示，扫描状态包括x y 方 向平面扫描和旋转扫描两种； ( 2 ) 仪器设定界面包括步进电机控制器参数( 各轴的速度、步长等) 的设定 和图像采集卡参数( 亮度、对比度等) 的设定； ( 3 ) 显示界面：用于显示散射光强与样品位置关系( 二维分布) ，三维图形显 示以及散射光强与入射方向的关系曲线图。 4 1 3 软件的流程图 测试系统的软件流程图如图4 1 所示。 4 1 4 编程软件的选择 本文在第一章中对虚拟仪器的概念、特点等作了介绍，虚拟仪器的软件开发 环境目前大致有两类：一类是文本式的编程语言，如v i s u a lc + + ；另一类是图形化 编程语言，具代表性的有l a b v i e w ，h p v e e 等。图形化编程语言和文本式编程语 言相比，具有编程简单、直观、开发效率高的特点，使用非常形象而且被工程师 所熟悉的各种图标、旋钮、开关等的图形界面，同时也提供与传统文本语言( 如c 语言) 的接口，增强了l a b v i e w 的整体功能。 l a b v i e w 2 7 1 具有3 种用来创建和运行程序的图形化可移动模板，分别为工具 模板、控制模板和功能模板。工具模板提供图形操作的各种工具，诸如移动、选 取、设置断点、文字输入等；控制模板则提供所有用于前面板编辑的控制和显示 对象的图标以及一些特殊的图形；功能模板包含一些基本的功能函数。 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序，简称v i 。一个完整的v i 包括3 部分：前 面板、框图程序和图标连接器，因此一个v i 程序的设计主要包括前面板的设计， 框图程序的设计以及程序的调试。 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 激光散射显微镜测试软件流程图 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 具体设计过程如下： ( 1 ) 创建前面板：因为用户使用时所观察到的就是前面板，而且在前面板中 执行对仪器的操作，所以应根据实际中的仪器面板以及虚拟仪器所要实现的功能 来设计前面板。设计前面板的过程就是从控制模板的各个子模板中选取所需控件， 用鼠标移入前面板设计窗口中并进行适当的排列、调整。 ( 2 ) 程序框图的设计：在设计好前面板以后，就可以添加图形化函数代码以 控制前面板上的对象，这些图形化源代码就构成了程序框图。框图程序由端口、 节点、图框和连线构成。 ( 3 ) 程序的调试：当前面板和程序框图设计好以后，程序执行过程中可能会 遇到很多的错误，因此要对程序进行调试。首先查找错误，如果一个程序不能执 行，运行按钮会出现一个折断的箭头，点击断箭的运行按钮则会列出错误清单。 另外，l a b v i e w 编译环境还提供了多种调试v i 程序的手段：除了传统的单步运 行、断点和探针等手段外，还添加了一种特殊的调试手段实时显示数据流动 画。 另外，在l a b v i e w 中，用户可以把任何一个v i 当作子程序来被其它程序调 用，被其它程序调用的v i 称为子v i ( s u b v i ) 。在l a b v i e w 编程时，尽量采用模 块化的编程思想，有效的利用s u b v i ，可以简化v i 框图程序的结构，使其更加简 单，易于理解，以提高v i 的运行效率。 由上述这些介绍可以看出选择l a b v i e w 作为编程软件的两大理由： 1 ) 编程效率高：l a b v i e w 具有一个高效的图形化程序设计环境，结合了简单 易用的图形式开发环境与灵活强大的g 编程语言。它提供了一个直觉式的编程环 境，与测量紧密结合【2 引，能让设计者迅速开发出有关数据采集、分析及显示的解 决方案。由于l a b v i e w 的层次化结构，用户可以把创建的v i 程序当作子程序调 用，以创建更加复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的； 2 ) 便于开发完整的测试系统：l a b v i e w 已成为测试与测量领域的工业标准， 通过g p i b 、v x i 、p l c 、串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集 系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过i n t e m e t 、a c t i v e x 、 d d e 和s q l 等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测 试与测量任务变得简单易行。 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 2 运动控制部分的软件设计 4 2 1l a b v i e w 对步进电机的控制简介1 2 9 】 l a b v i e w 中用于串行通信【3 0 1 的节点实际上就是v i s a 节点，为了方便用户， l a b v i e w 将这些v i s a 节点单独组成一个子模板，共包括6 个节点，分别实现初 始化串口、串口写、串口读、检测串口缓存、终断以及关闭串口等功能。根据步 进电机控制器提供的指令系统( 2 2 节) ，一个最简单的电机控制程序如图4 2 所 示，执行该程序可以通过电机控制器控制一轴电机左进0 2 5 m m ( 左进表示向远离 电机的方向运动) 。 羚：薯釜一爹：二j 爹；攀篆攀攀爹嚣爹攀爹j i 鬻誊鎏- 。攀： l i “l ? ：“? 一? ，一“：i i 。一 二 一 + 一一一 。一 一一一1 一 一墨1 i 二兰 。二一生兰雪 二一oi i ； i 萤砰一l 冒蒿瑶毽瘁葭i 匝五刊l i 图4 2 电机控制程序实例 用l a b v i e w 编写的电机控制程序的运行过程如下： 第一步，初始化串口，设置串口的通信参数与步进电机控制器的串行通信参 数相一致： 第二步，向控制器中发送控制命令( 按电机控制指令的格式，以字符串的形 式) ： 第三步，关闭串口。 这里有一点值得注意，当在l a b v i e w 中利用v i s ac o n f i g u r es e r i a lp o r t v i 节 点初始化了一个串口之后，若在串行通信结束后没有利用v i s ac l o s e 节点将该串 口关闭，那么，只要没有退出l a b v i e w ，l a b v i e w 就会一直占用该串口资源，其 他外部的程序在此时是不能访问该串口的。 由上面这个简单的例子可以看出，l a b v i e w 编写的程序是图形化的，比其他 第3 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 文本语言编写的程序要直观简洁得多，而且也易于编程和参数的修改。 4 2 2l a b v i e w 对平移台的自动化控制 在样品的表面扫描测试中，由平移台的二维运动实现样品测试点的选择。样 品测试的初始位置和测试间距都由平移台的运动确定。这里为了方便编程，初始 位置( 即激光光斑辐照在膜片上的起始位置) 固定为膜片的中心，每次测试完毕 的复位也是回到该位置。 由于激光的有效作用区域比较小，在对膜片进行散射测量时把整个大的测试 孔径分割成一块一块小的子孔径，对每个子孔径分别测试、采集图像，然后再将 各子孔径的测试图像拼接起来得到整个待测区域的结果图像，此过程由平移台控 制膜片进行扫描运动来实现( 如图4 3 所示) ，图中带箭头的折线表示激光光斑在 膜片上的运动轨迹。 ， l 图4 3 平面扫描示意图 由上图可以看出，扫描过程为：首先从初始零位定位到测试的第一块小区域， 即图4 3 中的左上角，然后y 轴电机不动，x 轴电机控制膜片每次的位移量等于 单次图像采集区域的宽度，直到扫描完一行后y 轴