CCD摄像机中光电信号的二值化原理.ppt

* 目前CCD已在军用和天体高科技、航空航天、卫星侦察、遥感遥测、光学图像处理等领域得到了广泛地应用，尤其是在物体几何尺寸的非接触检测方面(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优势，更引起人们的高度重视,形成了CCD研究开发及应用的热潮) 。 CCD (Charge Coupled Device) 是一种光电转换式图像传感器。由于它性能优良，近年来得到广泛的应用 。 CCD分为线阵CCD和面阵CCD。 基于CCD的光电在线检测系统在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。 比如电缆、电线、钢丝、裸铜线、轧钢、纤维、橡胶、小钻头、灯丝、玻璃管、轴类等零件的测量和生产加工，它们往往是在自动化生产线上加工的，加工速度快，生产效率高，其加工水平的提高往往是与测量技术的不断提高密切相连的，可以说产品质量在很大程度上是由监测仪器的精度所决定的。 背景知识: 自CCD问世以来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中:美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。 国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高速度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。 目前，国外已经研制出了像素数目为9Kx9K的CCD芯片，像素尺寸最小已经达到2.4umx2.4|um像素数目为4Kx4K的CCD芯片已达到商品化水平。 另外，CCD芯片的拼接技术也日益成熟。 国内对于CCD的研究始于1976年，主要研制单位有重庆光电技术研究所、河北半导体研究所等，由于受国内微电子半导体加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国内需求。同时由于缺乏核心CCD芯片设计和制造技术，尖端CCD芯片需依赖进口。在应用的层次和领域内与发达国家还有很大的差距。 国外:日本生产的LS-7000系列高速、高精度CCD测量仪器，如： LS-7030M(配备测量摄影机)测量范围：0.3mm～30mm，测量精度：±2μm 。 LS一7010M(配备测量摄影机)测量范围：0.04mm～6mm，测量精度：±0.5μm 。 1．线、管、圆柱等零件外径的在线测量例如，天津大学的孙学珠、付维乔等人开发的高精度CCD光电测径系统，可以数字显示测量的结果，能够对不合格的产品进行自动筛选，对于直径在0.8—8mm之间的被测物，单点测试时间不超过5秒，测量精度可以达到± 0.03mm。桂林电子工业学院的陈跃林、中科院上海技术研究所的钱思明等人也做出了类似的应用系统。 2．热轧生产线上轧制零件的在线检测比较典型的有清华大学的任伟明等 人研制的热轧异性钢材截面尺寸的在线测量系统以及华中科技大学的罗志勇等 人所研制的高温钢坯长度在线测量系统等。 3．零件上的空洞检测如铝板、钢板等在生产过程中出现的空洞的检测。 4．橡胶等软材料的尺寸测量 线阵CCD 对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 基于线阵CCD测径系统原理 被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵CCD传感器上，被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵CCD传感器上. d——被测工件的直径大小 d’——被测工件直径在CCD上影像大小 l——物距 l’——像距 ——光学系统的放大率 知道物距、像距并测出工件影像d’的大小，即可求出被测工件的尺寸 CCD的信号检测电路实现电荷一电压的转化，这样在CCD输出端可获得表示被测工件的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。最终，被测物体的影像大小反映在CCD输出信号中变为输出信号电压的高低，即在CCD中被影像遮挡部分的光敏元输出电压低，两侧未被遮挡的光敏元输出电压高。 未放工件输出信号 放工件输出信号 CCD的输出视频信号中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系统的白噪声，使得有用信号难以提取。 由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0／1信号，其包络的边缘带有明显的梯度，或者说，目标尺寸的两个边缘在CCD上成像的具体位置不能确定。 导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮廓在视场中位置的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征点，进而影响测量精度。 因此，除了减少外界干扰外，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息，是测量的难点所在。 由于被测工件的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该