CCD图像法测量原理

CCD图像法测量原理
4.4.1图象采集和测量的基本原理：
采用图像法也可以实现对物体的直径量进行测量，测量原理非常简单。

当被测物体拍摄到的图像如图4.5所示。

由于现代高分辨率的图像传感器是点阵结构的，我们可以直接根据被测直径的成像来作出判断。

测量的精度直接由CCD的像素决定。

图4.4 CCD图像法测直径
4.4.2 位移量的修正：
通过上述方法可以测量出移动物体的位移量。

但是这个位移量需要进行修正，因为物体移动的真实距离与图像法测量出的位移量之间还有光学透镜的影响。

也就是说物体的实际位移量ΔL=k·Δl，这里的常数k是光学透镜造成的像与成像之间的比例变换，详见右图。

利用高精度光学尺很容易测量出物体的实际位移量ΔL，这样就可以得出常数k。

这就是前面将提到的图像法测量的“测量精度的标定”。

从这里可以看出图像法测量的测量精度标定方法十分简单。

我们将这种标定方法称之为平面直线标定法。

另外平面直线标定法得出的k值是随被拍摄物体与光学透镜之间的距离变化而变化的。

只有保持标定时k
c
值与实际测
量时的k
m
值不变，图像法测量的测量精度的标定才有意义，测量结果才能真实
有效。

要保证k
c =k
m
的话，就必须保证标定时光学透镜与被拍摄物体表面之间的
距离d
c 等于实际测量时光学透镜与被测物体表面之间的距离d
m。

要做到这一点
并不困难，采用机械塞规的方法控制这个距离即可。

但是即使采用机械塞规的方法控制这个间隙的距离，实际工程中的机械安装总是存在误差的。

塞规方法造成
的间隙误差达到10微米量级并不困难，由此造成k的误差Δk正比于Δd
c
÷Dc。

其中Dc是透镜至距成像点的距离。

因为Dc>>Δd
c ，通常情况下Dc至少是Δd
c
的200倍量级。

所以Δk是非常小的。

由此造成的误差Δk也是很小的。

通过上述分析可以看出，图像法测量的平面直线标定法对测量精度标定方法是可行的；对于测量仪机械安装误差所引起的测量精度的改变来讲，赛规法也是可行的。

图4.4 光学透镜放大原理
通过上面的分析可以看出，采用点阵结构的图像传感器对物体的位移进行测量的话，影响测量精度的关键因素是图像传感器的分辨率。

目前市场上传感器的分辨率可以达到1600DPI（每英寸1600点）。

前面已经给出了它的精度为15.875微米。

近年来，高分辨率图像传感器技术发展很快，主要指标--分辨率在不断地提高。

相信不久就会有价格便宜、分辨率更高的传感器上市。

从这一点来看，图像法测量机械位移的精度还能随着传感器分辨率的不断提高而提高。

我们也可以通过采用激光改进来测量直径，测量原理如图4.6、4.7。

图4.6 激光改进后测直径原理图
图4.7 激光改进后测直径结构图
这种改进后，有现成的检测系统可以实现，有优点是检测系统集成化，直接显示；缺点是不能进行在线检测，检测直径太小，价格昂贵。

4.5 引入CMOS图像传感器的改进思路
CMOS图像传感器与CCD相比，由于能将时序处理电路和图像信号的前端放大与数字化部分集成于一个芯片内，因此，他的发展一直受到业界的高度重视。

现在，随着技术与工艺的发展，CMOS图像传感器不仅在噪声上得到了有效改善，而且分辨率也已得到了明显提高。

一般的彩色CMOS 图像传感器都能达到几十万象素，好的CMOS图像传感器甚至能达到300万象素以上。

因此，CMOS图像传感器将以其低廉的价格、实用的图像质量、高集成度和相对较少的功耗，在视频监控、多媒体领域得到更加广泛的应用。

4.5.1 0V7648的基本结构
OV7648是美国OmniVision公司开发的CMOS彩色图像传感器芯片，该芯片将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模／数混合输出等功能，该芯片运用专有的传感器技术，能够消除普通的光电干扰，例如噪声、灯光闪烁等，输出清晰、稳定的彩色图像。

其性能特点有：
(1)单芯片1／4尺寸。

(2)2．5V操作电压。

(3)I'C控制，标准SCCB接口。

(4)开窗功能，局部图像输出。

(5)视频信号输出：RGB／RawRGB／YUV／YCbCr。

(6)自动曝光控制／自动白平衡／自动增益控制／自动亮度控制。

(7)图像质量控制，包括颜色饱和度、锐度、伽马校正等。

图4.8是OV7648的基本结构图。

图4.8 OV7648的基本结构图
图像象素阵列 OV7648具有640X480的象素阵列大小，即307 200象素。

还有12列、6行可供选择。

时序发生器控制以下功能：象素阵列控制和帧产生(VAG，QVGA输出)；内部时钟信号产生和分配；帧率时序；自动曝光控制；外部时序(垂直同步信号VSYNC，水平参考信号HREF和象素时钟PCLK)输出以便外部电路读取图像。

模拟信号处理模块自动增益控制；自动白平衡；图像质量(颜色饱和度、锐度、色调、伽马等)控制。

A／D转换经过模拟处理模块后，数据通过多路转换开关分两路进行A ／D转换，转换速率为12MHz，与象素速率完全同步。

输出格式控制发送图像前，控制输出数据格式。

数字视频端口增加驱动电流和调节负荷。

SCCB接口 OV7648的寄存器和许多功能通过
SCCB高速串行接口(SIOC，SIOD)进行操作，包括曝光控制、白平衡、增益、饱和度等。

4.5.2 0V7648的编程功能
OV7648具有丰富的编程控制功能，其图像帧频、曝光时间、增益控制、伽马校正等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置。

芯片内共有128个寄存器，其中82个厂家保留，5个只读，包括产品ID、制造商ID等，余下的41个由用户根据需要通过SCCB接口设置，是可读写的。

由于寄存器的数目多，下面对这41个寄存器做简要介绍。

地址号为oo的寄存器为增益控制，如果AGC(自动增益控制)允许，内部控制电路将最佳增益存储在该寄存器中。

如果AGC禁止，寄存器存储缺省值00。

地址号为01，02，05的寄存器为白平衡控制，分别存储白平衡控制的当前蓝通道、红通道设置值和蓝／红通道前端放大增益设置值。

地址号为7E，7F，80的寄存器为曝光控制，分别对应Y／G，R／V，B ／U通道。

地址号为24的寄存器是AGC／AEC稳态操作的上限，缺省值是10；地址号为25的寄存器是AGC／AEC稳态操作的下限，缺省值是8A。

地址号为03，04的寄存器控制图像格式。

地址号为11，lB，2B，72，?3的寄存器控制数据格式，可对象素、帧率等进行设置。

地址号为06的寄存器进行亮度设置。

地址号为10的寄存器控制曝光值。

地址号为17，18，19，lA，1F，2A的寄存器控制输出格式，包括水平帧率、垂直帧率、RGB格式等。

地址号为6C，6D，6E的寄存器补偿R，G，B通道的色度亮度干扰。

地址号为12，13等14个寄存器为杂项控制寄存器，负责设置伽马校正、图像象素、白平衡、曝光、背景光补偿、图像锐化等功能。

4.5.3 数字图像的输出
OV7648的数据输出格式是Bayer原始数据输出格式。

其一般格式为：奇数扫描行RGRG……
偶数扫描行GBGB……
根据人眼对彩色的响应带宽不高的大面积着色特点，每个象素没有必要同时输出3种颜色。

因此，数据采样时，奇数扫描行的第1，2，3，4，…象素分别采样和输出R，G，R，G，…数据；偶数扫描行的第1，2，3，4，…象素分别采样和输出G，B，G，B，…数据。

在实际处理时，每个象素的R，G，B信号由象素本身输出的某一种颜色信号和相邻象素输出的其他颜色信号构成。

这种采样方式在基本不降低图像质量的同时，可以将采样频率降低60％以上。

图4.8是OV7648的RGB565的输出时序图。

图4.8 OV7648的RGB565的输出时序图
图4.8中：
为像素时钟（PCLK）周期；
t
PCLK
为PCLK下降沿到视频数据输出有效；
t
PDV
为Y[7：0]调整时间；
t
SU
为Y[7：0]保持时间；
t
HD
为PCLK下降沿到HREF上升沿；
t
PHH
为PCLK下降沿到HREF下降沿。

t
PHL
由于CMOS光传感单元对3种颜色的响应灵敏度是完全不同的，而且是非线性的，与亮度、增益及本身的材料相关。

因此图像传感器的原始数据要进行颜色校正与补偿。

不同厂家的产品补偿曲线不同，因此要设计不同的补偿算法。

OV7648不仅输出R，G，B的原始数据格式，而且在芯片内已经集成了颜色补偿算法，可以输出符合CCIR601标准的YUV和YCbCr的视频输出格式。

4.5.4 基于OV7648图像采集系统
OV7648图像传感器得到众多后端DSP商家的支持，如EPSON，CORELOGIC，ADI，ATI，AIC，SUNPLUS，WINBOND，ASANA，TI，EMBRAGE，APHAMOSIA，HITACHI，TOSHIBA等。

有了这些著名公司的支持，不仅可以实现LCD的驱动、JPEG图像的压缩和解码，甚至可以完成MPEG4图像。

现以OmniVision公司生产的后端DSP--OV528为例说明OV7648
的应用，其原理框图如图4.9所示。

图4.8 OV7648 在DSP--OV528中的应用
图4.9中的PWDN是功耗模式选择，低电平时为正常模式，高电平时为低功耗模式。

PCLK，HREF，VSYNC分别为点频和行场同步输出信号线。

OV528通过SCCB接口对OV7648进行PC控制，包括对比度、亮度、饱和度、白平衡及自动曝光、同步信号位置及极性输出、帧速率和数据输出格式控制等。

EZPROM选用24C64。

OV528是OmniVision公司生产的一款单片低功耗、小体积、高性能的DSP，主要用于PDA、移动电话的图像处理系统中，OV528通过摄像头接口从传感器OV7648中获取输入视频数据，并能保证数据传输的实时性，使用者在上位机(PC，PDA，移动电话等)上发出拍摄指令后，系统捕获一帧静态图像送人OV528进行数据处理，完成颜色校正、JPEG压缩和解码等，然后把数据送到SRAM储存或直接通过接口传输到上位机，OV528支持的接口有两种：一种是RS232，波特率范围在9．6-920kb／s之间，常用的波特率设置值是115．2kb／s，230．4kb
／s和460．8kb／s；另一种是SPI，可以获得更高的传输速率，达到2-4Mb ／s。

该系统由于省略了A／D等器件，因而具有结构简单、体积小、功耗低等优点。

同时，由于OV7648内部嵌入曝光、增益、开窗等控制电路，并且编程方便，这就提高了采集系统在功能上的灵活性。

本系统适合于监控、多媒体等应用范围。