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文檔簡介
1、實驗一 面陣CCD尺寸測量實驗一、實驗目的 用面陣CCD攝像頭與圖像數據采集系統(tǒng)測量實際物體外形尺寸是CCD最廣泛應用的領域,在尺寸測量應用中存在著許多實際問題。如何將這些實際問題分解成一個個的分立問題是學習和掌握該方法的關鍵。本實驗采用標準幾何圖形代替實際被測物,可以將一些不必要的問題排除在外,突出主要問題; 通過對標準圖形的點、線、面的測量過程掌握應用面陣CCD進行尺寸測量的基本方法; 通過對標準圖形的點、線、面的測量過程掌握應用面陣CCD進行尺寸測量,掌握測量范圍、精度和測量時間等問題。二、實驗準備內容復習矩形、圓、三角形等典型幾何圖形的點、線、面的基本計算公式。三、實驗所需儀器設備 帶
2、有USB2.0輸入端口的計算機; MXY6001彩色面陣CCD多功能實驗儀一臺。四、實驗內容及步驟1、開機過程 將被測的標準圖片實心圓安裝在“被測物夾持架”上,將USB接口線正確連接到計算機上; 將外置面陣CCD攝像機的鏡頭蓋打開; 打開實驗儀的電源開關; 將視頻切換按鈕按下,切換指示燈點亮表明采集外置CCD攝像機的圖像信號; 運行“面陣CCD尺寸測量實驗”程序; 點擊 “連續(xù)”按鈕,將顯示外置攝像頭所采集到的圖像,如圖1.1,調整CCD攝像頭與測量圖片的相對位置使計算機顯示的圖像盡量清晰,在圖像上移動鼠標,則軟件右上方的“鼠標當前位置及灰度”區(qū)域的文本框將顯示圖像當前位置點及灰度值。圖1.1
3、尺寸測量界面2、關于點數據的測量單擊“停止”按鈕,然后在圖像上移動鼠標,觀察實心圓的灰度值和背景灰度值,選擇合適的閾值(介于背景灰度和實心圓灰度之間,稍大于實心圓的灰度值),并設置待測的行和列,點擊如圖1.1所示的 “計算”按鈕,將在“測量結果”區(qū)域顯示計算的水平尺寸(待測行的尺寸)和垂直尺寸(待測列的尺寸)。3、比例系數的計算 如果已知圓的直徑和對應的像元個數,那么就可以在“比例系數”區(qū)域的兩個文本框輸入對應的值,然后點擊“計算”比例系數,就可以計算當前物像關系下的比例系數,然后再單擊“計算”尺寸按鈕就可以計算出被測物的實際尺寸。顯然,若光學系統(tǒng)存在畸變,就要對不同視場分別進行標定或進行更高
4、精度的圖像數據處理工作。7、關機與結束 保存采集的圖像; 退出實驗軟件,將計算機關掉; 關掉實驗儀的電源; 蓋好鏡頭蓋; 將被測圖片,其他工具放回原處。五、實驗總結寫出實驗總結報告,理解面陣CCD 尺寸測量的原理。實驗二 利用線陣CCD 進行物體外形尺寸的測量一、 實驗目的通過本實驗掌握利用線陣 CCD 進行非接觸測量物體尺寸的基本原理和方法,用實例探討影響測量范圍、測量精度的主要因素,為今后設計提供重要依據。二、實驗原理1. 利用線陣 CCD 進行非接觸測量物體尺寸的基本原理線陣 CCD 的輸出信號包含了CCD 各個像元所接收光強度的分布和像元位置的信息,使它在物體 寸和位置檢測中顯示出十分
5、重要的應用價值。CCD 輸出信號的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動(振動)等的測量。如圖2-1 所示為測量物體外形尺寸(例如棒材的直徑D)的原理圖。將被測物體A 置于成像物鏡的物方視場中,將線陣CCD 像敏面恰好安裝在成像物鏡的最佳像面位置上。當被均勻照的被測物體A 通過成像物鏡成像到CCD 的像敏面上時,被測物體像黑白分明的光強分布使得相應像敏單元上存儲載荷了被測物尺寸信息的電荷包,通過CCD及其驅動器將載有 尺寸信息的電荷包轉換為如圖2-1 右側所示的時序電壓信號(輸出波形)。根據輸出波形,可以測得物體A 在像方的尺寸D ,再根據成像物鏡的物像關系,找出光學成像系統(tǒng)的放大倍
6、率,便可以用下面公式計算出物體A 的實際尺寸DD = D / (2-1)顯然,只要求出D ,就不難測出物體A 的實際尺寸D。線陣CCD 的輸出信號UO 隨光強的變化關系為線形的,因此,可用UO 模擬光強分布。采用二值化處理方法將物體邊界信息(圖2-1 中的N1 與N2)檢測出來是簡單快捷的方法。有了物體邊界信息便可以進行上述測量工作。2. 二值化處理方法圖2-2 所示為典型CCD 輸出信號與二值化處理的時序圖。圖中FC 信號為行同步脈沖,FC 的上升沿對應于CCD的第一個有效像元輸出信號,其下降沿為整個輸出周期的結束。UG 為綠色組分光的輸出信號,它為經過反相放大后的輸出電壓信號。為了提取圖2
7、-2 所示UG 的信號所表征的邊緣信息,采用如圖2-3 所示的固定閾值二值化處理電路。該電路中,電壓比較器LM393 的正輸入端CCD 的輸出信號UG,而反相輸入端接到由電位器R2 的動端,產生的可調的閾值電平,可以通調節(jié)電位器對閾值電平進行設置,構成固定閾值二值化電路。經固定閾值二值化電路輸出的信號波形被定義為TH,它為方波脈沖。再進行邏輯處理,便可以提取出物體邊緣的位置信息N1 和N2。N1 與N2 的差值即為被測物體在CCD 像面上所成圖像占據的像元數目。物體A 在像方的尺寸D 為 D = (N2 N1) L0 (2-2)式中,N1 與N2 為邊界位置的像元序號,L0 為CCD 像敏單元
8、的尺寸。因此,物體的外徑D 應為D= (N2 N1) L0/ (2-3)3. 二值化處理電路原理方框圖二值化處理原理圖如圖2-4 所示,若與門的輸入脈沖CRt 為CCD 驅動器輸出的采樣脈沖SP,則計數器所計的數為(N2N1),鎖存器鎖存的數為(N2N1),將其差值送入(N2N1)LED 數碼顯示器,則顯示出(N2N1)值。同樣,該系統(tǒng)適用于檢測物體的位置和它的運動參數,設圖2-1 中物體A 在物面沿著光軸做垂直方向運動,根據光強分布的變化,同樣可以計算出物體A 的中心位置和它的運動速度、震動(振動)等。三、實驗所需儀器設備1、LCCDAD-型線陣CCD 應用開發(fā)實驗儀一臺;2、裝有 VC+軟
9、件及相關實驗軟件的PC 計算機或GDS-型光電綜合實驗平臺一臺。四、實驗內容及步驟1實驗內容(1) 建立非接觸測量物體外形尺寸的基本結構;(2) 觀測二值化處理過程中CCD 的輸出信號;(3) 在進行二值化閾值電平調整的過程中,觀察閾值電平的調整對測量值的影響;(4) 進行光學系統(tǒng)放大倍率的標定;(5) 進行非接觸測量被物體外形尺寸的測量;(6) 通過改變有關參數,觀察對測量值的影響,分析影響物體尺寸測量的主要因素。 2實驗步驟(一)、實驗準備(1) 將示波器地線與實驗儀上的地線連接良好,并確認示波器的電源和多功能實驗儀的電源插頭均插入交流220V 插座上;(2) 打開儀器上蓋,旋下旋轉滾筒軸
10、上的禁錮螺釘,將旋轉滾筒拿下來,然后將被測干件插入安裝位置上;(3) 打開實驗儀電源開關,啟動計算機,并進入物體尺寸測量軟件,將在屏幕上彈出如圖2-5 所示的測量實驗軟件界面;圖2-5 所示界面中“打開”菜單為打開原來保存的數據進行察看而設,“保存” 菜單為將所測量的數據保存到指定文件夾而設定。點擊“連續(xù)”菜單,便執(zhí)行連續(xù)采集CCD的輸出信號;“單次”是只采集一行信號便顯示在界面上;“數據”與“曲線”菜單分別是以數據還是以曲線波形方式顯示所采得的數據信號;“0ms”為曲線波形在計算機界面上停留顯示的最短時間,但是它不可能為“零”,它與計算機的特性有關。點擊菜單上的下拉箭頭可以選擇更長的顯示時間
11、?!胺e分時間”和“驅動頻率”等也都可以通過下拉箭頭進行選擇。(二)、標定光學成像系統(tǒng)放大倍率(1) 將直徑為5mm 的“試件”插入安裝裝置,執(zhí)行“物體尺寸測量實驗” 軟件,彈出測量尺寸軟件界面;同時遠心照明光源被點亮;(2)在尺寸軟件界面上選中“連續(xù)掃描”菜單,計算機顯示器出現含有被測“試件”外徑尺寸信息的波形如圖2-6 所示;(3) 在測量界面上設置驅動頻率或積分時間,使輸出信號的幅度在適宜觀測的程度,但是,一定不要使CCD 工作到飽和狀態(tài);(4)調整物鏡的焦距使如圖2-6 所示輸出信號曲線的斜率盡量陡;圖2-6 尺寸測量軟件界面(5) 停止采集后,進入到光學放大倍率的測量與設定軟件界面,并
12、按界面底部用文字提示的步驟進行操作;(6) 先選定閾值方式設定,如圖2-7 所示選定閾值數為“128”,再設置積分時間為合適值,如圖2-7 中設定了積分時間為“6”檔,驅動頻率選為“0”檔;觀察曲線達到滿意程度后,再執(zhí)行“下一步”,按界面下方的提示進行操作,觀察測出的數據;圖2-7 光學放大倍率測量與設置軟件界面(7) 在軟件界面的提示下進行操作,將用卡尺或千分尺測量的標準被測物尺寸值輸入到如圖2-8 所示的 “已知值”中,再執(zhí)行“下一步”,便計算出光學系統(tǒng)的放大倍率并顯示在界面上;再點擊“下一步”,出現如圖2-9 所示的界面,點擊“完成”,便將測得的放大倍率存入計算機內存,為本實驗的測量工作
13、使用;圖2-8 光學放大倍率測量過程軟件界面圖2-9 放大倍率計算最終完成界面(8) 也可以用最原始的數據測量光學系統(tǒng)放大倍率,當調整好光學成像系統(tǒng)的焦距后,停止采集,選擇“數據結果”菜單,察看線陣CCD 所有單元的數據,觀察相鄰兩個像元數據的變化率,將發(fā)生由大變小變化率最大處的像元序列值(位置值)記為“N1”,將由小變大過程中變化率最大處的像元序列值記為“N2”,將所觀察到的N1 與N2 值填入表2-1,重復上述過程,進行多次測量后,再將測量值代入下式,便可以獲得光學系統(tǒng)的橫向放大倍率。(三)、非接觸測量物體的外形尺寸(1) 保持上述設置不變,取下測量光學系統(tǒng)放大倍率標準件,裝上其他尺寸的被
14、測件,蓋上蓋。連續(xù)記下10 組數據,填入表2-2,計算出被測件的實際尺寸。改變積分實間和二值化閾值電平繼續(xù)測量物體尺寸,觀察、分析測量條件對測量結果的影響,為此先調出二值化實驗軟件(2) 將閾值電平的二進制數值設為98,測量出物體直徑的一組相關數據,填入表2-2,計算出被測桿件的直徑D。(3) 再調整閾值至127,測量一組數據,填入表2-2,計算出被測桿件的直徑,觀察閾值電平改變前、后被測桿件直徑值的變化。(4) 若調整閾值調至150,再測量一組數據,計算出被測桿件的直徑,觀察閾值電平改變前、后被測桿件直徑值的變化。(5) 改變積分時間后,再重復上述實驗,觀察CCD 輸出信號波形的變化,同時紀
15、錄測量值的變化。(6) 當線陣CCD 開始出現飽和狀態(tài)后,再觀測被測物尺寸的變化情況,進入深度飽和后測量結果有何變化?3結束與關機上述實驗完成,并達到實驗目的,便可結束實驗。(1) 將軟件程序退出,再關閉計算機系統(tǒng);(2) 關閉實驗儀的電源;(3) 將總電源關閉;(4) 將實驗儀器及其用具收拾好,工具放到指定位置;(5) 將所做實驗數據交于實驗指導老師審查,合格后方可離開實驗室。 五、實驗總結1、寫出實驗總結報告,解釋為何兩種閾值下測量結果有差異,造成這種差異的原因有幾點。2、積分時間的變化是否對測量值有影響?在什么時候會有影響?為什么進行尺寸測量時必須使CCD 脫離飽和區(qū)?實驗三 條形碼的測
16、量與識別實驗一、 實驗目的商場與超市收銀臺處很容易看到收銀員利用條碼掃描儀器直接對商品上的條形碼進行掃描獲得商品的名稱、型號與單價,然后收銀機將打出所掃商品的單價或總價。本實驗的主要目的是認識條碼掃描儀的基本原理,學習線陣CCD 在收銀機、商品流通與庫管等方面的應用。二、實驗原理首先對條形碼圖形應有較為深刻的認識,然后在對條形碼信息的數據采集問題進行研究。當然,本實驗不去研究如何編排條形碼的信息,而是如何用線陣CCD 數據采集系統(tǒng)采集條形碼的信息和怎樣將條形碼所載荷的信息檢測出來。(1) 通用商品條形碼的基本結構目前世界上常用的碼制有ENA 條形碼、UPC 條形碼、二五條形碼、交叉二五條形碼、
17、庫德巴條形碼、三九條形碼和128 條形碼等,而商品上最常使用的就是EAN 商品條形碼。如圖3-1 所示為我國商品流通中的典型條形碼條碼,一般由13 位數字組成,用來標明商品的國別、產地、制造廠商代碼、商品代碼和校驗碼等信息如圖3-1所示,例如00-09 代表美國、加拿大,4549 代表日本,690-692 代表中國大陸,471 代表我國臺灣地區(qū),489 代表香港特區(qū)。EAN 商品條形碼分為EAN13(標準版)和EAN8(縮短版)兩種。由13 位數字碼或8 位數字碼以及于之相對應的條碼組成。數字為識別者直接用人眼讀出,而條碼為機器視覺準備。條碼下方的數字和上方的條碼是對應的,計算機識別數字是困難
18、的而識別黑白條或0和1 是容易的。為此,通過黑白條的寬度和位置便可以將表示的數字信號輸送給計算機。這些黑白條稱為數據符,對應最后幾位數字的黑白條稱為校驗符。利用黑白條能夠識別出商品的各種信息。如圖3-1 所示的標準版的條碼具體結構為:從左向右看去,空白后由2個細長黑條開始(起始符)、左側數據符、中間分隔符(2 個細長黑條)、右側數據符、校驗符、終止符(2 個細長黑條)和右側空白區(qū)等部分構成。前綴碼的首位(數字)上方沒有條碼,其他數字上方均有條碼。條中黑的單元稱為條(有粗細之分),白的單元稱為空,也有粗有細。條表示11111;空表示00000。條空的粗細由不同數目的模塊組成。粗細分為四檔,以起始
19、碼條的寬度為一個單位,細條代表“1”,四個單位寬度為“1111”,同樣,空的寬度代表“0”的個數。左邊的兩個細長條、中間兩個細長條的和右邊的兩個細長條(起始符、分隔符與終止符)均具有數字意義,起始符與終止符均為101,占3 個模塊,而分隔符代表01010 占5 個模塊。數據符與校驗符均由7 個模塊組成,其“二進制”數如表3-1 表示。我國的前置碼是6,由國際物品編碼協(xié)會規(guī)定左側的數據組合應為ABBBAA。右側數據符與校驗符都用C 組的二進制代表數字。標準版的前置碼不用條碼表示,不包括在左側數據符內。而縮短版的前置碼要用條碼表示,包括在左側數據符內,并且左側數據符均為A 組表示,右側數據符及校驗
20、符用C組。(2) 數字與條碼的對應關系根據我國前置碼 6,中間分隔符左側的數據符組合應為ABBBAA,中間分隔符右側數據符及校驗符應為C 組。例如:A 組數字為3,B 組數字為2,便可以用圖3-3 所示的條碼表示。將如圖3-1 所示的條碼用模塊表示則對應的標示應為如表3-2 所示。(3) 條碼掃描的原理貼于商品上的信息條形碼為被測物,它被 LED 或LD 光源照亮,被照亮的信息條形碼經成像物鏡成像于線陣CCD 的像敏單元陣列上形成如圖3-4(a)所示的一維時序信號,經二值化處理電路后輸出如圖3-4(b)所示的條形方波脈沖信號,盡管它的橫軸是時間軸,但是,也是像元序號軸或空間位置軸。它包含有條的
21、位置、寬度等信息,可以將事先編制好的信息讀出來。通過所讀的信息找到相應商品的信息碼,知道商品的類型、編號、產地等,再通過預先編制的軟件或數據庫將各類商品的質量、數量、存放地、單價、物流量與利潤等多種信息編制出來,完成多種實用功能。這便是條碼掃描儀的基本原理。三、實驗所需儀器設備(1) LCCDAD-型線陣CCD 應用開發(fā)實驗儀一臺;(2) 裝有VC+軟件及相關實驗軟件的PC 計算機或GDS-型光電綜合實驗平臺一臺;四、實驗內容及步驟 1、實驗預備(1) 首先將實驗儀的USB 數據端口與計算機或GDS-型光電綜合實驗平臺的USB端口用專用USB 數據線纜連接好并合上實驗儀的主電源開關。(2) 打
22、開計算機電源,完成系統(tǒng)啟動后進入下一步操作。(3) 確認已經正確安裝實驗軟件。否則,請安裝實驗軟件。(4) 準備工作完成后關掉實驗儀的電源,等待改變實驗結構。2、實驗裝置的搭建將 LCCDAD-型線陣CCD 應用開發(fā)實驗儀上的配件(仿條形碼的信息圖形條)安裝,用反射照明方式照亮信息條,信息條的明、暗圖形通過成像物鏡成于彩色線陣CCD 的光敏陣列上。構成條碼掃描儀的基本結構。3、開機實驗先將貼好被掃條形碼的樣片插入到如圖 3-5 所示的位置上,再實驗上打開實驗儀的電源開關,執(zhí)行條碼掃描實驗軟件,彈出如圖3-6 所示的實驗軟件主界面,在主界面的提示下進行條形碼的測量與識別實驗.(1)條碼掃描在如圖
23、3-6 所示的條碼掃描實驗軟件主界面上點擊“掃描”菜單,顯示屏上將顯示含有條碼信息的波形曲線,觀察曲線是否有進入飽和區(qū)的信號或幅度太低無法讀出的現象,若有前述問題,先通過調整光學系統(tǒng)、積分時間或驅動頻率的方法使輸出幅度恰好滿足要求。再執(zhí)行“觀測條碼”菜單,顯示器上將顯示出如圖3-7 所示的條碼信息再現于顯示器屏幕上;屏幕的上半部分為線陣CCD 采集的條形碼的波形曲線,它既是時間函數又是條碼信息的空間分布,經軟件處理后得到與圖3-1 所示的信息條碼圖形相似的條碼,測量采集的條碼寬度,并以最左側的一組黑白條的寬度為條與空的基準寬度,然后根據編碼規(guī)則便可以將商品的信息代碼識別出來,顯示在軟件界面條碼
24、值對話框中。(2)讀出條碼信息內容先將如圖3-1 所示圖案的條形碼安裝到掃描支撐架上,其包含的信息如圖下方數字符所示,在如圖3-6 所示的條碼掃描實驗軟件主界面上點擊“連續(xù)”菜單,界面下方“條碼值”對話框內將條碼的數值顯示出來;觀察計算機軟件讀出的數值是否與條碼下方標明的數值相符;若有錯誤,分析錯誤原因。(3)找尋影響條碼識別的主要因素做完上述試驗后可以進行找尋影響條碼識別主要因素的實驗,先調整成像物鏡的調焦環(huán),使像面離開理想像面,CCD 輸出信號的波形變壞,觀察條碼識別情況,逐漸加劇直到影響識別位置;調焦環(huán)恢復正常后,再調整光圈,重復上述采集實驗觀察識別情況,獲得光學參數的變化對識別的影響情
25、況。恢復正常識別后再進行CCD 參數調整對識別的影響實驗,調整驅動器的參數,觀察識別情況。(4)掃描與識別其他條碼實驗如圖3-8 所示,為國內圖書的標準條形碼中的一種,為國家級“十一五”規(guī)劃教材“光電傳感器應用技術”的條形碼。將“光電傳感器應用技術”教材的條形碼安裝到如圖3-5 所示的安裝位置上進行掃描,觀察采樣出的條碼圖像是否與圖3-8 相似,再利用如表3-2 所示的判讀規(guī)則分析它的條碼,讀出它所表示的數字或代碼,與觀察圖3-8所示條碼下方的數字是否一致。一致說明判讀正確,否則錯誤。分析錯誤發(fā)生的原因,然后對光學系統(tǒng)進行調整,先調整調焦環(huán),每調整一次都要進行讀條碼實驗,然后再進行光圈的調整,
26、同樣也每調一次進行測量判讀一次,經5 次獲得正確讀碼和2 次獲得錯誤讀碼后才能算完成此項實驗。4、關機結束(1)先退出實驗程序,再關閉實驗儀的電源;(2)關閉計算機系統(tǒng);(3)關掉總電源;(4)整理好所有的實驗器材與工具。五、實驗總結(1)寫出條碼測量實驗的總結報告。(2)試找出影響條碼識別的主要因素,說明CCD 的工作狀態(tài)是否影響對條碼的采集與識別?為什么條碼掃描與識別系統(tǒng)中用的CCD 也不能工作在飽和區(qū)?(3)焦距的調焦程度對條碼掃描與識別的影響如何?實驗四 圖像信息的點運算實驗一、實驗目的1.掌握圖像的點運算的基本方法2.學習圖像圖形處理技術的基礎處理方法幾何變換。3.學習用差影檢測運動
27、物體的運動距離。二、實驗原理1.圖像的點運算1)定義對于一幅輸入圖像,將產生一幅輸出圖像,輸出圖像的每個像素點的灰度值由輸入圖像的像素點決定。點運算由灰度變換函數(gray-scale transformation, GST)決定。 B(x, y) = f A(x, y) 2)點運算的種類(1) 灰度直方圖灰度直方圖是數字圖像處理技術中一個最簡單、最有用的工具,它描述了一幅圖像的灰度級內容。任何一幅圖像的直方圖都包括了可見的信息,某些類型的圖像還可用其直方圖進行描述。灰度直方圖是灰度的函數,它描述的是圖像中具有該灰度值的像素個數,其橫坐標表示像素的灰度級別,縱坐標是該灰度出現的頻率(像素個數)
28、??梢愿鶕唧w實驗觀察并分析典型圖像的直方圖。(2) 灰度的線性變換灰度的線性變換是點運算中最簡單的運算之一。在本實驗中包括圖像的反色和圖像的線性變換兩個小實驗。如圖1 所示的點運算菜單中的第一項設置了這兩項實驗內容,分別點擊便可以進行這兩個實驗。圖1 點運算功能菜單灰度的線性變換是將圖像中所有點的灰度按照線性灰度變換函數進行變換。該線性灰度變換函數為f (x),是一維的線性函數 f (x) = fA x + fB式中x 自變量為灰度值, fA 為線性函數的斜率,fB 為線性函數的截距,均為非定值常量。當fA1 時,輸出圖像的對比度將增大;當fA1 時,輸出圖像的對比度將減?。划攆A=1且fB
29、 0 時,變換僅使所有像素的灰度值上移或下移,其效果是使整個圖像更暗或更亮;如果fA0,暗區(qū)域將變亮,亮區(qū)域將變暗,點運算完成圖像求補運算。特殊情況下,當fA=1,fB =0 時,輸出圖像和輸入圖像相同;當fA=-1,fB=255 時,輸出圖像的灰度正好反轉。(3) 灰度的閾值變換灰度的閾值變換可以將一幅灰度圖像轉換成黑白二值圖像的變換。在本實驗中包括圖像二值化、窗口變換兩個小實驗,灰度的二值化變換是將一幅灰度圖像轉化成黑白二值圖像。具體操作過程是先由用戶設定一個閾值Tth,如果圖像中某像素單元的灰度值小于該閾值,則該像素單元的灰度值變換為0,否則,其灰度值為255。變換函數為:灰度的窗口變換
30、也是常見的點運算。它的操作和閾值變換類似。該變換過程是先設置窗口(L x U),x 值小于下限L 的像素單元的灰度值變換為0,大于上限U 的像素單元的灰度值變換為255,而處于窗口中的灰度值保持不變?;叶却翱谧儞Q函數為:(4) 灰度拉伸變換灰度拉伸變換與灰度的線性變換類似,都用到了灰度的線性變換。不同之處在于灰度拉伸變換并不是完全的線性變換,而是分段線性變換。它的變換函數為: (5) 灰度均衡變換灰度均衡變換有時也稱直方圖均衡變換,它能使輸入圖像轉換為在新圖像每一灰度級上都有相同的像素點數的輸出圖像?;叶染庾儞Q的原理式如下:式中a 為原圖像像素灰度值(0-255),經過灰度均衡運算a 的值變
31、為灰度均衡值A,N 為原圖像各灰度值對應的像元數量,H 為圖像的高度(單位是像元數),W 為圖像的寬度(單位是像元數)。例如原圖像像元灰度值為20 的像素點,經灰度均衡變換后,灰度變?yōu)椋航涍^灰度均衡后,圖像的對比度大大提高,轉換后圖像的灰度分布也趨于均勻。2.圖像的幾何變換圖像的幾何變換包括圖像的平移,旋轉,鏡像變換,轉置,縮放等。如果你熟悉矩陣運算,實現這些變換是非常容易的。)圖像的平移如圖2 所示平移變換坐標是幾何變換中最簡單的一種。初始坐標為(x0 , y0 )的點經過平移(tx,ty) (以向右,向下為正方向)后,坐標變?yōu)?(x1 , y1 )。這兩點之間的關系是x1 = x0 + t
32、 x ; y1 = y0 + t y,以矩陣的形式表示為: 圖2 平移變換坐標圖 它的逆變換為: 求出矩陣的逆矩陣的目的是驗證平移后的新圖像中每個像素的顏色。例如我們想知道,圖中左上角的點(0,0)在平移后的圖像中坐標的RGB 值是多少?很顯然,該點是原圖中的某一點經過平移后得到的,這兩點的顏色肯定是一樣的,所以只要知道了原圖那點的RGB 值即可。那么到底原圖中的左上角點對應新圖中的哪一點呢?將左上角點的坐標(0,0)代入公式(2),得到x0 =- t x ; y0 =- t y ;所以原圖中的(0,0)點對應新圖中(- t x ,- t y )點,它們的顏色是一樣的。這樣就存在一個問題:如果
33、新圖中有一點(x1 , y1 ),按照公式(6-2)得到的(x0 , y0 )不在原圖中該怎么辦?通常的做法是,把該點的RGB 值統(tǒng)一設成(0,0,0)或者(255,255,255)。)圖像的旋轉旋轉的一個問題就是以哪個地方為中心進行旋轉,通常的做法是以圖像的中心為圓心旋轉。例如,將如圖2 所示的原始圖像順時針旋轉30 度,所成的圖像如圖4 所示。由圖4 可以看出,旋轉后圖像所占的范圍變大了。另一種做法是不讓旋轉后的圖像范圍變大,就必須將轉出的部分裁剪掉,被剪后的圖像如圖5 所示,顯然丟失了一些信息。 圖3原始圖像 圖 4 旋轉30 度后的圖像 圖 5 被剪減的圖像如圖 6 所示,為圖像旋轉的
34、坐標系示意圖,點(x0 , y0 )經過旋轉 角后的坐標為 (x1, y1 )。圖6 圖像旋轉坐標系設旋轉前點(x0 , y0 )為旋轉后的坐標變?yōu)椋﹫D像的鏡像圖像的鏡像變換可分為兩種:水平鏡像與垂直鏡像。圖像的水平鏡像操作是將圖像左半部分和右半部分以圖像垂直中軸線為中心進行對換;圖像的垂直鏡像操作是將圖像上半部分和下半部分以圖像水平中軸線為中心進行對換。鏡像的變換矩陣很簡單,設原圖像的寬度為w,高度為h,變換后,圖的寬度和高度不變。水平鏡像變換如下式所示垂直鏡像變換如矩陣如下式所示)圖像的縮放假設放大因子為,(為了避免新圖過大或過小,我們在程序中限制0.25 4)縮放后的變換矩陣為:由于放大
35、圖像時產生了新的像素,另外浮點數的操作使得到的坐標可能并不是整數,這一點我們在介紹旋轉時就提到了,我們采用的做法是找與之最臨近的點。實際上,更精確的做法是采用插值,具體的算法請參看有關圖像處理的書籍。3.差影檢測所謂差影檢測法實際上是圖像的相減運算(又稱減影技術),是指把同一景物在不同時間拍攝的圖像或同一景物在不同波段拍攝的圖像相減的處理方法。差值圖像能突出圖像間的差異信息。常用于動態(tài)監(jiān)測、運動目標檢測運動物體的跟蹤、圖像背景消除及目標識別等工作。圖像進行加、減運算的數學表達式為:式中A(x,y)和B(x,y)為輸入圖像,而C(x,y)為輸出圖像。還可通過適當的組合,形成涉及幾幅圖像的復合代數
36、運算方程。圖像相加的重要應用是對同一場景的多幅圖像求平均值。它常被用來有效地降低隨機噪聲的影響。圖像相加也可以將一幅圖像的內容疊加到另一幅圖像上去,以達到二次曝光的效果。圖像相減可用于去除一幅圖像中不需要的圖案,如緩慢變化的背景陰影、周期性的噪聲或在圖像上每一像素處均已知的附加污染等。減法也可用于檢測同一場景的兩幅圖像之間的變化。例如,通過對某場景序列圖像的減運算,可檢測物體運動速度參數等。利用遙感圖像進行動態(tài)監(jiān)測時,用差值圖像可發(fā)現森林火災、洪水泛濫及監(jiān)測災情的變化,估計財產損失等;也能用以監(jiān)測河口、海岸的泥沙淤積及監(jiān)視江河、湖泊、海岸等的污染。利用差值圖像還能發(fā)現圖像上的云和陰影,鑒別出耕
37、作地及不同的作物覆蓋情況;利用同一地面上的物體在各波段的亮度差異,識別地面上的物體。利用減影技術消除圖像背景也有很明顯的效果。在臨床醫(yī)學上有很多重要的應用,如:在血管造影技術中腎動脈造影術對診斷腎臟疾病就有獨特效果。為了減少誤診,人們希望提供反映游離血管的清晰圖像。通常,在造影劑注入后,雖然能夠看出腎動脈血管的形狀及分布,但由于腎臟周圍血管受到脊椎及其他組織影像的重疊,難以得到理想的游離血管圖像。為此,人們攝制腎動脈造影前后兩幅圖像,相減,便能把脊椎及其他組織的影像剪掉,僅保留血管圖像。若再進行對比度增強及彩色增強等處理,就能得到更加清晰的游離血管圖像。類似的技術也可用于診斷印刷線路板及集成電
38、路掩模的缺陷。 圖像在作差影法運算時必須使兩個相減圖像的對應像點位于空間的同一目標點上。若不然,應先作幾何校正與配準處理。三、實驗儀器(1)帶有USB2.0 輸入端口的計算機(或GDS-光電綜合實驗平臺),推薦使用WIN2000 以上操作系統(tǒng),使用1024×768 分辨率,24 或32 位真彩顯示;(2) YHACCD型彩色面陣CCD 多功能實驗儀一臺。四、實驗步驟1圖像的點運算 用USB 連接線將YHACCD彩色面陣CCD 多功能實驗儀與計算機的USB2.0 接口連接起來; 打開計算機的電源開關,確定“面陣CCD 數字圖像處理實驗”程序是否已經安裝;若未安裝,請按廠家提供的安裝盤安
39、裝。若已安裝,可進行下面的操作; 檢查面陣CCD 攝像機的電源線與視頻線是否與實驗儀連接好。再打開實驗儀的電源開關; 確認視頻切換按鈕是否已經按下,切換指示燈點亮,說明已經將外置面陣CCD 攝像機的視頻信號接入視頻信號數據采集系統(tǒng); 將儀器提供的彩色樣品圖片安裝在“被測物夾持架”上,調整物像關系,使圖像盡量清晰; 點擊實時“采集”按鈕,進行圖像采集; 點擊“停止”按鈕,軟件界面中出現各數字圖像處理算法選項,在下拉菜單中選擇各種算法,進行數字圖像處理(只能處理256 色灰度圖像)。例如點擊“點運算”菜單中的“直方圖”選項,可對圖7進行直方變換,獲得直方圖圖8; 圖7 采集的原圖 圖8 直方圖 把鼠標移到采集圖像上,通過軟件左下方地址欄觀測鼠標位置像素點的灰度值,如圖9所示。這樣可以粗略驗證所觀察到的像素灰度值,看其分布情況與直方圖的結果是否一致; 圖9
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