（精密仪器及机械专业论文）空调遥控器的屏幕清晰度检测.pdf

空调遥控器的屏幕清晰度检测 摘要 随着社会的发展 人们对产品的要求越来越高 这必然导致对产品的质量 和精度的要求越来越高 而对于质量产品的高要求促进了对产品进行精密的测 量 本课题 空调遥控器的屏幕清晰度检测 就是在这样的需求下产生的 目 前对于遥控器屏幕清晰度检测主要以人工操作为主 存在操作繁琐 效率低 精度低 使得企业生产效率非常低 本文为了解决目前检测设备和系统存在的 不足 利用现代成熟的计算机技术 计算机图像处理技术以及通讯和运动控制 系统构建了空调遥控器的屏幕清晰度检测系统 有着显著的研究以及广阔的应 用前景 本课题检测系统是基于图像传感器c c d 的图像清晰度检测系统 其特点具 有非接触性 实时性 灵活性 精确性等优点 本系统由机台 光源 c c d 摄 像机 图像采集卡 p c 等组成 首先通过光源的控制为获得好的图像质量打下 良好的基础 c c d 把获得的光信号转变成电信号 通过图像采集卡来把被测物 体的图像采集到p c 里 完成被测对象的图像采集工作 然后由图像清晰度评 价函数 给出图像清晰度的评价值 整个测量系统仅仅通过简单的鼠标操作就 能完成清晰度检测 简单 有效 把人们从繁琐 复杂 繁重的工作中解脱出 来 本文针对图像清晰度检测系统的技术难点以及关键技术进行深入的分析和 研究 主要包括 介绍了c c d 芯片的工作原理 分析了几种常用的驱动电路及 高速数据传输设计方案的优劣 研究了数据采集系统 介绍了图像质量评价的 概念 并给出了图像质量评价方法发展的历史和分类 作者还通过分析多种有 代表性的图像评价方法 对现有方法的特点和优劣进行了比较和总结 给出了 一种基于五区域法的图象质量评价方法 将所建立的图像采集系统应用于遥控 器图像清晰度的检测中 通过实验证明了该方法的有效性 关键字 c c d 数字图像处理图像质量评价清晰度 t h es c r e e nd e f i n i t i o nt e s to f a i 卜c o n d i t i o n e rr e m o t ec o n t r o l l e r a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t si sm o r ea n dm o r eh i g ha st h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y i tl e a d st ot h a tp e o p l er e q u i r em o r eh i g hq u a l i t ya n dp r e c i s i o no f p r o d u c t s t h ed i s s e r t a t i o n t h es c r e e nd e f i n i t i o nt e s to fa i r c o n d i t i o n e rr e m o t e c o n t r o l l e r i sp r o p o s e di n t h i ss i t u a t i o no fn e e d i n ge x a c td e t e c t i o nf o rt h e r e q u i r e m e n t s a tt h ep r e s e n tt i m e t h ed e t e c t i o no ft h e s c r e e nd e f i n i t i o no f a i r c o n d i t i o n e rr e m o t ec o n t r o l l e ri sm a n u a la n dt h e r ei sd e f i c i e n c y i ti sp e r p l e x i n g t oo p e r a t e i n e f f i c i e n ta n d l o w p r e c i s i o nf o rt r a d i t i o n a le q u i p m e n ta n d i ts p e n dal o t o ft i m et ot h ed e t e c t i o n t h e r e f o r e w i t ht h ea d v a n c eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n ds oo n t h i sd e t e c t i o ns y s t e mo nt h es c r e e n d e f i n i t i o no fa i r c o n d i t i o n e rr e m o t ec o n t r o l l e rw o u l dr e s o l v et h ed e f i c i e n c y w h i c h w o u l db em o r ep r a c t i c a la n dw i d e rp r o s p e c ti nt h ef u t u r e t h ei m a g ed e f i n i t i o nd e t e c t i o ns y s t e mi sb a s e do nc c d w h i c hi sn o n c o n t a c t r e a l t i m e f l e x i b l e e x a c t i ti sc o m p o s e do fw o r k t a b l e c c d c o l l e c t i o nc a r df o r i m a g e l i g h t m o t i o nc o n t r o l l i n gb o a r da n dp c g e t t i n gag o o di m a g eb yt h ec o n t r o l o ft h el i g h ti si m p o r t a n t t h eo p t i c a ls i g n a li st r a n s f o r m e dt ot h ee l e c t r i c a ls i g n a lb y c c da n db e i n gi m a g es i g n a lt r a n s m i t t e dt op cb yc o l l e c t i o nc a r df o ri m a g e t h e n t h es i g n a li sa n a l y z e dt oe v a l u a t i o nf u n c t i o no fi m a g ed e f i n i t i o n t h es y s t e mg i v ea e v a l u a t i o nv a l u e t h ed e t e c t i o ns y s t e mi ss i m p l ea n de f f e c t i v eb e c a u s eo ft h ew h o l e o p e r a t i o nb e i n gc o n t r o l l e db ym o u s e a n dp e o p l ec a nb er e l e a s e df r o mc o m p l e xa n d h a r dw o r k i nt h i sp a p e r w ea n a l y z ea n dr e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g yo fi m a g ed e f i n i t i o n d e t e c t i o ns y s t e m t h er e s e a r c hf o r t h es y s t e mi n c l u d e ad e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h e l i n e a r a r r a yc c dc h i pp r i n c i p l e a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f s e v e r a ld r i v i n gc i r c u i ta n dh i g h s p e e dd a t as y s t e m p o i n t e do u tt h a tt h e i m a g e q u a l i t ye v a l u a t i o n c o n c e p ta n dg i v et h eh i s t o r ya n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ei m a g e q u a l i t ye v a l u a t i o n t h ea u t h o ra l s os u m m a r i z e sa n dc o m p a r e sav a r i e t yo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n gm e t h o d so fi m a g ee v a l u a t i o n p u t sf o r w a r da e s t i m a t i n g m e t h o do fi m a g ed e f i n i t i o ne v a l u a t i o nb a s e do nt h ef i v er e g i o n s w eu s et h ei m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e m i nt h er e m o t ed e t e c t i o no fi m a g ed e f i n i t i o nt o p r o v et h e e f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o dt h r o u g h e x p e r i m e n t s k e yw o r d c c d i m a g ep r o c e s s i n g t h em e t h o dt oe v a l u a t ei m a g eq u a l i t y i m a g e d e f i n i t i o n 插图清单 图2 1 配置示意图 4 图2 2 测试台结构示意图 5 图2 3 电路结构框图 5 图2 4 系统的流程图 8 图2 5 人机界面图 9 图3 1m o s 二极管 1 1 图3 2 电子能带跃迁图 1 1 图3 3 光电二极管结构示意图 1 2 图3 4 三相c c d 中电荷的转移过程 1 3 图3 5 输出电路结构与输出信号波形图 1 4 图3 6 系统总体方案图 1 5 图4 1m t v 1 8 8 1 e x 系统原理图 1 8 图4 2c c i p 0 3 9 d l a 面阵c c d 的结构图 1 9 图4 3 固定阈值二值化电路 2 3 图4 4 浮动阂值二值化处理电路原理图 2 4 图4 5 微分法的电路原理框图 2 4 图4 6 微分法电路工作波形图 2 5 图4 7c c d 视频信号量化过程 2 6 图4 8 采样 保持电路 2 6 图4 9 图像采集卡原理框图 2 7 图4 1 0 图像采集卡工作原理图 2 8 图4 11p c 2 v i s i o n 原理图 2 9 图6 1 选取焦点窗口 3 9 图6 2 三层b p 神经网络示意图 4 0 图6 3 实验设备 4 4 图6 4 神经网络法的图像检测结果 4 5 图6 5 黄金分割法的图像检测结果 4 6 图6 6 不同光强下的图像 4 6 表格清单 表4 1c c d 传感器芯片管脚定义 1 8 表4 2 表m t v 1 8 8 l e x 的特性参数 2 0 表5 1 绝对评价的全优尺度 3 l 表5 2 相对评价的群优度尺度 3 1 表5 3c c i r 5 0 0 推荐标准 3 2 表5 4 图像质量评价的观测条件c c i r o s l 0 1 9 9 6 3 3 表6 一l 摄影主题区域统计结果及比例 4 3 表6 2 网络误差训练 4 4 表6 3 不同光强条件下的评价值 4 7 表6 4 不同电压值下的评价值 4 7 表6 5 图像评价结果 4 8 独创性声明 本入声明所节交的学位论文是本人住导师指导卜 进行的研究i 作及取得的研究成 栗 据我所躲 除了文中特剐加以标忠拳l 致 餐鹩地方好 论文孛不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获缮 盒墼 些厶堂 或其他教育机构的学位或证 0 s 而使瑚过的材料 与我一同f 作的同 占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确豁说明并表示谢意 一酶六锄哼 7 年妒筒们翻 学位论文版权使用授权书 本学能论文作者完全了解 佥日里l 业厶鲎有关保留 使用学位论文的规定 有权 僚蟹井向国家有关部门或机构送交论文的复印纷和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人 授权金旦曼兰些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有荚数据库进行检 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 保密的学侥论文在解密厥适用本授权书 名 夏翻叼 签字日期 刁年甲月谰 聊繇夕哥彳查 签字网期 汐歹年乒月抽日 电话 邮编 致谢 此论文完成之际 首先要感谢我尊敬的导师陶晓杰副教授 在我二年半研 究生学习期间 无论是学习上还是生活中 陶老师都给予我热心的指导和悉心 的照顾 特别是在本论文的撰写过程中 陶老师不厌其烦 一丝不苟 不遗余 力地给予指导和教诲 在论文的研究过程中 始终得到导师的大力支持和指导 没有导师的关心和帮助 论文不可能顺利完成 同时 我还要感谢钟国 吴军 以及314 实验室的同学 他们给我提出了很多宝贵的建议 还要特别感谢我的父母及亲人 他们是我无私的后盾 感谢他们多年来在 生活和经济上给予我的关心和支持 最后 再次感谢所有帮助我和关心我的人们 祝他们生体健康 心想事成 作者 吴利明 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 王 圭课题研究的背景 遥控器作为一种远程控制电子装置 具有非常广阔的应用前景 在家用电 器 主要是空调 电视 v c d d v d 汽车 玩具 工业控制 视器入以及现在 流行的电脑遥控器 手机遥控器等领域都有所应用 我国现在有3 5 亿个家庭 按照每个家庭使用一个遥控器熊话 需要3 5 亿个 按照2 5 的损耗来计算 每年圜内需要近1 亿个遥控器 市场需求量很大u3 然而 随着人们生活水平 的不断提高 遥控器作为一种日常使用的设备 其质量要求也越来越高 这种 对遥控器产品质量的高要求 使遥控嚣检测禹临这样一个问题 如何才能更快 速 更准确地评定遥控器的质量 尤其是屏幕清晰度方面堙1 在国内 此领域尚处予起步阶段 没有 套完整的有效可行的鱼动检测评 价手段 传统的遥控器产品质量多为人工评定 利用一些专用仪器测量数据 这种检测方法既费时费力 而且生产效率低 不符合现代企业和社会高速发展 的趋势 无法满足对遥控器质量检测高效率 低成本的要求 因此 针对这个问题 提出此课题进行研究 旨在应用一种评价方法 提 供较好的评价效果 能够实现遥控器图像质量进行自动检测评价 1 2 课题研究的意义 随着我国工业的发展 加工 塑胶 模具 电器 电子等行业的已经得到 了很大的发展 但是 国内的产品在精度和品质方面和发达国家还存在很大差 别 其中一个重要原豳是国内静检测技术不过关 随着匡终产晶越来越多的参 与竞争 对国内的企业提出了严峻的考验 这必然导致国内企业对测量技术的 要求越来越高 传统的测量设备和技术已经远远不能满足国内企业发展的需要 需要精密的检测设各和系统来满足国内检测的要求 在社会对精密测量仪器的 需求不断扩大 精密测量仪器在国内也得到很大的发展 但是 在图像屏幕清 晰度检测中 嚣内的发展比较缓慢 一般都直接采用豳外的软硬件 目前 国外发达国家在图像测量业中已经取得了相当的成就 像二维 三 维测量软件有如美国p c d m i s 通用测量软件 美国o g p 测量软件 美国公司的 m e d i a c y b e r n e t i c s 图像处理软件 日本的 三丰 还有我国台湾地区的智泰的 o v m 系列测量软件等 国外图像测量软件拥有精度离 性能好 功能强大 稳定性强的特点 但是其有价格昂贵 操作复杂的缺点 在国内的客户群主要 为大型有实力的企业 而对于国内大多数的中小型企业 虽急切想提高检测水 平 毽在无法负荷如此昂贵的费用 予是 在这种只能依靠国外昂贵的系统的 环境下 他们急切渴望国内可以研发出相关的测量系统 以满足各行业的中小 型企业的检测需求 故本论文的选题不仅具有重大的现实意义 更对圜惠影像 测量行业的发展起到了实用意义 1 3 遥控器的技术要求 遥控器的使用条件是 7 碱性干电池两节 额定电压3 v 工作电压2 4 3 5 v 环境温度一l o 一 5 5 相对湿度4 5 9 0 r h 遥控器外观性能要求 1 表面字符 标志及涂饰部位应清晰可辨 将附着力为2 3n c m 2 的透明胶带平压在上述部位 用手加一个与遥控器 垂直的力 然后迅速把胶带拉下 字符 标志及涂饰部位不能有脱落 2 遥控器按键的负荷寿命不小于1 0 0 0 0 0 次 分别在按键的左 右 前 后侧面施加一个1 0 n 的力后释放 按键应完全 复位 不能有卡键的现象 遥控器电气性能要求 静态工作电流2 5 2 u a 遥控器电池寿命 1 年 电源电压为3 v 时 接受距离1 0 0 5 m 电源电压为2 4 v 时 接收距离7 0 5 m 信号应无异常 电源电压为3 v 时 辐照度 4 0 u w c m 2 电源电压为2 4 v 时 辐照度 2 0 u w c m 2 遥控器指向性角度 3 0 5 液晶屏显示符号可辨的最小电压 0 2 g a i nc o n t r o la u t o 4 d b 3 2 d b m a n u e l e c t r o n i cs h u t t e r o f f m a n u 8 s t e p a e s 1 6 0 o r1 5 0 1 1 0 0 0 0 0 s e c v i d e oo u t p u t c o m p o s i t e1 0 v p pa t7 5 0 h m v i d e oc o n n e c t o r转n c a u t o i r i so u t p u ta i d d a u t o i r i sc o n n e c t o r 4 p o l ep l u g p o w e rv o l a t a g ed e l2 v 圭1 0 p o w e rc o n s u m p t i o n2 5 0 m a 3 w p o w e rc o n n e c t o r d cp o w e rj a c k l e n sm o u n ts t a n d a r d c c s m o u n t o p e r a t i n gh u m i d i t y w i t h i n8 5 r h o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e 1 0 t 0 5 0 w e i g h t3 0 0 9w i t h o u tl e n s d i m e n s i o n s4 2 m m w x 6 4 m m h 1 1 2 r a m d 2 0 4 2c c d 驱动电路比较 具体的时序由于具体型号c c d 的时序要求的不同而不同 几种常用的c c d 驱动时序产生方法包括复杂可编程逻辑器件驱动 e p r o m 驱动方法 专用l c 驱动方法 单片机驱动方法等等 副 4 2 重复杂可编程逻辑器件 c p l d 产生驱动 复杂可编程逻辑器件 c p l d 包括逻辑阵列块 l a b 可编程宏单元 扩展 乘积项 共享和并联 可编程连线阵列 i o 控制块五部分 器件集藏度远嵩 于p a l 等传统的p l d 器件 并在速度上有一定的优势 在可编程逻辑集成开 发环境中 可采用原理图输入方式 文本设计输入方式和波形设计输入方式等 多种方法建立设计输入 通过前 后仿真 检查错误 进行逻辑综合并选择器 件适配 使用c p l d 产生时序信号的方法 大大减小了电路板的体积 缩短了 器件延时 降低了电路功耗 增加了可靠性 该方法在原理匿设计阶段就可以 掌握电路正确与否 设计灵活 调试方便 提高了效率 节约了成本 4 2 2e p r o m 驱动 这种方法的原理是 在e p r o m 中事先写好根据时序要求所确定的数据 由晶体振荡器和计数器产生e p r o m 地址 e p r o m 数据线按地址输出所需的时 序 再经过逻辑电路组合产生c c d 的时钟驱动信号 一个周期结束后 计数器 清零 e p r o m 输出下一个周期的时钟信号 为改变逆程时间 采用一组数值 可变的译码电路来产生清零脉冲 使计数器清零 这种方法在c c d 驱动信号和 行周期固定时最简便 易行 使用这种方法 时序电路结构简单 电路调试时 不需要调整硬件电路 仅通过重写e p r o m 即可调整各时序信号之间的关系 但随着c c d 像元数的增 加 写入芯片的数据量增多 工作量加大 并且在时钟频率较高时要求e p r o m 的读出速度较快 不适合设计高速时序电路 4 2 3 专用王e 驱动 c c d 相机的各路时序信号可通过计数器对时钟脉冲计4 数 经多组比较译 码器产生 每行结束时 由一组数值可变的译码电路来产生清零脉冲 使计数 器清零 重新开始下一行的时序 主控微机根据从拨码开关读到的数值 计算 出逆程脉冲的个数 送崽指令去改变比较译码器数值 从恧提前和推恁清零脉 冲的产生时间 这样即可达到同步的目的 直接采用数字电路虽然能够产生高 速c c d 时序驱动信号 但是使用分离元件设计 所需器件较多 硬件电路复杂 2 l 同时增加了调试困难 只有做成电路板才可以进行调试 而且一量修改 就得 重新设计电路板 成本较高 缺少灵活性 4 2 4 单片机驱动 用单片机产生c c d 的时序信号时 主要有两种方法 一种是用单片机 例 如8 0 5 1 直接产生信号 另一种是用可编程计数器8 2 5 3 来产生 前者用一片 8 0 5 1 通过编程来控制i o 口的电平变化 产生驱动信号 并用软件延时来实 现各驱动脉冲闻的时序要求 外围电路可以使用7 4 l s 7 4 双d 触发器 7 4 l s l6 3 计数器等电路实现 脉冲宽度控制可以使用单稳态触发器设计 这种方法产生 的驱动信号频率低 因为它依靠软件延时 且占用了全部单片枫的时阅 丽且 电路使用单稳态触发器时 脉冲的宽度由外接r c 电路决定 脉冲宽度不易精 确控制 后者用8 2 5 3 的三个定时器产生驱动信号 时间常数由软件置入 只要 完成了8 2 5 3 的初始佬 置入时闻常数便可工作 外围网样需要 些分离元件来 控制 用8 2 5 3 可提高速度 且不占用单片机的时间 但时序上调节余地小 我们采用m t v 1 8 8 l e x 摄像头具有自带电路 由复杂可编程逻辑器件 c p l d 产生驱动 出来的信号直接送到计算机 通过p c i 接口的数据采集卡采 集视频信号 4 3c c i 视频信号处理电路 c c d 在时钟脉冲的驱动下 在它的输出端可以获褥被测对象的视频信号 视频信号中每一个离散的电压信号的大小对应于该光敏像元上图像的光强 信 号输出的时序对应于该光敏像元在c c d 上的空间位置 从而c c d 用强身电子 扫描方式完成信息的从空间域到时间域的变换 由于c c d 输出的视频信号为模 拟信号 而计算机只能处理数字信号 因此必须对c c d 输出的视频信号进行处 理 依据对c c d 传感器视频信号应用的差异 对c c d 视频信号有两种处理方 法 一是对c c d 视频信号进行二值化处理后 再进行数据采集 二是对c c d 视 频信号进行a d 采样 量化编码后再送至 计算机系统中处理 在本图像采集系 统中 我们使用第二种处理方法 7 1 4 3 lc c d 视频信号二筐化处理 在不要求图像灰度的系统中 为提高处理速度和降低成本尽可能采用二值 化图像处理方法 实际上许多检测对象在本质上也表现为二值情况 如图纸 文件的输入 物体尺寸 位置的检测等 在输入这些信息时采用二值化处理是 恰当的 二值化处理是把图像和背景作为分离的二值 o 1 对待 光学系统把 被测对象成像在c c d 光敏像元上 由于被测物与背景在光强上的变化反映在 c c d 视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化 通过二值化处 2 2 理把c c d 视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平 实现c c d 视 频信号二值化的方法很多 般采用硬件电路实现 常用的有固定阈值法 浮 动阙值法和微分法 l 固定阈值法 固定阈值法是一种最简便的二值化处理方法 将c c d 输出的视频信号送入 电压比较器的同相输入端 比较器的反相输入端加上可调的电平就构成了图 4 3 固定阈值二值化电路 当c c d 视频信号的幅度稍稍大于阂值电压 电压比 较器反相输入端的电位 时 电压比较器输出为高电平 c c d 视频信号小于等 于阂值电压时 电压比较器输出为低电平 c c d 视频信号经电压比较器后输出 的是二值化方波信号 调节阈值电压 方波脉冲的前 后沿将发生移动 脉冲 的宽度发生变化 当c c d 的视频信号输出含有被测物体直径的信息时 可以通 过适当地调节阈值获得方波脉冲宽度与被测物体直径的精确关系 这种方法常 用于c c d 测径仪中 当采用固定阂值法时 对检测系统有较高的要求 首先提供给电压比较器 的阈值电压e h 要稳定 其次c c d 视频信号只与被测物体的直径有关 而与时 间t 无关 即要求它的时间稳定 显然 这就要求测量系统的光源及c c d 驱动 脉冲 主要是转移脉冲的周期t s h 要稳定 因此 采用固定阚值法的测量系统 要求提供稳定的恒流源供电的稳定光源 t s h 的稳定可以由晶体振荡器经分频 提供 号 t 础鼍一二 图4 3 固定闽值二值化电路 2 3 2 浮动阈值法 浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随c c d 输出 视频信号的幅值浮动 这样 当光源强度变化引起c c d 的视频信号起伏变化时 可以通过电路将光源的起伏或c c d 视频信号的起伏变化反馈到阂值上 使阈值 电位跟随变化 从而使方波脉冲的宽度基本不变 图4 4 为浮动二值化电路原 理图 浮动二值化电路的浮动量需要根据光源及背景光的影响进行适当调整 但 理想的完全能够消除光源不稳定所带来的误差是很困难的 想办法找到c c d 视频信号中被测物的像的边界特征进行二值化是更为理想的二值化方法 图4 4 浮动阂值二值化处理电路原理图 3 微分法 分析c c d 视频信号的输出波形可以看出 图像边界在波形图曲线变化率最 大的点处 为此 可以用微分的办法找到曲线的最大变化率所对应的点 这种 方法称微分法 微分法的电路原理框图如图4 5 所示 图4 5 微分法的电路原理框图 2 4 i 太磊 f l r f 八 v 1 一一 一 il 图唾一6 微分法电路王作波形图 将c c d 视频输出的调幅脉冲信号经采样保持电路或低通滤波后变成连续 的视频信号 如图4 6 所示 将连续视频信号经过微分电路i 微分 它的输出 是视频信号的变化率 信号电压的最大值对应于视频信号边界过渡区变化率最 大的点 图4 6 中的a 点及a 点 微分i 在视频信号的下降沿产生 个负脉冲 在上升沿产生一个正脉冲 如图4 6 的第二条波形所示 将微分i 输出的两个 极性相反的脉冲信号送给绝对值电路 经过绝对值电路将微分i 电路输斑的信 号转变成同极性的脉冲信号 如图4 6 的第3 条波形 信号的幅值点对应于边 界特征点 将同极性脉冲送入微分电路i i 再次微分 获得对应绝对值最大值处 的过零信号 过零信号再经过零触发器 输出两个下降边沿对应于过零点的脉 冲信号 用这两个脉冲的下降沿去触发一个触发器 便可以获得视频信号起初 边界特征的方波脉冲 即二值化信号 其脉冲宽度为图像a a 间的宽度 4 3 2c c d 视频信号的量化处理 在定量分析线阵c c d 输出信号的幅值 例如用线阵c c d 检测光强的分布 进行图像的扫描输入 进行多通道光谱分析等应用领域 时 需要对线阵c c d 输出的视频信号量化处理后 进行a d 数据采集 并将采集的数据送到计算枧 进行处理 下面分别介绍c c d 视频信号的量化处理过程和c c d 输出信号的a d 数据采集与计算机的接口 c c d 视频信号的量化处理过程如图4 7 所示 首先将c c d 视频输出的脉 冲调制信号经过高通滤波器滤波 放大 低通滤波器滤波屣变成在时闯上连续 的模拟信号 按照对图像分辨率的要求 用采样 保持电路对连续的视频信号在 时闻上进行间隔采样 把c c d 视频信号变成离散的模拟信号 由a d 转换器 募将模拟信号转变成数字量 而后送入计算机进行处理 2 5 图4 7c c d 视频信号量化过程 l 放大滤波 在信号处理电路中 首先要对视频输出信号进行高通滤波 滤除无用的直 流分量以便于后面的放大 由于c c d 输出的视频信号的幅值比较小 故需要对 信号进行放大以达到所需的幅值 由于c c d 输出的视频信号中含有高频噪声分 量 需要对信号滤除高频噪声分量 获得有用的图像信号 滤波电路一般采用二阶有源滤波形式 组合的通频带宽为1 1 h z 一1 1 h z n 钉 2 采样 保持 采样 保持电路主要由电子模拟开关 存贮介质 电容器 和输入 输出放大 器构成 工作原理如图4 8 所示 u s g o 图4 8 采样 保持电路 该电路在采样期间 由外部输入的逻辑控制电平使电子模拟开关闭合 输 入的c c d 视频信号通过开关对存贮介质 电容器 快速充放电 该电路的输出电 路一射极跟随器的输出将随输入信号变化而变化 当电路处在保持期间 外部 输入的逻辑控制电平使电子模拟开关断开 电容器充电电荷保持住开关断开时 的终值 使该电路的输出保持在开关断开时的终值电平 电路中放大器a l 和采 样 保持器具有高的输入阻抗 输入阻抗可达1 0 1 0 5 m q 并能提供大的电流 使采样期间保持电容器的充放电过程加快 能快速地跟随上输入信号 放大器 a 2 亦是射极跟随器 它具有高的输入阻抗 可以阻止保持电容器电荷在保持期 间放电 此外 它具有很低的输出阻抗 提高了电路负载能力 输出阻抗典型 值为1 5 f 2 存贮介质 电容器 应选用漏电小的电容器 建议使用聚苯二烯或聚 碳酸醋电容器作存贮介质 它们的漏阻抗高达数百至数千兆欧 4 4c c d 输出信号a d 数据采集电路 c c d 视频信号的a d 数据采集与计算机接口方式很多 并口 串口和总线 接口方式都是可取的 本系统采用总线接口方式 这种方式是线阵c c d 的a d 2 6 数据采集电路做在卡上 将卡插在计算机总线的扩展槽内 通过各种总线信号 直接与计算机的c p u 内存等操作 完成信号的采集与接口工作 4 4 1 工作原理 面阵c c d 的输出信号一般是具有行 场同步的全电视信号 又称视频信号 视频信号由于其结构的差异 形成了多种电视制式 如p a l n t s c s e c a m 以及非标准制式等 它的数据采集与计算机接口方式比较复杂 种类也很多 并且随着计算机技术的发展 各种功能各异的面阵c c d 数据采集卡不断的涌现 出来 但各种图像卡的基本工作原理相差不多 图像采集卡是以帧存贮器为核 心的系统 其工作原理如图4 9 所示 图4 9 图像采集卡原理框图 p c 总线接口方式的面阵c c d 输出信号的a d 数据采集原理方框图如图 4 1 0 所示 图中信号源一般为面阵c c d 摄像机输出的全电路信号 也可以为 录像机输出的视频信号 该信号进入图像采集卡后分为两路 一路经同步分离 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行 场同步 信号保持同相位关系 并通过控制电路使卡上的各单元按视频信号的行 场电 视制式等要求同步工作 另一路视频信号经过预处理电路 将视频的灰度信号 有峰一峰值为1 的标准电视信号放大到a d 转换所需要的幅度 并调整好白电 平和对比度 预处理电路输出的信号送a d 转换器转换成数字信号 时序控制 器将数字信号存贮于帧存储器 同时 卡上设置了为模拟监视器提供的全电视 信号输出单元 它由查找表 d a 转换器和同步合成电路构成 查找表在计算 机接口电路的控制下 将a d 转换输出的数字图像中相同灰度值的地址放到指 定的空间 这些数据经d a 转换成模拟电压值 使d a 转换器的输出在查找表 2 7 中放到指定行 列点的灰度 便可以快速地还原图像于监视器上 在软件的作 用下 图像卡可以方便地对数字图像进行存储 监测和加减等各种运算处理 4 4 2 鹫像采集卡 图4 1 0 图像采集卡工作原理图 p c 2 v i s i o n 是一款高效能 高性价比的p c i 接口的图像采集卡 特别适合 于成本敏感的视觉应用系统 图像采集功能通过特别设计 具有广泛的通用功 能 支持标准与非标准 r g b 双通道的模拟相机 p c 2 v i s i o n 卡通过提供异 步复使选项 多种触发功能 可编程控制的时序对简化了与楣机的接弱 具有 六个视频输入端口 视频信号转换成数字信号的速度很快 使得p c 2 一v i s i o n 成 为许多工业检测 标示 定为应用方案的首选图像采集卡n 9 1 p c 2 v i s i o n 图像采集卡具有以下特点 支持多达6 台单色相机或2 台r g b 相机或2 台双通道模拟相机 支持标准的或砸以自定义的连续逐行摆摧 异步重置相机 支持桢延迟相机 可使六路视频输入同步 支持复会视频 混合视频 分步及在r g b 输入下同步 各相机可允许自己的垂直同步 水平同步和镇重置输入 以获得最大灵 活性 平行i o 霹馒其在机器视觉系统之内能方便连接其它控制器 p c 2 v i s i o n 的图像采集过程如图4 11 所示 2 8 c s l c s 2 左i 0 c o n t r o l l e r 兰黑夏t o t t z 二r 糯 3 x 2 暑觚t k 瀚a l l a t 岫lo 嘲 l曩utffemux l i l 4 f 黼 槛u t xs8 城 lt j 二二 毒i 毒 o r 卜 毒qa e 程泌滋 臻二三一 p c i c o n t r o l l e r e 翱恻5 图4 1 1p c 2 v i s i o n 原理图 4 5 本章小结 本章介绍了c c d t c d l 2 0 8 的工作原理 并对其工作时序进行了分析 就 c c d 的驱动电路 分搴厅了几种驱动方法的优缺点 选用单片机来驱动 围绕 c c d 的工作脉冲 研究了由单片机组成的驱动电路 信号处理电路 数据采集 电路等 利用现有条件选择了图像采集卡 2 9 5 1 综述 第五章图像质量评价方法概述 图像质量评价是图象处理的一个基本问题 它不仅有其理论意义 更重要 在于实际应用中也有广泛的需求妇们 最初 人们用传统的质量评价方法如 m s e 均方误差 p s n r 峰值信噪比 等方法通过与标准图像比较来象素的灰度 差异来评价图象质量的退化程度 后来 发现这种评价方法与主观感受并不是 一致的乜 因为 在图象质量退化过程中 图像的不同区域其作用并不相同 这样 人们开始寻找哪些区域对质量影响的程度大 而哪些小一些 并基于这 种思想提出不同的判别方法 这些方法通常可以分为两类 一类是基于视觉感受 模型 h v s 的一些特性 比如研究表明视觉对边缘失真很敏感 另一类基于感 兴趣区域的一些特性 比如它提出人眼更倾向于关注对比度高的区域 这两类 方法都使图象质量评价的准确度和与主观的一致性得到提高 使质量评价方法 进一步得到发展 图像质量评价的含义 i e a d o u 认为乜别 图像质量评价的含义主要包括两个方面图像的逼真度和 图像的可懂度 图像的逼真度是描述被评价图像与标准图像的偏离程度 图像 的可懂度则是表示图像能向人或计算机提供信息的能力 人们希望能够找出图 像逼真度和可懂度的定量测量方法 作为评价图像和设计图像系统的依据 t j j a n s s e n 提出了一个图像质量的理论框架 基于以下四点比副 1 图像不是简单的二维信号而是作为视觉信息的载体 2 视觉感知过程不是信号处理而应该是信息处理 3 视觉感知过程不是独立的过程 而是人们与环境交互的基本阶段 4 图像质量不是图像失真的可见性 而是指作为视觉交互过程阶段的输入 时的适当性 图像质量主要表现在以下两个方面 1 图像的逼真度 被用来评价降质图像与原图像或标准图像之间的偏差表 示 偏差越小 逼真度越高 2 图像的可懂度 表示传输后图像为人或机器提供信息的能力 图像的可 懂度不仅与图像系统的应用要求有关 而且常常与人眼视觉的主观感觉有关 如果图像的逼真度高 或可懂度大 则称图像的质量高 图像质量客观评 价方法的共同点是用物理方法对图像的物理特性进行度量 将度量值与规定标 准做比较进行计测 在图像质量的客观评价方法中 最常用的是图像逼真度的 测量 图像逼真度测量即计算降质图像与原图像之间的统计误差 若误差越小 从统计意义上来说降质图像与原图像的差异越小 图像的逼真度就越高 获得 的图像质量评价也就越高 3 0 图像质量评价分类 图像质量评价方法可以分为两大类主观评价方法和客观评价方法 主观评 价方法又划分为绝对评价和相对评价同样 客观评价也划分为绝对评价和相对 评价 图像质量评价方法 f 绝对质量评价 l 相对质量评价 f 绝对质量评价 l 相对质量评价 5 2 主观评价方法 图像质量的主观评价是人眼之间观测图像 按照某种规定标准或图像样品 由人的主观感觉和统计结果对图像质量的优劣做出评定 主观评价大体上可以 分为两种类型绝对评价和相对评价 5 2 1 主观评价方法 绝对评价是由观察者根据一些事先规定的评价尺度或自己的经验 对被评 价图像提出质量判断 某些情况下 也可提供一组标准图像作参考 帮助观察 者对图像质量做出合适的评价 绝对评价常用的评价尺度称为 全优度尺度 也就是观察者对图像质量的优劣用数字打分 如表5 1 表5 1 绝对评价的全优尺度 非常好的图像5 分 好的图像4 分 中等图像3 分 差的图像2 分 非常差的图像1 分 表5 2 相对评价的群优度尺度 一批中最好的图像7 分 比该批平均水平好的图像6 分 稍好于该批平均水平的图像5 分 该批平均水平的图像4 分 稍次于该批平均水平的图像3 分 比该批平均水平差的图像 2 分 一批中最差的图像1 分 法 法 方 方 价 级 评 评 观 观 主 客 相对评价是由观察者将一批蚕像由好到坏进行分类 也就是对图像进行相 互比较得出质量好坏并给出分数 相对评价常用所谓 群优度尺度 如表5 2 所示 评价的结果用一定数量的观察者的平均分数得出 如果为评价图像质量的级别k k i 2 k c k 为k 级图像的得分 n k 为判定图像属于k 类的观察者人数 则被测图像总得分为 荟轧c k 观察者总数为 k l n t 一 巩c 七 c 生l 一 平均分数c 则为 酗 5 1 目前 图像质量的主观评价方法多采用国际上规定的c c i r 五级评分质量 尺度和妨碍尺度 对 般人来讲多采用质量尺度 而对图像专业人员来说使用 妨碍尺度为宣 表5 3 给出了c c i r 5 0 0 推荐的图像质量评价五级质量标准 表5 3c c i r s 0 0 推荐标准 等级妨碍尺度质量尺度 5 丝毫看不出图像质量变坏非常好 4 能看出图像质量变化僵不妨碍观看 好 3 清楚看出图像质量变化对观看有妨碍 一般 2对观看有妨碍差 l 爿 常严重的妨碍观看非常差 5 2 2 主观评价方法特点 1 观察者的选择 为使图像质量的主观评价在统计上有意义 参加评分的观察者人数不少于 2 0 名 观察者应包括两种入未受过训练的 外行 观察者另一种是受过专门训 练 对图像技术熟悉的 内行 他们能够注意到图像降质的关键表现和细微变 化 对图像质量提出严格的判断 2 质量尺度和妨碍尺度 图像主观评价的尺度往往是根据观察者对图像技术的熟悉情况来选择 对 一般人来说多采用质量尺度 而对图像专业人员多采用妨碍尺度 观测图像条件 3 2 测试条件应尽可能与使用条件相隆配 表5 4 是各国所提出的观测条件数 值及推荐值 表s 一莲匿像震薰评价豹观溅条件e c l r o s 0 1 9 9 6 英国 欧洲 日本 美国 德国 推荐值 最高亮度5 0 4 1 5 44 0 07 05 05 0 c d m 3 管理 亮度 0 5 以o 552o 5 以o 5 c d m 2 下 下 背景亮度 l2 5 c d m 3 室内照度 i x 3 0 1 0 06 5 对比度3 0 视距 画面高 6 4 6 86 866 5 2 3 主观评价方法的缺陷 由于图像最后是被人眼接受 由人对图像做分析 识别 理解和评定 因 此 在这种情况下 图像不再仅仅是物理量的分布 藤是同时包含人的视觉心 理因素 图像的主观评价结果虽然比较全面 符合图像的实际观察质量 但是 这种评价方法受不同的观察者 图像类型和观测环境等因素影响较大 评价过 程繁琐 加之入的视觉心理因素很难用物理量度 致使评价结果不够精确 而 且无助于图像系统的设计 由于主观评价方法在表达人们视觉感受中的权威作用 所以它经常作为一 些客观评价方法的参照和效果评价标准 5 3 客观评价方法 5 3 1 客观评价方法 经典的质量客观评价方法主要有方差 平均梯度清晰度 峰值信噪比和信 息熵等 下面就这几种方法简要介绍c 2 4 1 2 5 方差 方差是反映图像整体灰度分布的统计量 方差越大 对比度越大 反之 若方差越小 则对比度也越小 方差的基本表达式 毋2 一一 l m 一1 1 其中m 和n 是图像的行 列数 球 j 是像点 i 的灰度值 像的灰度均值 5 2 为整幅鬻 上面直接计算方差的公式比较繁琐 实际应用中多采用如下计算公式 3 3 v 一 力 驴 一 材 脚