实验七线阵CCD应用实验

实验七线阵CCD应用实验实验（一）利用线阵CCD进行图像扫描一、实验目的在光电技术、机器视觉技术中数字图像的产生与分解是非常重要的基础知识，掌握图像的产生与分解对于如何利用图像，从图像中解析出我们所要检测的目的信号无疑是机器视觉技术最为重要的环节。本实验利用彩色线阵CCD图像传感器对彩色实物进行扫描而获得数字图像，并对扫描图像的解析方法、图像的形成方法和数字图像的特点等重要内容深入学习，掌握数字图像的产生过程。二、实验准备内容（1）学习有关CCD的知识。（2）学习用线阵CCD传感器进行实物扫描成像的原理，分析为什么用彩色线阵CCD能够对实物进行真彩色扫描成像。（3）用彩色线阵CCD进行图像扫描时应该注意哪些问题？彩色线阵CCD的工作频率、扫描电机的转速与照明光源的亮度之间存在着怎样的关系？（4）为什么说扫描同步问题是线阵CCD图像扫描技术的关键问题，如何解决扫描图像的同步问题？三、实验所需仪器设备（1）LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台；（2）装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一台；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或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上实验仪的主电源开关。（2）打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。（3）确认已经正确安装实验仪软件。2.图像扫描（1）将贴好图片的扫描滚筒安装在扫描支架上，锁紧螺钉，使实验装置组成如图1所示的彩色图像扫描实验结构；图1线阵CCD进行彩色图像扫描成像的实验（2）打开计算机电源，找到《图像扫描实验》软件，在计算机显示屏上弹出如图2所示的图像扫描实验软件主界面；图2线阵CCD扫描成像主界面（3）先点击界面中的“曲线”菜单，观察彩色线阵CCD输出的R、G和B输出波形曲线（在显示屏上分别用R、G、B三种颜色显示），再根据曲线的特点决定对光学成像系统是否进行调试；如果曲线已经如图3所示曲线边沿较陡，看上去比较“毛草”，说明已经调好了焦，图像的高频细节已经显现，就不要再调；图3彩色线阵CCD输出的3路信号（4）调试过程为先调整光圈使其输出幅度居中偏高些以便扫描出来的图像灰度阶更为丰富；但是不能使CCD输出信号进入饱和区，否则将出现高亮度区域偏白而无法显示图像颜色；（5）然后再调整成像物镜的焦距，使观测到的曲线尽量陡直或如图3所示的波形显得比较毛糙（是高频分量较好的表现），才为调试到较为理想状况；当然准确调焦后扫描出来的图像视觉效果可能并不理想，图像的细节表现明显，图像的缺陷暴露无疑。所以有时为了视觉效果常有意进行“离焦处理”以便掩盖图像本身的缺陷。在产品表面质量检测中应尽量提高图像的清晰度，尽量使成像物镜调整到最佳理想像面。当所观察到的输出波形（曲线波形）表明光学成像系统已经调好后（曲线斜率越陡直说明光学成像系统的焦距调整得越好），信号的幅度也能满足扫描要求便可以进行下一步扫描实验。若幅度不满足需要，则应调整成像物镜的光圈、CCD的积分时间与驱动频率等参数，使曲线的幅度达到扫描图像的要求；（6）波形曲线调好后执行停止菜单，在如图2所示的菜单中选中“图像”菜单，将弹出如图4所示的图像扫描设置与控制主菜单；（7）选中图4所示软件界面上的“开始扫描”菜单，执行后，扫描电机将带动滚筒转动，程序自动进入判断扫描起始点并进入自动扫描工作过程，并不断在界面上显示正在扫描的行数；界面上同时弹出扫描进度条，完成整幅画面的扫描后将在屏幕上自动显示出如图5所示的整幅图像；（8）利用如图4所示的扫描界面上的“水平方向”与“垂直方向”的缩、放控制键进行x、y两个方向的缩放调整，使所显示的图像适于观看；（9）将显示的图像屏拷至实验记录文档中。图4图像扫描软件界面图5扫描所得的数字图像（10）改变驱动频率与积分时间的档位，再次进行图像扫描，观察扫描出来的图像变化情况，分析图像发生变化的原因；（11）调整扫描电机的转速（提高或降低），然后再次进行图像扫描，观察扫描出来的图像，分析扫描速度与图像质量的关系；（12）通过上述参数的设置与变化，总结出用线阵CCD扫描实际运动图像（画面）时为什么要强调扫描速度要恒定，通过实验，是否能够充分认识到图像扫描的关键技术；3.结束与关机（1）先退出实验程序，关实验仪的电源开关；（2）将所作实验的数据与图像可靠地存储到指定的文件夹内，退出实验系统软件，关闭计算机系统；（3）关掉总电源；（4）整理好所有实验器材与工具，放回原处。实验（二）条形码的测量与识别实验一、实验目的商场与超市收银台处很容易看到收银员利用条码扫描仪器直接对商品上的条形码进行扫描获得商品的名称、型号与单价，然后收银机将打出所扫商品的单价或总价。本实验的主要目的是认识条码扫描仪的基本原理，学习线阵CCD在收银机、商品流通与库管等方面的应用。二、实验准备内容首先对条形码图形应有较为深刻的认识，然后在对条形码信息的数据采集问题进行研究。当然，本实验不去研究如何编排条形码的信息，而是如何用线阵CCD数据采集系统采集条形码的信息和怎样将条形码所载荷的信息检测出来。三、实验所需仪器设备（1）LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台；（2）装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一台；四、实验步骤1、实验预备（1）首先将实验仪的USB数据端口与计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上实验仪的主电源开关。（2）打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。（3）确认已经正确安装实验软件。否则，请安装实验软件。（4）准备工作完成后关掉实验仪的电源，等待改变实验结构。2、条码扫描仪的基本原理(1)通用商品条形码的基本结构目前世界上常用的码制有ENA条形码、UPC条形码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就是EAN商品条形码。如图1所示为我国商品流通中的典型条形码条码，一般由13位数字组成，用来标明商品的国别、产地、制造厂商代码、商品代码和校验码等信息如图2所示，例如00-09代表美国、加拿大，45－49代表日本，690-692代表中国大陆，471代表我国台湾地区，489代表香港特区。EAN商品条形码分为EAN－13（标准版）和EAN－8（缩短版）两种。由13位数字码或8位数字码以及于之相对应的条码组成。数字为识别者直接用人眼读出，而条码为机器视觉准备。图1典型商品的条形码图2条形码信息编码规律条码下方的数字和上方的条码是对应的，计算机识别数字是困难的而识别黑白条或0和1是容易的。为此，通过黑白条的宽度和位置便可以将表示的数字信号输送给计算机。这些黑白条称为数据符，对应最后几位数字的黑白条称为校验符。利用黑白条能够识别出商品的各种信息。如图1所示的标准版的条码具体结构为：从左向右看去，空白后由2个细长黑条开始（起始符）、左侧数据符、中间分隔符（2个细长黑条）、右侧数据符、校验符、终止符（2个细长黑条）和右侧空白区等部分构成。前缀码的首位（数字）上方没有条码，其他数字上方均有条码。条中黑的单元称为条（有粗细之分），白的单元称为空，也有粗有细。条表示1~1111；空表示0~0000。条空的粗细由不同数目的模块组成。粗细分为四档，以起始码条的宽度为一个单位，细条代表“1”，四个单位宽度为“1111”，同样，空的宽度代表“0”的个数。左边的两个细长条、中间两个细长条的和右边的两个细长条（起始符、分隔符与终止符）均具有数字意义，起始符与终止符均为101，占3个模块，而分隔符代表01010占5个模块。数据符与校验符均由7个模块组成，其“二进制”数如表1表示。表1数据符与校验符的“二进制”数表示我国的前置码是6，由国际物品编码协会规定左侧的数据组合应为ABBBAA。右侧数据符与校验符都用C组的二进制代表数字。标准版的前置码不用条码表示，不包括在左侧数据符内。而缩短版的前置码要用条码表示，包括在左侧数据符内，并且左侧数据符均为A组表示，右侧数据符及校验符用C组。(2)数字与条码的对应关系根据我国前置码6，中间分隔符左侧的数据符组合应为ABBBAA，中间分隔符右侧数据符及校验符应为C组。例如：A组数字为3，B组数字为2，便可以用图3所示的条码表示。图3典型条形码的数组构成将如图1所示的条码用模块表示则对应的标示应为如表2所示。表2如图1所示的条形码的模块表示(2)条码扫描的原理贴于商品上的信息条形码为被测物，它被LED或LD光源照亮，被照亮的信息条形码经成像物镜成像于线阵CCD的像敏单元阵列上形成如图4（a）所示的一维时序信号，经二值化处理电路后输出如图4（b）所示的条形方波脉冲信号，尽管它的横轴是时间轴，但是，也是像元序号轴或空间位置轴。它包含有条的位置、宽度等信息，可以将事先编制好的信息读出来。通过所读的信息找到相应商品的信息码，知道商品的类型、编号、产地等，再通过预先编制的软件或数据库将各类商品的质量、数量、存放地、单价、物流量与利润等多种信息编制出来，完成多种实用功能。这便是条码扫描仪的基本原理。图4条码扫描输出波形的处理3、实验装置的搭建将LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪上的配件（仿条形码的信息图形条）安装到如图7-5所示的位置上，转动滚筒使条形码的位置恰好被彩色线阵CCD相机所接收，信息条的明、暗图形通过成像物镜成于彩色线阵CCD的光敏阵列上。构成条码扫描仪的基本结构。4、开机实验打开实验仪的电源开关，执行条码扫描实验软件，弹出如图5所示的实验软件主界面，在主界面的提示下进行条形码的测量与识别实验。图5条形码扫描实验示意图1、条码扫描在如图6所示的条码扫描实验软件主界面上点击“曲线”菜单，显示屏上将显示含有条码信息的波形曲线，观察曲线是否有进入饱和区的信号或幅度太低无法读出的现象，若有前述问题，先通过调整光学系统、积分时间或驱动频率的方法使输出幅度恰好满足要求。再执行“连续”菜单，显示器上将显示出如图7所示的条码信息再现于显示器屏幕上；屏幕的上半部分为线阵CCD采集的条形码的波形曲线，它既是时间函数又是条码信息的空间分布，经软件处理后得到与图1所示的信息条码图形相似的条码，测量采集的条码宽度，并以最左侧的一组黑白条的宽度为条与空的基准宽度，然后根据编码规则便可以将商品的信息代码识别出来，显示在软件界面条码值对话框中。图6扫描实验软件界面图7线阵CCD实验仪扫出的条码波形2、读出条码信息内容先将如图1所示图案的条形码安装到扫描支撑架上，其包含的信息如图下方数字符所示，在如图6所示的条码扫描实验软件主界面上点击“连续”菜单，界面下方“条码值”对话框内将条码的数值显示出来；观察计算机软件读出的数值是否与条码下方标明的数值相符；若有错误，分析错误原因。3、找寻影响条码识别的主要因素做完上述试验后可以进行找寻影响条码识别主要因素的实验，先调整成像物镜的调焦环，使像面离开理想像面，CCD输出信号的波形变坏，观察条码识别情况，逐渐加剧直到影响识别位置；调焦环恢复正常后，再调整光圈，重复上述采集实验观察识别情况，获得光学参数的变化对识别的影响情况。恢复正常识别后再进行CCD参数调整对识别的影响实验，调整驱动器的参数，观察识别情况。4、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）关掉总电源；（4）整理好所有的实验器材与工具。五、实验总结（1）写出条码测量实验的总结报告。（2）试找出影响条码识别的主要因素，说明CCD的工作状态是否影响对条码的采集与识别？为什么条码扫描与识别系统中用的CCD也不能工作在饱和区？（3）通过实验你能察觉到光学成像物镜对条码较宽的条纹输出的幅度要比较窄条纹的输出幅度高吗？这是什么原因？（要从成像物镜的光学函数方面考虑）（4）焦距的调焦程度对条码扫描与识别的影响如何？（5）商场的条码扫描器对商品进行扫描时会发出“笛”声，然后便能将商品的单价与总价输入到收款机内，试问发出“笛”前售货员转动条码扫描器的过程是什么过程？发出“笛”声又是