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CCD应用技术实验指导天津市耀辉光电技术有限公司天津大学精密仪器与光电子工程学院2006年11月实验规则及注意事项为了确保线阵CCD应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必 要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。2、 实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。3、 要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。4、 所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机USB数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。5、 实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。6、 所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。7、 一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。8、 使用彩色线阵CCD多功能实验仪之前，应仔细阅读本手册的 “软件使用说明”。所有需要利用测量片夹的实验，安放测量片夹时应注意安放方向和位置：从CCD方向观看，测量片夹上的字母应正向向上；做“利用彩色线阵CCD进行振动测量实验”和“利用彩色线阵CCD进行图像扫描实验”实验时，测量片夹应安放在远离光源的片夹夹具，其它实验，应安放在靠近光源的片夹夹具上。空白片夹用于自行设计实验内容。目 录实验一 线阵CCD原理及驱动 4实验二 线阵CCD特性测量实验 7实验三 线阵CCD输出信号的二值化 9实验四 线阵CCD的A/D数据采集 13实验五 线阵CCD的软件二值化与图像边缘信号的提取 16实验六 利用线阵CCD进行简单角度测量 19实验七 用线阵CCD测量物体尺寸 22实验八 利用彩色线阵CCD进行颜色识别 24实验九 利用彩色线阵CCD进行振动测量 27实验十 利用彩色线阵CCD进行图像扫描实验 29实验十一 编写线阵CCD的A/D数据采集程序 31实验十二 利用外置相机进行实物外形尺寸测量 33附录一 TCD2252D手册 35 附录二 TCD1251D手册 38附录三 彩色线阵CCD多功能实验仪说明 42 实验一 线阵CCD原理及驱动一、实验目的1、 掌握本实验仪的基本操作和功能。2、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。3、 通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其是复位脉冲CCD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。二、实验前准备内容1、 学习线阵CCD的基本工作原理（参考图像传感器应用技术教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书。2、 学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参考附录）。3、 掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。4、 根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1（CR1）、F2（CR2）的相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程。观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。5、 测量CCD在不同驱动频率的情况下的F1与F2、F1、RS的周期与频率值，以及它的行周期（FC）值。三、实验所需仪器设备 1、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。2、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。四、实验内容及步骤1实验预备（1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V的电源插座上；（2） 取出双踪迹同步示波器，将电源线插入交流220V的电源插座上，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；（3） 将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子上进行校准；（4） 打开YHLCCDIV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位数表示积分时间档次值，末位数表示CCD的驱动频率档位值。积分时间共分为32档，显示数值范围由“00”“31”，数值越大表示积分时间越长。积分时间的设置由仪器数值显示板下方的四个按键开关控制，分为十位键与个位键控制，按标有“+”号的键将使对应的显示积分时间的挡位加一操作，按动标有“” 号的键将使对应的显示积分时间的挡位减一操作；CCD的驱动频率档位值共有4档，分别显示数值为“0”“3”，“0”挡位下的驱动频率最高，“1”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的一半，显然，“3”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的1/8；2驱动脉冲相位的测量（1） 将示波器测试笔CH1和CH2的扫描线调整至适当位置后，用CH1为同步信号输入端。对照“附录一”TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。（2） 用测试笔CH1接到仪器表面上（转移脉冲）上，仔细调节触发脉冲电平旋钮使显示波形稳定（同步），使SH脉冲宽度适当（将示波器的扫描频率调至2ms左右）以便于观察。用测试笔CH2分别接到仪器表面标有“F1”与“F2”（驱动脉冲）字样的测试端口，观测SH与F1、F2的相位关系；（3） 再用测试笔CH1测量F1信号， CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，观测F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系。（4） 用测试笔CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS、SP，观测CP与RS、SP信号之间的相位关系。（5） 将以上所测的波形与相位关系与“附录一”所示TCD2252D的驱动波形相对照。3驱动频率和积分时间测量（1）用示波器分别测量4档位下的驱动脉冲F1、F2、复位RS信号的周期、幅度，并计算出它们的频率填入表1-1。表1-1 驱动频率与周期驱动频率项目F1F2RS0档周期（s）频率（KHz）1档周期（s）频率（KHz）2档周期（s）频率（KHz）3档周期（s）频率（KHz）（2）将CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“00”档。用测试笔CH1测FC（以它作同步），用测试笔CH2测量SH，观察两者的周期是否相同，记录FC信号的周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的FC周期填入下表1-2中。表1-2只列出16档，其余档次可以自行添加测量。表1-2 积分时间的测量驱动频率0档驱动频率1档驱动频率2档驱动频率3档积分时间（档）FC周期（ms）积分时间（档）FC周期（ms）积分时间（档）FC周期（ms）积分时间（档）FC周期（ms）00000000010101010202020203030303040404040505050506060606070707070808080809090909101010101111111112121212 1313131314141414151515154CCD输出信号的测量（1） 将实验仪积分时间设置为“00”档，驱动频率设置在“0”档。（2） 用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器显示至少2个FC周期； CH2 探头测量实验仪的UG输出端子，打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。观察UG输出是否有变化，如没有任何变化，请通知实验指导教师调整。（3） 逐步缩小镜头光圈，观测UG的波形变化，当UG的输出在小于3V时停止调整镜头光圈，盖上仪器盖板。（4） 保持CH1探头不变，增加积分时间，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在积分时间改变时的信号变化。（5） 调节示波器扫描速度，展开SH信号，观测SH波形和CCD输出波形之间的相位关系。重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系。（6） 打开实验仪上盖板，将测量片夹B插入到后端片夹夹具中，适当开大镜头光圈，通过示波器观测CCD输出波形的变化。5关机结束（1）关闭实验仪。（2）关闭示波器。（3）关闭电源。五、实验总结1、 写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。2、 说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。3、 解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。实验二 线阵CCD基本特性的测量实验一、实验目的通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下输出信号的测量，进一步掌握线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CCD输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义。正确理解线阵CCD器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应。二、实验准备内容1、 学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考图像传感器应用技术教材的相关章节）。2、 学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录一中的特性参数表）。3、 通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的基本特性。特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的作用。三、实验所需仪器设备1、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。2、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。四、实验内容及步骤1实验预备（1） 首先将示波器的地线与多功能实验仪上的地线连接好，并确认示波器和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。（2） 打开示波器电源开关，调整好示波器。（3） 打开YHLCCDIV的电源开关，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与“附录一”中所示波形对比。应该与附图3所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。2驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量（1） 将示波器CH1和CH2的扫描线调整至适当位置，设置CH1所测信号为同步信号。（2） 将实验仪CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间设置为“00”挡。（3） 用CH1探头测量FC脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少2个稳定的FC周期，用测试笔CH2测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号。（4） 调整CCD成像物镜镜头的光圈，观测Uo信号幅度的变化，将光圈调整至UG信号接近“0V”位置处停止调整光圈，将测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。（5） 维持示波器探头不动，使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，改变驱动频率，设置为“1”档，观测CCD输出信号的变化。（6） 继续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG的变化。并做相应记录。3积分时间与输出信号测量（1） 保持实验仪其他设置不变，只将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间设置处于“00”档。（2） 用CH1探头测量FC脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用CH2探头测量Uo信号。（3） 调节积分时间设置按钮逐步增加积分时间，测出输出信号Uo的幅度(VH是高电平，VL是低电平)值，添入表2-1。表2-1添满后，以积分时间为横坐标，以输出信号Uo的幅度为纵坐标，画输出特性曲线，观察CCD的输出信号与积分时间的关系，当CCD出现饱和后，积分时间与输出的信号有为如何？（4） 驱动频率（即调节驱动频率设置按钮，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。（5） 写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并解释之。表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系驱动频率0档输出信号Uo驱动频率1档输出信号Uo积分时间（档）FC周期（ms）输出幅度（VH）输出幅度（VL）积分时间（档）FC周期（ms）输出幅度（VH）输出幅度（VL）00000202040406060808101012121414驱动频率2档输出信号Uo驱动频率3档输出信号Uo000002020404060608081010121214144关机结束（1） 关闭实验仪。（2） 关闭示波器。（3） 关闭电源。五、实验总结1、 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？2、 解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对CCD的应用有何指导意义？进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？为什么？这对CCD的应用又有何指导意义？实验三 线阵CCD输出信号的二值化一、实验目的通过本实验进一步掌握线阵CCD的输出特性，用线阵CCD测量物体尺寸和位置的基本方法。掌握CCD积分时间对物体尺寸和位置测量的影响。二、实验准备内容1. 二值化的基本工作原理 线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图3-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图3-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以得到物体A 在像方的尺寸设光学放大倍率为，则可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D为 （3-1）显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线形的，因此，可用UO模拟光强分布。采用二值化处理方法将物体边界信息检测出来是简单便捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。2二值化处理方法的波形图3-2所示为典型CCD输出信号与二值化处理的时序图。图中FC信号为行同步脉冲，FC的上升沿对应于CCD的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。UG为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。为了提取图3-2所示UG的信号所表征的边缘信息，采用如图3-3所示的固定阈值二值化处理电路。该电路中，电压比较器LM393的正相输入端接CCD输出信号UG，而反相器的输入端通过电位器图3-3 二值化电路接到可调电平（阈值电平）上，该电位器可以调整二值化的阈值电平，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形定义为TH。再进一步进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物在CCD像面上所成的像占据的像元数目。物体A 在像方的尺寸为 （3-2）式中，N1与N2为边界位置的像元数，L0为CCD像敏单元的尺寸。因此，物体的外径应为 （3-3）3二值化处理电路原理方框图二值化处理原理图如图3-4所示，若与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2N1），锁存器锁存的数为（N2N1），将其差值送入（N2N1）LED数码显示器，则显示出（N2N1）值。 同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图3-1中物体A在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。三、实验所需仪器设备1、 YHLCCDIV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台。2、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。四、实验内容及步骤1实验内容（1） 观测二值化处理过程中CCD的输出信号；（2） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平调整的调整过程；（3） 标定光学放大倍率；（4） 进行被测图形尺寸的测量；（5） 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的因素。2实验步骤（一）、实验准备（1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。（2） 打开仪器顶部盖板，将实验用测量样片B插入测量片夹夹具中，盖上仪器上盖板。（3） 打开示波器，将CH1探头接到FC脉冲测试端，仔细调节使之同步稳定，使示波器显示至少2个FC脉冲周期。（4） 确认YHLCCDIV实验仪的二值化开关处于弹出状态，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形基本相符，则继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。（二）、光学成像系统放大倍率的标定（1） 用示波器CH2探头接UG信号输出端。调节镜头的光圈，观测输出信号波形的变化，使其处于便于观测的幅度（最高可以接近饱但绝不能饱和）。（2） 用CH2探头测量TO端子的电平（称阈值电平），调节实验仪上的阈值电平调节按钮（加、减按钮），使其阈值接近2V（数字显示窗显示2.000）。（3） 再将CH1探头接到UG信号输出端，用UG信号同步。CH2探头接到BO端子（二值化输出TTL信号）上，调节阈值调节按钮，进行阈值的增减，观察BO的变化情况和与UG信号的关系（在光学系统成像清晰情况下的变化并不明显）。最后再将阈值电平恢复为2V。（4） 按下二值化测量按钮，此时仪器面板上显示窗将显示二值化尺寸测量的实际测量值（二值化脉冲内的像元数值，即（N2N1）值），数字的闪烁表示每行测量结果的变化，若数字闪烁的幅度太大，反映测量的光学系统没有调整好。应当退出二值化测量状态，重新调整镜头光圈、积分时间、驱动频率和二值化阈值电平，直到得到较为稳定的显示结果。连续记录7组数据，填入表3-1，代入计算公式（3-3），便可计算出系统的光学放大倍率的平均值，完成光学放大倍率的标定工作。表3-1 光学放大倍率的测量二值化测量值（N2N1）（阈值2V）物方尺寸（mm）像方计算尺寸（mm）光学放大倍率以上7次计算的平均光学放大倍率 。（三）、二值化测量（1）保持上述设置不变，打开实验仪顶部盖板，取出测量片夹B，插入测量片夹C，盖上盖板。连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测条纹的实际尺寸。（2） 阈值电平调整至1V，再测量一组数据，填入表3-2，再计算出被测条纹的实际尺寸。（3） 改变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，当CCD出现饱和状态后观测被测物尺寸的变化。表3-2 光学放大倍率的测量二值化测量值（N2N1）（阈值1V）物方尺寸（mm）像方计算尺寸（mm）光学放大倍率以上10次计算的平均光学放大倍率 。3结束关机（1） 先关闭实验仪的电源，再关闭示波器电源；（2） 关掉总电源；（3） 整理好所有的实验器材与工具。四、实验总结1、 写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。2、 说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。3、 积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？实验四 线阵CCD的A/D数据采集一、实验目的1、 掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理。2、 进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系。3、 掌握本实验仪配套软件的基本操作，熟悉各项设置和调整功能。4、 学会基本数据采集软件的编写和应用（选做）。二、实验准备内容1、 学习C语言进行计算机端口操作和绘图的基本功能（参考相关教科书）。2、 进一步学习和掌握线阵CCD的A/D数据采集基本原理。3、 熟悉A/D数据采集的基本操作软件。三、实验所需仪器设备（1） YHLCCDIV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台；（2） 装有VC+软件及相关实验软件的PC计算机一台；（3） 带宽50MHz以上的双踪迹同步示波器一台；四、线阵CCD的A/D数据采集基本原理线阵CCD的A/D数据采集的种类和方法很多，这里只介绍实验仪所采用的USB2.0接口方式的数据采集基本工作原理。如图4-1所示为以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集USB2.0接口方式的数据采集系统。它以CPLD为基本逻辑单元完成地址译码器、接口控制、同步控制、逻辑控制和数据采集等逻辑功能。计算机软件通过向端口发送控制指令完成对CPLD的复位与过程操作。CPLD的所有操作均以行周期脉冲FC进行同步控制，以采样脉冲SP为相元同步脉冲完成对每个像元的同步采集，A/D转换器输出的8位数字先存储在一个32K的静态缓存器件中（SRUM62256），待一行像元的数据转换完成后，CPLD会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器的转换工作。计算机软件在查询到结束标志信号后，读取SRAM存储器的数据，并将读出的数据绘出波形曲线显示于计算机显示屏，当然也将数据以动态库的方式提供给用户，使用户通过自编程序扩展功能。当软件读取并处理完成一行数据后，再次发送复位指令进行上述采集过程的循环。五、实验内容及步骤1、实验内容（1）进行以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统实验。（2）进行线阵CCD的A/D数据采集系统基本软件操作（软件工作参数的设置、CCD工作参数的设置等）的实验，熟悉软件操作的基本功能。（3）进行线阵CCD的A/D数据采集过程中对数据文件的存储、打开、读出等操作，为今后应用所采数据完成功能更为丰富的应用研究。2实验步骤（1）先将实验仪的数据端口和计算机USB端口用专用USB数据线缆连接好。（2） 打开计算机电源和YHLCCDIV的主电源开关，完成系统的启动后进入下面的操作。（3） 用示波器测量F1、F2、FC、RS、SP、CP等各路驱动脉冲的波形是否正确。如果与附图3所示的波形基本相符便可进行下面的实验；否则，应请指导教师检查实验仪是否工作正常。（4） 先确认是否已经安装了A/D数据采集的基本软件。若没有安装，请安装A/D数据采集的基本软件。A/D数据采集的基本软件安装完成后，计算机界面会以图标方式提供完成实验仪的所有实验软件，从中选择“A/D数据采集实验”。3运行AD数据采集实验软件（1） 选择“A/D数据采集实验”。后，计算机显示屏应显示出如图4-2所示的程序主界面。图4-3保存数据操作图4-4打开数据文件（2） 采集菜单分为“连续”、“单次”和“平均”等3种采集方式，为调试方便应选择连续采集方式。显示方式也分为分屏显示与单屏压缩显示，单屏压缩显示方便调试。点击图4-3所示“0”设置0s停顿时间的显示方式。点击“连续”便可进行连续采集方式的工作。（3） 仿照实验二、三对镜头光圈的调节方法进行适当的调整，同时也要对驱动频率和积分时间等参数进行设置，观测所采集的输出波形，使输出波形的幅度处于便于观察的位置。（4） 打开实验仪上盖板，将测量样片 “A”插入靠近光源的片夹夹具（测量片夹）中，调节成像物镜的光圈和积分时间，观测输出波形的变化。（5） 将AD转换的输出波形曲线以*.txt，或*.dat数据格式保存为数据文件。（6） 打开数据文件，显示A/D数据采集的数据，观测每一像元的数据和整行数据的特点。（7） 观测与分析输出波形，分析输出波形与样片 “A”图像（物）的关系。（8） 将测量样片“A”取出，换上另外测量样片“F”，再重复做（5）、（6）、（7）项实验，观察与分析测量结果。4编写AD数据采集连接与处理软件（选做）（1） 利用上面所保存的数据文件求出一行数据的最大、最小值所在的相元位置；（2） 利用数据文件找出信号的变化周期，分析所采数据的特点。（3） 根据厂家提供的接口程序（动态链接库）设计并编写出简单的功能接口软件与简单的数据处理软件。接口软件需要较好的VC+软件基础，根据情况进行选做。研究生或指导教师可以自行编写难度更高的应用软件，在该项实验中可以做更多的软件设计与编写工作。5结束、关机（1） 先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；（2） 关闭计算机系统；（3） 关闭示波器电源；（4） 关掉总电源。（5） 整理好所有的实验器材与工具。六、实验总结（1） 写出实验总结报告，总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，能否验证在同样的光照下输出信号的幅度随积分时间的增长而幅度增大。（2） 能否用这个试验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何安排这个实验？（3） 用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？若能，该如何安排这个实验？（4） 试将片夹“F”插入片夹夹具中，线阵CCD输出的波形会怎样？片夹“F”为对比度很好的黑白条，经成像物镜、线阵CCD光电变换后再经A/D数据采集，计算机所获得的波形会出现“变形”的现象，怎样解释“变形”的现象？“变形”产生的主要原因是什么？能否利用“变形”的输出波形进行黑白条尺寸的测量？黑白条图像的真实边界的数值应该有什么特点？（5） 你能例举出利用本实验进行其他目的的实验吗？实验五 线阵CCD的软件二值化与边缘信号的提取一、实验目的1、 掌握用软件提取线阵CCD输出信号UO中所含物体边界信息的两种方法。2、 学习使用C+语言编写简单测量软件的方法。二、实验准备内容1、 预习用软件提取线阵CCD输出信号UO中所含物体边界信息的基本原理。2、 进一步学习和掌握C+语言的编程技巧。3、 学习离散函数的微分算法。三、实验所需仪器设备（1）YHLCCDIV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台。（2） 装有VC+软件及相关实验软件的PC计算机一台；（3） 带宽50MHz以上的双踪迹同步示波器一台；四、软件提取边界信息的原理线阵CCD输出信号经A/D转换进入计算机系统后，应用计算机测量软件可以进行多种方法的测量工作，这里只介绍最基本的3种二值化测量方法。1、 固定阈值二值化方法用计算机软件提取边界信息的方法测量的最基本方法是固定阈值二值化数据提取方法，其原理类同与硬件二值化数据提取方法。不同点在于硬件固定阈值二值化方法的阈值由硬件提供，软件固定阈值二值化方法的阈值可以由软件以数字方式提供。这样，它比硬件固定阈值二值化提取方法更容易改变或设置阈值。在能够保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。图5-1所示为软件固定阈值二值化数据提取方法的信号波形图，其中的阈值以数字形式由软件提供。2、 浮动阈值二值化方法在固定阈值的基础上软件可以很方便地做浮动阈值的处理，它要比硬件的浮动阈值处理方法简单得多，也方便得多，软件采集到一行周期UO输出的数据后，可以根据背景光信号的强度设置阈值，该阈值可以由背景光幅值的百分比来设定，因此所设置的阈值将跟随背景光的变化而变化，即随背景光的强、弱浮动。在一定程度上消除了背景光的不稳定造成对测量造成的误差。另外，软件还可以采用多次平均、叠加等算法提高测量的稳定性和测量精度。3、微分法二值化方法边缘信息提取的第3种方法是用计算输出曲线斜率的方法，称为微分法。图像传感器应用技术教材第9章9.1.1节介绍了硬件二次微分的处理方法。图5-2所示为这种算法的波形图，线阵CCD输出的载有被测物体边界信息的电压信号UO经数据采集后送入计算机内存，该信号的一次微分结果记为UW，二次微分结果记为URW，因此，可以提取一次微分信号的峰值或者二次微分信号的过零点的相元值作为边界信息来测量被测物体的宽度。这种通过计算机软件的算法方法要求输出信号边缘斜率变化显著即曲线的边界锐利，实际上被测物体在光学成像系统良好的调焦情况下，输出信号的特性曲线确实是比较锐利的，而且曲线变化率最大的位置是物体像的边缘，因此，微分二值化处理方法更便利判断。当物体成像较为清晰时物体边界处所对应的输出信号变化很快，利用这个特点很容易从线阵CCD输出的信号中提取边界信息，完成测量工作。当然，光谱分析中的光谱信号很类似于微分后的输出波形，经常采用这种算法计算光谱的准确位置。五、实验内容及步骤（一） 实验内容（1） 用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所含图像边界信息的固定阈值法测量被测图像的尺寸。（2） 用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所含图像边界信息的浮动阈值法测量被测图像的尺寸。（二） 实验步骤（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上YHLCCDIV的主电源开关。（2） 用示波器测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。（3） 打开计算机电源，完成系统的启动后进入下面的操作。（4） 确认是否已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件，而后进行下面的实验。（5） 运行软件二值化测量实验软件，弹出实验主界面，界面的右下方将显示“计算放大倍率提示框”，按提示的内容完成实验完成放大倍率的计算后不能再调整光学系统的任何参数。（6） 打开实验仪上盖板（直接用手提盖板上面的提手）将测量样片B插入测量片夹的夹具中。（7） 调节镜头光圈、焦距和积分时间的设置等，使显示屏上输出信号的幅度满足测量要求（接近饱和状态但又不处于饱和状态，且输出信号波形尽量陡直说明成像物镜的焦距已经调整好）。完成上述调整后可以按界面提示的内容进行下面的实验。1、固定阈值二值化的测量（1） 按界面提示的步骤先计算调整好的光学系统放大倍率，将测量样片F插入测量片夹内；（2） 选择“固定阈值测量”，设定“阈值”为150（如图5-3所示）。选择“压缩”显示方式。设置采集间隔为0s，采集次数为10次（如图5-4所示）。（3） 按下“平均”采集按钮，测出光学系统的放大倍率（如图5-5所示）。（4） 再找出要进行测量的测量样片B，插入测量片夹中，进行二值化数据采集操作；（5） 记录测量结果（如图5-5所示的结果），以*.dat或*.txt格式保存到指定的文件夹中（如图5-6、图5-7所示）。图5-6以*.dat或*.txt格式保存测量结果到指定的文件夹图5-3设定阈值图5-4设定阈值图5-5设定值图5-7 保存图5-6以*.dat或*.txt格式保存测量结果到指定的文件夹图5-3设定阈值图5-4设定阈值图5-5设定值图5-7 采集2、浮动阈值二值化测量仿照固定阈值二值化测量的实验进行。在“阈值”项中应选择“浮动阈值”。“浮动阈值”的取值范围应为（10% 100%），在实际操作中“阈值”按下面公式计算：实际阈值 （信号的最大值信号的最小值） 浮动阈值% 信号的最小阈值可见，如果使用“浮动阈值”的方法，其“阈值”的实际值每次都随测量结果而变化。本实验所取的“阈值”为浮动阈值的50%。3、关机结束（1） 先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；（2） 关闭计算机系统；（3） 关闭示波器电源；（4） 关掉总电源。（5） 整理好所有的实验器材与工具。六、实验总结1、 写出实验总结报告，分析二值化和二次微分测量的特点和适用场合。2、 试编写二次微分测量算法。 （选做）3、 怎样选择的浮动阈值能够使测量精度更高？4、 你能编写出用浮动阈值二值化测量物体尺寸的软件吗？（选做）实验六 利用线阵CCD进行物体角度的测量一、实验目的应用线阵CCD可以进行物体位置或角度的测量，学习利用线阵CCD测量被测物体角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD的应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。二、实验准备内容1、 学习利用彩色线阵CCD测量被测物体角度的基本原理。2、 掌握利用CCD进行角度测量的方法。三、实验所需仪器设备（1） YHLCCDIV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台。（2） 装有VC+软件及相关实验软件的PC计算机一台；（3） 带宽50MHz以上的双踪迹同步示波器一台；四、利用彩色线阵CCD测量物体角度的原理利用线阵CCD测量被测物体角度的方法有很多，其实质都属于尺寸测量和位移量测量的类型。常用的测量方法有两种。第一种方法如图6-1所示，图中水平粗线表征线阵CCD的像敏单元阵列，假设待测物体的轴线与CCD像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的宽度为D，当该物体旋转了角度后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为S。从图6-1可以推导出被测物的倾斜角度为sin-1 ( D / S )。 这种测量角度的方法比较简单，适用于低精度测量较大尺寸物体的倾斜角。这种方法要求预先知道被测体垂直放置时的宽度，且光学系统的放大倍数不能太高。当被测物体本身的宽度尺寸D有显著变化时，会直接影响角度的测量精度。测量角度的第二种方法实际上是两条具有水平刻度尺的平行线切割被测物体而对其倾角敏感的测量原理。由于彩色线阵CCD由3条相互平行的像敏单元阵列构成，且制造CCD的工艺保证了三条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的高精度一致性，使得其中的任意两行光敏单元阵列能够构成两条具有水平刻度的尺，其像元尺寸可视为尺的分度，像元总长可视为测量范围（当然要考虑光学系统的放大倍率），当被测物与线阵CCD像敏单元阵列成角度时，可以利用彩色线阵CCD两条平行的阵列传感器进行角度测量。如图6-2所示，假设被测物在CCD像面上的投影如灰色部分所示，R、B、G分别为彩色线阵CCD的R、B、G三条像敏单元阵列（阵列传感器）。由图中可以看出，三条阵列传感器对待测物体成像后的边界是相互错开的，用分离最远的R、G阵列传感器做测量尺，通过对R、G阵列传感器的边界信息的提取测量，便可以测得图中的S。而相邻感光线的间距为64mm为已知量（见器件手册），则R、G阵列传感器的边界间隔距离L0128mm。由此可以推导出待测物体的倾斜角度为tg-1 ( T / S ) (6-1)由于彩色线阵CCD的相邻阵列传感器的距离L0较宽，而同列像元的中心距l0很小，因此用这种方法测角可以获得较高的精度。这种方法测角的角度分辨率为mintg-1 ( l0 / L0 ) (6-2)五、实验内容及步骤1、实验内容（1）用单色线阵CCD测量物体的角度（2）用彩色线阵CCD测量物体的角度2、实验步骤（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上YHLCCDIV的主电源开关。（2） 打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。（3） 用示波器测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。（4） 认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。（5） 选择“角度测量实验”文件，点击，弹出角度测量主界面后按界面提示进行下面的操作。（一）角度测量方法之一（1） 打开实验仪上盖板将测量角度样片D、E分别插入测量片夹夹具中。图6-4实验结果的显示图6-3算法选择（2） 运行角度测量实验软件，在如图6-3所示的界面工具条上选择算法，点击算法1按钮，便可以算法1的测量方法测出“物体”（样片D）的倾角，并将结果显示在如图6-4所示的测量框内，例如测得角度为44.54。（3） 调节镜头的光圈、焦距和CCD的积分时间设置，使信号达到测量要求（接近饱和状态，但不能进入饱和状态），且要调整好成像物镜，使输出波形尽量陡直，以便获得更高的测量精度。（4） 设置阈值为“浮动阈值”方式，数值选为50。选择“压缩”显示，数据采集间隔设为0s，设置采集次数为10次，得到10次采集的平均值。（5） 运行测量软件，并将所显示的测量结果记录在实验报告中。 （二） 角度测量方法之二选择工具条上的算法2按钮，实验仪将自动转换为用TCD2252D的UR、UG两输出信号进行方法2测量。将测量角度样片D、E图形代替被测物分别插入测量片夹的夹槽中。其他实验步骤如同角度测量方法一的步骤。测量结果也同样显示于如图6-4所示的界面中。3、结束与关机（1）先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；（2）关闭计算机系统；（3）关闭示波器电源；（4）关掉总电源。（5）整理好所有的实验器材与工具。六、实验总结1、 写出实验总结报告。2、 假设本实验测量物体宽度为4mm，CCD像面的测量精度为2（CCD像素点），根据光学放大倍数，分析本实验测量角度的精度情况。3、 同上条件，假设被测物体本身的宽度变化为8mm 0.2mm，再分析测量角度的精度情况。4、 试比较两种测量方法的测量精度，彩色线阵CCD的行间距越宽，测量精度越高吗？若采用两个平行放置的单色CCD能否实现更高精度的测量结果？5、 参考本实验角度测量原理，试设计一个用两个平行放置的线阵CCD进行圆形棒材直径进行测量的装置，并要求允许棒材产生适当的倾斜，求解测量公式。（选作）实验七 用线阵CCD测量物体尺寸一、实验目的用线阵CCD测量物体的外形尺寸是非常广泛的，其原理很简单。图像传感器应用技术第12章中用4节讲述不同测量范围和精度要求情况下的测量原理与测量方法。通过本节实验能使学生进一步从实践环节上学习和认识它的测量原理与方法。而且，学会了应用CCD进行尺寸的测量也为学习其他应用打下坚实的基础。二、实验准备内容首先应学习用线阵CCD测量物体尺寸的测量原理（参看图像传感器应用技术书的12.1节），掌握本节的主要技术参数和尺寸测量的相关技术。三、实验所需仪器设备（1） YHLCCDIV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台；（2） 装有VC+软件及相关实验软件的PC计算机一台；（3） 带宽50MHz以上的双踪迹同步示波器一台；四、实验步骤1、实验预备（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机US