（光学工程专业论文）基于数字图像处理技术的火车轮缘动态检测系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着国内列车的不断提速，车辆运行中的安全检测问题尤为突出，因此 铁道部对走行部自动安全检测课题正式立项。轮缘几何尺寸( 轮缘高度，轮 缘宽度) 在线自动检测系统是走行部自动安全检测项目的一个重要的组成部 分，由于轮缘形状对车辆走行稳定性与乘坐舒适度影响极大，这些尺寸的基 准值，铁道部均有规定并定期下线检查。因此，轮缘几何尺寸在线检测系统 的研制将为提高车辆检修效率、延长运行周期、实现列车安全检测自动化做 出贡献。 一 论文设计了基于c c d 相机的计算机图像采集系统。并且基于数字图像处 理技术对采集到的图像进行畸变矫正、图像分析与计算，得出了需要检测的 实际尺寸。论文对原有的镜头畸变模型做了进一步修正与误差补偿，在图像 处理中，在阈值选取的过程中应用了基于边缘强度的阈值选取方法，取得了 良好的效果。 该系统实现了轮缘几何尺寸的自动检测、自动存储等功能。具有高效、 准确和使用方便的特点，可以大大提高火车轮缘几何尺寸各项指标检测的速 度与准确性，减少人为的误差，减轻检测人员的劳动强度和工作量。最终， 此系统经过安装、调试、试验，检测结果精度在o 3 m m 以内，满足铁道部的 要求。 关键词：图像处理；图像检测；轮缘磨耗；在线检测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h et r a i ns p e e dr i s i n gc o n t i n u o u s l y s e c u r j t yd e t e c t i o nh a s b e e nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，s or a i l w a yd e p a r t m e n tm a d ea np r o j e c t a b o u ti t o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t si nt h ea u t o m a t i cs e c u r i t y d e c e t i o np r o j e c ti sf l a n g eg e o m e t r ys i z e ，s u c ha sf l a n g eh e i g h t ，f l a n g e w i d t h ，w h i c hh a sam a r k e di n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo ft r a i na n dt h e c o m f o r t a b i l i t yo fp a s s e n g e r ，s i n c ex h ec r i t e r i o na n d1 i m i th a v e b e e n f o r m u l a t e da n dc h e c k e dr e g u l a r l y ，t h er e s e a r c ho fr e a l t i m ea u t o m a t i c d e t e c t i o ns y s t e mw i i lc o n t r i b u t et ot h ee f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t ，p e r i o d p r o o w g e ra n dt r a i ns e c u r i t yd e t e c t i o na u t o m a t i o n t h ep a p e rd e s i g nac o m p u t e ri m a g eg a t h e r i n gs y s t e mu s i n gc c dc a m e r a a n dr e c t i f yt h eg a t h e r e di m a g eb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o no ft h ei m a g e ，w eg e t t h ef l a n g es i z e w er e v i s et h ec a m e r al e n sm o d l ea n de m p l o ya na p p r o a c h b a s e do ne d g es t r e n g t ht h r e s h o l dt oc h o o s et h et h r e s h o l dv a l u ei ni m a g e p r o c e s s i n g o u rs y s t e ma c h i e v et h ef u n c t i o no ff l a n g eg e o m e t r ys i z ea u t o m a t i c d e t e c t i o na n ds t o r a g e ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g he f f i c i e n c y ，a c e u r a c y ，m e a n w h i l er e d u c et h ee r r o r c a u s eb ym a na n dli g h t e nt h el a b o r s t r e n g t ha n dw o r k l o a d i nt h ee n d ，t h es y s t e mw a s p r o v e dt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fr a i i w a yd e p a r t m e n tt h r o u g hi n s t a l l a t i o n ，d e b u g g e r ，t e s t a n dd e t e c t i o n ，w i t ht h ed r e c i s i o nb e i n gl e s s t h a n0 3 m m k e yw o r d s ：i m a g ep r o c e s s ：i m a g em e a s u r e ：f l a n g ew e a ra w a y ：r e a l t i m e d e t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 一 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签享) ：幽 日期：枷千年弓月乙日 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 在机车车辆工业中，对每个轮对的各部尺寸，都要进行必要的测量。它 是保证行车安全的重要手段。目前，我国对轮对的测量仍停留在手工测量的 阶段。人工测量不但繁琐，劳动强度大( 测量一组轮对，两个人约2 0 秒) ， 而且不能消除人为的测量误差。另外，由于手工测量出的数据误差较大，测 量工具落后( 卡钳，直尺等) ，所以不能适应机车车辆工业生产的需要。随着 我国铁路建设事业的发展，机车车辆工业生产技术不断提高，改善检测手段， 已成为迫切的问题。因为测量水平与加工以及自动化水平的提高之间，存在 着相互制约，相互促进的关系，采用新技术，实现自动检测，对于保证产品 质量，防止事故的发生，都具有重要的意义。现在，我国铁路车辆轮对自动 检测的应用还是个空白。车轮踏面除上述检查外，在各自检查中发现异常时， 还要用专用工具描绘出车轮踏面轮廓，在车轮切削前作为记录保存下来。迄 今，这些工作都是靠人工完成的，有时，除了弯腰，还要调整测定工具的接 触方法或其方向及力的大小等，这种手工作业需要检查人员操作熟练，手抄 测定记录很烦琐，且测定值会发生误差，故预测磨耗程度的精度低下。 车轮在钢轨面上滚动接触的部位称为车轮踏面。由于列车车轮在运行过 程中不断的与钢轨面摩擦造成的车轮踏面磨损，使车轮直径减少：由于刹车 以及车轮与钢轨面在转弯时的相对滑动等因素造成的踏面擦伤或剥离，使踏 面滚动圆呈弦缺状( 扁平) 。车轮踏面的磨损和擦伤，特别是车轮踏面的擦伤 将对车辆产生许多不良的影响。因为带有踏面擦伤的车辆在线路上行进时会 产生附加的轮轨冲击力，其大小随擦伤长度和深度以及列车速度不同，可达 车轮静载荷的几倍到几十倍，并且随着车轮的滚动周期性的作用于轨道和车 辆系统，是引起轮轴断裂，钢轨和轨枕断裂不可忽视的重要因素，严重影响 列车与轨道设施的安全与使用寿命。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 国内外车轮踏面损伤检测技术 踏面损伤的车轮，其轮缘踏面的几何曲线相对标准曲线而言，有所改变。 因此，可通过检测车轮几何参数或踏面断面形状来了解踏面的损伤程度。检 测踏面损伤分静态和动态两种检测方法。 静态检测：静态检测是指在列车静止( 如检修) 时进行的检测。该法检 测精度高，但占用机车车辆的周转时间，且过程复杂。静态检测法常用的方 法有接触测量法和光电测量法。接触测量法是通过将探头( 传感器) 沿车轮 宽度方向扫描而获得踏面数据的。光电测量法是通过光束照射或激光扫描踏 面获得踏面断面曲线，利用摄像技术获取数据。 动态检测：动态检测是指在列车行进时进行的测量。该法与静态检测同 步发展，自动化程度高，不占用机车车辆的周转时间，效率高。动态检测可 采用车载式和地面式检测系统。车载式检测是通过检测车轴震动的加速度来 间接获得踏面形状参数，这需在每根车轴上安装传感器，既不经济也不必要， 一般不采用；地面式检测是在线路上安装车轮外形检测系统，是用于检测运 行中的机车车辆。主要方法有：轨道电路中段时问法，涡流法，接触测量法， 超声测量法，冲击载荷法，振动加速度法，光电测量法等等。目前，踏面损 伤的检测还主要采用静态检测法，但动态检测已日显其优越性，逐渐受到重 视。本文研究设计了一种应用图像处理技术进行轮缘几何尺寸动态检测的系 统。 1 2 自动检测的实现与分析 轮对检测自动化的实现有如下几种考虑： 方案1 ：利用接触式位移传感器，从方法上直观，从形式上来模仿多年 来的传统检测方法，在各相应部位，装上位移传感器，将要检测的尺寸物理 量转化成模拟电量，电量通过a d 转换成数字量，送入计算机处理。优点是 直观，从形式上易接受，精度基本满足要求，造价较低。缺点是1 接触式， 长期使用传感探头有磨耗，直接影响检测精度；2 检测装置结构复杂，定位 难，误差大，机械机构难以实现，生产周期长，调试难：3 传感器使用寿命 短，约半年就到了使用寿命期限，又要换新的传感器，增加成本。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方案2 ：利用摄像方式来测得所需要检测的尺寸，利用面阵c c d 摄像机 根据不同尺寸检测精度的要求来实现自动检测。设显示器有如下像素点，采 用水平方向有6 4 0 个像素点，垂直方向有4 8 0 个像素点，如物体成像在 4 8 0 * 6 4 0 范围内，计算像素点的个数和比例系数就得出物体外形的大小。优 点是精度高，非接触式检测，无磨损，寿命长，技术成熟。缺点是造价偏高。 图1 i 面阵c c d 摄像源的像素点 方案3 ：利用高精度反射式电量线性输出的激光距离传感器。原理图( 下 图1 2 ) 被测体反射面到激光传感器之间的距离x 是物理量，激光传感器输 出一个精度很高的正比与x 的模拟电量，再经a d 转换送入计算机处理。优 点是精度高，体积小，质量轻，检测时与被检测物体非接触，无磨损，寿命 长。缺点是成本更高。 一 图1 2 高精度反射式电量线性输出激光距离测量原理 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 系统功能 该测量系统由照明装置，图像采集系统，采集控制系统，数据处理系统 以及导向装置等几部分组成。其测量原理是：在车轮运行的过程中通过c c d 摄像头时，将车轮某一断面的图像及时采集下来，通过p c 计算机对所获得 的图像进行分析和处理，以提取轮缘踏面和半径的实测曲线，再经过校正后 从而得出轮缘踏面磨损状况的各个参数。该测量系统通过在摄像头所在的测 量区相对的轨道上安装的导向装置，实现获得准确的车轮断面图像；图像采 集和控制系统由c c d 摄像机和车轮探测器组成，当车轮进入设定的物距范围 时，实现同步触发适当的c c d 摄像机啦目的；照明装置采用高亮度发光二极 管，增强图像中的光带和背景的对比度，排除自然嗓音的干扰，以提高图像 处理系统的速度和精度：数据处理系统进行图像的处理和磨耗数据的计算， 并对结果进行必要的处理，如打印，报警等。综合考虑列车行驶过程中的侧 滚、横摆、摇头等因素。 在系统设计中，突出一个设计思想，即本系统是一个地面式的铁路车辆 轮对综合参数自动检测系统，整个检测过程均在车辆低速运行状态下进行， 检测结果幽计算机自动存储。，其特点如下： l 除装置的启动，停机外，其余全部自动化 2 装置安装在线路附近的地面上，以便于操作和维护 3 在车辆走行中进行检测 4 自动汜录 1 4 本章小结 本章讨论了此课题的意义，比较了国内外现有的轮对几何尺寸的检测方 法，并从实际应用角度考虑，确定了此系统要实现的自动检测功能。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章数字图像处理基础 数字图像处理是建立在信号处理的数学基础上的，它需要对常用的大量 信息进行分析、统计，找出其中的内在规律、方法来使算法大大简化。本章 将从数字图像处理的基础出发，介绍图像处理的数学基础，同时介绍了图像 处理中的正交变换及典型图像分析、理解系统。 2 1 图像处理的应用与发展 在工业领域中的应用一般有以下几方面：工业的无损探伤、弹性力学照 片的应力分析等，其中“计算机视觉“得到广泛的应用，它通过输入二维图 像可确定物体的位置、方向和属性。 数字图像指的是一个被采样和量化后的二维函数，采用等距离矩形网格 采样，对幅度进行等间隔量化。一个典型的数字图像处理系统基本三部件是： 处理图像的计算机，图像数字化仪和图像显示设备。数字图像处理技术在灵 活性、精度、调整和再现性方面都是卓越的，它具有自由进行处理，并能达 到较高精度的特点。另外由于半导体技术的不断进步，进一步加快了数字图 像处理技术的发展和实用化。为了用计算机处理图像，必须把图像作为数值 来表示，在应用中数字图像就是二维平面上的灰度分布。 数字图像信息有以下特点： 1 信息量很大。 2 数字图像占用的频带较宽。 3 数字图像中各个像素是不独立的，其相关性很大。 4处理后的数字图像是需要给人观察和评价的，因此受人的因素影响较大。 由于人的视觉系统很复杂，受环境条件，视觉性能，人的主观意识的影 响很大，因此要求系统与人的良好的配合。 2 2 数字图像处理的数学基础 视觉模型研究下列线形光学系统如图2 1 所示： 堕笙堡三墨查堂堡主堂垡笙苎 图2 1 视觉模型 设中，( x ，y ) 为输入图像i ，( x ，y ) 的傅立叶变换，中。( x ，y ) 为输出图像i 。( x ，y ) 的傅立叶变换。根据线性理论可得2 1 式： 丸( t o x ，) 2 n ( c o ，询，) + ，( 。，t o ，) ( 2 1 ) 在许多情况下，人们只对相对输入图像强度和幅度变化的输出图像强度 感兴趣。因此由2 2 式描述： m ，) = 渊 沼z ) 式中h ( 。，珊。) 称为该光学系统的调制传递函数m t f 。 计算机所能处理的信息必须是数学信号。而我们得到的照片，图纸或景 物等信息都是连续信号，为此必须将此连续信号进行抽样和量化。即进行数 字化处理。设连续图像f ( x ，y ) 经过等间隔抽样以后，可以用一个离散量组成 的矩阵( 2 3 ) 表示： f ( x ，y ) = f ( 0 ，0 ) f ( 0 ，1 ) f ( o ，n 一1 ) f ( 1 ，0 ) f ( 1 ，1 ) f ( 1 ，n 一1 ) ： f ( n 一1 , 0 ) f ( n 一1 , 1 ) f ( n 一1 ，n 一1 ) ( 2 3 ) 矩阵中的每一个元素称作像素或图像元素。其中( 工，y ) 是平面的二维坐 标，而f ( x ，y ) 代表( x ，y ) 点的灰度值，即亮度值。以上是用f ( x ，y ) 的数值来 表示( x ，y ) 位置点上灰度级值的大小。亦即只反映了黑白灰度的关系，如果是 一幅彩色图像，各点的数值还应当反映出色彩的变化，即可用f ( x ，y ，五) 表示， 其中五为波长。假如是活动彩色图像，还应是时间的函数，即可表示为 f ( x ，y ，兄，r ) 。对模拟图像来讲，f ( x ，y ) 显然是连续函数。但为了适应计算机 对图像的处理，完成对图像变换的需要，必须要把图像的模拟信号转化为能 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 被计算机认识的数字信号，通过采样量化对连续图像函数进行空间和幅值数 字化。空间坐标( x ，y ) 的数字化称为图像采样，而幅值数字化被称为灰度级量 化。经过数字化后的图像称为数字图像( 或离散图像) 。数字图像一般有两种 常用的表示方法。 f ) 灰度图像的阵列表示法 设连续图像f ( x ，y ) 按等间隔采样，排成m xn 阵列( 一般取方阵阵列n n ) ，见式( 2 - 3 ) 所示。 图像阵列中每一个元素都是离散值，称为像素( p i x e l ) 。在数字图像处理 中，一般取阵列n 和灰度级g 都是2 的整数幂，即取n - - - - 2 ”及6 - - - - 2 ”。对 般实验室电视图像，n 取2 5 6 或5 1 2 ，灰度级g 取6 4 级( m = 6 b i t ) 至2 5 6 级( m = 8 b i t ) ，即可满足图像处理的需要。对特殊要求的图像，如卫星图片取2 3 4 0 3 2 4 0 ，灰度级8 1 2 b i t 。 彩色图像可用红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三个矩阵来表示，也可以组成混合矩 阵。目前三个色彩各用8 b i t ，共用2 4 b i t ，显然各单色图像比特数较少，因 为人跟彩色亮度分辨率低，并不妨碍图像的观察质量。另外，也可用三维矢 量矩阵表示彩色图像。 1 ) 二值图像表示法 在数字图像处理中，为减少计算量，常将灰度图像转为二值图像处理。 所n - - 值图像就是只有黑白两个灰度级，即像素灰度级非1 即0 ，如文字图 片，其数字图像可用每个像素l b i t 的矩阵表示。二值图像还可采用一些特有 的表示方法，如链码( 又称f r e e m a n 码) 很适合表示直线和曲线组成的二值图 像，以及描述图像的边界轮廓。采用链码比矩阵表示可节省很多的比特数。 因为规定了链码起点坐标和链码的斜率序列，就可以完全描述曲线或直线。 根据斜率分别是4 5o ，6 0 0 ，9 0 0 的倍数，可组成八个方向、六个方向、四个 方向链码。常用链码形式是八个方向的链码。如图2 2 所示。 7 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 3 ( 1 3 5 。) 4 ( 1 8 0 0 ) 5 f 2 2 5 0 jl 。 j j j r ， & 2 7 0 ”) 二 。 圈2 2 八i 旬链码 用八个方向链码表示曲线的例子如图2 3 所示。设想在曲线上叠加一个 水平线和垂直线间距均为d 的小正方网格，曲线在每个小正方网格中都用最 接近的方向码表示，那么图2 3 中的曲线可用十迸制数表示的链式码为 1 2 1 2 2 2 1 2 1 1 1 0 0 7 7 6 5 5 4 5 6 7 0 。如用三比特自然码表示为 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 l 0 0 1 0 0 1 0 0 0 l o l o o o l 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 i l i u i i 0 1 0 1 1 0 1 i 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 ，共用2 3 x 3 = 6 9 b i t ，而用矩阵表示需用1 6 1 6 = 2 5 6 b i t ，显然比特数减 少了很多。不言而喻，图像的尺寸越大，图中曲线所占的比例越小，节省的 比特数就越多。 数字化后的矩阵为n * n 的方阵，对各像素允许的最大灰度级数都要做出 决定，像素的最大灰度级数g 都取为2 的整数次幂。 图像的存储大小。对n * n 的像素，具有g 级灰度级时，则存贮此数字 图像所需的位数为b ，它的单位为比特，即： n - 2 ”，g = 2 4( 2 - 4 ) b = n + n + m ( 2 5 ) 当n 和m 增加时，并不是所有图像的质量都会提高，在个别情况下，图 像质量随m 的减少而得到改善，这是因为m 减少会使图像的对比度增加。但 往往m 太小会使图像出现“假轮廓“，为此一般m 至少取为6 ，即6 4 个驭 度级。有时也可以采用非均匀抽样和非均匀量化来减少计算量，但是这样做 容易使问题复杂化，因此很少被采用。在本文中采用真彩色2 5 6 色图像，2 5 6 哈尔滨上程人学硕士学位论文 图2 3 曲线用八向链码表示 级灰度图像。其中二值灰度图像作为图像边界跟踪，轮廓提取的基础，2 5 6 级灰度图像的图像大小为b i t m a p f i l e h e a d e r ( 1 4 个字节) + b i e m a p i n f o h e d e r ( 4 0 个字节) + 2 5 6 * ( r g b q u a d ( 4 个字节) ) + w i d t h + h e i g h t ( 图像的宽乘高) 2 3 数字图像处理方法 数字图像处理方法大致可分为两大类，即：空域法和频域法。 1 空域法 这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对二维 函数进行相应的处理。 2 变换域法 数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换得到变换 域系数阵列，然后再施行各种处理处理后再反变换到空间域，得到处理结 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 果。这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。 众多的图像变换方法包括傅立叶变换，余弦变换，子波变换，从沃尔什 变换到哈达玛变换到哈特林变换等等。每一个变换都存在自己的正交函数集， 正是由于各种正交函数集的不同而引入不同变换。 2 4 数字图像处理识别与分析 一个典型的图像处理，理解系统包括： 1 把图像分割成不同的区域，或把不同的东西分开( 分割) ，找出分开的各 区域之特征( 特征抽取) ： 2 识别图像中要找的东西，或对图像中不同的特征进行分类( 识别与分类) ： 3 对于不同区域进行描述，或寻找不同区域之间的相互联系，进而找出相 似结构，或者把相关区域连接起来组成一个有意义的结构( 对整个图像 进行分析，描述和理解) 。 在图像分析和理解系统中，图像的增强和恢复可叭看作预处理。其输入， 输出均是图像，它是图像的预处理的内容。分割，特征提取，分类与结构分 析可称为劁像识别，其输入是图像，输出是分类与结构分析的结果。而图像 理解或分析则是指对图像的描述和理解。 数字图像处理就是利用计算机系统对数字图像进行各种目的的处理。早 期的数字图像处理中，输入的是较差质量的图像，输出的是改善质量后的图 像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等，如图2 4 所示。 还有一类图像处理是以机器为对象，处理的目的是使机器或计算机能自动识 别目标，称为图像识别。图像识别系统输入的是改善质量后的图像一般称 为预处理后的图像，输出的是对图像中目标( 物体) 的识别或分类。图像识别 的过程包括图像预处理、图像分割、特征提取和图像分类，如图2 5 所示 图像输入 。 匿像预处理( 增强、复原、编码图像输出 压缩) 图2 4 图像处理 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 图像识别 一个基本的图像( 处理和分析) 系统构成可由以下部分表示：采集、显示、 存储、通信、处理和分析。图像采集可采用电荷耦合器件照相机、扫描仪等。 图像显示可用电视显示器、打印机等。图像存储可采用磁盘、光盘等。图像 通信可借助综合业务网、计算机局域网等。最后，图像处理和分析主要是运算， 所使用的设备主要是计算机，当然必要时还可借助专用硬件。 对图像的处理和分析一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软 件实现，只有在为了提高速度或克服通用计算机限制的情况下才用特制的硬 件。进入9 0 年代，人们设计了各种与工业标准总线兼容的可以插入微机或工 作站的图像卡。这不仅减少了成本，也促进了图像处理和分析专用软件的发 展，在本文中我们应用的是加拿大m a t r o x 公司的m e t e o r - i i 图像采集卡。此 外，许多基本的图像处理和分析软件包也已商品化。图像处理和分析中的一 个重要事实是对特殊的问题需要特殊的解决方法。要解决具体的问题还需要 深入的研究和开发，针对实际的火车轮缘在线检测系统，可以使用以上的图像 处理和分析的系统和算法，同时通过特殊的方法完成。 2 5 本章小结 本章主要介绍了数字图像的基本表示与处理方法，同时重点介绍了图像 识别的方法与步骤，为以后的火车轮缘在线检测系统软件设计提供了理论基 础。 堕签鎏工堡盔兰堡圭兰堡垒奎 第3 章c c d 图像采集 c c d 摄像机是一种电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 7 0 年代初美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 等人研制成功的一种新型 半导体器件，这种器件的突出优点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数 器件( 以电流或电压作为信号) a 它是目前最常用胸图像输入设备，具有惰性 小，灵敏度高，抗强光照射，几何失真小，均匀性好，体积小，寿命长等优 点。 3 1c c d 原理 3 1 1c c d 工作原理 c c d 的工作原理是：被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到 c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表 示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出 一个标准的复合视频信号。这个标准的视频信号同家用的录像机、v c d 机、 家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。 c c d 摄像器件的成像面是由水平和垂直排列的像素组成，常用的光敏元 件有两种，即p n 结二极管和m o s 电容。如有一种c c d 像素的排列为垂直 5 8 1 个，水平5 7 4 个，每个像素的光电转换部分为一个光敏p n 结二极管，如 图3 1 ( b ) 所示。它通常由硅制成，当光线射入时便产生电子一空穴对，p n 结二极管是反向偏置的，空穴进入p 型半导体深部，经过外部引线入地，而 电子则被收集n - 极管的n 型半导体区，成为电荷包。当采用p 型半导体 m o s 电容光敏元件的电极电容加正电压时，电子被收集到m o s 电容的p 型 耗尽区中成为电荷包，见图3 1 ( a ) 。这个电荷包的电量反映了照射在该像素 上的光线强弱，它通常是在一场时间内积累起来的，于是成像面上光的强弱 分布就转变成电荷包电量多少的分布了。 电荷读出部分的功能是把每个电荷包的电荷顺序转换成电信号输出。电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 荷耦合器件c c d 就用来完成将电荷包由像素向输出极的传送，它输出电压较 高，实际上是一个模拟量的移位寄存器，其原理见图3 2 。一个由三组电极组 成的电荷耦台器件。在电极上分别加脉冲电压巾1 巾2 巾3 ，见图中的f ， 电极上所加的正电压使p 型半导体中的空穴被排斥，而将电子吸引过来，形 成一个势阱，加的电压越高，势阱就越深，相应电极加的电压就不一样，势 阱的深浅就不一样。电子流向势阱深的地方。当改变电极上的电压时，电荷 包就向相应的方向传送。图3 2 示出了电荷包由至9 的过程。势阱只是一 个形象表示电势大小的概念，并非真正导电层大小。当信号电荷传到电荷耦 合器件终端时，由输出电路将该信号送出。输出电路由场效应管电路组成， 位于器件内部，以利于提高信噪比。 一 图3 1 c c d 的光敏元件 誉喾 埠三睦 瞬 图3 2 ( 妒一e ) 是电极电压变化造成势阱的移动 和电荷包的移动( f ) 是三相电荷耦合器件电极上的波形 学菩 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 2g o d 的主要参量 ( 1 ) 转移效率r l 和量子效率e 电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有 一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定 的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为q o ，转移到下一个势阱时电荷包的 电量为q ，则转移效率r i 定义为r l = q q o e 表示残留于原势阱中的电 量与原电量之比，故e = 1 n如果线阵列c c d 共有n 个模板，则总效率为 n “引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率 过高，所以表面沟道c c d 在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用 偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背 景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。 因此，也称这种技术为“胖零( f a tz e r o ) ”技术。另外，体内沟道c c d 采取 体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。 ( 2 ) 时钟频率的上下限 c c d 是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转移信息电荷的，所 以它必须工作于非热平衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息电 荷包中去而引起失真，时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就 变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，使 用时，对时钟频率的上、下限要有一个大致的估计。 ( a ) 时钟频率的下限f ， 一 f ，决定于非平衡载流子的平均寿命t ，一般为毫秒量级。电荷包在相 邻两电极之间的转移时间t ，应小于t ，对于三相c c d ，电荷包从前一个势 阱转移到后一个势阱所需的时问为i 3 ，所以ft 1 3 - ，对于二相，ft 1 2 ( b ) 时钟频率的上限f 。 f 。决定于电荷包转移的损耗率e ，就是说，电荷包的转移要有足够的时 间，电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。时钟频率上限f t 可作如 下估算，设一d 为c c d 势阱中电量因热扩散作用衰减的时间常数，与材料和 极板的结构有关，一般为1 0 - s s 级。若使e 不大于要求的e 。值，则对于三相 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c c d 有fj - - 1 ( 31d i n d ) 。对于二相c c d 有f - i ( 2 1 0 l r t d ) ( 3 ) 光谱特性 现在固件摄像器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏 范围为o 4 1 1 5 l , t m 左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利， 峰值波长为0 6 5 0 9 m 左右。 图3 3c c d 的光谱特性与光电特性曲线 ( 4 ) 光电特性 在低照度下，c c d 的输出电压与照度有良好的线性关系a 照度超过1 0 0 1 x 后有饱和输出现象。 3 。1 。3c c d 摄像器件 摄像器件的功能是把光图像转变成电图像，然后以一定顺序逐个按像素 读出电图像，使之转变为电视信号。c c d 摄像器件分为成像区和存储区两部 分，全帧图像在光敏成像区积累信号电荷，在场消隐期阎，由场c c d 移位寄 存器把信号电荷一行一行传送到存储区中，然后每行信号电荷由行c c d 移位 寄存器传送到输出端形成视频信号。在火车轮缘几何尺寸在线检测系统中我 哈尔滨工程大学硕士学位论文 们采用的是美国p u l n i x 公司的t m 6 7 0 1 a n 面阵c c d ，它采用了6 4 0 个水 平像素的1 2 英寸行间变换c c d 图像传感器及数字信号处理大规模集成电 路，图像具有相对较高的质量和清晰度。 1 c c d 摄像机的主要技术指标 ( 1 ) c c d 尺寸，亦即摄像机靶面。原多为1 2 英寸，现在1 3 英寸的已 普及化。 ( 2 ) c c d 像素，是c c d 的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程 度，分辨率越高，图像细节的表现越好。c c d 是由面阵感光元素 组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。 ( 3 ) 水平分辨率。分辨率是用电视线( 简称线t vl i n e s ) 来表示的， 彩色摄像头的分辨率在3 3 0 5 0 0 线之间。分辨率与c c d 和镜头有 关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1 m h z 的频带宽度相当于清晰度为8 0 线。频带越宽，图像越清晰，线数 值相对越大。 ( 4 ) 最小照度，也称为灵敏度：是c c d 对环境光线的敏感程度，或者 说是c c d 正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯 ( l x ) ，数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。月光 级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，2 - 3 1 x 属一般照 度，现在也有低于l l x 的普通摄像机问世。 ( 5 ) 扫描制式。有p a l 制和n t s c 制之分。 ( 6 ) 摄像机电源。交流有2 2 0 v 、1 1 0 v 、2 4 v ，直流为1 2 v 或9 v 。 ( 7 ) 信噪比。典型值为4 6 d b ，若为5 0 d b ，则图像有少量噪声，但图像 质量良好；若为6 0 d b ，则图像质量优良，不出现噪声。 ( 8 ) 视频输出。多为i v p - p 、7 5 3 ，均采用b n c 接头。 ( 9 ) 镜头安装方式。有c 和c s 方式，二者间不同之处在于感光距离不 同。 2 c c d 摄像机的可调整功能 ( 1 ) 同步方式的选择 对单台摄像机而言，主要的同步方式有下列三种： 内同步利用摄像机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 外删步利用个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄像机的外 同步输入端来实现同步。 电源同步也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄像机的交流电源来 完成垂直推动同步，即摄像机和电源零线同步。 ( 2 ) 自动增益控制 所有摄像机都有一个将来自c c d 的信号放大到可以使用水准的视频放大 器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而 在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄像机的 自动增益控制( a g c ) 电路去探测视频信号的电平，适时地开关a g c ，从而使 摄像机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增 加摄像机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。 ( 3 ) 背景光补偿 通常，摄像机的a g c 工作点是通过对整个视场的内容作平均柬确定的， 但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标，则此时确定 的a g c 工作点有可能对于前景目标是不够合适的，背景光补偿有可能改善前 景目标显示状况。 当背景光补偿为开启时，摄像机仅对整个视场的一个子区域求平均来确 定其a g c 工作点，此时如果前景目标位于该子区域内时，则前景目标的可视 性有望改善。 ( 4 ) 电子快门 在c c d 摄像机内，是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门。 电子快门控制摄像机c c d 的累积时间，当电子快门速度增加时，在每个视频 场允许的时间内，聚焦在c c d 上的光减少，结果将降低摄像机的灵敏度，然 而，较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”效应，这将 大大地增加摄像机的动态分辨率。快门速度值通常标为：1 、2 、4 、8 、1 5 、 3 0 、6 0 、1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 ，这些所代表的实际意义是1 秒的倒数，所以 1 5 是指1 1 5 秒，2 5 0 是指1 2 5 0 秒。 t m 6 7 0 1 a n 面阵c c d 规格： 摄像器件：6 4 0 ( 水平) + 4 8 0 ( 垂直) 象素 扫描面积：6 4 ( 水平) 率4 8 ( 垂直) m m ( 等于1 2 英寸摄像管的扫描面积) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同步作用：可选择内部，外部，行同步方式 扫描系统：2 ：l 交错组合 扫描：6 2 5 行5 0 场2 5 帧 水平：1 5 2 6 5 k h z 垂直：5 0 0 0 h z 水平析像力：5 7 0 行 视频输出：1 0 vc c i r 复合，7 5 f ) b n c 接头 信噪比：5 0 分贝( a g c ) 断开 电子控制亮度：相当于连续可变快门速度，在1 1 2 5 秒与1 3 2 0 0 0 秒之间 最小照度：o 0 8 勒，f 1 4 增益控制：可选择a g c 接通( + 1 8 分贝) 或断开 镜头安装方式：c 安装或c s 安装方式 3 2 视频图像采集卡 视频图像采集卡将摄像机摄取的模拟图像信号转换成数字图像信号，使 计算机得到所需要的数字图像信号。通常图像采集卡要占用p c 机总线的一 个插槽，并带有外接的c c d 摄像头，图像监视器，视频信号接口。图像采集 卡与摄像机，监视器，p c 机一起就构成了一个典型微机图像处理系统的基本 硬件环境。图像采集卡的工作过程是：对摄像机输出的景物视频信号进行实 时采集，经a d 转换后将数字图像存放在图像存储单元的一个或多个通道中， 通过计算机发出指令，将某一帧图像静止在图像存储通道中，即采集或捕获 了一帧图像，计算机对采集的图像进行处理。采集卡上的d a 转换电路自动 将图像实时显示在图像监视器上。高档的图像采集卡甚至包括图像处理专用 硬件，如卷积滤波，f f t 变换和实时直方图处理器等快速部件。目前的图像 采集卡以广泛采用p c i 总线。p c i 总线的英文全称为c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，简称p c i s i g ，即外设部件互连。p c i 是先进的高性能局 部总线，可同时支持多组外围设备。p c i 局部总线不受制于处理器，为中央 处理器及高速外围设备提供一座桥梁，更可作为总线之间的交通指挥员，提 高数据吞吐量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 视频图像数字化器的工作原理如下图3 4 所示。图中a d 变换是指把模 拟信号变换成数字信号的一种转换，它本身包括采样，采样保持，量化及编 码，在图像数字化过程中，往往在进行a d 变换之前，还要对模拟图像进行 一些预处理，其中包括放大，筘位，滤波等，有时，我们把视频图像数字化 器中的预处理和a d 部分统称为视频通道。在一般图像数字化器中，除了包 括视频通道外，还包括同步锁相，采样脉冲形成以及a d 地址形成电路。 视 图3 4 视频图像数字化器工作原理图 我们选用的图像采集卡的性能指标如下： 1 标准视频输入( v i d e o 信号p a l ，n t s c ) ，可真彩，伪彩，黑白 2 实现视频图像通过计算机p c i 总线实时传递至计算机内存； 3 采集图像实时在v g a 卡上显示，实现图像同屏显示工作方式； 4 可由用户定义任意采集方式，采集窗口大小； 5 可实时采集单场，单帧，任意间隔以及连续的图像； 6 图像采集显示分辨率：最大6 4 0 * 4 8 0 ，要求v g a 卡3 2 b i t 方式 7 采样位数：黑白方式8 b i t ，彩色方式r g b 各8 b i t ； 8 亮度，对比度，色度，饱和度，画面大小比例均软件调节； 9 提供d o s 及w i n d o w s 环境下的库函数。 3 3 图像的存储格式 出 一般来说，目| j 的图形( 图像) 格式大致可以分为两大类：一类为位图： 另一类称为描绘类、矢量类或面向对象的图形( 图像) 。| j i 者是以点阵形式描 述图形( 图像) 的，后者是以数学方法描述的一种由几何元素组成的图形( 图 像) 。一般说来，后者对图像的表达细致、真实，缩放后i 訇形( 图像) 的分辨 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率不变，在专业级的图形( 图像) 处理中运用较多。 图像的存储格式因为在不同的操作系统下有不同的格式，不同的公司也 有不同的图像标准，把象素按不同的方式进行组织与存储，就会得到不同的 图像格式，把图像数据存成文件就得到图像文件。图像文件按照数字图像格 式的不同一般具有不同的扩展名，常见图像文件格式有位图文件( b m p ) 、 t g a 文件( 十t g a ) 、p c x 文件( $ p c x ) 、g i f 文件( 术g i f ) 、t i f f 文件 ( t i f f ) 等。 目前，w i n d o w s 系列操作系统已经成为主流操作系统，存在于w i n d o w s 系 列操作系统的主要图像文件格式位图文件在图像处理与检测就占有很重要的 地位，因此很有必要对位图文件的格式作一个介绍与理解。 在w i n d o w s 中存在着两种位图，一种是d d b ( d e v i c e d e p e n d e n tb i t m a p ) 即g d i 位图，它依赖于设备，不能在不同类型的计算机间进行传递，另一种 就是下面我们着重介绍的d i b ( d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 。它独立于设备， 可以在不同类型的计算机间进行传递。 b m p 是b i t m a p 即( 位图) 的简称。其中d i b 是标准的w i n d o w s 位图格式， b m p 文件中包含了一个d i b 。b m p 格式是w i n d o w s 默认的点阵图存储格式。表 3 】是b m p 图像文件的结构： 其中第一部分为位图文件头b