线性CCD软件二值化及物理宽度的测量

1、本科学生综合性实验报告学号： 姓 名： 学院： 物理与电子信息学院 专业、班级： 实验课程名称： 线性CCD软件二值化及物理宽度的测量 教 师： 开 课 学 期： 2015 至 学年 学期 填 报 时 间： 年 5 月 日云南师范大学教务处编印一实验设计方案实验序号实验四实验名称线阵CCD软件二值化及物体宽度的测量实验时间2015年4月-28月实验室216（一）实验目的1、进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系；2、进一步掌握线阵CCD驱动频率与光照灵敏度的关系；3、掌握本模块配套软件的基本操作，熟悉各项设置和调整功能；4、掌握CCD测量物体宽度的测量原理及方法。（二）实验原理及实验流

2、程或装置示意图实验原理线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元的光强分布信息和像元位置信息，这就使我们能够测量物体的尺寸和位置。如图4-1所示：图4-1 测距方式图当尺寸为L的被测物体ab置于成像镜头的物面，线阵CCD的感光面置于成像镜头的像面，则在CCD的感光面上形成物体倒立的像ba，CCD感光面上光强分布发生变化，从而输出电信号强度发生变化，理想的反映光强分布的电信号曲线应如实线所示。根据这个曲线，可以测得物体ab经成像镜头在像面的尺寸，若已知光学放大倍数f，就可以计算物体的尺寸L。这是成像法。也可采用简单的透射法，如下图4-2所示（本实验采用这种方法）：均匀的平行光垂直入射CCD感光面，

3、将宽为L的物体放入光路，则CCD感光面接收到的光强，从而CCD输出信号将发生变化，理想情况如实线所示，但由于入射光非平行性和直边衍射等因素的影响，实际输出信号的强度变化如虚线所示，不能唯一确定，如图4-2所示，要实际进行定量测量，必须对CCD输出信号进行处理。图4-2 信号处理图其处理方法就是对虚线所示输出信号进行所谓“二值化处理”。图4-3是硬件固定阈值二值化处理电路及处理结果图：图4-3 二值化处理结果及电路图比较放大器的正相输入端接CCD的输出信号U0，反相输入端接一电位器，通过此电位器调节反相输入端的电平，此电平称为阈值电平。只有U0大于阈值电平时，放大器才有输出信号U1，U1称为二值

4、化输出信号，可用示波器观察。硬件二值化过程只能定性观察，要定量测量，需通过软件来实现，由USB数据采集电路采集U0信号，再给出阈值电平，则可提取表示物体边缘的像元S1和S2， S1和S2的差值即为被测物体在CCD像面上所占据的像元数目。若已知像元间距，进而可求得物体ab的尺寸。显然，这样求得物体ab的尺寸与阈值电平有关，这是固定阈值二值化处理的缺点。（三）实验设备及材料光电技术创新综合实验平台 1台双踪同步示波器（20MHz以上） 1台线阵CCD模块 1块连接导线 若干光源特性测量模块 1块CCD光路组件 1套航空插座连接线 1根USB数据连接线 1根(四)、实验方法步骤1、首先将线阵CCD模

5、块的USB端口和计算机USB端口用专用USB数据线缆连接良好，将组件光源线连接到光源特性测量实验模块、航空插座线连接到线阵CCD模块，具体方法见实验三。打开线阵CCD模块电源。（线阵CCD模块上面的短路块J9的2、3用短路帽连接）2、按照实验三完成计算机的数据采集工作。选择开始绘图开始数据采集。主窗口观察数据采集波形，上面为二值化的波形，下面为CCD输出信号波形。此处需要注意的是，由于数据采集对输入波形信号幅度的要求是04V，软件界面上显示的波形幅度也只能在04V，与示波器显示值并不相等。鼠标双击波形指定位置，将放大显示双击位置的象素幅值大小，每个页面显示50个象素，可以通过点击右上角分别指示

6、左右的小三角符号显示相邻页面的象素。通过点击还原显示回到波形显示界面。主界面右上角CCD线径测量下面显示物体宽度（即二值化后中间低电平部分宽度）。点击阈值设定，可以对CCD输出信号进行软件二值化处理。阈值设定数值范围为：0255，对应阈值电压为：04V（ 界面右上角显示对应阈值电压）。3、调零处理。不放物体，打开软件，初步估计波形中两旁无效像元点个数，即UO波形两旁低电平对应的像元总个数，暂时将其设定为无效像元点的个数（一般在4001000），然后通过尝试改变所设定无效像元的数目来校正，使其显示的宽度正好由正数变为零。要排除虚零现象，即当无效像元的数目设定太大，没放物体也会显示为零，此时为虚零

7、，并非真正的零。如果测量是在虚零的情况下，测得的物体宽度会不准确。4、从孔中放入物体，物体必须放在孔的中间，且与孔的边缘垂直，待波形稳定，此时显示的宽度即为物体的宽度。5、点击保存可以保存波形图像定位置。6、实验完成后，关闭模块。注：波形的好坏和以下几个因素有关系，请耐心调解（1）光源亮度大小，太亮可能造成ccd输出饱和。请通过旋转光源特性测试模块上的W302电位器旋钮来调节。（2）本模块使用的PSD传感器尺寸有限，如果物体滑动到PSD传感器边缘，由于光线散射，可能采集图形不准，物体必须放在孔的中间，且与孔的边缘垂直，待波形稳定。（3）如若没有图形或图形异常，请将软件关闭，重新打开。 （五）、

8、注意事项 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、实验过程中，必须严格按照实验讲义指定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪器，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，不允许将其他不相关的仪器未经许可的情况下与试验仪进行连接。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、所有试验设备都应当在确定有良好的接地线，并已经连接好后方可开机上电。6、一旦发生意外事故或者试

9、验出现异常现象时，应当立即切断试验设备电源，并如实向老师汇报情况。排除故障后方可继续试验。（六）、参考文献1 王瑞，孙卫平，李宏兵，基于面阵CCD的激光高速摄影技术在弹道测试中的应用J.弹箭与制导学报.200,29（5）：197199.2 胡瀚，荣健，CCD的发展现状及展望J.仪器仪表学报，2005,26（8）：718720；3 李庆祥.实用光电技术M.北京:中国计量出版社,19964 王瑞，孙卫平，李宏兵，基于面阵CCD的激光高速摄影技术在弹道测试中的应用J.弹箭与制导学报.200,29（5）：197199.5 胡瀚，荣健，CCD的发展现状及展望J.仪器仪表学报，2005,26（8）：718

10、720；6 李庆祥.实用光电技术M.北京:中国计量出版社,19967 雷志勇，姜寿山，线阵CCD技术及其在靶场测试中的应用J，西安工业学院学报，2002,22（3）；220224.8 董文娟，王宏义，黄宗福等，基于CDD拖尾特性的空间目标单帧监测方法J。信号处理，200,4:3034，25（5）：807810.9 刘同波.激光勘测速仪的设计及实现J，大连理工大学.2006.6.二实验报告（一）、实验现象及观察结果 本次实验的现象和实验结果都以一定的图像展示： 图1遮挡物宽度24cm 频率0，积分时间2图2遮挡物宽度1.5cm 频率0，积分时间3图3遮挡物宽度0cm 频率0，积分时间2图4遮挡物

11、宽度16cm 频率1，积分时间2图5遮挡物宽度1cm 频率1，积分时间2图6遮挡物宽度0cm 频率1，积分时间2图7遮挡物宽度10cm 频率2，积分时间2图8遮挡物宽度0cm 频率2，积分时间2图9遮挡物宽度0cm 频率2，积分时间3图10遮挡物宽度7cm 频率3，积分时间0图11遮挡物宽度0cm 频率3，积分时间0图12 遮挡物宽度12cm 频率3，积分时间4（二）、对实验现象、实验结果的分析及其结论 在实验中得到的结果已经达到了实验的要求，我们可以从上面的图片右上角看到显示的数字有的为0，有的有具体的数字。这里就是说我们放入了遮挡物，那么可以得到遮挡物的宽度，而且显示的遮挡物的宽度与我们实际放入遮挡物的宽度基本吻合。如果我们没有遮挡物。就会显示遮挡物为0.（三）、实验总结 本次实验没有出现什么问题，基本成功。实验过程中，本小组各成员都积极参与，合作有序，操作严谨，共同完成了线阵CCD软件二值化及物体宽度的测量的任务，这也是我们本次实验取得成功的基础之一。实验结果基本正常，但