（机械电子工程专业论文）基于ccd和图像处理技术的六角光纤几何尺寸测量系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于c o d 和图像处理技术的 六角光纤几何尺寸测量系统的研究 摘要 光纤的制造需要复杂的技术，随着光纤应用场合越来越多，对于光 纤质量的要求也越来越严格，因此我们需要用比较好的方法来对光纤的 几何参数进行测量，从而发现生产过程中存在的问题，相应调整生产过 程中的一些参数，以生产出更加合乎要求的光纤。本论文提出了采用c c d 传感器和图像处理技术进行六角光纤几何参数测量的方法，具有测量精 度高、速度快、应用方便灵活等特点。 论寞苒毙在查阿亍大量参考文献莳基础土设计和确定亍铡量旁案和 测量系统的组成f 该系统主要由c c d 传感器、照明系统、光学成像系统、 数据采集和数字图像处理系统构成，并且，对c c d 传感器的原理及发展 应用的现状作了简单的介绍；在光源、照明方式、镜头的选择等方面进 行了详细的分析。 其次，本论文重点论述了该测量系统中图像处理和软件设计等问题。 针对光纤图像中的特点，在大量实验的基础上，采用了中值滤波的方法 来消除图像噪声；在图像特征提取中，采用了坎尼( c a n n y ) 算子进行边缘 检测来确定像素级边缘，该方法具有良好的边缘检测性能，能在噪声抑 制和边缘检测之间取得较好的平衡，提取的边缘比较完整，连续性好。 为了提高测量精度，本文采用了空间矩亚像素细分算法来确定亚像素级 边缘，该方法是利用空间灰度矩来确定亚像素级边缘的位置，其特点是 方法简单、精度高、可适用于任意尺寸的窗口。同时该方法的精度不受 太原理一j ：大学硕士研究生学位论文 图像灰度数据的加性、乘性变化的影响，算得的边缘位置不受图像平移 或尺度变化的影响。 最后，对该测量系统进t ? t 定性的误差分析并提出了一些改进措施。 本测量系统的误差主要有两个方面，一是硬件误差，包括c c d 传感器件 带来的误差、光学镜头带来的误差、照明系统带来的误差等；另一方面 是软件误差，包括算法误差和标定误差等。 经实验证明，该测量仪测量精度可达0 0 0 5 m m ，运行速度较快，具有 良好的应用前景。 关键词：六角光纤，c c d ，图像处理，亚像素细分 1 1 太原理工大学硕十研究生学位论文 t h er e s e a r c ha b o u tm e a s u r e m e n ts y s t e m o fs i x a n g l ef i b e rg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n o nt h eb a s i s0 fc c da n di m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t w l t hm o r ea n dm o r ef i b e ra p p l i c a t i o n ，t h ee x c e l l e n t q u a l i t y , m o r e a c c u r a t ep r e c i s i o na n dc o n v e n i e n tm e a s u r e m e n tm e t h o da r er e q u i r e d i nt h i s p a p e r , t h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o no fs i x a n g l ef i b e ri s m e a s u r e db yt h e t e c h n o l o g yo fc c da n di m a g ep r o c e s s i n g t h em e t h o dh a ss o m ec h a r a c t e r s ， s u c ha sh i g hs p e e d ，g r e a tp r e c i s i o n ，c o n v e n i e n ta p p l i c a t i o na n ds oo n f i r s t l yb a s i n go nal o to fr e f e r e n c e ，id e s i g n e dt h em e a s u r e m e n ts y s t e m a n dp r o j e c t t h es y s t e mi n c l u d e sc c d ，i l l u m i n a t i o nm o d e l ，o p t i cm o d e l ，d a t a c o l l e c t i o n ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm o d e l o nt h eo t h e rh a n d ，t h et h e o r yo f c c da n dd e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h ec h o i c eo fo p t i cs o u r c e ， i l l u m i n a t i o nm o d e l ，l e n sw a sa n a l y z e di nd e t a i l s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e ds y s t e m sp r o b l e mo fi m a g ep r o c e s s i n g a n ds o r w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ff i b e r si m a g ea n db a s i so n p l e n t yo fe x p e r i m e n t s ，w ec h o o s et h a tm e d i a nf i l t e rm e t h o dw h i c hc a n e l i m i n a t en o i s ea n dc a n n ye d g ed e t e c t i n gm e t h o dw a sa p p l i e d t h ec a n n y m e t h o dc a ng e tt h eb a l a n c eb e t w e e ne d g ed e t e c ta n dn o i s e ，a n dt h ee d g ei s m o r ei n t e g r a t e da n dc o n t i n u o u s f o rg r e a t e r p r e c i s i o n ，s u b p i x e le d g e d e t e c t i o nb a s e do ns p a t i a lm o m e n tw a sa p p l i e d i th a sg r e a tp r e c i s i o na n d d o n tb ei m p a c t e db yi m a g eg r a yl e v e la n de d g ep o s i t i o n f i n a l l ni tw a sa n a l y z e dt h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e me r r o ra n a l y s i sa n d s o m ei m p r o v e dm e t h o d i nt h es y s t e m ，t h e r ea r eh a r d w a r e sa n ds o f t w a r e s i i i 奎堕堡三查兰堡堕壅圭堂堕堕苎 一 e r r o r t h eh a r d w a r e ，se r r o rw a si n d u c e db yc c d ，o p t i cl e n sa n di l l u m i n a t i o n m o d e l ，b u ta r i t h m e t i ca n d c a l i b r a t i o ni ss o f t w a r e se r r o r a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t sr e s u l t ，t h es y s t e m sp r e c i s i o nm e e t 0 0 0 5m m i th a sr a p i ds p e e da n db r o a da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s i x a n g l ef i b e r ，c c d ，i m a g ep r o g r e s s i n g ，s u b 。p i x e l s u b d i v i s i o na r i t h m e t i c i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教9 币的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文佟者签名：藏盎幺丑期：2 苎，垒：21 关于学位论文使用杈的说明 本人完全了鳃太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影酃、缩鞠或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：盘志毫嚣期：缝：! 理 味、一 导师签名：鱼堕日期： 舢。i 10 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的意义 第一章绪论 光纤通信技术是近年来发展最为迅猛的通信技术，是世界新技术革命的重要标 志，又是未柬信息卒十会中高速信息m 的丰要传输t 具。由于光纤的传光竹能极其优良， 因此光纤通信力式现己成为光通信的上流。 光纤是光导纤维的简称，是工作在光波波段的一种介质波导。它把以光的形式 现的电磁波能量，利用全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向 前进。根据用途的不同，光纤可分为两类：一类是用于传输光学信号的，即通信光纤； 一类足用于传输能量的，即传能光纤。 本课题研究的是通信光纤，它的制造需要复杂的技术，随着光纤应用场合越来越 多，对于光纤质量的要求也越来越严格，因此需要用比较好的方法来对光纤的几何参 数进行测量，从而发现生产过程中存在的问题，相应调整生产过程中的一些参数，以 生产出更加合乎要求的光纤。在需要测量的众多参数中，光纤的几何尺寸包括光纤的 直径等参数的测量尤其重要。因为在实现光通信的时候，往往会将几千至几万根单根 光纤捆成圆柱形缆束，再把一捆捆缆束对接起来，只有确保了光纤的几何尺寸，才能 降低接续损耗和传输光功率的损耗，保证光纤在系统中被成功使用。 为了尽量降低接续损耗和传输光功率的损耗，人们试验采用六角光纤。理想的六 角光纤的正截面应该是正六边形的，但实际生产出来的六角光纤的正截面并不是理想 的正六边形，因此，我们需要分别测量六角光纤的三对对棱之间的尺寸，在误差允许 的范围内，来比较它们是否相等，从而判断光纤的直径大小和对其进行分类。正是由 于光纤几何尺寸的稳定性对于光纤品质十分重要，需要寻找一种实用、准确、快速的 方法来准确测量。本论文正是为了满足这个需要而进行研究的。 1 2 测量方案的选择 对于光纤几何尺寸的测量，目前国内外提出的方法很多，主要有：直接测量法、 图像剪切法、白光干涉仪法、机械接触法、图像翻转显微镜法、旋转镜偏移法、荧光 太原理工大学硕士研究生学位论文 法、前向散射法、后向散射法、c c d 非接触测量法等“儿妇啪“小”。这些方法各有其优 势，也各有其弊病。除了c c d 非接触测量外，其他方法最主要的缺点就是都需要人为 的作出判断，因而降低了准确性，而且需要花费大量时间，无法迅速测量。下面介绍 几种有代表性的测量方法： 1 利用一个显微镜观察样品来手动测量。 让显微镜聚焦在光纤的一个端面上，移动侧位目镜中的十字准线以便它和光纤各 个边缘线交叉，然后记下读数。在与本方向垂直的方向上重复同一操作。该方法除了 消耗大量时间之外，还受到操作者主观决定光纤边界而产生的误差的限制( 图像剪切 法也有这样的缺点) 。 2 前向或后向散射干涉法 该方法测量误差小，理论也相对成熟，应用起来比较简便，因而被普遍采用。其 中后向散射法更成型，也更加准确，使用范围更广。这个方法的原理是：当光纤受到 与其轴线垂直的一束准直的入射光照射时，由于入射光束是通过不透明屏上的狭缝或 d ；l 照射到光纤上的，在光纤这一侧的屏上会显示一个复杂的散射光图样，这个散射 光图样围绕着整个光纤扩大开来，但在不同的方向上，其强度有显著的变化，在一个 界限分明的角度范围内，这种后向散射光具有相当大的光强，而在这个范围之外，它 的光强会减小到很小的数值，特别明显的是，在与入射光相反的方向上出现一条光带。 实际应用中一般总是使用激光光束作为入射光，使后向散射光产生干涉，观察并测量 相干光的干涉条纹，利用后向散射图样分析法给出测量光纤外径的数学模型，并根据 实际需要再经过一系列推导，最后得出测量公式。下图卜1 为后向散射法的简单原理 图，图中1 为激光光源，2 是不透明屏，3 是光纤。 经理论推导，可得光纤直径的计算公式为： d = 籍仆争 a _ 1 ) 其中：d - - 一光纤直径 名一激光的波长 l - - 一光纤离开观察屏的距离 n 一一光纤材料的折射率 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 x 一干涉条纹测量点离屏中心的距离 v x 条纹测量点相邻值之f 日j 的距离 图卜1 向后散射法 f i g l 一1b a c k w a r ds c a t t e ri n t e r f e r e n c e 该方法有简便易行、迅速完成的优点，但也有如下缺点：只能测量小光纤的外径、 测量精度低等。 3 c c d 非接触测量法 利用c c d 测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理、易于和自动控制设备连 接等一系列优点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。其方法就 是将光纤定位后，采用合适的照明系统使光纤通过物镜成像在c c d 靶面上，通过对 c c d 输出的信号进行适当的处理、提取光纤的几何信息，结合光学系统的变换特性， 可计算出光纤的尺寸。目前多采用线阵c c d ，精度不高，个别要求高精度的系统多采 用多个线阵c c d 拼接的技术，也有通过多台低分辨率面阵c c d 拼接来达到高精度要求 的。 本论文采用面阵c c d 非接触测量法来进行六角光纤几何尺寸的测量。由c c d 传感 器、照明系统、光学成像系统、数据采集和数字图像处理系统构成。具有测量精度高、 速度快、应用方便灵活等特点。 1 3c c d 非接触测量的国内外现状 c c d 用于测量的研究在上世纪九十年代末开始进入火热期，国内外已有许多文章 是关于c c d 用于测量的。由于该种测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理、易 于和自动控制设备相连接等优点，故c c d 用于测量的研究一直持续到现在。c c d 检测 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表 面形状检测和温度检测等领域。 美国科学家把面阵c c d 和光学显微镜结合起来，把显微镜所成的像转变为电信 号，然后送入计算机进行处理。利用这种显微镜对生物染色体结构进行测量，取得了 令人满意的效果。 机器视觉与三坐标测量机相结合，采用非接触探测进行三维测量和物体识别是柔 性制造系统中必不可少的重要设备，美国、英国、日本、德国、瑞典等国家研制了这 种类型的三坐标测量机。如瑞典的j o h a s s o n 公司生产的三坐标测量机，采用面阵c c d 摄像机作为光电接收器件，用计算机数控进行非接触图像处理，能实现自动测量和高 速图像处理。 美国o g p 公司研制的图像测量系统( s m a r ts c o p e2 0 0v i d e om e a s u r i n gs y s t e m ) ， 具有精密的x y z 工作台，采用变焦镜头，实现对工件的自动调焦。由于该系统把标准 件安放在了镜头里，可随时对系统进行标定，因此使用非常方便。该系统单轴测量精 度为( 2 5 + l l o o ) “m 。为了保证图像视场能得到均匀的照明，该系统采用了光纤环形 灯照明。工作台采用步进电机进行驱动，保证了快速搜索待测要素。该系统的软件采 用可视化编程，具有良好的人机界面，同时配有各种各样的电子测量准星，以适应测 量不同类型工件的需要。 日本三丰公司研制的三坐标c n c 图像测量机q u i c kv i s i o n 可利用其自身复杂的 探测系统来测量形状复杂的工件。该系统采用直流伺服电机控制x 轴、y 轴和z 轴的 机械运动。而且每一轴都有内置的高分辨率的m i t u t o y o 线性标定器检定，这种高分 辨力的c c d 像机有3 8 0 0 0 0 个像素，能够在c r t 屏幕上显示清晰的放大的图像。该系 统能对工件进行自动调焦，系统的测量精度为“+ 5 l l o o o ) l u m ，最大驱动速度为 2 0 0 m m s 。照明系统采用纤维光学管垂直反射和透射照明，外加一个可供选择的光纤 环状光源。物镜有1 倍、3 倍、5 倍和l o 倍可供选择。 为检测b g a ( b a l lg r i da r r a y ，球珊阵列) 芯片的管脚高度是否共面，1 9 9 9 年， 美国r v s i 公司的提出了一种新的立体测量方法。该方法用激光线源照射到芯片管脚 上，被照亮的管脚图像经由互成一定角度的两套c c 3 摄像系统采集后，输入计算机进 一行立体匹配，利用透视变换模型和坐标变换关系，计算出管脚高度和纵向间距，再 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 使被测芯片在步迸电机的带动下做单向运动，从而实现三维尺寸测量，并引入电容测 微仪实时监测工作台位置变动，进行动态误差补偿，有效减小了因振动造成的误差。 2 0 0 1 年，c j t a y ，x h e 等人利用图像识别和数字相关等技术简化了计算过程，使得 只需几秒钟便可计算上百个管脚的高度，从而有效地提高了检测系统的实用性。最近， c j t a y 等根据被倾斜光照射的物体的像与影之间的固有关系，提出了一种基于光学 阴影简便测量b g a 管脚高度的方法。该方法利用激光对被测：占片的管脚进行倾斜照射 以产生管脚阴影，管脚及其阴影由带远焦显微镜的c c d 相机采集后，输入计算机，由 计算机软件根据影和像的相互关系计算出管脚高度，笔者提出了两种简洁的计算方 法，可避免因光衍射而造成的边缘检测误差，计算简单快速。 近年来，将c c d 技术和莫尔条纹、数字全息、电子斑点干涉等技术相结合以精确 测量微小尺寸的技术正成为一种具有很大潜力的研究发展方向。” s c h e d a y ，y i e h e 和c h e v al i e r 等人开展了采用面阵c c d 测量材料形变的研究。 在此基础上，s t e f a nh a r tm a n n 等人借助面阵c c d 研究了橡胶材料在拉伸和压缩时 的形变情况。即在圆柱形黑色测试样品的轴线方向等距标定几个白点，用c c d 摄取相 应图像并送入计算机进行处理，通过检测白点标记间的距离来计算样品受力时轴向的 形变，并通过轮廓检测算法得到轴对称的圆柱型样品的轮廓尺寸，经过数据校正，可 计算出被测样品半径方向上的形变。s c l a u d i n o n ，p l a m e s l e 等人采用类似方法研 究了淬火钢铁样品在气冷时的形变，解决了高温样品的尺寸测量问题，并能连续测量 不同温度下的形变量，但在低温时，易产生测量误差。j - m s i g u i e r 等为研究大型 科学气球气囊表面材料的性质，利用两个c c d 摄像机摄取被测物体的表面图像，通过 立体相关方法获取样品的三维形变。但这种测量方法技术复杂，且在与材料表面垂直 的法线方向上获得的数据偏小。 近几年来，国内许多单位也把c c d 测量技术应用于光学仪器，研制了许多新型光 电仪器。 天津大学研制的图像自动处理显微镜系统就是利用c c d 器件进行摄像，实现涂片 ( 或其他试片) 的自动测光、自动曝光及自动筛选。整个系统由微机控制，使用方便 可靠。 ，天津大学精密仪器系研制的二维计算机视觉检测系统，采用c c d 摄像机瞄准被测 5 太原理r 大学硕士研究生学位论文 件的轮廓，纵横两个方向利用步进电机进行驱动，采用光栅进行位移测量，可以很方 便的对圆孔零件的直径及孔h j 距进行测量，测量精度优于2 0 1 t r n 。 天津大学研制的计算机视觉二维刀形检测装置，采用面阵c c d 摄像机摄取刀形图 像，根掘所给定的数学模型和数据处理程序，给出刀形曲线的参数值，存入数掘库， 并绘制出刀形曲线。 目前国内利用c c d 进行工业实时在线检测的系统不多，而且多用线阵c c d ，精度 不高，个别要求高精度的系统多采用多个线阵c c d 拼接的技术，也有通过多台低分辨 率面阵c c d 拼接来达到高精度要求的。如以线阵c c d 像感器为核心测玻璃管尺寸；面 阵c c d 在线检测电线电缆直径，被测对象直径小于l o m m ，精度小于0 0 5 r a m = 武钢轧 板厂应用多台面阵c c d 拼接对钢板长度、宽度进行在线自动测量，测量误差小于5 m m 。 太原理工大学机器人实验室与广东潮州三环集团合作研制的面阵c c d 基片检测系统 在被测基片为l o o m m 的情况下其精度就达到了0 0 1 r r h 7 1 0 1 4 本论文的工作 为了生产出尺寸合格、品质优良的光纤，那么在光纤的生产过程中就要对光纤的 几何尺寸进行实时地抽查检测。本论文要实现的目标就是：( i ) 在误差允许范围内， 测量六角光纤的直径。我们通过分别测量六角光纤的三对对棱之间的距离，在误差允 许的范围内，来比较它们是否相等，从而计算出它们的直径大小；( 2 ) 根据被测六角 光纤的直径将光纤按不同的直径规格分类。 在本文中完成了如下工作： 1 ) 现有的光纤几何尺寸测量的方法研究 2 ) c c d 的原理及c c d 非接触测量方法的学习和研究 3 ) 照明方法和镜头原理的学习 4 ) 使用计算机图像处理测量六角光纤直径的软件算法的研究 5 ) 测量系统的误差分析和标定 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章测量系统的基本设计方案 现在已有各种各样的c c d 测量仪，其光学部分大都采用投影成像法、激光扫描法 等。投影成像法矧( 如图2 一1 ) 是将光源通过一定结构的系统变为平行光，被测物放 在平行光中，再经一组透镜成像于c c d 感光阵列面上。测量阴影像的宽度d ，根据透 镜系统的放大倍数即可得到被测物的直径d ： 平 行 光 1 待测物2 成像透镜3 光阑4c c d 成像面 图2 - 1 投影成像法 f i g2 - 1p r o j e c t i o na m p l i f i c a t i o n 该方法的测量精度主要取决于平行光的准直程度、成像的放大倍率和c c d 成像面 的分辨率。平行光源要做得十分理想是有一定困难的，且随准直程度的提高会使仪器 成本提高，在实际应用中常常通过软件处理的方法来修正测量值，以使测量结果更接 近实际值。这在一定程度上降低了对光源的苛刻要求。 激光扫描法汹1 ( 如图2 - 2 ) 是用一束激光水平扫描被测物，在c c d 靶面上测量两 次光斑被挡住一半之间的像元素，即可得出被测物的尺寸。此法特点是，因激光束的 高度平行性，被测物和激光源之间及被测物和c c d 靶面之间可以相距比较远。 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 激光扫描法 f i g2 - 2l a s e rs c a n n i n gm e t h o d 为了使该测量仪结构简单紧凑、尺寸小型化，成本较低精度较高，本论文在投影 成像法原理的基础上设计了如图2 3 所示的测量系统。 该测量仪的测量系统主要有照明系统、成像系统、面阵c c d 图像采集系统、测量 软件构成，测量系统框图如下。其中照明系统、镜头与c c d 以及光纤封闭在一暗箱内， 只在载物台的前方开出一个可开合的矩形窗口用来摆放光纤、调节光纤摆放位置。 2 1 照明系统的设计 图2 - 3 测量系统组成 f i g2 - 3m e a s u r e m e n ts y s t e m 头与c c d 2 1 1 光源的选择 c c d 应用系统可大致分为摄像和检测两大类型，不同类型的系统对照明光源有不 同要求，应根据需要选用。摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色，它应在 日光或近似日光照明下进行。检测系统一般是通过测量被检测物体的像来测量被检j 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 测物体的某些特征参数。由于该系统用于测量，需要一束平行光照射待测物成像， 因此我1 ：需要选择合适的光源形成一束平行光。常见的光源可分为自然光源和人工光 源两大类。 2 1 1 1 自然光源 由自然过程产生光辐射的辐射源为自然光源。各种天体( 包括地球、太阳) 及大 气等都是自然光源。自然光源是客观存在的，其强度和光谱特性随地理位置、气候、 季节、时间的变化而变化。太阳是最重要的自然光源，天空也是一种重要的自然光源。 在光学仪器中，有时用自然光作为光源，但是由于使用要求与使用条件的限制，在计 量仪器中使用较少，因此在本测量仪中不采用自然光源作为照明光源，需要选择合适 的人工光源。 2 1 1 2 人工光源 为了获得良好的、稳定的观察和测量条件，人们使用许多人工光源，经常用到的 人工光源和照明方式有如下表2 - 1 和2 2 所示： 袁2 - 1 各种光源的对比 t a b l e2 - 1c o n t r a s to f d i f f e r e n tl a m p - h o u s e 光源 一 一? 颜色 ? 寿命( 小时)发光亮度 ”。 特点 卤素灯白色，偏黄5 0 0 0 7 0 0 0很亮发热多较便宜 荧光灯白色，偏绿5 0 0 0 - 7 0 0 0亮较便宜 l e d 灯红。黄，绿，白，蓝6 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0较亮发热少，固体能做成很多形状 氙灯白色，偏蓝 3 0 0 0 - 7 0 0 0亮发热多，持续光 电致发光管发光频率决定 5 0 0 0 - 0 0 0 较亮发热少，较便宜 2 i 1 3 照度匹配 c c d 器件是积分型器件，输出电流信号既和c c d 器件光敏面上的照度有关，也和 两次取样的间隔时间即积分时间有关。若以i 代表其输出电流信号，e 代表光敏面的 照度，t 代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有： 一 i = k e t = k q( 2 1 ) 式中：k 为比例常数；q ：e t 称为曝光量，单位为l x s 。对于选定的c c d 芯片来说，曝 光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量( 乙对于摄像和以光度测量为 基础的c c d 应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝光量q 均应低于f l ，否则将产 9 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 生画面亮度失真或产生大的测量误差。因为q = e t ，所以可通过适当选择c c d 器件光 敏面上照度e 和两次采样间隔时间t 两个参数束达到q u m 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面 1 9 太原理i ：大学硕十研究生学伊论文 势) 变得如此之高，以至于将半导体体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面，形成一 层极薄的但电势浓度很高的反型层，如图2 - 8 ( c ) 所示。反型层电荷的存表明了m o s 结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零突变到高于闽值电压时，轻掺杂半导体 中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进 一步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后 可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。 通过观察图2 9 中c c d 四个彼此靠得很近的电极，可以理解c c d 中势阱及电荷如 何从一个位置移到另一个位置。假定丌始时有一些电荷存储在偏压为1 0 v 的第一个电 极下面的深势阱罩，其他电极上均加有大于阂值的较低电压。设图2 9 ( a ) 为零时刎。 经过t ，时刻后，各电极上的电压变为如图2 9 ( b ) 所示，第个电极仍保持为1 0 v ， 第二个电极上的电压由2 v 变到1 0 v ，因这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱 将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图 2 9 ( b ) 和图2 9 ( c ) 。若此后电极上的电压变为如图2 9 ( d ) 所示，第一个电极电压由 1 0 v 变为2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第二电极下面的势阱中， 如图2 9 ( e ) 。由此可 2 v 1 0 v2 v2 v 2 v 1 0 v2 - 1 0 v2 v 2 v 1 0 vl o v2 v 士上坫占堪 唰动| i 图2 - 9 三相c c d 中电荷的转移 f i g2 - 9c h a r g et r a n s f e ro f t h r e ep h a s ec c d 见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置 由此原理，如果我们对a 、b 、c 三相加以按时序变化的时钟脉冲电压，则电极下： 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 面的势阱也会按时序变化，电荷包也会从一端传送到另一端。最后通过一个反偏电压 输出二极管收集电荷并送入前置放大器。从上述原理可见，c c d 器件就是一个移位寄 存器。它需要用光学成像系统将景物图像成在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每一像 敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元( m o s 电容) 中。 然后，再转移到c c d 的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序的移出器件，成为视 频信号。 2 3 3 面阵c o d 摄像器件的特性 。 1 分辨率 c c d 摄像器件的每个光敏单元都是分离开的。它属于空间上分立的光敏单元对光 学图像进行抽样。根据奈奎斯特抽样定理，c c d 的极限分辨率是空间抽样频率的一半 因此，c c d 的分辨率主要取决于c c d 芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。 h 高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，但光敏单元尺寸的减小导致灵敏度降低。 2 灵敏度 灵敏度就是单位光功率所产生的信号电流，与以下因素有关：开1 ：3 率为感光单元 面积与一个像素总面积之比，对灵敏度影响很大；感光单元电极形式和材料对进入 c c d 内的光量以及对c c d 的灵敏度影响较大；c c d 内的噪声也影响灵敏度。 3 噪声和动态范围 c c d 摄像器件的噪声主要是半导体的热噪声，还有c c d 芯片上的放大器噪声。它 的动态范围取决于势阱能收集的最大电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差。 4 暗电流 c c d 的暗电流是由热激励产生的电子一空穴对形成的。c c d 内的暗电流是不均匀 的，在半导体中有缺陷的地方出现暗电流峰值，因而在图像上产生一固定干扰图形。 精心选择半导体内参杂物、减小光敏单元内特殊部分的电场以及改进c c d 内部结构， 可有效地减少固定图形噪声。 5 c c d 的光谱灵敏度 c c d 的红色响应较强，蓝色响应稍低。应用红外滤光片截止近红外光进入c c d 光 敏面上但总的看来，在可见光谱内，只通过调节增益就可以在各种不同色温下调好 白平衡。因而有的摄像机不用色温校正片就可以减少光的损失。， 2 1 太原理【人学硕十研究生学位论文 6 高亮度特性 c c d 摄像器件上有高亮点时会产生垂直拖道，现代c c d 采用溢出漏将高亮度点的 丌花和拖彗尾现象基本消除了，即高亮度图像静止时没有丌花现象，活动时没有拖彗 尾现象。 7 拖影 在帧转移型c c d 中，由光敏区向存储区转移电荷时，光积分电荷或光生载流子扩 散，致使图像模糊，这种现象称为拖影。拖影使像对比度下降。在行转移型c c d 中， 图像经寄存器以水平速率移位时所形成的拖影也会使图像模糊。拖影现象在摄取黑色 背景中的明亮目标时最明显。 2 3 4 面阵c c d 图像采集系统工作原理 面阵c c d 是一系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列，相邻光敏元的中 心距d 和问隙a 决定了c c d 的分辨率。如图2 - 1 0 所示，d 和a 的典型尺寸是几个微 米，而一些低分辨率的面阵c c d 则达到了十几微米。图2 - 1 1 为c c d 尺寸测量系统的基 本原理，物体经透镜成像于c c d 的光敏面上，成为景物图像，而c c d 光敏元的分和是 离散的，相当于对景 d 图2 - 1 0c o d 结构简图 f i g2 - 1 0s k e t c ho f c c d 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 1 1c c d 测量原理尉 f i g2 - 11p r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n tu s i n gc c d 物图像进行了抽样，抽样频率为1 d 。另外，由于像元间距的存在，c c d 探测到 的不是整个图像的信息，而是其中被光敏元覆盖的部分，这相当于对景物图像进行了 积分。这样，c c d 在完成对图像的空间离散过程后，将光学信号变成电信号，最后合 成完整的视频信号输入计算机进行后续处理。 ，*z 本测量系统选用美国u n i q 摄像头系列产品u p - 9 0 0 摄像机，像素为1 3 9 2 ( h ) 1 0 4 0 ( v ) ，分辨率即每个像元所表示的水平宽度和垂直宽度为4 6 5um ( h ) 4 6 5 p m ( v ) ，连续显示最高帧数为1 5 帧秒。采集卡选用加拿大m a t r o x 公司的 m e t e r o2d i g i t a l2 0 型高速图像采集卡；另外驱动c c d 器件需要一个1 2 v 的直流 稳压电源。 2 4 测量软件系统 测量软件系统是该测量仪的核心部分，是采用v i s u a lc + + 6 0 开发的。主要由 图像采集部分、图像处理部分、几何尺寸获得部分、标定部分等组成。具体内容将在 下一章详细说明。 太原理r 人学硕士研究生学位论文 第三章测量软件系统分析 测量软件系统作为该测量仪的核心部分，它的主要作用就是把c c d 相机拍摄到的 图像采集完成后存储在内存中，经图像处理，提取出光纤的信息，确定光纤边棱在图 像中的位置，从而实现尺寸测量。 系统软件可分为四大部分：前处理部分、图像的采集和存储、图像处理、几何尺 寸获得部分。 3 1 前处理部分 该部分主要用于校正和调试机器时使用。在进行测量l ； ，用于图像预览，以观察 拍摄效果和光纤位置是否摆放正确。这部分连续显示最高帧数为1 5 帧秒。 3 2 图像的采集和存储 图像的采集由图像采集卡完成。系统在采集完成后将图像存储在内存中，为后续 处理做准备。数据是以8 位灰度的形式存储的，共2 5 6 级。 3 3 图像处理 图像处理有模拟图像处理和数字图像处理，图像处理方法也多种多样，可以用光 学方法，也可应用电子学方法。本文主要研究的是数字图像处理。从6 0 年代丌始， 随着计算机技术的发展，数字图像处理获得了飞速的发展。数字图像处理，就是利用 数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件，对从图像信息转换束的数字电信号进 行某些数字运算或处理，以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期的结果。 如对被噪声污染的图像去除噪声：对信息微弱的图像进行增强处理：对失真的图像进 行几何校正：从遥感图片中辨别农作物。森林、湖泊和军事设施等等。应用计算机处 理图像精度高，改变软件即可变换处理方法，灵活方便，随着计算机技术的迅速发展， 特别是并行处理技术、处理器阵列、图像数掘库等新技术的发展，图像处理技术将 会以全新的面貌出现“”。 图像处理技术的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，如直接在空伺域中进行处理，则涉及计算 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 弦变换等问接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，这样不仅可减少计算跫， 而且可获得更有效的处理。目前新兴研究的小波变换在时域和频域都具有良好的局部 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 嗓声，提高图像的清晰度等，以突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分最， 可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图像中噪卢影响。 ( 3 ) 图像分割图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。它是将图像中有 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i j 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，这也是目前图像处理中研究的热点之一。 ( 4 ) 图像编码压缩图像编码压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。 ( 5 ) 图像描述图像描述是图像识别和理解的必要前提。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，已经歼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。 本论文主要采用下面的方法来进行图像处理： 太原理亡火学硕七研究生学何论文 3 3 1 图像增强 3 3 1 1 灰度变换 图像增强的主要目的是设法改善图像的视觉效果，提高图像的可读性，将图像中 使人感兴趣的特征有选择的突出，便于计算的分析和处理。目前用在图像增强方面主 要有灰度的变换，噪声的去除等方法。灰度的变换可以有效的改善图像的画质，使得 图像的对比度增强或拉伸。它主要是针对独立的像素点进行处理。假设原图的灰皮值 d = f ( x ，y ) ，处理后图像的像素狄度值d = g ( x ，y ) ，则灰度增强函数可以表示为 g ( x ，y ) = t f ( x ，y ) 】 ( 3 一1 ) 根据上式，可以将灰度变换分为线性和非线性两种，下面分别介绍两种常用变换 方法： 1 ) 若g ( x ，y ) = t f ( x ，y ) 】是一个简单的线性单值函数，即线性变换 g ( x ，y ) = t f ( x ，y ) 】= a f ( x ，y ) + b ( 3 2 ) 2 ) 域值变换( 二值化) ，根据图像的直方图我们可以很清楚的看到图像中厌度 的分碲状况，设定一个域值，大于该值象素，图像中该像素的灰度值设定为0 或2 5 5 ， 否则设定为2 5 5 或0 ，其函数为： 厂( x ，j ，) = 2 0 5 5 ：； 其中t 为指定的域值( 3 - 3 ) 根据本课题图像的特点，比较上述两种方法，由图3 1 可以看出，二值化后图像 的边缘比较过渡比较明显，但对于尺寸测量精度造成影响。域值的选择直接影响着测 量尺寸的精度，因此本课题选择灰度的线性变换进行图像的增强。 3 3 1 2 滤波 在图像信号的采集、输入等过程中，由于输入转换器件( 如光敏器件、a d 转换 器等性质的差别) 及周围环境的影响等，使图像上含有各种各样的噪声和失真。反映 在图像上，噪声使原本均匀和连续变化的灰度突然变大或减小，形成一些虚假的边缘 和轮廓，这对于边缘的瞄准尤其是高精度瞄准是十分不利的。为了稳定地进行特征抽 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 原图( 2 ) 灰度直方图 ( 3 ) 线性变换( 4 ) 二值化 3 - 1 灰度变换方法的比较 f i g3 - 1c o n t r a s to f g r a yl e v e lc h a n g e 取等处理，必须消除噪声，校正失真，把图像变成标准形状。常采用滤波的方法可以 分为空域滤波和频域滤波，本文主要介绍空域滤波。空域滤波是在图像空间借助模板 进行邻域操作完成的，根据其特点一般可分为线性滤波和非线性滤波两类。线性系统 的转移函数和脉冲函数或点扩散函数构成傅立叶变换对，所以线性滤波器的设计常基 于对傅立叶变换的分析。非线性空间滤波器则一般直接对邻域进行操作。下面束介绍 几种常用的空域滤波的方法： 3 3 1 2 1 领域平均法“” 领域平均法是一种局部空间域处理的算法。设一幅数字图像f ( x ，y ) 为m x n