光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(2013新)

1、實(shí)驗(yàn)一 面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?用面陣CCD攝像頭與圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際物體外形尺寸是CCD最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域，在尺寸測(cè)量應(yīng)用中存在著許多實(shí)際問題。如何將這些實(shí)際問題分解成一個(gè)個(gè)的分立問題是學(xué)習(xí)和掌握該方法的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)幾何圖形代替實(shí)際被測(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的點(diǎn)、線、面的測(cè)量過程掌握應(yīng)用面陣CCD進(jìn)行尺寸測(cè)量的基本方法； 通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的點(diǎn)、線、面的測(cè)量過程掌握應(yīng)用面陣CCD進(jìn)行尺寸測(cè)量，掌握測(cè)量范圍、精度和測(cè)量時(shí)間等問題。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容復(fù)習(xí)矩形、圓、三角形等典型幾何圖形的點(diǎn)、線、面的基本計(jì)算公式。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備 帶

2、有USB2.0輸入端口的計(jì)算機(jī)； MXY6001彩色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、開機(jī)過程 將被測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)圖片實(shí)心圓安裝在“被測(cè)物夾持架”上，將USB接口線正確連接到計(jì)算機(jī)上； 將外置面陣CCD攝像機(jī)的鏡頭蓋打開； 打開實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)； 將視頻切換按鈕按下，切換指示燈點(diǎn)亮表明采集外置CCD攝像機(jī)的圖像信號(hào)； 運(yùn)行“面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)”程序； 點(diǎn)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(diào)整CCD攝像頭與測(cè)量圖片的相對(duì)位置使計(jì)算機(jī)顯示的圖像盡量清晰，在圖像上移動(dòng)鼠標(biāo)，則軟件右上方的“鼠標(biāo)當(dāng)前位置及灰度”區(qū)域的文本框?qū)@示圖像當(dāng)前位置點(diǎn)及灰度值。圖1.1

3、尺寸測(cè)量界面2、關(guān)于點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量單擊“停止”按鈕，然后在圖像上移動(dòng)鼠標(biāo)，觀察實(shí)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(shí)心圓灰度之間，稍大于實(shí)心圓的灰度值），并設(shè)置待測(cè)的行和列，點(diǎn)擊如圖1.1所示的 “計(jì)算”按鈕，將在“測(cè)量結(jié)果”區(qū)域顯示計(jì)算的水平尺寸（待測(cè)行的尺寸）和垂直尺寸（待測(cè)列的尺寸）。3、比例系數(shù)的計(jì)算 如果已知圓的直徑和對(duì)應(yīng)的像元個(gè)數(shù)，那么就可以在“比例系數(shù)”區(qū)域的兩個(gè)文本框輸入對(duì)應(yīng)的值，然后點(diǎn)擊“計(jì)算”比例系數(shù)，就可以計(jì)算當(dāng)前物像關(guān)系下的比例系數(shù)，然后再單擊“計(jì)算”尺寸按鈕就可以計(jì)算出被測(cè)物的實(shí)際尺寸。顯然，若光學(xué)系統(tǒng)存在畸變，就要對(duì)不同視場(chǎng)分別進(jìn)行標(biāo)定或進(jìn)行更高

4、精度的圖像數(shù)據(jù)處理工作。7、關(guān)機(jī)與結(jié)束 保存采集的圖像； 退出實(shí)驗(yàn)軟件，將計(jì)算機(jī)關(guān)掉； 關(guān)掉實(shí)驗(yàn)儀的電源； 蓋好鏡頭蓋； 將被測(cè)圖片，其他工具放回原處。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，理解面陣CCD 尺寸測(cè)量的原理。實(shí)驗(yàn)二 利用線陣CCD 進(jìn)行物體外形尺寸的測(cè)量一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)掌握利用線陣 CCD 進(jìn)行非接觸測(cè)量物體尺寸的基本原理和方法，用實(shí)例探討影響測(cè)量范圍、測(cè)量精度的主要因素，為今后設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 利用線陣 CCD 進(jìn)行非接觸測(cè)量物體尺寸的基本原理線陣 CCD 的輸出信號(hào)包含了CCD 各個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，使它在物體 寸和位置檢測(cè)中顯示出十分

5、重要的應(yīng)用價(jià)值。CCD 輸出信號(hào)的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動(dòng)（振動(dòng)）等的測(cè)量。如圖2-1 所示為測(cè)量物體外形尺寸（例如棒材的直徑D）的原理圖。將被測(cè)物體A 置于成像物鏡的物方視場(chǎng)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(dāng)被均勻照的被測(cè)物體A 通過成像物鏡成像到CCD 的像敏面上時(shí)，被測(cè)物體像黑白分明的光強(qiáng)分布使得相應(yīng)像敏單元上存儲(chǔ)載荷了被測(cè)物尺寸信息的電荷包，通過CCD及其驅(qū)動(dòng)器將載有 尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換為如圖2-1 右側(cè)所示的時(shí)序電壓信號(hào)（輸出波形）。根據(jù)輸出波形，可以測(cè)得物體A 在像方的尺寸D ，再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，找出光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍

6、率，便可以用下面公式計(jì)算出物體A 的實(shí)際尺寸DD = D / （2-1）顯然，只要求出D ，就不難測(cè)出物體A 的實(shí)際尺寸D。線陣CCD 的輸出信號(hào)UO 隨光強(qiáng)的變化關(guān)系為線形的，因此，可用UO 模擬光強(qiáng)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(cè)出來是簡(jiǎn)單快捷的方法。有了物體邊界信息便可以進(jìn)行上述測(cè)量工作。2. 二值化處理方法圖2-2 所示為典型CCD 輸出信號(hào)與二值化處理的時(shí)序圖。圖中FC 信號(hào)為行同步脈沖，F(xiàn)C 的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD的第一個(gè)有效像元輸出信號(hào)，其下降沿為整個(gè)輸出周期的結(jié)束。UG 為綠色組分光的輸出信號(hào)，它為經(jīng)過反相放大后的輸出電壓信號(hào)。為了提取圖2

7、-2 所示UG 的信號(hào)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(hào)UG，而反相輸入端接到由電位器R2 的動(dòng)端，產(chǎn)生的可調(diào)的閾值電平，可以通調(diào)節(jié)電位器對(duì)閾值電平進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)成固定閾值二值化電路。經(jīng)固定閾值二值化電路輸出的信號(hào)波形被定義為TH，它為方波脈沖。再進(jìn)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(cè)物體在CCD 像面上所成圖像占據(jù)的像元數(shù)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(hào)，L0 為CCD 像敏單元

8、的尺寸。因此，物體的外徑D 應(yīng)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(qū)動(dòng)器輸出的采樣脈沖SP，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)為（N2N1），鎖存器鎖存的數(shù)為（N2N1），將其差值送入（N2N1）LED 數(shù)碼顯示器，則顯示出（N2N1）值。同樣，該系統(tǒng)適用于檢測(cè)物體的位置和它的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)圖2-1 中物體A 在物面沿著光軸做垂直方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)光強(qiáng)分布的變化，同樣可以計(jì)算出物體A 的中心位置和它的運(yùn)動(dòng)速度、震動(dòng)（振動(dòng)）等。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備1、LCCDAD-型線陣CCD 應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)；2、裝有 VC+軟

9、件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC 計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一臺(tái)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 建立非接觸測(cè)量物體外形尺寸的基本結(jié)構(gòu)；（2） 觀測(cè)二值化處理過程中CCD 的輸出信號(hào)；（3） 在進(jìn)行二值化閾值電平調(diào)整的過程中，觀察閾值電平的調(diào)整對(duì)測(cè)量值的影響；（4） 進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)放大倍率的標(biāo)定；（5） 進(jìn)行非接觸測(cè)量被物體外形尺寸的測(cè)量；（6） 通過改變有關(guān)參數(shù)，觀察對(duì)測(cè)量值的影響，分析影響物體尺寸測(cè)量的主要因素。 2實(shí)驗(yàn)步驟（一）、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(1) 將示波器地線與實(shí)驗(yàn)儀上的地線連接良好，并確認(rèn)示波器的電源和多功能實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)滾筒軸

10、上的禁錮螺釘，將旋轉(zhuǎn)滾筒拿下來，然后將被測(cè)干件插入安裝位置上；(3) 打開實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，并進(jìn)入物體尺寸測(cè)量軟件，將在屏幕上彈出如圖2-5 所示的測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)進(jìn)行察看而設(shè)，“保存” 菜單為將所測(cè)量的數(shù)據(jù)保存到指定文件夾而設(shè)定。點(diǎn)擊“連續(xù)”菜單，便執(zhí)行連續(xù)采集CCD的輸出信號(hào)；“單次”是只采集一行信號(hào)便顯示在界面上；“數(shù)據(jù)”與“曲線”菜單分別是以數(shù)據(jù)還是以曲線波形方式顯示所采得的數(shù)據(jù)信號(hào)；“0ms”為曲線波形在計(jì)算機(jī)界面上停留顯示的最短時(shí)間，但是它不可能為“零”，它與計(jì)算機(jī)的特性有關(guān)。點(diǎn)擊菜單上的下拉箭頭可以選擇更長(zhǎng)的顯示時(shí)間

11、?！胺e分時(shí)間”和“驅(qū)動(dòng)頻率”等也都可以通過下拉箭頭進(jìn)行選擇。（二）、標(biāo)定光學(xué)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(cè)量實(shí)驗(yàn)” 軟件，彈出測(cè)量尺寸軟件界面；同時(shí)遠(yuǎn)心照明光源被點(diǎn)亮；（2）在尺寸軟件界面上選中“連續(xù)掃描”菜單，計(jì)算機(jī)顯示器出現(xiàn)含有被測(cè)“試件”外徑尺寸信息的波形如圖2-6 所示；（3） 在測(cè)量界面上設(shè)置驅(qū)動(dòng)頻率或積分時(shí)間，使輸出信號(hào)的幅度在適宜觀測(cè)的程度，但是，一定不要使CCD 工作到飽和狀態(tài)；（4）調(diào)整物鏡的焦距使如圖2-6 所示輸出信號(hào)曲線的斜率盡量陡；圖2-6 尺寸測(cè)量軟件界面（5） 停止采集后，進(jìn)入到光學(xué)放大倍率的測(cè)量與設(shè)定軟件界面，并

12、按界面底部用文字提示的步驟進(jìn)行操作；（6） 先選定閾值方式設(shè)定，如圖2-7 所示選定閾值數(shù)為“128”，再設(shè)置積分時(shí)間為合適值，如圖2-7 中設(shè)定了積分時(shí)間為“6”檔，驅(qū)動(dòng)頻率選為“0”檔；觀察曲線達(dá)到滿意程度后，再執(zhí)行“下一步”，按界面下方的提示進(jìn)行操作，觀察測(cè)出的數(shù)據(jù)；圖2-7 光學(xué)放大倍率測(cè)量與設(shè)置軟件界面（7） 在軟件界面的提示下進(jìn)行操作，將用卡尺或千分尺測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)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(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率并顯示在界面上；再點(diǎn)擊“下一步”，出現(xiàn)如圖2-9 所示的界面，點(diǎn)擊“完成”，便將測(cè)得的放大倍率存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，為本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量工作

13、使用；圖2-8 光學(xué)放大倍率測(cè)量過程軟件界面圖2-9 放大倍率計(jì)算最終完成界面（8） 也可以用最原始的數(shù)據(jù)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)放大倍率，當(dāng)調(diào)整好光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距后，停止采集，選擇“數(shù)據(jù)結(jié)果”菜單，察看線陣CCD 所有單元的數(shù)據(jù)，觀察相鄰兩個(gè)像元數(shù)據(jù)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(fù)上述過程，進(jìn)行多次測(cè)量后，再將測(cè)量值代入下式，便可以獲得光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率。（三）、非接觸測(cè)量物體的外形尺寸（1） 保持上述設(shè)置不變，取下測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)放大倍率標(biāo)準(zhǔn)件，裝上其他尺寸的被

14、測(cè)件，蓋上蓋。連續(xù)記下10 組數(shù)據(jù)，填入表2-2，計(jì)算出被測(cè)件的實(shí)際尺寸。改變積分實(shí)間和二值化閾值電平繼續(xù)測(cè)量物體尺寸，觀察、分析測(cè)量條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為此先調(diào)出二值化實(shí)驗(yàn)軟件（2） 將閾值電平的二進(jìn)制數(shù)值設(shè)為98，測(cè)量出物體直徑的一組相關(guān)數(shù)據(jù)，填入表2-2，計(jì)算出被測(cè)桿件的直徑D。（3） 再調(diào)整閾值至127，測(cè)量一組數(shù)據(jù)，填入表2-2，計(jì)算出被測(cè)桿件的直徑，觀察閾值電平改變前、后被測(cè)桿件直徑值的變化。（4） 若調(diào)整閾值調(diào)至150，再測(cè)量一組數(shù)據(jù)，計(jì)算出被測(cè)桿件的直徑，觀察閾值電平改變前、后被測(cè)桿件直徑值的變化。（5） 改變積分時(shí)間后，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察CCD 輸出信號(hào)波形的變化，同時(shí)紀(jì)

15、錄測(cè)量值的變化。（6） 當(dāng)線陣CCD 開始出現(xiàn)飽和狀態(tài)后，再觀測(cè)被測(cè)物尺寸的變化情況，進(jìn)入深度飽和后測(cè)量結(jié)果有何變化？3結(jié)束與關(guān)機(jī)上述實(shí)驗(yàn)完成，并達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，便可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。（1） 將軟件程序退出，再關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（2） 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電源；（3） 將總電源關(guān)閉；（4） 將實(shí)驗(yàn)儀器及其用具收拾好，工具放到指定位置；（5） 將所做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師審查，合格后方可離開實(shí)驗(yàn)室。 五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，解釋為何兩種閾值下測(cè)量結(jié)果有差異，造成這種差異的原因有幾點(diǎn)。2、積分時(shí)間的變化是否對(duì)測(cè)量值有影響？在什么時(shí)候會(huì)有影響？為什么進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)必須使CCD 脫離飽和區(qū)？實(shí)驗(yàn)三 條形碼的測(cè)

16、量與識(shí)別實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳虉?chǎng)與超市收銀臺(tái)處很容易看到收銀員利用條碼掃描儀器直接對(duì)商品上的條形碼進(jìn)行掃描獲得商品的名稱、型號(hào)與單價(jià)，然后收銀機(jī)將打出所掃商品的單價(jià)或總價(jià)。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是認(rèn)識(shí)條碼掃描儀的基本原理，學(xué)習(xí)線陣CCD 在收銀機(jī)、商品流通與庫(kù)管等方面的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理首先對(duì)條形碼圖形應(yīng)有較為深刻的認(rèn)識(shí)，然后在對(duì)條形碼信息的數(shù)據(jù)采集問題進(jìn)行研究。當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)不去研究如何編排條形碼的信息，而是如何用線陣CCD 數(shù)據(jù)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(cè)出來。(1) 通用商品條形碼的基本結(jié)構(gòu)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(kù)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(guó)商品流通中的典型條形碼條碼，一般由13 位數(shù)字組成，用來標(biāo)明商品的國(guó)別、產(chǎn)地、制造廠商代碼、商品代碼和校驗(yàn)碼等信息如圖3-1所示，例如00-09 代表美國(guó)、加拿大，4549 代表日本，690-692 代表中國(guó)大陸，471 代表我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，489 代表香港特區(qū)。EAN 商品條形碼分為EAN13（標(biāo)準(zhǔn)版）和EAN8（縮短版）兩種。由13 位數(shù)字碼或8 位數(shù)字碼以及于之相對(duì)應(yīng)的條碼組成。數(shù)字為識(shí)別者直接用人眼讀出，而條碼為機(jī)器視覺準(zhǔn)備。條碼下方的數(shù)字和上方的條碼是對(duì)應(yīng)的，計(jì)算機(jī)識(shí)別數(shù)字是困難

18、的而識(shí)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(shù)字信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)。這些黑白條稱為數(shù)據(jù)符，對(duì)應(yīng)最后幾位數(shù)字的黑白條稱為校驗(yàn)符。利用黑白條能夠識(shí)別出商品的各種信息。如圖3-1 所示的標(biāo)準(zhǔn)版的條碼具體結(jié)構(gòu)為：從左向右看去，空白后由2個(gè)細(xì)長(zhǎng)黑條開始（起始符）、左側(cè)數(shù)據(jù)符、中間分隔符（2 個(gè)細(xì)長(zhǎng)黑條）、右側(cè)數(shù)據(jù)符、校驗(yàn)符、終止符（2 個(gè)細(xì)長(zhǎng)黑條）和右側(cè)空白區(qū)等部分構(gòu)成。前綴碼的首位（數(shù)字）上方?jīng)]有條碼，其他數(shù)字上方均有條碼。條中黑的單元稱為條（有粗細(xì)之分），白的單元稱為空，也有粗有細(xì)。條表示11111；空表示00000。條空的粗細(xì)由不同數(shù)目的模塊組成。粗細(xì)分為四檔，以起始

19、碼條的寬度為一個(gè)單位，細(xì)條代表“1”，四個(gè)單位寬度為“1111”，同樣，空的寬度代表“0”的個(gè)數(shù)。左邊的兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)條、中間兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)條的和右邊的兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)條（起始符、分隔符與終止符）均具有數(shù)字意義，起始符與終止符均為101，占3 個(gè)模塊，而分隔符代表01010 占5 個(gè)模塊。數(shù)據(jù)符與校驗(yàn)符均由7 個(gè)模塊組成，其“二進(jìn)制”數(shù)如表3-1 表示。我國(guó)的前置碼是6，由國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)規(guī)定左側(cè)的數(shù)據(jù)組合應(yīng)為ABBBAA。右側(cè)數(shù)據(jù)符與校驗(yàn)符都用C 組的二進(jìn)制代表數(shù)字。標(biāo)準(zhǔn)版的前置碼不用條碼表示，不包括在左側(cè)數(shù)據(jù)符內(nèi)。而縮短版的前置碼要用條碼表示，包括在左側(cè)數(shù)據(jù)符內(nèi)，并且左側(cè)數(shù)據(jù)符均為A 組表示，右側(cè)數(shù)據(jù)符及校驗(yàn)

20、符用C組。(2) 數(shù)字與條碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系根據(jù)我國(guó)前置碼 6，中間分隔符左側(cè)的數(shù)據(jù)符組合應(yīng)為ABBBAA，中間分隔符右側(cè)數(shù)據(jù)符及校驗(yàn)符應(yīng)為C 組。例如：A 組數(shù)字為3，B 組數(shù)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(duì)應(yīng)的標(biāo)示應(yīng)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(cè)物，它被 LED 或LD 光源照亮，被照亮的信息條形碼經(jīng)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(shí)序信號(hào)，經(jīng)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(hào)，盡管它的橫軸是時(shí)間軸，但是，也是像元序號(hào)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(yīng)商品的信息碼，知道商品的類型、編號(hào)、產(chǎn)地等，再通過預(yù)先編制的軟件或數(shù)據(jù)庫(kù)將各類商品的質(zhì)量、數(shù)量、存放地、單價(jià)、物流量與利潤(rùn)等多種信息編制出來，完成多種實(shí)用功能。這便是條碼掃描儀的基本原理。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備（1） LCCDAD-型線陣CCD 應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)；（2） 裝有VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC 計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一臺(tái)；四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1、實(shí)驗(yàn)預(yù)備（1） 首先將實(shí)驗(yàn)儀的USB 數(shù)據(jù)端口與計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的USB端口用專用USB 數(shù)據(jù)線纜連接好并合上實(shí)驗(yàn)儀的主電源開關(guān)。（2） 打

22、開計(jì)算機(jī)電源，完成系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入下一步操作。（3） 確認(rèn)已經(jīng)正確安裝實(shí)驗(yàn)軟件。否則，請(qǐng)安裝實(shí)驗(yàn)軟件。（4） 準(zhǔn)備工作完成后關(guān)掉實(shí)驗(yàn)儀的電源，等待改變實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。2、實(shí)驗(yàn)裝置的搭建將 LCCDAD-型線陣CCD 應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)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(gòu)成條碼掃描儀的基本結(jié)構(gòu)。3、開機(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)上打開實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)，執(zhí)行條碼掃描實(shí)驗(yàn)軟件，彈出如圖3-6 所示的實(shí)驗(yàn)軟件主界面，在主界面的提示下進(jìn)行條形碼的測(cè)量與識(shí)別實(shí)驗(yàn).（1）條碼掃描在如圖

23、3-6 所示的條碼掃描實(shí)驗(yàn)軟件主界面上點(diǎn)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(jìn)入飽和區(qū)的信號(hào)或幅度太低無法讀出的現(xiàn)象，若有前述問題，先通過調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)、積分時(shí)間或驅(qū)動(dòng)頻率的方法使輸出幅度恰好滿足要求。再執(zhí)行“觀測(cè)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(xiàn)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(shí)間函數(shù)又是條碼信息的空間分布，經(jīng)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(cè)量采集的條碼寬度，并以最左側(cè)的一組黑白條的寬度為條與空的基準(zhǔn)寬度，然后根據(jù)編碼規(guī)則便可以將商品的信息代碼識(shí)別出來，顯示在軟件界面條碼

24、值對(duì)話框中。（2）讀出條碼信息內(nèi)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(shù)字符所示，在如圖3-6 所示的條碼掃描實(shí)驗(yàn)軟件主界面上點(diǎn)擊“連續(xù)”菜單，界面下方“條碼值”對(duì)話框內(nèi)將條碼的數(shù)值顯示出來；觀察計(jì)算機(jī)軟件讀出的數(shù)值是否與條碼下方標(biāo)明的數(shù)值相符；若有錯(cuò)誤，分析錯(cuò)誤原因。（3）找尋影響條碼識(shí)別的主要因素做完上述試驗(yàn)后可以進(jìn)行找尋影響條碼識(shí)別主要因素的實(shí)驗(yàn)，先調(diào)整成像物鏡的調(diào)焦環(huán)，使像面離開理想像面，CCD 輸出信號(hào)的波形變壞，觀察條碼識(shí)別情況，逐漸加劇直到影響識(shí)別位置；調(diào)焦環(huán)恢復(fù)正常后，再調(diào)整光圈，重復(fù)上述采集實(shí)驗(yàn)觀察識(shí)別情況，獲得光學(xué)參數(shù)的變化對(duì)識(shí)別的影響情

25、況?；謴?fù)正常識(shí)別后再進(jìn)行CCD 參數(shù)調(diào)整對(duì)識(shí)別的影響實(shí)驗(yàn)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，觀察識(shí)別情況。（4）掃描與識(shí)別其他條碼實(shí)驗(yàn)如圖3-8 所示，為國(guó)內(nèi)圖書的標(biāo)準(zhǔn)條形碼中的一種，為國(guó)家級(jí)“十一五”規(guī)劃教材“光電傳感器應(yīng)用技術(shù)”的條形碼。將“光電傳感器應(yīng)用技術(shù)”教材的條形碼安裝到如圖3-5 所示的安裝位置上進(jìn)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(shù)字或代碼，與觀察圖3-8所示條碼下方的數(shù)字是否一致。一致說明判讀正確，否則錯(cuò)誤。分析錯(cuò)誤發(fā)生的原因，然后對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，先調(diào)整調(diào)焦環(huán)，每調(diào)整一次都要進(jìn)行讀條碼實(shí)驗(yàn)，然后再進(jìn)行光圈的調(diào)整，

26、同樣也每調(diào)一次進(jìn)行測(cè)量判讀一次，經(jīng)5 次獲得正確讀碼和2 次獲得錯(cuò)誤讀碼后才能算完成此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。4、關(guān)機(jī)結(jié)束（1）先退出實(shí)驗(yàn)程序，再關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電源；（2）關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（3）關(guān)掉總電源；（4）整理好所有的實(shí)驗(yàn)器材與工具。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)（1）寫出條碼測(cè)量實(shí)驗(yàn)的總結(jié)報(bào)告。（2）試找出影響條碼識(shí)別的主要因素，說明CCD 的工作狀態(tài)是否影響對(duì)條碼的采集與識(shí)別？為什么條碼掃描與識(shí)別系統(tǒng)中用的CCD 也不能工作在飽和區(qū)？（3）焦距的調(diào)焦程度對(duì)條碼掃描與識(shí)別的影響如何？實(shí)驗(yàn)四 圖像信息的點(diǎn)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握?qǐng)D像的點(diǎn)運(yùn)算的基本方法2.學(xué)習(xí)圖像圖形處理技術(shù)的基礎(chǔ)處理方法幾何變換。3.學(xué)習(xí)用差影檢測(cè)運(yùn)動(dòng)

27、物體的運(yùn)動(dòng)距離。二、實(shí)驗(yàn)原理1.圖像的點(diǎn)運(yùn)算1）定義對(duì)于一幅輸入圖像，將產(chǎn)生一幅輸出圖像，輸出圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值由輸入圖像的像素點(diǎn)決定。點(diǎn)運(yùn)算由灰度變換函數(shù)（gray-scale transformation, GST）決定。 B(x, y) = f A(x, y) 2）點(diǎn)運(yùn)算的種類(1) 灰度直方圖灰度直方圖是數(shù)字圖像處理技術(shù)中一個(gè)最簡(jiǎn)單、最有用的工具，它描述了一幅圖像的灰度級(jí)內(nèi)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(jìn)行描述。灰度直方圖是灰度的函數(shù)，它描述的是圖像中具有該灰度值的像素個(gè)數(shù)，其橫坐標(biāo)表示像素的灰度級(jí)別，縱坐標(biāo)是該灰度出現(xiàn)的頻率（像素個(gè)數(shù)）

28、。可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)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(diǎn)運(yùn)算中最簡(jiǎn)單的運(yùn)算之一。在本實(shí)驗(yàn)中包括圖像的反色和圖像的線性變換兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)。如圖1 所示的點(diǎn)運(yùn)算菜單中的第一項(xiàng)設(shè)置了這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分別點(diǎn)擊便可以進(jìn)行這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。圖1 點(diǎn)運(yùn)算功能菜單灰度的線性變換是將圖像中所有點(diǎn)的灰度按照線性灰度變換函數(shù)進(jìn)行變換。該線性灰度變換函數(shù)為f (x)，是一維的線性函數(shù) f (x) = fA x + fB式中x 自變量為灰度值， fA 為線性函數(shù)的斜率，fB 為線性函數(shù)的截距，均為非定值常量。當(dāng)fA1 時(shí)，輸出圖像的對(duì)比度將增大；當(dāng)fA1 時(shí)，輸出圖像的對(duì)比度將減??；當(dāng)fA=1且fB

29、 0 時(shí)，變換僅使所有像素的灰度值上移或下移，其效果是使整個(gè)圖像更暗或更亮；如果fA0，暗區(qū)域?qū)⒆兞?，亮區(qū)域?qū)⒆儼担c(diǎn)運(yùn)算完成圖像求補(bǔ)運(yùn)算。特殊情況下，當(dāng)fA=1，fB =0 時(shí)，輸出圖像和輸入圖像相同；當(dāng)fA=-1，fB=255 時(shí)，輸出圖像的灰度正好反轉(zhuǎn)。(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(zhuǎn)換成黑白二值圖像的變換。在本實(shí)驗(yàn)中包括圖像二值化、窗口變換兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)，灰度的二值化變換是將一幅灰度圖像轉(zhuǎn)化成黑白二值圖像。具體操作過程是先由用戶設(shè)定一個(gè)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(shù)為：灰度的窗口變換

30、也是常見的點(diǎn)運(yùn)算。它的操作和閾值變換類似。該變換過程是先設(shè)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。灰度窗口變換函數(shù)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(shù)為： (5) 灰度均衡變換灰度均衡變換有時(shí)也稱直方圖均衡變換，它能使輸入圖像轉(zhuǎn)換為在新圖像每一灰度級(jí)上都有相同的像素點(diǎn)數(shù)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(jīng)過灰度均衡運(yùn)算a 的值變

31、為灰度均衡值A(chǔ)，N 為原圖像各灰度值對(duì)應(yīng)的像元數(shù)量，H 為圖像的高度（單位是像元數(shù)），W 為圖像的寬度（單位是像元數(shù)）。例如原圖像像元灰度值為20 的像素點(diǎn)，經(jīng)灰度均衡變換后，灰度變?yōu)椋航?jīng)過灰度均衡后，圖像的對(duì)比度大大提高，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，鏡像變換，轉(zhuǎn)置，縮放等。如果你熟悉矩陣運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)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(biāo)是幾何變換中最簡(jiǎn)單的一種。初始坐標(biāo)為(x0 , y0 )的點(diǎn)經(jīng)過平移(tx,ty) (以向右，向下為正方向)后，坐標(biāo)變?yōu)?(x1 , y1 )。這兩點(diǎn)之間的關(guān)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(biāo)圖 它的逆變換為： 求出矩陣的逆矩陣的目的是驗(yàn)證平移后的新圖像中每個(gè)像素的顏色。例如我們想知道，圖中左上角的點(diǎn)（0,0）在平移后的圖像中坐標(biāo)的RGB 值是多少？很顯然，該點(diǎn)是原圖中的某一點(diǎn)經(jīng)過平移后得到的，這兩點(diǎn)的顏色肯定是一樣的，所以只要知道了原圖那點(diǎn)的RGB 值即可。那么到底原圖中的左上角點(diǎn)對(duì)應(yīng)新圖中的哪一點(diǎn)呢？將左上角點(diǎn)的坐標(biāo)（0,0）代入公式(2)，得到x0 =- t x ； y0 =- t y ；所以原圖中的(0,0)點(diǎn)對(duì)應(yīng)新圖中（- t x ,- t y ）點(diǎn)，它們的顏色是一樣的。這樣就存在一個(gè)問題：如果

33、新圖中有一點(diǎn)（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(diǎn)的RGB 值統(tǒng)一設(shè)成(0,0,0)或者(255,255,255)。）圖像的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)問題就是以哪個(gè)地方為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通常的做法是以圖像的中心為圓心旋轉(zhuǎn)。例如，將如圖2 所示的原始圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30 度，所成的圖像如圖4 所示。由圖4 可以看出，旋轉(zhuǎn)后圖像所占的范圍變大了。另一種做法是不讓旋轉(zhuǎn)后的圖像范圍變大，就必須將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)30 度后的圖像 圖 5 被剪減的圖像如圖 6 所示，為圖像旋轉(zhuǎn)的

34、坐標(biāo)系示意圖，點(diǎn)(x0 , y0 )經(jīng)過旋轉(zhuǎn) 角后的坐標(biāo)為 (x1, y1 )。圖6 圖像旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)旋轉(zhuǎn)前點(diǎn)(x0 , y0 )為旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)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(jìn)行對(duì)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(jìn)行對(duì)換。鏡像的變換矩陣很簡(jiǎn)單，設(shè)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(shè)放大因子為，（為了避免新圖過大或過小，我們?cè)诔绦蛑邢拗?.25 4）縮放后的變換矩陣為：由于放大

35、圖像時(shí)產(chǎn)生了新的像素，另外浮點(diǎn)數(shù)的操作使得到的坐標(biāo)可能并不是整數(shù)，這一點(diǎn)我們?cè)诮榻B旋轉(zhuǎn)時(shí)就提到了，我們采用的做法是找與之最臨近的點(diǎn)。實(shí)際上，更精確的做法是采用插值，具體的算法請(qǐng)參看有關(guān)圖像處理的書籍。3.差影檢測(cè)所謂差影檢測(cè)法實(shí)際上是圖像的相減運(yùn)算(又稱減影技術(shù))，是指把同一景物在不同時(shí)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤、圖像背景消除及目標(biāo)識(shí)別等工作。圖像進(jìn)行加、減運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)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(dāng)?shù)慕M合，形成涉及幾幅圖像的復(fù)合代數(shù)

36、運(yùn)算方程。圖像相加的重要應(yīng)用是對(duì)同一場(chǎng)景的多幅圖像求平均值。它常被用來有效地降低隨機(jī)噪聲的影響。圖像相加也可以將一幅圖像的內(nèi)容疊加到另一幅圖像上去，以達(dá)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(cè)同一場(chǎng)景的兩幅圖像之間的變化。例如，通過對(duì)某場(chǎng)景序列圖像的減運(yùn)算，可檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)等。利用遙感圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，用差值圖像可發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)、洪水泛濫及監(jiān)測(cè)災(zāi)情的變化，估計(jì)財(cái)產(chǎn)損失等；也能用以監(jiān)測(cè)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(xiàn)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(shí)別地面上的物體。利用減影技術(shù)消除圖像背景也有很明顯的效果。在臨床醫(yī)學(xué)上有很多重要的應(yīng)用，如：在血管造影技術(shù)中腎動(dòng)脈造影術(shù)對(duì)診斷腎臟疾病就有獨(dú)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)及彩色增強(qiáng)等處理，就能得到更加清晰的游離血管圖像。類似的技術(shù)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(yùn)算時(shí)必須使兩個(gè)相減圖像的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)位于空間的同一目標(biāo)點(diǎn)上。若不然，應(yīng)先作幾何校正與配準(zhǔn)處理。三、實(shí)驗(yàn)儀器(1)帶有USB2.0 輸入端口的計(jì)算機(jī)（或GDS-光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），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(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1圖像的點(diǎn)運(yùn)算 用USB 連接線將YHACCD彩色面陣CCD 多功能實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)的USB2.0 接口連接起來； 打開計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，確定“面陣CCD 數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)”程序是否已經(jīng)安裝；若未安裝，請(qǐng)按廠家提供的安裝盤安

39、裝。若已安裝，可進(jìn)行下面的操作； 檢查面陣CCD 攝像機(jī)的電源線與視頻線是否與實(shí)驗(yàn)儀連接好。再打開實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)； 確認(rèn)視頻切換按鈕是否已經(jīng)按下，切換指示燈點(diǎn)亮，說明已經(jīng)將外置面陣CCD 攝像機(jī)的視頻信號(hào)接入視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 將儀器提供的彩色樣品圖片安裝在“被測(cè)物夾持架”上，調(diào)整物像關(guān)系，使圖像盡量清晰； 點(diǎn)擊實(shí)時(shí)“采集”按鈕，進(jìn)行圖像采集； 點(diǎn)擊“停止”按鈕，軟件界面中出現(xiàn)各數(shù)字圖像處理算法選項(xiàng)，在下拉菜單中選擇各種算法，進(jìn)行數(shù)字圖像處理（只能處理256 色灰度圖像）。例如點(diǎn)擊“點(diǎn)運(yùn)算”菜單中的“直方圖”選項(xiàng)，可對(duì)圖7進(jìn)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(biāo)移到采集圖像上，通過軟件左下方地址欄觀測(cè)鼠標(biāo)位置像素點(diǎn)的灰度值，如圖9所示。這樣可以粗略驗(yàn)證所觀察到的像素灰度值，看其分布情況與直方圖的結(jié)果是否一致； 圖9