光电检测技术实验指导书新综述.docx

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光电检测技术实验指导书新综述

实验一面阵CCD尺寸测量实验

一、实验目的

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是CCD最广泛应用的领域，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。

本实验采用标准几何图形代替实际被测物，可以将一些不必要的问题排除在外，突出主要问题；

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；

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。

二、实验准备内容

复习矩形、圆、三角形等典型几何图形的点、线、面的基本计算公式。

三、实验所需仪器设备

带有USB2.0输入端口的计算机；

MXY6001彩色面阵CCD多功能实验仪一台。

四、实验内容及步骤

1、开机过程

将被测的标准图片实心圆安装在“被测物夹持架”上，将USB接口线正确连接到计算机上；

将外置面阵CCD摄像机的镜头盖打开；

打开实验仪的电源开关；

将视频切换按钮按下，切换指示灯点亮表明采集外置CCD摄像机的图像信号；

运行“面阵CCD尺寸测量实验”程序；

点击“连续”按钮，将显示外置摄像头所采集到的图像，如图1.1，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，在图像上移动鼠标，则软件右上方的“鼠标当前位置及灰度”区域的文本框将显示图像当前位置点及灰度值。

图1.1尺寸测量界面

2、关于点数据的测量

单击“停止”按钮，然后在图像上移动鼠标，观察实心圆的灰度值和背景灰度值，选择合适的阈值（介于背景灰度和实心圆灰度之间，稍大于实心圆的灰度值），并设置待测的行和列，点击如图1.1所示的“计算”按钮，将在“测量结果”区域显示计算的水平尺寸（待测行的尺寸）和垂直尺寸（待测列的尺寸）。

3、比例系数的计算

如果已知圆的直径和对应的像元个数，那么就可以在“比例系数”区域的两个文本框输入对应的值，然后点击“计算”比例系数，就可以计算当前物像关系下的比例系数，然后再单击“计算”尺寸按钮就可以计算出被测物的实际尺寸。

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。

7、关机与结束

保存采集的图像；

退出实验软件，将计算机关掉；

关掉实验仪的电源；

盖好镜头盖；

将被测图片，其他工具放回原处。

五、实验总结

写出实验总结报告，理解面阵CCD尺寸测量的原理。

实验二利用线阵CCD进行物体外形尺寸的测量

一、实验目的

通过本实验掌握利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。

二、实验原理

1.利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理

线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，

使它在物体寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。

CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等

的测量。

如图2-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。

将被测物体

A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置

上。

当被均匀照的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，被测物体像黑

白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过CCD

及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图2-1右侧所示的时序电压信号（输出波

形）。

根据输出波形，可以测得物体A在像方的尺寸D′，再根据成像物镜的物像关系，

找出光学成像系统的放大倍率β，便可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D

D=D′/β（2-1）

显然，只要求出D′，就不难测出物体A的实际尺寸D。

线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线形的，因此，可用UO模拟光强分布。

采用二值化处理方法将物体边界信息（图2-1中的N1与N2）检测出来是简单快捷的方法。

有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。

2.二值化处理方法

图2-2所示为典型CCD输出信号与二值化处理的时序图。

图中FC信号为行同步脉冲，FC的上升沿对应于CCD的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。

UG为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。

为了提取图2-2所示UG的信号所表征的边缘信息，采用如图2-3所示的固定阈值二值化处理电路。

该电路中，电压比较器LM393的正输入端CCD的输出信号UG，而反相输入端接到由电位器R2的动端，产生的可调的阈值电平，可以通调节电位器对阈值电平进行设置，构成固定阈值二值化电路。

经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为TH，它为方波脉冲。

再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。

N1与N2的差值即为被测物体在CCD像面上所成图像占据的像元数目。

物体A在像方的尺寸D′为

D′=（N2−N1）L0（2-2）

式中，N1与N2为边界位置的像元序号，L0为CCD像敏单元的尺寸。

因此，物体的外径D应为

D=（N2−N1）L0/β（2-3）

3.二值化处理电路原理方框图

二值化处理原理图如图2-4所示，若与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2－N1），锁存器锁存的数为（N2－N1），将其差值送入（N2－N1）LED数码显示器，则显示出（N2－N1）值。

同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图2-1中物体A在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。

三、实验所需仪器设备

1、LCCDAD-Ⅱ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-Ⅱ型光电综合实验平台一台。

四、实验内容及步骤

1．实验内容

（1）建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构；

（2）观测二值化处理过程中CCD的输出信号；

（3）在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响；

（4）进行光学系统放大倍率的标定；

（5）进行非接触测量被物体外形尺寸的测量；

（6）通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因素。

2．实验步骤

（一）、实验准备

（1）将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上；

（2）打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，然后将被测干件插入安装位置上；

（3）打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹

出如图2-5所示的测量实验软件界面；

图2-5所示界面中“打开”菜单为打开原来保存的数据进行察看而设，“保存”菜单

为将所测量的数据保存到指定文件夹而设定。

点击“连续”菜单，便执行连续采集CCD

的输出信号；“单次”是只采集一行信号便显示在界面上；“数据”与“曲线”菜单分别是

以数据还是以曲线波形方式显示所采得的数据信号；“0ms”为曲线波形在计算机界面上

停留显示的最短时间，但是它不可能为“零”，它与计算机的特性有关。

点击菜单上的下

拉箭头可以选择更长的显示时间。

“积分时间”和“驱动频率”等也都可以通过下拉箭头进行选择。

（二）、标定光学成像系统放大倍率β

（1）将直径为5mm的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验”软件，弹出测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；

（2）在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件”

外径尺寸信息的波形如图2-6所示；

（3）在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度，但是，一定不要使CCD工作到饱和状态；

（4）调整物镜的焦距使如图2-6所示输出信号曲线的斜率尽量陡；

图2-6尺寸测量软件界面

（5）停止采集后，进入到光学放大倍率的测量与设定软件界面，并按界面底部用文字提示的步骤进行操作；

（6）先选定阈值方式设定，如图2-7所示选定阈值数为“128”，再设置积分时间为合

适值，如图2-7中设定了积分时间为“6”档，驱动频率选为“0”档；观察曲线达到满意程度后，再执行“下一步”，按界面下方的提示进行操作，观察测出的数据；

图2-7光学放大倍率测量与设置软件界面

（7）在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入

到如图2-8所示的“已知值”中，再执行“下一步”，便计算出光学系统的放大倍率β并显示在界面上；再点击“下一步”，出现如图2-9所示的界面，点击“完成”，便将测得的放大倍率存入计算机内存，为本实验的测量工作使用；

图2-8光学放大倍率测量过程软件界面

图2-9放大倍率计算最终完成界面

（8）也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距后，停止采集，选择“数据结果”菜单，察看线阵CCD所有单元的数据，观察相邻两个像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为“N1”，将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为“N2”，将所观察到的N1与N2值填入表2-1，重复上述过程，进行多次测量后，再将测量值代入下式，便可以获得光学系统的横向放大倍率β。

（三）、非接触测量物体的外形尺寸

（1）保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件，

盖上盖。

连续记下10组数据，填入表2-2，计算出被测件的实际尺寸。

改变积分实间和二值化阈值电平继续测量物体尺寸，观察、分析测量条件对测量结果

的影响，为此先调出二值化实验软件

（2）将阈值电平的二进制数值设为98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表2-2，

计算出被测杆件的直径D。

（3）再调整阈值至127，测量一组数据，填入表2-2，计算出被测杆件的直径，观察

阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。

（4）若调整阈值调至150，再测量一组数据，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平

改变前、后被测杆件直径值的变化。

（5）改变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，同时纪录

测量值的变化。

（6）当线阵CCD开始出现饱和状态后，再观测被测物尺寸的变化情况，进入深度饱

和后测量结果有何变化？

3．结束与关机

上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。

（1）将软件程序退出，再关闭计算机系统；

（2）关闭实验仪的电源；

（3）将总电源关闭；

（4）将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；

（5）将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。

五、实验总结

1、写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。

2、积分时间的变化是否对测量值有影响？

在什么时候会有影响？

为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？

实验三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、实验原理

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。

（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3-1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3-1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。

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3-1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3-1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3-3所示的条码表示。

将如图3-1所示的条码用模块表示则对应的标示应为如表3-2所示。

（3）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3-4（a）所示的一维时序信号，

经二值化处理电路后输出如图3-4（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。

三、实验所需仪器设备

（1）LCCDAD-Ⅱ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-Ⅱ型光电综合实验平台

一台；

四、实验内容及步骤

1、实验预备

（1）首先将实验仪的USB数据端口与计算机或GDS-Ⅱ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、实验装置的搭建

将LCCDAD-Ⅱ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，用反射照明方式照亮信息条，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。

3、开机实验

先将贴好被扫条形码的样片插入到如图3-5所示的位置上，再实验上打开实验仪的电

源开关，执行条码扫描实验软件，弹出如图3-6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.

（1）条码扫描

在如图3-6所示的条码扫描实验软件主界面上点击“扫描”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“观测条码”菜单，显示器上将显示出如图3-7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3-1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。

（2）读出条码信息内容

先将如图3-1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3-6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）扫描与识别其他条码实验

如图3-8所示，为国内图书的标准条形码中的一种，为国家级“十一五”规划教材“光

电传感器应用技术”的条形码。

将“光电传感器应用技术”教材的条形码安装到如图3-5所示的安装位置上进行扫描，观察采样出的条码图像是否与图3-8相似，再利用如表3-2所示的判读规则分析它的条码，读出它所表示的数字或代码，与观察图3-8所示条码下方的数字是否一致。

一致说明判读正确，否则错误。

分析错误发生的原因，然后对光学系统进行调整，先调整调焦环，每调整一次都要进行读条码实验，然后再进行光圈的调整，同样也每调一次进行

测量判读一次，经5次获得正确读码和2次获得错误读码后才能算完成此项实验。

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）焦距的调焦程度对条码扫描与识别的影响如何？

实验四图像信息的点运算实验

一、实验目的

1.掌握图像的点运算的基本方法

2.学习图像图形处理技术的基础处理方法——几何变换。

3.学习用差影检测运动物体的运动距离。

二、实验原理

1.图像的点运算

1）定义

对于一幅输入图像，将产生一幅输出图像，输出图像的每个像素点的灰度值由输入图像的像素点决定。

点运算由灰度变换函数（gray-scaletransformation,GST）决定。

B（x,y）=f[A（x,y）]

2）点运算的种类

（1）灰度直方图

灰度直方图是数字图像处理技术中一个最简单、最有用的工具，它描述了一幅图像的灰度级内容。

任何一幅图像的直方图都包括了可见的信息，某些类型的图像还可用其直方图进行描述。

灰度直方图是灰度的函数，它描述的是图像中具有该灰度值的像素个数，其横坐标表示像素的灰度级别，纵坐标是该灰度出现的频率（像素个数）。

可以根据具体实验观察并分析典型图像的直方图。

（2）灰度的线性变换

灰度的线性变换是点运算中最简单的运算之一。

在本实验中包括图像的反色和图像的

线性变换两个小实验。

如图1所示的点运算菜单中的第一项设置了这两项实验内容，分

别点击便可以进行这两个实验。

图1点运算功能菜单

灰度的线性变换是将图像中所有点的灰度按照线性灰度变换函数进行变换。

该线性灰度变换函数为f（x），是一维的线性函数

f（x）=fA⋅x+fB

式中x自变量为灰度值，fA为线性函数的斜率，fB为线性函数的截距，均为非定值常量。

当fA＞1时，输出图像的对比度将增大；当fA＜1时，输出图像的对比度将减小；当fA=1且fB≠0时，变换仅使所有像素的灰度值上移或下移，其效果是使整个图像更暗或更亮；如果fA＜0，暗区域将变亮，亮区域将变暗，点运算完成图像求补运算。

特殊情况下，当fA=1，fB=0时，输出图像和输入图像相同；当fA=-1，fB=255时，输出图像的灰度正好反转。

（3）灰度的阈值变换

灰度的阈值变换可以将一幅灰度图像转换成黑白二值图像的变换。

在本实验中包括图像二值化、窗口变换两个小实验，灰度的二值化变换是将一幅灰度图像转化成黑白二值图像。

具体操作过程是先由用户设定一个阈值Tth，如果图像中某像素单元的灰度值小于该阈值，则该像素单元的灰度值变换为0，否则，其灰度值为255。

变换函数为：

灰度的窗口变换也是常见的点运算。

它的操作和阈值变换类似。

该变换过程是先设置窗口（L≤x≤U），x值小于下限L的像素单元的灰度值变换为0，大于上限U的像素单元的灰度值变换为255，而处于窗口中的灰度值保持不变。

灰度窗口变换函数为：

（4）灰度拉伸变换

灰度拉伸变换与灰度的线性变换类似，都用到了灰度的线性变换。

不同之处在于灰度

拉伸变换并不是完全的线性变换，而是分段线性变换。

它的变换函数为：

（5）灰度均衡变换

灰度均衡变换有时也称直方图均衡变换，它能使输入图像转换为在新图像每一灰度级上都有相同的像素点数的输出图像。

灰度均衡变换的原理式如下：

式中a为原图像像素灰度值（0-255），经过灰度均衡运算a的值变为灰度均衡值A，N为原图像各灰度值对应的像元数量，H为图像的高度（单位是像元数），W为图像的宽度（单位是像元数）。

例如原图像像元灰度值为20的像素点，经灰度均衡变换后，灰度变为：

经过灰度均衡后，图像的对比度大大提高，转换后图像的灰度分布也趋于均匀。

2.图像的几何变换

图像的几何变换包括图像的平移，旋转，镜像变换，转置，缩放等。

如果你熟悉矩阵运算，实现这些变换是非常容易的。

１）图像的平移

如图2所示平移变换坐标是几何变换中最简单的

一种。

初始坐标为（x0,y0）的点经过平移（tx,ty）

（以向右，向下为正方向）后，坐标变为（x1,y1）。

这两点之间的关系是x1=x0+tx;y1=y0+ty，

以矩阵的形式表示