面粉麸星和白度的图像检测方法的研究.doc

摘要摘要随着计算机速度的不断提高，数字图像处理技术的发展越来越快。而基于数字图像处理的面粉麸星和白度的检测技术在国计民生中的应用也越来越广，提高面粉检测技术的速度与准确性显得越来越重要。面粉中麸星含量的多少及面粉的白度是评价面粉等级的重要指标。本文讲述了面粉麸星和白度的图像检测方法的研究。麸星的识别和测量以及面粉白度的测定是建立在数字图像处理和模式识别相关理论基础上的。本文对图像灰度化、二值化、平滑滤波、纹理分析、边缘检测等多种数字图像处理技术进行了综合的比较研究，并参考模式识别的相关理论，提出了一种新的麸星快速识别和归一化的算法。 同时，本文还详细介绍的色度学的相关知识，并对面粉白度的测定和计算进行了完整的陈述。关键词：麸星检测；图像处理； CCD；白度测量AbstractAbstractWith the improving constantly of speed of the computer，the development of Digital Image Process technology is faster and faster. The application in the national economy and the peoples livelihood of detection technique of wheat based on Digital Image Process is wider and wider too. The speed and accuracy of improving the detection technique of wheat seem more and more important. The number of bran specks contained in the flour is an import indicator to evaluate the rank of flour, which reflects the pros and cons of wheat varieties. This article describes the method of the image detection of the whiteness of flour and bran star.The recognition and measurement of bran specks and the whiteness of flour is based on Digital Image Process technology and the theory of Pattern Recognition. The paper also implement a comprehensive comparative study with a variety of digital image processing technology ,such as, the image gray-based, binarization, smoothing filtering，texture analysis, edge detection and so on. After the reference to the relevant pattern recognition theory, a new bran specks rapid identification and normalization algorithm is presented. Meanwhile, this paper also details the knowledge of the Colorimetry .The measurement and calculation of the flours whiteness is described in detail.Key word: bran specks measure, image process, CCD, measurement of whiteness of flour 绪论目录摘要Abstract目录第一章 绪论- 1 -1.1本文的选题目的和背景- 1 -1.2面粉麸星检测技术的研究现状- 3 -第二章 数字图像处理技术基础知识- 5 -2.1 数字图像相关概念- 5 -2.1.1数字图像- 5 -2.1.2图像处理- 7 -2.1.3图像识别- 7 -2.1.4图像理解- 7 -2.2图像的获取、显示与表示- 8 -2.2.1图像的获取- 8 -2.2.2图像显示- 9 -2.2.3图像表示- 9 -第三章 面粉麸星和白度图像检测的硬件设计及实现- 10 -3.1 CCD检测原理与构成- 11 -3.1万能数字摄像系统 SV-1300- 12 -3.1.1 SV-300的用途- 12 -3.1.2 SV-300的特点- 12 -3.1.3 SV-300的技术参数- 12 -3.2 ZOOM-650型立体显微镜- 13 -3.2.1 ZOOM-650型立体显微镜用途- 13 -3.2.2 ZOOM-650型立体显微镜技术规格- 13 -第四章 基于数字图像处理技术的面粉麸星和白度的检测- 15 -4.1色度学基本原理- 15 -4.1.1颜色定量表示方法色度坐标- 15 -4.1.2 色度坐标的计算- 20 -4.1.3面粉样品图像的获取及处理- 22 -4.2面粉麸星的识别- 22 -4.2.1数字图像的灰度化- 22 -4.2.2数字图像的二值化- 23 -4.2.3数字图像的滤波- 24 -4.2.4麸星的识别- 28 -第五章 实验结果处理- 30 -5.1面粉白度的计算- 30 -5.1.1 面粉白度测定实验的数据记录- 30 -5.1.2面粉白度测定实验的数据处理- 31 -5.2 面粉麸星的归一化算法- 33 -5.3 误差分析- 37 -参考文献- 38 -致谢- 39 -第一章 绪论1.1本文的选题目的和背景改革开放三十年来，人们的生活水平逐渐提高，特别是进入21世纪以后，随着中国经济的迅猛发展，人们的生活水平更是有了质的飞跃。当前人们不再追求吃什么更贵，而是追求吃什么更营养、更健康。在中国，尤其是在北方，面食是非常重要的主食，几乎是每个家庭平均三餐中必有一餐的主食是面食。因此，当下人们十分关注各种面粉的质量，高质量的面粉食品逐渐成为人们餐桌上必不可少的食物，而如何判定面粉的质量逐渐成为研究人员感兴趣的课题。目前，用来评价面粉质量的参数众多，麸星和白度是非常重要的参考指标。首先，面粉麸星是指成品面粉中肉眼可见的、颜色上明显黑于面粉的斑点，其主要成分是小麦在加工成面粉的过程中未被分离出去的小麦麸皮，也有未清理干净的荞麦皮、草籽皮，甚至还有比重、大小与小麦相近的煤渣、黑石块等。面粉加工时混入少量麸星是允许的，麦麸实际上可食且对人体有益，但麸星过多则是不允许的。面粉中麸星的面积大小和数量多少会严重影响面粉的白度与纯度，同时还会会影响面粉生产工艺过程中其他相关重要指标，诸如：面粉等级、粉中含麸率、出粉率等。此外，还可以评价面粉生产过程中磨粉机搭配调整是否得当、及其清理是否干净、筛理匹配是否合理、面粉制粉工艺以及设备是否先进、操作是否规范等事项。另一方面，现代面制食品(如馒头、包子等)在产品质量方面要求有较好的外观白度，面粉麸星的大小和数量影响面粉的白度与等级。此外，麸星含量还反映了面粉加工精度，如小麦清理是否干净、水分调节是否合理、制粉工艺是否完善等由于面粉数星的面积小、数量多，虽然在白色的面粉中十分显眼，但我们却很难将其准确数量化。全国各地的面粉厂和面粉检验机构都是采用国家粮食检验方面的专家凭感官评出的等级面粉小样与要检验的面粉进行比较，给出某种面粉鼓星是否超标，进而确定该面粉的质量和等级。在面粉制粉过程中，面粉加工精度越高，出粉率越低，混入其中的麸皮就越少，颜色就越白，其商品价值就越高。因此，加工精度也是面粉最重要的指标之一，面粉加工精度直接影响面粉的产量和质量，影响面粉的市场价格，也影响面粉加工企业的经济效益。面粉的白度，即将小麦制成一定粗细度的面粉，用面粉的白度或粉色来表示面的洁白程度。随着面粉市场竞争日趋激烈，制粉企业越来越重视面粉的白度指标，而面粉的白度与面粉的洁白程度有着十分密切的关系。目前，国家尚没有检验面粉白度的标准方法，许多制粉企业也仅凭小麦籽粒的色泽来确定面粉的白度情况，以此指导生产搭配，这往往造成生产的面粉白度与标准粉样的白度之间有一定的差距。近年来，许多生产商家为了提高面粉的白度，在面粉加工的过程中添加面粉增白剂，以提高面粉的白度。常用的两种增白剂分别是过氧化苯甲酰和过氧化钙。但是，增白剂的使用会破坏面粉中营养素，而超过标准使用增白剂不仅对人体健康不利，还会使面粉的色泽变暗甚至变灰，反而达不到增白效果。今年年初，卫生部等多部门发公告，自2011年5月1日起，禁止生产、在面粉中添加食品添加剂过氧化苯甲酰、过氧化钙。过氧化苯甲酰俗称面粉增白剂。去年起，本报持续关注面粉增白剂的存废问题。去年12月，卫生部监督局网站对是否禁止使用面粉增白剂过氧化苯甲酰和过氧化钙公开征求意见。这也使争论十年之久的“面粉增白剂”存废将有结果。征求意见稿显示，自2011年12月1日起，禁止在面粉生产中使用过氧化苯甲酰和 过氧化钙。对于“拟设一年过渡期”，部分公众认为没有必要。根据卫生部发出的正式公告，自2011年5月1日起，禁止生产、在面粉中添加食品添加剂过氧化苯甲酰、过氧化钙。对于“缓刑期”缩短，卫生部食品安全综合协调与卫生监督局副局长陈锐说，第一，这是一个重大的政策调整，要给方方面面留出准备时间；第二，社会上有很多声音要求缩短实施时间，卫生部与方方面面进行反复研究磋商，留出了两个月的过渡期，这也是国际上通行的做法。所以，现在制粉企业越来越重视原料面的选购，即采购白度符合企业标准规定的面粉，用以生产搭配，以满足客户对产品质量的要求。由此可见，面粉白度的检验对于指导面粉的生产具有十分重要的意义。现如今，我国现行的国家标准面粉加工精度检验方法还是感官检验方法，经过人工搭粉或者是蒸馒头后，用目测的方式与实物标准样品进行比较其白度和麸星，这种方法操作繁琐并，且判断误差较大，结果表述往往不准确。由于国际方法测量带有一定的主观性，不能量化，生产企业在质量控制过程中，常采用灰分的含量间接表示面粉的加工精度。灰分含量测定方法虽然客观，其结果也可以数字化，但是，灰分含量测定所需的时间较长，并且由于小麦的品种不同或是种植条件不同，其灰分含量差异也较大。因此，用灰分含量表示面粉的加工精度仍有一定的局限性。对于面粉中麸星的检测，根据调查研究情况的显示，目前国内绝大多数与面粉制品有关的科研院所、生产厂家等检测机构仍然采用传统的人工方式检测面粉中的麸星。即：操作人员利用放大率为5倍或5倍以上的放大镜直接观察并查找统计视野中可见的麸星个数。但由于面粉中麸星的数量多而且面积较小，因此紧靠工人感官检测的方式所得到的数据结果往往达不到精度要求，而是只能对面粉等级作出一个定性的判定，并不能给出准确的定量的判定。同时，由于操作人员视觉疲劳、面粉质量的不同以及光线能见度等原因的影响，很多情况下，对于不同的检测人员对同一款面粉进行检测，得到的检测结果可能大不相同，而这些在实践过程中存在的缺点和不足严重制约了检测人员的工作效率。随着计算机技术的飞速发展，尤其是数字图像处理技术在检测仪器中的应用，仪器自动化、智能化的程度不断提高。先进的检测仪器，不仅具有自动取样、自动控制测试、自动数据处理功能，同时还具有自校正、自诊断等功能，这种新型的智能化系统，代表了新一代分析检测仪器的发展方向。在这样的背景下，本文利用计算机数字图像处理技术对面粉麸星和白度的检测技术进行了深入的探究，在此基础上详细介绍面粉麸星和白度的图像检测技术。1.2面粉麸星检测技术的研究现状粮食制品的品质检验一直是粮食工作的重要组成部分，是采用科学的、系统的分析检测手段，依据相关理论和标准，对粮食及其加工品的品质、质量和卫生安全进行客观全面地分析、判断和评价的一门科学。粮食制品的品质检测既综合了各种现代分析技术，也有自己学科独特的分析方法和手段，从而形成了一套从内部到外部、从常量到微量、从单一指标到综合评价的完整检测方法和技术体系。粮食是一种天然有机物质，组成、结构和生物化学变化复杂而多样，因而决定了粮油检验技术具有多样性、灵活性、系统性和发展性的特征。随着分析技术的进步，对粮食特性的认识，以及人们生活水平的不断提高，粮食品质的检验业也将会得到不断发展进步和完善。粮食制品的品质检验贯穿于粮食加工、销售、居民供应和消费的整体过程，是开展粮食及其加工品质量管理的主要技术手段。通过检验粮食及其制品中营养物质的种类、含量和分布，色、香、味、形、口感、组织形态，以及卫生安全性指标，可以得出科学的、系统的、标准的检验及评价结果，这将对提高原粮及成品粮质量，合理利用粮食资源，确保粮食卫生安全起到关键性作用。 按照检验方法分类，粮食品质的常规检验可分为感官检验和仪器检验两种；按照检验指标分类，可分为粮食质量标准的全部指标和卫生标准中的粮食化学药剂残留量、过氧化值等指标；按照检验内容分类，可分为物理特性检验、流变学特性检验、化学成分分析等。近年来，世界范围内围绕提高检验速度和精确度这个主题，发展较快的技术主要是近红外技术、图像处理技术，电子鼻技术等。其中，数字图像处理技术随着计算机的快速发展而得到飞跃式的提高，这就为实现用仪器对粮食作物及其制品进行快速品相判断提供了坚实的技术保障。在这样的大背景下，用精密仪器进行快速视觉评价成为近年来国内外研究的热点课题，为了降低检验的主观误差，提高检验水平，各国都在积极开发客观的粮食质量分析技术和仪器。由于数字图像处理技术在检测、分级等方面具有速度快、精度高、信息量大、重现性好等优势，美国、加拿大、英国等发达国家以及中国等发展中国家都十分重视其在粮食品质检测中的应用研究。为此许多专家学者在运用图像处理技术进行快速视觉评价方面进行了大量研究。从目前的研究现状来看，国内外的众多研究成果虽然在一定程度上解决了传统检测方法检测精度差、检测效率低等问题，但是这些研究成果仍然存在一定的缺点和不足：首先，国内大部分的研究尚处在软件层次并且检测精度有待进一步提高，而市场上现存的少数检测仪器也难以满足智能化、自动化以及多参数检测的要求。其次，国外检测仪器普遍价格昂贵，一旦损坏维护成本极高，不适合在国内推广使用；更需要着重指出的是，麸星检测对于检测环境的要求非常之高，只有在检测环境标准化也就是对光照度精确控制的前提下得到的检测结果才具有现实意义，这一点对于麸星检测标准的制定是至关重要的。但国内外现存的检测仪器全都缺少对于检测环境中光照度的实时检测控制功能，在这种情况下得到的检测结果并不具有完全的可靠性，也无法制定标准。综上所述，目前对于面粉麸星检测的研究尚处在起步探索阶段，并没有出现自动化、智能化较高的检测仪器。- 39 -数字图像处理技术基础知识第二章 数字图像处理技术基础知识数字图像处理(Digital Image Processing)又称为计算机图像处理，它是指利用计算机对图像信号进行处理的过程。数字图像处理技术起源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国的伦敦到美国的纽约采用数字压缩技术传输了第一幅数字照片。此后，由于遥感等领域的应用，使数字图像处理技术逐步受到关注并得到相应的发展。第3代计算机问世后，数字图像处理技术开始得到普遍应用，其中比较突出的成就是CT的发明与应用，获得了诺贝尔奖。目前，数字图像处理科学与技术发展迅速，成为很多领域和学科的学习和研究对象。2.1 数字图像相关概念2.1.1数字图像数字图像是由像素组成的二维矩阵。对于单色即灰度图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0255之间，即可以用一个字节来表示，0表示黑、255表示白，而其他表示灰度。一般来说从客观景物得到的图像是二维的，可以用一个二维数组f(x,y)来表示，这里x与y表示二维空间中一个坐标点的位置，而f(x,y)则是代表图像在点(x,y)的某种性质的数值。为了能用计算机对图像进行加工，需要把连续的图像在坐标空间(x,y)和性质空间F都离散化，这种离散化以后的图像就是数字图像，图像中的每个基本单元叫做图像元素，简称像素。一幅图像必须在空间和灰度上都离散化才能被计算机处理，空间坐标的离散化叫做空间采样。假设用一个mn维的数组中等距的采样来近似表示一幅连续图像f(x,y)，即：f(x,y)=f(0,0) f(0,1)f1,0 f(1,1). . .f(0,m-1). . .f(1,m-1). . . . .f(n-1,0)f(n-1,1) . . . . . . . .f(n-1,m-1) (2-1) 其中每个元素都是一个离散变量，式(2-1)等号右侧的矩阵代表数字图像，数组的每个元素即对应像素。由此可见，计算机对图像的处理实际上是对组成图像的像素进行操作。彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在0255之间，0表示相应的基色在该像素中不存在，而255则代表相应的基色再改像素中取得最大值，这种情况下每个像素可用3个字节来表示。数字图像在计算机中进行存储时有多种存储格式，比较常见的有BMP、JPG、GIF、TGA、TIF等格式。其中BMP文件是windows操作系统推荐使用的图像文件格式并且被广泛使用，它是将内存或显示器的图像数据不经过压缩而直接按位存储，故而称为位图文件。从客观景物得到的图像在计算机中存储时都是默认存储为BMP格式，其它格式的图片都是将BMP文件通过压缩等变换后转化而来的，因此BMP文件被称为图像处理的基础格式文件。由于BMP文件是采用位映射方式进行存储，除了图像深度可选以外，不进行其它任何形式的压缩，因此BMP文件所占用的内存空间较大。但是这种特殊的存储方式非常有利于对图像进行各种形式的处理，所以本系统采集的图像都是以BMP格式进行存储。BMP文件由位图文件头、位图信息和像素数据3部分组成，位图信息又是由位图信息头和调色板组成，如图2-1所示。其中，位图文件头、位图信息头是固定长度，分别为14和40字节，调色板数据的多少与图像所用的色彩数有关，它的字节数是色彩数的4倍，但真彩色图像的BMP文件中没有调色板数据。每个调色板单元的前3字节分别表示彩色的蓝、绿、红分量，第4字节备用。像素数据则存储在最后面。位图文件头（14字节）位图信息位图信息头（40字节）调色板数据(8、64或1024字节)真彩色图像无调色板像素数据 图2-1 BMP文件图像结构在实际使用中，BMP文件又分为DDB格式和DIB格式两种。DDB格式，即Device Dependent Bitmap，是与设备有关的文件格式，用其存储与某个显示设备或打印设备内存兼容的不压缩图像，但由于其依赖于硬件设备，因此并不常用；DIB格式，即Device Independent Bitmap，是与设备无关的文件格式，它本身自带有颜色信息，颜色表管理非常容易，具有极强的通用性。2.1.2图像处理在研究图像时，首先要对获得的图像信息进行预处理，包括滤去干扰、噪声，做几何及色彩校正等，这样可以提高图像的信噪比。为了从图像中找到需要识别的东西，还得对图像进行分割，也就是进行定位和分离，以分出不同的东西。有时由于信息微弱，无法识别，还需要进行增强。增强的作用是提供一个能满足一定要求的图像，或对图像进行变换，以便人机分析。同时，为了给观察者以清晰的图像，还要对图像进行改善，即进行复原处理，它是把已经退化了的图像加以重建或恢复，以便改善图像的保真度。在实际处理中，由于图像信息量非常大，在存储及传送时，可能还需要对图像信息进行压缩。上述这些工作必须用计算机进行，因而还要进行编码工作。编码的作用是用最少数量的编码位（亦称比特）表示单色和彩色图像，以便能更有效地传输和存储图像。以上所叙述的都属于图像处理的范畴。概括起来，图像处理包括图像编码、图像增强、图像分割、图像复原、图像压缩等内容。对图像处理环节来说，输入的是图像，经过处理，输出的也是图像。图像处理的目的主要是在于解决两个问题:一是判断图像中有无所需要的信息；二是确定这些信息是什么。2.1.3图像识别图像识别是对处理后的图像进行分类，确定类别名称。它可在分割的基础上选择需要提取的特征，并对某些参数进行测量，再提取这些特征，最后根据测量结果做分类。为了更好地识别图像，还要对整个图像作结构上的分析和描述，以便对图像的主要信息得到解释和理解，并通过许多对象相互间的结构关系加深对图像的理解，以便更好地帮助识别。所以图像识别是在上述分割后的每个部分中，找出它的形状和纹理特征（即特征抽取，有时候也包括图像分割），以便对图像进行分类，并对整个图像做结构上的分析。对图像识别环节来说，输入的是图像（一般是经过上述处理后的图像），输出的是类别和图像的结构分析，而结构分析的结果则是对图像的描述，也是对图像重要信息的理解和解释。这里要注意的是，图像分割不一定完全在图像处理是进行，对有些问题，要一面进行分割，一面进行识别。所以说，图像处理和图像识别是相互交叉的。2.1.4图像理解图像理解是一个总成。上述图像处理的最终目的就在于对图像作描述和解释，以便最终理解它是什么图像。图像理解是在图像处理和图像识别的基础上，再根据分类作结构语法分析，去描述图像和解释图像。因而图像理解包括图像处理、图像识别和图像结构分析等内容。2.2图像的获取、显示与表示图像获取是图像的数字化过程，显示则是将数字图像转化为适合人们使用的格式。2.2.1图像的获取图像获取就是图像的数字化过程，也是将图像采集到计算机中的过程，它主要涉及成像及模数转换（A/D Converter）技术。随着计算机与微电子特别是固体城乡设备即电耦合设备CCD（Charge Coupled Devices）的快速发展，使得图像获取设备的成本显著降低，因而越来越普及，不久的将来也可能将成为高档微机的内置设备。以CCD技术为核心，目前图像获取设备有黑白摄像机、彩色摄像机、扫描仪、数码相机等，性能与价格主要取决于CCD的规格尺寸等。除了这些常见的设备外，目前有许多厂商提供各种其他的专用设备，如显微摄像设备、红外摄像机、告诉摄像机、胶片扫描仪等。此外，遥感卫星、激光雷达等设备也能提供其他类型的数字图像。目前，图像的数字化设备可分为两类，一类是基于图像采集卡或是图像卡将模拟制式的视频信号（RS170/CCIR黑白电视信号、PAL/NTSC彩色电视信号、S-Video视频信号等）采集到计算机，另一类是摄像机本身带有数字化部件可以直接将数字图像通过计算机端口（如并口、USB接口）或标准设备（如磁盘驱动器）传送给计算机。图像卡仍是目前专业中常用的图像数字化设备，目前低端的图像采集卡一般不具有图像帧存体，二是直接将图像采集到计算机的内存中以供处理，高端的图像卡是集采集和处理于一身的非标准配件，具有帧存体和数字信号处理器DSP及邻域处理器NOA，用于开发高速或实时处理应用。此外，还有一类普及型的多媒体视频采集卡。最后，还应提到的是一类多媒体应用中使用的压缩卡。近年来，数码相机及数码摄像机技术迅猛发展，由于不需要其他数字化设备的支持，且具有更高的分辨率及编辑、使用方便等特点，有望逐步取代目前模拟摄像机的地位。下面列出图像中的若干专业术语：1、CCD：电荷耦合器件，可看成间隔很小的MOS电容器、单片阵列构成的移位寄存器，它通过充电积累电荷。2、A/D、采样、量化。3、Video信号、同步、信噪比SNR。4、电视制式、帧、场、隔行（Interlace）扫描、宽高比（Aspect Ratio）。5、扫描仪：分辨率dip (dot per inch)。2.2.2图像显示图像显示是将数字图像转化为适合人们使用的形式，便于人们观察和理解。早期的图像处理设备一般都有专门的图像监视器供显示专用，目前一般直接用计算机的图像终端显示图像，图像窗口只是图形用户界面的一个普通的窗口。为方便处理，通常图像都表现为矩形区域的位图形式。2.2.3图像表示 1、分辨率分辨率用来描述数字图像所表示的空间细节的程度（高或低），如与设备无关的分辨率表示，像素的个数MN，以及与设备有关的表示，如dpi。 2、亮度和对比度亮度是人眼感知物体的主观度量，它通常用照度度量，而对比度与物体相对于背景的亮度差别有关，一般用物体亮度与背景的亮度的比值来衡量。 3、彩色图像通常真彩色用3字节的R、G、B来表示，及8:8:8，共24位。面粉麸星和白度图像检测的硬件设计及实现第三章 面粉麸星和白度图像检测的硬件设计及实现本论文所设计的系统的硬件是由光源、测试台、CCD摄像机、图像采集卡以及PC机组成（见下图3-1）。本论文所采用的方法选用低功率的钨卤素灯作为光源。整个光学通路的工作原理是,入射光投射到聚光镜上,经聚光后形成平行光束,再经滤光镜照射到被测试面粉样品上,入射光线的轴线与被测面粉样品表面的法线成45夹角,夹角是为了避免光泽度影响面粉白度测量结果。试样表面的漫反射光线由CCD摄像机拍照,摄像机将采集的照片通过同轴电缆传送到图像采集卡,该图像采集卡安装在PC机插槽上。（图）图3-1 系统硬件组成1-滤光镜，2-聚光镜，3-光源，4-SV1300-CCD摄像机，5-ZOOM-650型立体显微镜，6-图像采集卡 ，7-PC机，8-面粉样品图3-2 白度检测系统方框图3.1 CCD检测原理与构成CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，是一种能够把光学影像转化为数字信号的半导体装置。它的基本结构单元是mos（金属氧化物半导体）结构，若干个mos结构排列在一起构成一个CCD单元。每个mos结构可以独立感受照射在其上的光强并按光的强弱将其成比例的转换为电荷储存在mos结构中，故mos结构的基本功能是完成光电荷的转换与储存。CCD摄像机的核心是CCD器件，它是由具有光电转换功能的半导体器件组成的一个线阵或面阵单元，每个半导体器件能够存储随景物变化而感受到的信号的电荷量，并能够在控制信号的作用下，将存储的信号按一定顺序输出，形成数字图像信号。CCD是一种新型的固体成像器件，借助于必要的光学系统和处理电路可将图像的光照度或颜色色彩转换为电信号并进行传输、储存和此后的处理。被检测对象在一定光源照射情况下，反射光线通过光学系统进入CCD面，CCD感光传感器将入射光的强度转化成一定比例的电荷量。在时钟电路、逻辑电路和驱动电路的作用下将这些电量以标准模拟视频信号的方式传输出来，最后将视频信号放大并经由A/D转换器转换成数字信号送入计算机系统进行处理。CCD 系统方框如下图所示。图3-3 CCD系统方框图3.1万能数字摄像系统 SV-1300图3-3万能数字摄像系统3.1.1 SV-300的用途SV1300 彩色数字摄像系统是该系列摄像机采用帧曝光CCD作为传感器，并具有高品质彩色。图像质量高，颜色还原性好。以IEEE 1394 作为输出，信号稳定，CPU 资源占用少。无论是静态采集还是动态采集，均可以得到无变形的高质图像.可广泛的应用于计算机图像采集、人像及人体生物特征采集、模式识别、工业检测、医学显微图像以及交通管理和机器视觉等领域。该产品提供SDK 和Demo 程序源码，可以很灵活的进行二次开发。3.1.2 SV-300的特点SV-300具有以下特点：1、数字面阵CCD逐行扫描,分辨率可以达到12801024；最大分辨率时帧率：7.5帧/s；2、IEEE 1394a接口标准镜头接口（CS及C口）；软件控制图像窗口无级缩放；3、彩色：8bit Bayer格式数据输出；色彩还原好；外触发：边缘曝光，电平曝光；4、获得的图像稳定，所有摄像机均经过长时间测试； 正常供电12V; 软件调整增益、对比度；5、可控电子快门，全局曝光，无需附加机械快门；6、编程环境：彩色：Win2000/XP；黑白：Win2000/XP，LINUX；7、开发包：VC SDK、DirectX、 Twain接口。3.1.3 SV-300的技术参数图像传感器1/2”彩色CCD数字面阵传感器曝光方式帧曝光像素尺寸4.65m灵敏度1.2V550nm/lux/S帧率7.5fps12801024同步方式外触发和内部自动分辨率1280x1024数据长度4.5米信噪比46dB数据位数8位输出图像输出IEEE 1394a供电要求12V可编程控制图像尺寸、亮度、增益、曝光时间额定功率最大功率：5.0W外形尺寸65x65x106(mm)软件功能图像显示、图像处理、录像适配镜头镜头接口 CS口或C口应用场合高分辨率显微成像、微距成像外接控制功能CF300型号可以提供多种外部逻辑控制输入接口表3-1 SV-300的技术参数表3.2 ZOOM-650型立体显微镜3.2.1 ZOOM-650型立体显微镜用途立体显微镜在观察物体时能产生正立的三维空间影像。立体感强，成像清晰和宽阔，又具有长工作距离，并是适用范围非常广泛的常规显微镜。其主要特点如下：1、立体视显微镜具备无比清晰的图像质量，超宽的视觉效果,是最佳选择。2、高性能、高品质，同时又有着很高的性价比。3、产品长期的质量保证采用“五防”设计，防尘、防油、防水污染、防霉、防静电，可根据不同用户的使用环境及条件特殊定制。4、可广泛用于高校和研究所在自然科学方面的培训和教育；医疗机构的日常检查；生物工程和科学研究；工业上装配、测试、以及品质控制，尤其是IT产业的检。5、它操作方便、直观、检定效率高,它可连接计算机或数码相机 ,它将实物的图像放大后显示在计算机的屏幕上，可以将图片保存，放大，打印。配测量软件可以测量各种数据。3.2.2 ZOOM-650型立体显微镜技术规格1、目镜类型放大倍数视场（mm）目镜10202、物镜变倍范围0.8-5；放大倍数8-50(标配)。3、显微镜为连续变倍，变倍比为6.3:1。4、双瞳距调节范围为55-75mm。5、移动工作距离为95mm。6、工作距离：115mm(标配)；选配AL0.5X时:211mm；选配AL2X时,43.5mm。7、总放大倍数： 7360（以17寸显示器，2倍大物镜为例）。8、可以直接电视机或电脑上观察实物图像。基于数字图像处理技术的面粉麸星和白度的检测第四章 基于数字图像处理技术的面粉麸星和白度的检测4.1色度学基本原理在日常生活中，人们习惯把颜色归属于某一物体的本身，把它作为某一物体所具有的属于自身的基本性质。比如人们所常讲的那是一块红布，那是一张白纸等等。但在实际上，人们在眼中所看到的颜色，除了物体本身的光谱反射特性之外，主要和照明条件所造成的现象有关。如果一个物体对于不同波长的可视光波具有相同的反射特性，我们则称这个物体是白色的。而这物体是白色的结论是在全部可见光同时照射下得出的。同样是这个物体，如果只用单色光照射，那这个物体的颜色就不再是白色的了。同样的道理，一块红布如果是我们在白天日光下得出的结论，那同样是这块布在红光的照射下，在人们眼中反映出的颜色就不再是红色的而是白色的。这些现象说明，在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果。计算机测量面粉的白度是遵循色度学原理的。色度学是以物理光学、视觉生理和心理物理等学科为基础的,它的建立使研究和运用颜色有了统一的标准,可对颜色进行定量描述和控制。在食品、造纸、化工、印染、纺织、家用电器等行业都要涉及颜色的测量。此外，在无机非金属材料中，诸如彩色水泥、彩色陶瓷制品、彩色玻璃制品以及搪瓷用彩色珐琅等行业也同样需要对颜色进行测定。1931年国际照明委员会(CIE)规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统。本本论文通过举例一个近代色度学的基础实验，学习和了解色度学的相关知识，掌握反射光的色度、透射光色度测量的方法，掌握样品主波长的测量的方法。4.1.1颜色定量表示方法色度坐标任何色彩的显示，实际上都是色光刺激人们的视觉神经而产生感觉，我们把这种感觉称之为色觉。在色度学中通常使用明度、色调、色纯度（通常也称为饱和纯度）这三个特征量来描述颜色。通常将色调、色彩明度和色饱合纯度称为“色彩三要素”。明度是用来表示颜色的明暗程度，颜色越亮，说明其明度值就越高；每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别，我们知道，物体的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。这是因为物体所呈现的颜色，取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。前面提到的红布之所以呈现红色，是由于它只反射红光，吸收了红光之外的其余色光。白色的纸之所以呈现白光，是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收，物体的表现将呈现出灰色或黑色。同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。白颜料属于高反射率物质，无什么颜色掺入白颜料，可以提高自身的明度。黑颜料属于反射率极低的物质，因此在各种颜色的同一颜色中（黑除外）掺黑越多明度越低。在摄影中，正确处理色彩的明度很重要，如果只有色别而没有明度的变化，就没有纵深感和节奏感，也就是我们常说的没层次。色调是彩色借以相互区分的主要特征，色彩所具有的最显著特征就是色调，也称色别。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色调是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱成分的波长。我们所讲的光是电磁波谱中的一小部分，波长范围大约为400700纳米，在这个范围内各种波长的光呈现出各种不同的色彩。在自然界中所呈现出的各种色彩大都是由不同波长和强度的光波混合在一起而显示出来的，有的则是某个单一波长的固有特性色彩。彩色物体的色调决定与在光照明下反射光的光谱成分。例如，某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成分占优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。总之，色调就是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。色饱和纯度则是指彩色浓淡不同的程度，它表示颜色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大，该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。从实质上讲，饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度，所包含消色成分越多，颜色越不饱和。色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系。同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大；强光下比阴暗的光线下饱和度高。 不同的色调在视觉上也有不同的饱和度，红色的饱和度最高，绿色的饱和度最低，其余的颜色饱和度适中。在照片中，高饱和度的色彩能使人产生 强烈、艳丽亲切的感觉；饱和度低的色彩则易使人感到淡雅中包含着丰富。光谱色的色纯度为1，白色的色纯度为0。光谱色混入的白光越多，其纯度越低。现实中，用三种不同颜色的单色光按照一定比例混合，就能得到自然界中绝大多数的彩色。我们把具有这种特性的三个单色光成为三基色光，而这一发现也被总结成为著名的三基色定理，其主要内容如下：（1）自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按照一定比例混合而得；反之，这些彩色也一定可以分解成为三基色；（2）三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基色混合得到；（3）混合色的色调和饱和度是由三基色的混合比例所决定；（4）混合色的亮度是指三基色亮度之和。三基色的选择在原则上是任意的，只要能够满足相互独立的条件即可。由于红、绿、蓝做为三基色相加所能配出的色域较广，品种也较多，所以人们愿意选用红（R）、绿(G)、蓝(B)作为所要相加的三基色。三原色的光谱波长如下：435.8Nm 波长约400500 纳米的范围属蓝光范围；546.1Nm 波长约500600 纳米的范围属绿光范围；700Nm 波长约600700 纳米的范围属红光范围。自然界中各种物体所表现出的不同色彩，都是可以由蓝色、绿色和红色光线按适当比例混合起来即作用不同的吸收或反射而呈现在人们眼中的。设(C)是混合而成的某种颜色,则用颜色方程可表示为:C=RR+GG+B(B)式中(R)、(G)、(B)代表(C)的三原色是红、绿、蓝；而R、G、B代表红、绿、兰三原色的具体数值。色度学中一般都不直接用三刺激值表示某种颜色,改用三原色各自在(R+G+B)总量中的相对比例表征颜色,即色坐标.引入色度坐标r、g、b。有：r=RR+G+Bg=GR+G+Bb=BR+G+B (4.1) 那么可以写作C=rR+gG+bB,由于r+g+b=1, 因此只要用二个色坐标就可表征某种颜色的特征。同种颜色在不同的三原色系统中会有不同的色坐标,在色度图上就会有不同的位置。在CIE-RGB系统中，很多情况下光谱三刺激值是负值，应用时光谱三刺激值正负交替十分不便，不宜理解，因此1931年国际照明委员会(CIE)推荐了一个新的国际色度学系统1931CIE-XYZ系统。所谓1931CIE-XYZ系统，简称为CIE标准色度系统，这是近代色度学的基础，也是一种混色系统。就是在RGB系统的基础上，用数学方法，选用三个理想的原色来代替实际的三原色，从而将CIE-RGB系统中的光谱三刺激值R、G、B 和色度坐标r、g、b均变为正值。CIE-RGB系统与CIE-XYZ系统的转换关系如表3-2：rgbX1.275-0.2780.003Y-1.7392.767-0.028Z-0.7430.1411.602表3-2 CIE-RGB系统与CIE-XYZ系统的转换关系在XYZ系统中所得到的光谱三刺激值x（）、y（） 、z（）和色度坐标x、y、z将完全变成正值。经数学变换，两组颜色空间的三刺激值有以下关系： X=0.490R+0.310G+0.200BY=0.177R+0.812G+0.011BZ=0.010G+0.990B (4.2)根据色度学原理，所有颜色均可由红、绿、蓝三种颜色匹配而成，这三种颜色称为三基色。为了定量地表示颜色，常用的方法是采用“三刺激值”，即红、绿、蓝三基色的量，分别用X、Y、Z表示。在理论上，为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标在理论上为了定量地表示彩色，我们通常采用平面直角色度坐标来加以表示： x =XX+Y+Zy =Y X+Y+Zz = ZX+Y+Z (4.3)其中X,Y,Z为三刺激值，x、y、z分别是红、绿、蓝三种颜色的比例系数，x+y+z=1。用(C)代表一种颜色，（R）、（G）、（B）表示红、绿、蓝三基色，则C=xR+yG+zB. 如一蓝绿色可以表示为：C=0.06R+0.31G+0.63B所有的光谱色在色坐标上为一马蹄形曲线，该图称为CIE 1931色度图(如图4.1.1所示)，在图中红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色坐标点为顶点（如图4.1.2所示），围成的三角形内的所有颜色均可以由三基色按一定的量匹配生成。由图可见，色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部，绿色波段在左上角，蓝紫色波段在图的左下部。图下方的直线部分，即连接400nm和700nm的直线，是光谱上所没有的、由紫到红的系列。曲线上加注了纳米标记，以便能根据它们的波长而辨别其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给予标记，因为那里是非谱色(各种紫红色，这些彩色不能作为单色出现在光谱上)，对于这些非谱色，波长当然是没有意义的. 图4-1 CIE 1931色度图 图4-2 XYZ色度图CIE 1931标准色度学系统色度图（图4.1.1）,应分别以三色坐标x和y为横坐标和纵坐标，图中有波长分度的曲线，是把各种单色光色品点连接起来形成的光谱轨迹，把光谱轨迹两端连接的直线是紫轨迹。所谓1931CIE-XYZ系统，就是在RGB系统的基础上，用数学方法，选用三个理想的原色来代替实际的三原色，从而将CIE-RGB系统中的光谱三刺激值和色度坐标r、g、b均变为正值.任一一种颜色M(M)(x,y)的色调是由其照明光源坐标点，如A点，到M点的连线的延长线与光谱轨迹