光电器件与检测实验讲义

1实验一面阵CCD尺寸测量实验目前，CCD已经在各个高科技领域得以迅速应用。CCD全称为电荷藕合器件，CCD本身有自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、便于计算机处理、易于和自动控制设备连接等一系列优点。由于CCD具有非接触性测量、分辨率高等方面的特点，因此CCD器件在物体外型测量、表面检测、图像传真、智能传感等方面得到了广泛的应用。另外，CCD测量速度快，所以不仅可用于静态测量，还可用于动态在线检测或识别零件，因此CCD技术在高精度的在线检测系统中应用也越来越多。在我国，从80年代中期便开始逐渐应用CCD检测技术，并已部分运用到了各种自动化检测领域。现代加工技术发展迅速，自动化程度、加工精度不断提高，相应的对检测设备也提出了新的要求，如高精度，自动化，在线检测等等，新技术，新工艺，新项目对大直径尺寸高精度测量技术提出了越来越高的要求。因此，利用CCD进行物体几何尺寸的精密测量在检测技术中是一个应用十分普遍且有实际应用价值的问题。本实验采用面阵CCD摄像头与图像数据采集系统测量实际物体外形尺寸。在尺寸测量应用中存在着许多实际问题。如何将这些实际问题分解成一个个的分立问题是学习和掌握该方法的关键。【实验目的】①了解面阵CCD的基本工作原理；②通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵CCD进行尺寸测量的基本方法；③通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵CCD进行尺寸测量，掌握测量范围、精度和测量时间等问题。【实验仪器】①带有USB2.0输入端口的计算机（或GDS-Ⅲ光电综合实验平台），推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024768分辨率，24或32位真彩显示；②YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD多功能实验仪一台。③印有矩形、圆、三角形等典型几何图形的待测量图片纸板。【实验原理】测量时，被测物通过光学系统成像于CCD像敏面上，从而可得到被测物的图像。由于被测物体的成像面上的照度不同，CCD像敏面上的照度分布也就不同，因此CCD中包含有被测物体的尺寸信号。本实验通过计算机软件检取被测物体的外径尺寸，具体方法将在文章后面给出。根据CCD的输出波形，可以得到物体在像方的尺寸D’，再根据成像物镜的物象关系，在得到2物体像的尺寸后，找出成像物镜的光学放大倍率β，便可以利用下面的公式计算出物体A的实际尺寸D'DD(1-1)显然，只要得到物体在CCD上的像方尺寸大小D’，便可以求出物体的实际尺寸D。【实验步骤及内容】1.开机过程①将被测的标准图片如图1-1所示，安装在“被测物夹持架”上，将USB接口线正确连接到计算机上；②打开计算机的电源开关，并确认YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD实验仪的“面阵CCD尺寸测量实验”软件是否已经安装。若未安装，则先将软件安装在计算机的指定位置上；③将外置面阵CCD摄像机的镜头盖打开；④打开YHACCD－Ⅲ彩色面阵CCD多功能实验仪的电源开关；⑤确认视频切换按钮（开关）是否已经按下，切换指示灯点亮表明采集外置CCD摄像机的图像信号；⑥运行“面阵CCD尺寸测量实验”程序；⑦点击“连续采集”按钮，计算机界面将显示外置摄像头所采集到的图像，调整CCD摄像头与测量图片的相对位置使计算机显示的图像尽量清晰，点击“停止”按钮。或者，点击“单帧”按钮，采集到一幅数据图像，并将其存入指定内存。2.关于点数据的测量①点击如图1-2所示操作菜单栏中的“查看”选项，选择要查看的数据项，例如点击“显示一行数据（R）”，计算机软件将图像数据用文本文件的方式打开。观测其中一行的数据，从图1-2查看图像数据操作图图1-3水平曲线图767575图1-1点、线、面的测量图片3一行的数据中可以观测到图像在水平方向的边界灰度变化情况。同理通过坐标和数值能找到图形的边界在x，y方向的变化，然后保存并关闭文本文件；②完成①的测量工作后，就基本掌握了通过数字图像的像元值数据找出图像中图形边界的方法和原理。通过软件所提供的标定图像中任意一行（或列）数据边界的测量功能来确定边界点。例如，在采集到的图像上把鼠标移至某一行上点击左键，软件会弹出一个对话框，对话框中的曲线图表示了水平方向上各像元灰度的变化状况，如图1-3所示。图中的横坐标是水平方向上的像元位置，纵坐标是各像元灰度值。在曲线图上选择适当的灰度值（纵坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“172”），同时得到在此阈值（即纵坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值水平方向交点“149”、“159”，“540”、“550”）。也可以在采集到的图像上把鼠标移至某一列上点击右键，软件会弹出垂直方向上灰度变化曲线图，如图1-4所示。图中横坐标是各像元灰度值，纵坐标是垂直方向上的像元位置。在曲线图上选择适当的灰度值（横坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“209”），同时得到在此阈值（即横坐标坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值垂直方向交点“85”、“96”，“482”、“493”）。除了通过阈值法确定图形边界，还可以通过计算边界点附近的灰度变化率来确定边界，灰度变化最快的像元位置即为边界点坐标。③找出x方向与y方向的最大与最小位置值，可以计算出被测点的大小与中心位置0minmax0minmax)()(yyyyxxxx（1-1）点的直径为2yxd（1-2）点的中心坐标为2)(2)(0minmaxi0minmaxiyyyyxxxx（1-3）式中x0,y0分别为面阵CCD的像敏单元在水平（x）与垂直（y）方向尺寸；β为光学系统图1-4垂直曲线图4的横向放大倍率。通常将x0/β与y0/β一起通过标定的方式进行校正。3.x0/β与y0/β的标定x0/β与y0/β标定的方法很多，这里我们提供一种简单的标定方法。在被测物面处，放置标准尺寸物或标尺，读出标尺图像的相关尺寸数据便可进行标定。设标准尺寸物或标尺的实际尺寸为l0，读出数据为N0，则测出的N值的长度当量（x0/β或y0/β）为00NlN（1-4）显然，若光学系统存在畸变，就要对不同视场分别进行标定或进行更高精度的图像数据处理工作。4.关于圆数据的测量圆的测量与点的测量十分相似，差别在于圆的边界和点的边界有所不同，有黑环，测量时要注意测内圆直径还是外圆直径。计算公式完全相同。5.关于三角形数据的测量打开文本数据图像，观测数据，从数据的坐标和数值上找到测试点的边界x,y坐标；可以找到三角形三个顶点的坐标xa,ya，xb,yb，xc,yc坐标值，根据三点坐标值和标定好的x0/β与y0/β值便可计算出三角形的各边长、三角形的重心、中心和面积。6.关于矩形数据的测量矩形数据的测量需要从数据文件中找出四个点的坐标值，找点方法与上述相同，都可从文本数据中找到。7．关机与结束①需要保存的数据及文件保存到“软盘”、“闪存”或“优盘”中，以免关机时丢掉；②退出实验软件，将计算机关掉；③关掉实验仪的电源；④盖好镜头盖；⑤将被测图片，其他工具放回原处。【数据记录与处理】1.测定x0/β、y0/β值实际尺寸l0读出数据N0(x)x0/β值读出数据N0(y)y0/β值52.关于点数据的测量xmaxΔxdxminΔyymaxxiyminyi3.关于三角形数据的测量a点xmax(a)Δx(a)d(a)xmin(a)Δy(a)ymax(a)xaymin(a)yab点xmax(b)Δx(b)d(b)xmin(b)Δy(b)ymax(b)xbymin(b)ybc点xmax(c)Δx(c)d(c)xmin(c)Δy(c)ymax(c)xcymin(c)xc三角形的边长：AB=BC=AC=三角形的重心G：xG=yG=三角形的中心M：xM=yM=三角形的面积S：6S=4.关于矩形数据的测量a点xmax(a)Δx(a)d(a)xmin(a)Δy(a)ymax(a)xaymin(a)yab点xmax(b)Δx(b)d(b)xmin(b)Δy(b)ymax(b)xbymin(b)ybc点xmax(c)Δx(c)d(c)xmin(c)Δy(c)ymax(c)xcymin(c)xcd点xmax(d)Δx(d)d(d)xmin(d)Δy(d)ymax(d)xdymin(d)xd矩形的边长：AB=BC=CD=AD=矩形的面积：S=【思考与练习】①写出实验总结报告，理解面阵CCD尺寸测量的原理。②你能设计出用外置摄像机测量圆柱物体（如铅笔芯）外径的方案吗？7实验二面阵CCD用于颜色识别利用彩色面阵CCD可以将复杂的色彩图像分解为三原色单色图像，利用分解的单色图像进行颜色信息的识别。例如，若想从红小豆堆里分辨出如绿豆、黑豆、花小豆、砂石等杂质，可以将被测小豆经彩色面阵CCD摄取并采集的彩色图像分解成R、G、B三幅单色图像，用计算机软件分析这3幅单色图像的输出幅度，若G、B图像的输出幅度超过某阈值，则表明其为杂质。可以用电磁气阀将其吹出，实现除去杂质的目的。在彩色印刷过程中常采用顺序印刷单色图像的方法，在印每种颜色时都要检测其质量。因此，用彩色面阵CCD进行彩色图像分解出的单色图像进行色品分析是保证彩色印刷质量的关键。将三原色单色图像合成为一幅图像，该幅图像为真彩色图像。若对一色、二色或三色单色图像进行对比度、白电平等参数的调整，结果会使合成的彩色图像的颜色、饱和度、色度等色品参数发生变化，即彩色图像被处理。通过彩色图像的处理能提高原图像的质量。【实验目的】①学习利用彩色面阵CCD进行彩色图像的分解与合成，用此种方法对颜色信息进行识别和图像处理是本节实验的主要目的。②通过实验也能对R、G、B色品坐标与三基色色彩方程有进一步的认识。【实验仪器】①带有USB2.0输入端口的计算机（或GDS-Ⅲ电综合实验平台），推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024768分辨率，24或32位真彩显示；②YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD多功能实验仪一台。【实验准备】①学习《图像传感器应用技术》第七章CCD彩色摄像机概述，尤其应掌握单管面阵CCD彩色摄像机的原理及各种滤色片的结构；②学习基本的色度学基础（参考“电视原理及其应用技术”、“光电图像处理”或“电视摄像机与视频处理”等相关教材）掌握“彩色三要素”、“三基色原理”、“混色原理”、“颜色的度量和表示”、“CIE标准色度学系统”等基础知识；③学习《图像传感器应用技术》的第九章“视频信号处理与计算机数据采集”，掌握各种彩色图像数据采集系统（卡）的原理及其应用；④学习R、G、B色彩系统显示原理。对于彩色图像，它的显示来源于R、G、B三原色亮度的组合。针对目标的单色亮度、对比度，可以人为的分为“0~255”，共256个亮度等级。8图2-1彩色样图“0”级表示不含有此单色，“255”级表示最高的亮度，或此像元中此色的含量为100%。根据R、G、B的不同组合，就能表示出256256256（约1600万）种颜色。当一幅图像中的每个像素单元被赋予不同的R、G、B值，就能显示出五彩缤纷的颜色，形成彩色图像。【实验内容】①利用彩色面阵CCD摄像机进行彩色图像分解；②利用分解出的单色彩色图像进行颜色信息的分辨；③利用彩色面阵CCD摄像机与计算机图像数字采集系统进行简单的彩色图像处理。【实验步骤】1）基本彩色图像的分解①用USB连接线将YHACCD－Ⅲ彩色面阵CCD多功能实验仪与计算机的USB2.0连接起来；②打开计算机的电源开关，确定“面阵CCD颜色识别实验”程序是否已经安装；若未安装，请按厂家提供的安装盘安装。若已安装，可进行下面的操作；③检查面阵CCD摄像机的电源线与视频线是否与实验仪连接好。再打开实验仪的电源开关；④确认视频切换按钮是否已经按下，切换指示灯点亮，说明已经将外置面阵CCD摄像机的视频信号接入视频信号数据采集系统；⑤将仪器提供的彩色样品图2-1安装在“被测物夹持架”上，调整物像关系，使图像尽量清晰；⑥运行“面阵CCD颜色识别实验”程序，点击如图2-2所示“实时采集”按钮，进行图像采集；⑦把鼠标移到所采集的图像上，观测鼠标指示位置像素点的R、G、B等级数（见图2-4所显示的值）；