面阵CCD在双轴自准直仪中的应用
面阵CCD调制传递函数测试仪器研究
* 基金项目：国家自然科学基金（ 61307114 ） 项目
第 10 期
面阵 CCD 调制传递函数测试仪器研究
·1101·
CCD 是一种离散采样成像器件，它不满足光 学传递函数 （ optical transfer function，OTF ） 理论中 的线性空间不变假设。W． Wittenstein 等人首先对 处于线性工作范围内离散采样成像系统的等晕定 ［ 3］ 义进行扩展 ，从而扫清了将 MTF 用于 CCD 成像 质量评价的理论障碍。在此基础上， 国内外科研人 员对 CCD 探测器 MTF 的测试方法进行了大量理 ［ 47］ 。 宋敏、 论与实验研究 胡家升等人对激光散斑 测量面阵 CCD 调制传递函数的方法进行改进， 降 低了重复测量偏差， 还建立了基于干涉条纹获得余 ［ 89］ 。 Kenneth J． 弦函数进行 MTF 测试的试验装置 Barnard 等人采用激光散斑法对中波红外波段面阵 CCD 的 MTF 进行测试， 并提出控制激光稳定性以 ［ 10］ 提高 MTF 测试重复性的方法 。 张晓琳等对刀 口法测量 X 射线 CCD 调制传递函数的数据处理算 法进 行 改 进， 降 低 了 MTF 测 量 曲 线 的 均 方 误 ［ 11］ 差 。Alfred D． Ducharme 等人提出利用“X ” 形 光栏测 试 面 阵 CCD 在 Nyquist 频 域 处 MTF 的 方 ［ 12］ 法 。而对于大 多 数 航 天 遥 感 器 所 采 用 的 线 阵 TDICCD， Bruce M． Lambert 等报道了测量其 MTF ［ 13］ 的方法与试验装置 。 Horst Schwarzer 介绍了测 ［ 14］ 量 TDICCD 动态调制传递函数的测试方法 ， 杨 永明等对影响 TDICCD 调制传递函数重复测试精 ［ 15］ 度的的因素进行了分析 。 上述研究工作多关注 MTF 的理论分析与测试 ［ 1617］ ， 原理验证， 探讨了很多提高测试精度的方法 而对可应用于工程测试的 CCD 调制传递函数精密 测试仪器的研究少有报道。为此， 论文首先比较了 目前用于 CCD 调制传递函数测试的主要方法， 随 后分析影响仪器重复测试精度的主要因素， 并基于 统计平均的思想提出改进的方波对比度 MTF 测试 算法与目标图案。 在仪器仿真设计部分提出了具 体的解决方案， 介绍了 MTF 测试仪器光学、 机械及 数据处理系统的设计方案。对面阵 CCD 调制传递 函数的测试结果表明， 与现有设备相比初位置平均 调制传递函数评价方法可获得较高的重复精度。
面阵CCD实验指导手册
⑥ 所有与 CCD 相关的实验设备都应在实验前进行检查，确定均连接好后方可 开机上电，未连接好的情况下不能开机实验；
⑦ 当发生意外事故或者实验过程中出现异常现象时，应当立即切断实验设备 的电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。
2008 年 4 月
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目
录
实验规则及注意事项 ............................................................................................................................1 实验一 面阵CCD原理及驱动实验 ......................................................................................................1 实验二 面阵CCD的数据采集与计算机接口.......................................................................................4 实验三 面阵CCD尺寸测量实验 ..........................................................................................................8 实验四 面阵CCD用于颜色识别 ........................................................................................................12 实验五 图像信息的点运算实验 ......................................................................................................15 实验六 图像的几何变换实验 ..........................................................................................................19 实验七 图像的增强与清晰处理实验...............................................................................................24 实验八 图像的边缘检测与轮廓信息处理实验...............................................................................31 实验九 典型图像分析方法实验 ......................................................................................................36 实验十 面阵CCD图像采集程序设计.................................................................................................41 实验十一 面阵CCD实物扫描及实物投影系统.................................................................................42
实验六 面阵 CCD数据采集与图像显示实验
光电成像器件实验报告实验题目实验六面阵CCD数据采集与图像显示实验日期2016.6.29姓名杨智超组别双2班级13光电子班学号134090340【实验目的】1、了解面阵CCD输出的复合视频信号进行A/D数据采集的原理和方法；2、学习面阵CCD图像采集软件的基本操作并掌握面阵CCD图像数据的读写操作和利用文本文件分析图像性质的方法。
【实验器材】光电技术创新综合实验平台一台面阵CCD模块一台带宽50MHz以上双踪迹同步示波器一台连接导线若干【实验原理】如图1所示为面阵CCD输出视频信号通过数据采集卡与计算机接口的基本原理方框图。
图1图中的信号源一般为面阵CCD摄像机输出的全电视信号，也可以为录像机输出的视频信号。
该信号进入图像卡后分为两路，一路经同步分离器分出行、场同步信号送给鉴相器，使之与卡内的时序发生器产生行、场同步信号保持同相位关系，并通过控制电路使卡上的各单元按视频信号的行、场电视制式的要求同步工作。
另一路视频信号经过预处理电路，将视频的灰度信号由峰值为1的标准电视信号放大到A/D转换器所需要的幅度，并调整好白电平和对比度。
预处理电路输出的信号送A/D转换器转换成数字信号。
时序控制器将数字信号存于帧存储器。
同时，卡上设置了为模拟监视器提供的全电视信号输出单元。
它由查找表、D/A转换器和同步合成电路构成。
查找表在计算机接口电路的控制下，将A/D转换器输出的数字图像中的相同灰度值的地址放到指定的空间。
这些数据经D/A转换成模拟电压值，使D/A转换器的输出在查找表指定行列点的灰度，便可以快速地还原图像于监视器上。
在软件的作用下，图像卡可以方便地对数字图像进行存储、检测和加、减等各种运算处理。
各模块功能如下：1、视频信号预处理电路视频信号预处理电路具有视频信号放大、对比度和亮度调节、输出幅度同步钳位等多种功能。
一般通过多级视频放大后送到A/D转换电路。
2、模数转换电路将视频信号由模拟量转换成数字信号，以便后续处理。
LN2000系列CCD垂线,引张线,双管标光电式坐标仪使用使用说明
LN2000系列光电式(CCD) 垂线、引张线、双管标遥测坐标仪使用说明书西安联能自动化工程有限责任公司目录一、概述 (1)二、产品型号 (1)三、仪器构造及原理 (1)四、主要技术指标 (3)五、率定及观测数据处理 (4)六、安装方法 (5)七、程控命令 (9)八、采集设备及测试软件(选购件) (9)九、仪器的验收、检验与保管 (9)十、注意事项及常见故障及处理 (10)十一、装箱单 (11)一、概述LN2000系列光电式LN2002A垂线遥测坐标仪(CCD)、LN2003B引张线遥测坐标仪(CCD)、LN2006S(CCD)遥测双管金属标仪是西安联能公司采用国际最先进技术开发的新产品。
该仪器是利用光电耦合器件CCD作为位移的检测单元，由于CCD的输出为直接数字信号，故没有感应式坐标仪的“零飘”问题。
仪器结构简单，仅由平行光照明系统、光电耦合器件电路、电源、机架等部分组成，没有任何可动元件，被测垂线钢丝上无须附着任何感应物，不影响垂线自由变化，真正的非接触测量。
属最新一代的垂线、引张线坐标仪。
二、产品型号LN2002A 垂线遥测坐标仪(CCD)LN2003B 引张线遥测坐标仪(CCD)LN2006S 遥测双管金属标仪(CCD)三、仪器构造及原理1.仪器的构造LN2000系列光电式(CCD)仪器由光源筒、凸透镜、CCD电路板（及保护盒）、通讯控制电路板、RS485接口线、坐标仪底板、坐标仪外壳、220V 电源线、信号线等构成。
2、LN2000系列CCD坐标仪方向示意图（箭头表示测值增大的方向）该系列CCD坐标仪由LN2002A垂线遥测坐标仪（CCD）、LN2003B 引张线遥测坐标仪（CCD）、LN2006S遥测双管金属标仪（CCD）组成，单向仪器仅去掉一个方向设备即可，其它不变。
（1）LN2002A垂线遥测坐标仪（2）LN2003B引张线遥测坐标仪（3）LN2006S遥测双管金属标仪说明：LN2006S遥测双管金属标仪“人工观测”功能附件为用户选购件。
CCD激光自准直旋转靶标轴系跳动测量系统
2006年第20卷第5期测试技术学报V ol.20 N o.5 2006 (总第59期)JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY(Sum N o.59)文章编号:1671-7449(2006)05-407-05CCD激光自准直旋转靶标轴系跳动测量系统张东梅1,2,尚春民1,乔彦峰2(1.长春理工大学机电工程学院,吉林长春130022; 2.中国科学院研究生院,北京100039)摘 要: 在检测光电测量设备的跟踪和测量精度时,动态旋转靶标能够给出空间角度的真值,而靶标轴系的跳动是影响靶标测量精度的重要因素.本文提出用CCD激光自准直非接触测量系统测量动态靶标轴系跳动的新方法.用面阵CCD采集靶标轴系跳动的视频信号,计算机对视频信号进行处理得到脱靶量数据,由此即可算出靶标轴系跳动量.实验结果表明:当靶标旋转轴以10°/s速度旋转时,方位最大跳动量为4.80″,高低最大跳动量为3.98″,靶标轴系的旋转精度能够满足要求.关键词: CCD;激光自准直系统;动态靶标;跳动量;误差;图像处理中图分类号: T N386.5 文献标识码:ACCD Laser Collimation Measuring System for the RotaryAxis Excursion of Dynamic TargetZHANG Dongm ei1,2,SHANG Chunmin1,QIAO Yanfeng2(1.Schoo l o f M echanical&Electr onical Engineer ing,Chang chun U niv ersity o f Science and T echno log y,Changchun130022,China; 2.Gr aduat e Scho ol of the Chinese A cademy of Sciences,Beijing100039,China)Abstract: A new m ethod is proposed for measuring the ex cursion o f rotary ax is of dynamic target by using a kind of CCD laser collim ation non-contact m easur em ent system.The video sig nal of a tar get's rotary ax is excursion is g athered by the area CCD.T he data of under shooting quantity is o btained by pr ocessing the video signal in computer,and then the excursion quantity of rotary ax is of dy nam ic tar get can be calculated.The ex perimental results show that the maxim um azim uth excursion o f the ro tary axis of dy nam ic target is4.80″and the m aximum altitude excur sion is3.98″w hen the targ et w o rks at the speed of10°/s.The ro tary precision of the targ et can meet the needs.Key words:CCD;laser collim ation system;dynam ic targ et;excur sion0 引 言动态旋转靶标是一种在室内检测光电跟踪测量设备的装置,利用该装置可以模拟一个空间运动目 收稿日期:2005-10-22 作者简介:张东梅(1972-),女,讲师,博士生,主要从事光学检测技术与系统的研究.标,供光电跟踪测量设备如光电经纬仪、红外跟踪测量系统、电视跟踪测量仪等进行跟踪和性能检测[1].从功能上看,可编程动态靶标可以单独作为跟踪靶标使用,此时不需要对其在某一时刻的空间角度提出特定要求,但是作为高精度测量靶标使用时,需要准确地确定在任意时刻靶标的空间角度,因此必须保证靶标旋转精度[2,3].本文采用一种CCD 激光自准直非接触式测量系统来测量旋转靶标的轴系跳动量,并找出旋转时的跳动规律.1 系统组成及工作原理为了准确地获得旋转靶标轴系跳动的数据,设计了一套高精度CCD 激光自准直非接触测量系统,如图1所示,系统主要包括发射光学系统和CCD 接收系统两部分,发射光学系统主要由安装在靶标旋图1 测量系统组成Fig .1 S tr ucture of th e measu rign system转轴上的平面反射镜、物镜系统、发光系统和目视系统组成,发射光学系统提供CCD 摄像系统及光束光轴指向的方位角,光源提供可见光波段的准直光源;CCD 接收系统主要由面阵CCD 相机和计算机处理系统组成,利用CCD 相机摄取返程光束;利用计算机来实时采集并处理图像,进行光电测角,求出返程光束与光轴的夹角.系统工作原理[4,5]如图1所示,在光源发射系统中,光源发出的光经聚光镜和前组物镜组成的准直光学系统形成平行光射出,照在平面反射镜上返回,若平面反射镜与光轴垂直,则平行光按原路返回,经前组物镜及成像负透镜在CCD 靶面上成像,以此作为原点,代表光束自准直后的像点位置.在进行CCD 激光自准直的同时,通过目镜可以在分划板上看到光像点,可同时进行光学目视自准直.当平面反射镜与光轴不垂直,假设夹角为 ,则返程光线与光轴有2 夹角,成像在CCD 靶面上,其光点中心距原点距离为2 x f ′(f ′是CCD 成像物镜焦距),通过CCD 像元计数,可以求出这一距离,进而解出 角.2 视频图像处理跳动量成像在测量系统的面阵CCD 上,图像采集卡接收探测器的视频信号,经滤波,A /D 转换成数字信号,传送到计算机,如图2所示,通过计算机编程对图像数据进行二值化处理,得到实时测量的数据,即得出x ,y 方向上的脱靶量,并将结果记录下来.在判读过程中采用的是质心判读法,质心判读法是一种自动判读方式,质心即目标可视部分图像灰度分布重心.根据物理学重心的定义,设一幅M ×N 的图像,目标图像在点(x ,y )的灰度值f (x ,y ),其质心为x -0=∑N -1x =0x ∑M -1y =0f (x ,y )∑N -1x =0∑M -1y =0f (x ,y )y -0=∑N -1x =0y ∑M -1y =0f (x ,y )∑N -1x =0∑M -1y =0f (x ,y ).(1)408测试技术学报2006年第5期则脱靶量为 x =x 0-x -0 y =y 0-y -0,(2)式中:(x 0,y 0)为靶面中心坐标;(x -0,y -0)为质心点坐标;( x , y )分别为x 和y 方向的脱靶量.视频判读原理如图3所示,以CCD 靶面中心位置为原点建立直角坐标系,设A 点为目标的像点,它偏离坐标原点的量称为脱靶量,记为( x , y ),则轴系跳动量可表示为1=180 × x ×b 1/(2f ),2=180× y ×b 2/(2f ),(3)式中: x 为x 方向脱靶量(像元个数); y 为y 方向脱靶量(像元个数); 1为方位变形量(°); 2为高低变形量(°);f 为CCD 成像物镜焦距(m m );b 1,b 2为x 方向和y 方向像元间距(m m ).把得到的脱靶量数据代入式(3)进行处理,可实时动态地测量出轴系跳动量 1和 2[6].图2 光斑的视频图像Fig .2 Video image of the b right spot 图3 视频判读原理Fig .3 Principle of the video r ead为了满足测量系统实时性的要求,视频判读系统中图像采集和处理采用并行方式,即图像采集和处理是分别进行的,视频图像的处理采用滞后一帧的处理方法:首先将第一幅图像数字化并存储到帧存中,从第二时间T 开始,当第二幅图像数字化并存储到帧存中时,系统已完成对第一幅图像的处理;依次进行下去,即可完成实时处理,每次处理的图像滞后一帧.3 测量误差分析非接触测量系统的精度由光机系统精度和电子学系统精度两部分组成.光机系统精度主要指机械件加工、光学件加工及装配等精度,电子学系统精度主要指CCD 精度和判读精度等.机械加工和光学调整等各项误差对测量系统的精度影响很小,所以本文只探讨CCD 的测量误差对测量精度的影响.1)CCD 的几何尺寸造成的测量误差1=!″4 l f,式中: l =0.0086mm 为CCD 像元尺寸;!″为弧度转化为角度时的转化系数;f 为透镜焦距,令CCD 探测器尺寸制造误差为 l /4,则1=206265×0.00864×1000=0.447角秒,258角秒.(4)409(总第59期)CCD 激光自准直旋转靶标轴系跳动测量系统(张东梅等) 2)令CCD 探测器分辨率凑整误差为 l /8,则CCD 分辨率凑整误差2=!″8 l f =206265×0.00868×1000=0.223角秒,∀2= 23=0.13角秒.(5) 3)视频判读误差 3可按0.5个像元计算,则3=!″×0.5× l f =0.5×0.0086×2062651000=0.88角秒,∀3= 33=0.5角秒.(6) 根据式(4)、式(5)和式(6),得到系统总测量误差为∀=∑3i =1∀2i =0.58角秒. 此系统测量误差能够满足测量动态靶标轴系跳动的精度要求.4 实验研究4.1 实验方法如图4所示,动态靶标由平行光管、编码器和反射镜组成,在对准旋转轴的位置安放CCD 自准直测量系统,在靶标旋转轴上安装一块平面反射镜,调整平面反射镜,使返回像落在测量系统CCD 中心,作为测量的起始位置,并记录高低和方位起始值,靶标轴系转动时,实时记录非接触测量系统的高低和方位的变化量.4.2 数据处理与分析实验得出靶标旋转轴转动时跳动量的大量数据后,采用最小二乘法对数据进行处理,得出跳动量与时间的关系曲线以及在像点CCD 靶面上运动的轨迹,找出跳动量变化的规律,对计算得到的数据进行数据平滑,图5是旋转轴在以10°/s 的速度转动时一个周期内的像点的运动轨迹曲线.由图5中的曲线可知:曲线大致呈椭圆形,通过对大量数据的分析,可以得到旋转到某一位置时的跳动量.由图6(a)和图6(b)的曲线可知:跳动量随时间呈周期性变化,并且方位和高低跳动量的周期一致.图4 实验装置Fig .4 Pictu re of the experimen tal equipment 图5 像点运动轨迹Fig .5 M oving path of th e imag e point410测试技术学报2006年第5期图6 转轴跳动量曲线Fig .6 Excursion curve of the rotor5 结束语利用设计的CCD 激光自准直测量系统来实时测量靶标轴系跳动,是一种新的方法,实验结果表明:当靶标旋转轴以10°/s 速度旋转时,方位最大跳动量为4.80″,方位跳动量的均值为2.23″,均方根为1.96″;高低最大跳动量为3.98″,高低跳动量均值为1.87″,均方根为1.54″,这样的靶标轴系的旋转精度能够满足精度要求,同时表明用这种方法来检测和标定动态靶标的轴系旋转精度是切实可行的,并具实用和推广价值.参考文献:[1] 张尧禹,张明慧,乔彦峰.一种高精度CCD 激光自准直测量系统研究[J].光电子激光,2003,14(2):168-170.Z hang Y aoy u,Z ha ng M inghui,Q ia o Yanfeng.Research of a CCD L aser Co llimatio n System w ith High Pr ecisio n[J].Jour nal o f Opto electr onics .laser ,2003,14(2):168-170.(in Chinese )[2] 王庆有,孙学珠.CCD 应用技术[M ].天津:天津大学出版社,1993:58-70.[3] 李永远,杨世洪,蓝荣清,等.CCD 应用中的高速图像数据采集技术[J].光电工程,1994,21(1):40-46.L i Y ong yuan,Yang Shiho ng ,L an R ongqing ,et al.Hig h-Speed Imag e Da ta A cquisitio n T echniques in Char g eCo upled Dev ice A pplicatio n [J ].Opto -Elect ro nic Eng ineering ,1994,21(1):40-46.(in Chinese )[4] 王永仲,琚新军,胡心.智能光电系统[M ].北京:科学出版社,1999:73-75.[5] 倪晋平,蔡荣立,崔长青,等.弹丸着靶坐标测试系统的原理与信号处理电路[J].测试技术学报,2005,19(1):11-17.N i Jinping ,Cai Ro ng li ,Cui Changqing ,et al .M easurement System for P recise Bullet L ocation and Sig nal Pr o cessing Cir cuitr y[J].Jour nal o f T est and M easur ement T echnolog y.2005,19(1):11-17.(in Chinese)[6] 张明慧,张尧禹.视频图像判读技术在实时测量系统中的应用[J].测控技术,2004,23(5):38-40.Z hang M ing hui ,Zhang Y ao yu .A pplicatio n o f V ideo Judg ing T echnolog y in t he Real -T ime M easurement System [J ].M easur ement &Contr ol T echnolog y ,2004,23(5):38-40.(in Chinese )411(总第59期)CCD 激光自准直旋转靶标轴系跳动测量系统(张东梅等)。
CCD-A、B系列双轴自准直仪
一、简介二、主要技术指标 ＣＣＤ－Ａ、Ｂ系列双轴自准直仪是采用ＣＣＤ进行数据采集的双轴光电类自准直仪。
仪器由自准直光管，计算机、电源箱及反射镜组成，它可对任意空间位置同时进行双轴数显测量。
适用于角度值（如转台、棱体、角度器件等）的精密测量，及相关直线度、平面度、平行度、垂直度等形位检测。
也可用于相关的在线、动态检测。
该产品经过多年使用验证，性能稳定可靠，技术指标达到国际先进水平。
我们还可以为传统的目视准直光管进行改造，为满足该类仪器升级和更新要求，只要准直仪物镜光管及光源系统完好、光学像质清晰，用户均可按本系列相近仪器的主要技术指标进行技术升级改造。
为了满足特殊用户的需求，也可为其设计专用ＣＣＤ类光电自准直仪或测量工装。
型 号测量范围测量精度仪器分辨力管长／管径（㎜）最大工作距离ＣＣＤ－ＡＩＸ向 ＞ ６００″ｙ向 ＞ ４４０″≤０．２″或≤０．３″／±３００″内≤０．２″或≤０．３″／±２２０″内参考：≤０．１″／±１００″内０．０１″３２０／Φ５７＞６ｍＣＣＤ－ＡＩＩＸ向 ＞ ２７００″ｙ向 ＞ ２０００″≤０．８″～１″／±１３５０″内≤０．８″～１″／±１０００″内０．１″１８０／Φ５７ＣＣＤ－ＡＩＩＩＸ向 ＞ ４２００″≤１．５″／全量程０．１″１１０／Φ５７ｙ向 ＞ ３２００″≤１．５″／全量程ＣＣＤ－ＢＩＸ向 ＞ ６００″ｙ向 ＞ ４４０″≤０．２″或≤０．３″／±３００″内≤０．２″或≤０．３″／±２２０″内参考：≤０．１″／±１００″内０．０１″３２０／Φ５７＞６ｍＣＣＤ－ＢＩＩＸ向 ＞ ２４００″ｙ向 ＞ ２０００″≤１″／全量程≤１″／全量程０．１″１８０／Φ４５ＣＣＤ－ＢＩＩＩＸ向 ＞ ４０００″ｙ向 ＞ ３０００″≤１．５″／全量程≤１．５″／全量程０．１″１１０／Φ４５１、以图形和数字化形式同时显示工作位置和测量结果。
自准直仪光学系统设计
自准直仪光学系统设计周丹;向阳;高健【摘要】An novel high-precision intellectualized electronic digital display autocollimator for two-dimensional photometry was designed ,which could be used to measure small angles .The wavelength of the system was 670 nm .The foldback system was adopted in order to reach 1 m focal length and reduce the volume of the system .The position sensitive detector (PSD) was used as the optical receiver so that the accuracy of the instrument was increased and could meet the requirements that the measurement range was ± 6′and the accuracy was 0 .1″.The optical path system of the autocollimator was designed and optimized by Zemax .The emergent rays were parallel and the rays received by the determinand were homogeneous as shown in footprint diagram .These results can meet the needs of practical manufacture well .%设计一种能同时进行两维测量的、智能化的数显式自准直仪，该光学仪器可用来进行小角度测量。
基于面阵图像传感器的自动读值光电自准直仪
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谢谢大家！
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BD k 1 (i, j )
255,if D k 1 ( i , j ) T2 0,if D k 1 ( i , j ) T2
式中 BD k 1 (i, j ) 为二值化阈值分割后结果。 阈值分割完成后，运用图像形态学中的二值图像腐蚀 和膨胀去除二值图中的噪声。定义结构元素曰为：
0 1 0 B 1 1 1 0 1 0
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系统的组成与工作原理
基于面阵图像传感器的自动瞄准读值式嵌入式光电自准 直仪系统的结构框架如图所示，仪器包括光学系统和硬 件电路系统两大部分。光学系统由自准直平行光管和反 射镜组成。硬件电路系统是核心测量部分，主要包括面 阵图像传感器、嵌入系统硬件电路以及液晶实时显示模 块。
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光 学 系 统
根据几何光学的基本原理可以得出：
s f tan 2
'
f ' 为准直光学系统的像方焦距。 式中
自准直仪的应用中， 一般很小，故
s tan 2 2，得 ' 2f
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结束语
文中提出了由面阵CMOS作为光电自准直仪图像传感器的 一种方案，采用高速数字信号处理DSP芯片BF549开发出能 够自动检测运动目标的嵌入式数字图像处理系统，实现了 光电自准直仪的自动读值。采用面阵图像传感器大大提高 了角位移二维测量的精确度，自动读值系统避免了人为瞄 准读值带来的误差，使仪器使用更加方便，实现了光电自 准直仪的数字化、便携化、智能化。
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2.背景差分
利用多帧图像平均的方法建立背景模型，以当前某段视频帧序列中的所 有图像取平均值，重建一幅与静态场景类似的近似背景图像，该方法适 用于运动目标连续运动的情况。公式描述如下：
面阵CCD
面阵CCD应用技术实验（一）面阵CCD原理及驱动实验【实验目的】1.掌握隔列转移型面阵CCD的基本工作原理；2.掌握面阵CCD各路驱动脉冲波形及其所涉及部分的功能；3.掌握面阵CCD输出掌握面阵CCD实验仪的基本操作和各个部件的功能；4.的视频信号与PAL电视制式的关系。
二、实验仪器1.带宽50MHz以上双踪迹（或四踪迹）同步示波器一台；2. YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD多功能实验仪一台。
三、实验内容1.仔细阅读附录中所叙述的“YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD多功能实验仪使用手册”，并对照实验仪实物进行学习，尤其注意各个开关、测量插孔、连接线的功能，找到内置面阵CCD摄像机与外置面阵CCD摄像机，及其转换开关。
2.面阵CCD的垂直与水平驱动脉冲的驱动波形、频率、周期、相位的测量方法；3.面阵CCD行、场自扫描电视制式的测量；4.视频输出信号的测量。
四、数据记录及处理1.内部控制脉冲SH：图1-1 SH脉冲波形图2.ΦV1、ΦV2、ΦV3、ΦV4脉冲波形图图1-2 ΦV1脉冲波形图图1-3 ΦV2脉冲波形图图1-4 ΦV3脉冲波形图图1-5 ΦV4脉冲波形图3.用CH1探头测量ΦV1脉冲，用CH2探头分别测量ΦV2、ΦV3、ΦV4脉冲，画出这四个脉冲的波形图。
通过实测波形图测出它们的频率、周期与它们之间的相位关系；图1-6 ΦV1和ΦV2脉冲波形图图1-7 ΦV1和ΦV3脉冲波形图图1-8 ΦV1和ΦV4脉冲波形图4.用CH1、CH2（幅度选为2.0V，扫描时间间隔为100nS档）探头分别测量ΦH1、ΦH2脉冲。
比较二者的相位关系，分析信号电荷包沿水平方向转移的过程与原理；图1-9 ΦH1和ΦH2脉冲波形图（二）面阵CCD尺寸测量实验一、实验目的1.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。
基于双CCD自动瞄准数字折射仪的设计
School of Software Shanghai Jiaotong University
April, 2012
基于双 CCБайду номын сангаас 自动瞄准数字折射仪的设计
基于双 CCD 自动瞄准数字折射仪的设计
摘要
折射率和平均色散是物质的重要光学常数，通过这两项参数可以了解物质的纯度、 色散大小等光学性能。阿贝折射仪是一种专门用于测量溶液折射率、浓度和平均色散等 指标的精密光学仪器，广泛使用于石油、油脂、制药、制漆、日用化工、制糖和地质勘 察等行业，也是相关工厂、学校、科研单位不可缺少的常用设备之一。
ABSTRACT
As everyone knows, the refractive index and the average dispersion are ones of the important optical constants of materials and by these two parameters, we can get optical properties, purity, and dispersion size of different materials. Abbe refractometer is a precision optical instrument specifically to measure refractive index value, concentration and average dispersion of different solution. This instrument was widely used and is one of indispensable equipment at the oil industry, oil industry, pharmaceutical industry, paint industry, daily chemical industry, the sugar industry and geological survey and other relevant factories, schools and the relevant scientific research units
面阵CCD应用技术实验指导
王庆有
天津市耀辉光电技术有限公司
实验规则及注意事项
为了确保CCD应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免损坏设备，达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在教师的指导下有秩序、按步骤进行。
1、在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。
5、应集中精力，认真实验；遇到问题时应找指导教师解决；不许自作主张、自行处理，否则，应承担相应责任。
6、所有实验设备都应当有良好的接地线，并在确实保证接地线连接好后方能开机上电。
7、一旦发生意外事故或者实验出现异常现象，应当立即切断实验设备的电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除后方可继续进行实验。
四、实验内容及步骤
1、实验内容
面阵CCD的垂直与水平驱动脉冲的驱动波形、频率、周期、相位的测量方法；
面阵CCD行、场自扫描电视制式的测量；
视频输出信号的测量。
2、实验步骤
1）实验准备
首先将示波器地线与实验仪上的地线连接好，并确认示波器的电源和实验仪的电源插头均已插在交流220V插座上；
打开示波器电源开关；
面阵CCD与线阵CCD的基本工作原理是相同的，它们都能够形成图像信息，但是，各自具有独特的特点和应用领域。线阵CCD图像传感器常用来对线性运动的物体进行扫描成像，再根据图像的灰度信息进行灰度、尺寸、速度和加速度等参量的测量，而很少注重它所产生的图像质量（对比度、白电平和人眼的视觉效果等）。因此，线阵CCD相机中的放大器一般是线性的，线性放大的特点是易于计算，缺点是动态范围与测量范围小，所产生的图像人眼观察效果也较差，但是对于想用线阵CCD摄取宽范围、大场景和高清晰度图像的时候可以采用修正光电响应γ值和其他技术手段获得视觉效果良好的图像。
面阵CCD高精度测量技术的应用
电荷耦合器件 ( CCD)是 20世纪 70年代初发展 起来的一种新型半导体器件 , 由于它具有自扫描、 高 分 辨、 高灵 敏 度、 重 量 轻、 体积 小 、像 素 位置 准 确、 耗 电少 、寿命 长、可 靠性 好、 信号 处理 方便、 便于 和计 算机接口等优点 ,近 30年来发展迅速 ,成为近代光 电成像领域里非常重要的一种高新技术。而且 CCD 光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、 光学式、电磁式量仪优越得多。随着边缘检测和像素 细分技术的发展 , CCD尺寸测量技术可以满足测量 速度快、精度高、非接触 式及动态的自动测量的要 求 ,使加工、检测和控制融为一体成为可能。 因此研 制出一种利用 CCD进行零件尺寸自动测量系统 ,实 现产品零件尺寸的快速高精度测量和分选 ,减少测 量过程中所带来的人为误差 ,对提高经济效益 ,减轻 以至解除工人繁重的检测工作具有重要意义。
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算子的具体形式如图 4所示。 但二阶算子对噪声敏
感 ,我们在改进光源的同时 ,考虑到孤立噪声点对二
阶算子的影响在测量中是最大的 ,于是使用了两个
方向的掩膜来跨过噪声 ,在垂直方向上如图 5所示 ,
水平方向上如图 6所示。它不同于传统的滤波运算 ,
通过合理设置阈值 ,可以大大提高运算速度 ,且抗噪 声 ,精度不受影响。
面阵 CCD高精度测量技术的应用
杨丽凤 ,韩冀皖 ,李元宗
(太原理工大学机器人实验室 )
摘 要: 利用高分辨率面阵 CCD,提出一种新的散射均匀光场照明的方法 ,通过边缘检测 ,像 素细分技术使测量精度突破像素级限制 ,实测精度为 0. 01 mm. 同时对影响系统精度的因素进行 了分析并给出补偿措施 ,使面阵 CCD 高精度测量技术成功应用于生产实践中。
采用面阵CCD对大尺寸轴径进行高精度测量的研究
第３０卷第６期 光电工程Vol.30,No.6 ２００３年１２月 Opto-Electronic Engineering Dec,2003文章编号：1003-501X（2003）06-0036-03采用面阵CCD对大尺寸轴径进行高精度测量的研究王庆有，蔡锐，马愈昭，齐龙（1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072;2. 信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072）摘要：采用面阵CCD对大尺寸轴径进行高精度的拼接非接触测量，克服了单片面阵CCD测量范围小的缺点，解决了用线阵CCD拼接测量时测量带太窄又不能扩展情况下所带来的问题。
面阵CCD进行图像拼接的测量方法，适用于测量128－135mm的轴径，其测量精度高达±0.01mm。
关键词：非接触测量；面阵CCD；图像拼接中图分类号：TN386.5 文献标识码：AA study on high-precision measurement of large-sizeaxis diameter with array CCDWANG Qing-you, CAI Rui ,MA Yu-zhao, QI Long(1. School of Precision Instruments and Optoelectronic Engineerin g,Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. Key Laboratory of Optoelectronic Information TechnicalScience under Ministry of Education, Tianjin 300072, China)Abstract: High-precision noncontact measurement for large-scale axis diameter is carried out through mosaic technology of array CCD images. This method overcomes the shortcomings of small range of single array CCD measurement and solves the problems caused by bandwidth too narrow to be expanded during linear array CCD mosaic measurement . The measuring method for splicing images of array CCDs is suitable for measuring axis diameter 128－135mm, with measuring accuracy as high as+/-0.01mm.Key words: Non-contact measurement；Array CCD；Splicing images引 言 采用单片面阵CCD摄像机作为光电图像传感器对大尺寸轴径进行测量时，其测量范围与测量精度的矛盾使得有限像敏单元数的面阵CCD摄像机无能为力。
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第37卷，增刊红外与激光工程
2008年4月V ol.37Supplement
Infrared and Laser Engineering
Apr.2008
收稿日期：2008-03-09
作者简介：甘俊红（5），女，江西丰城人,高级工程师，主要从事精密测量技术方面的研究。
j @63面阵CCD 在双轴自准直仪中的应用
甘俊红，邹九贵，季国定
（中国船舶工业集团公司第6354研究所，江西九江332000）
摘要：介绍了一种高精度双轴自准直仪，它采用面阵CCD 器件作为光电传感器，利用自准直原理实现二维角度的测量。
对图像处理系统进行了重点阐述，采用直线拟合求十字线交点的方法保证了测量精度。
关键词：自准直仪；CCD ；图像处理中图分类号：TH741.14
文献标识码：A
文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0060-03
Application of sur face array CCD in twoaxis autocollimator
GAN Jun-hong,ZOU Jiu-gui,JI Guo-ding
(The 6354Ins t itute of CSSC,Jiujiang 332000,China)
Abstr act:A high accuracy two_axis autocollimator is introduced in this paper,which uses the surface array CCD com ponents as photoelectricy sensor,and two-axis angle by the theory of autocollimate are measured.In this paper,the system of image processing is explained in detail,and the method of matching straight line to get the point of cross line prom ise m easure accuracy.
Key wor ds:Autocollimator;
CCD;
Image processing
0引言
自准直仪(又称自准直测微平行光管)是应用自准直原理测量小角度的检测仪器。
它是将被测件上反射镜旋转角度的变化转换成自准直仪接收器件上的线量变化，通过测出线量变化间接检测出反射面微小角度变化。
自准直仪按测量维数可分为一维和二维两种，二维自准直仪可同时测量两个方向的角度值。
按精度和检测方法，自准直仪可分为目视和光电两种，一般光电自准直仪精度比目视自准直仪高，读数方便，对环境要求也较高。
作为一种精密角度测量标准，自准直仪广泛应用于计量检定、精密机械加工等领域中。
在角度的计量检定中，自准直仪是一种重要的检测仪器。
对于具有
二维测量、大范围、高精度的光电自准直仪，在国外
已有性能优良的商业产品推向市场，但因价格昂贵和国际政治因素的影响，引进较困难，而且仪器的维护修理很难保障。
为顺应市场的需求，研制开发了CCD 双轴自准直仪，其测量范围±500″，测量精度0.2″。
1总体设计
CCD 自准直仪的设计结合了机械、光学、电子
学、计算机和图像处理等多方面的技术，主要利用了自准直原理，将测量十字分划板的光束经反射镜反射成像在面阵CCD 器件上，使反射镜的二维角度变化转化为对应CCD 器件上两个方向的线值量变化，通过对CCD 器件输出信号的采集，经过数据处理计算出线值量变化量，利用自准直原理计算角度变化，从
197-Email:gan unhong
增刊甘俊红等：面阵CCD 在双轴自准直仪中的应用61
而实现高精度二维角度变化的测量。
系统主要由机械壳体、光学部分、硬件电路部分、计算机软件部分组成，整个系统结构框图如图1
所示。
图1CCD 自准直系统结构框图
Fig.1Structure frame diagram of CCD autocollimation system
仪器的测量原理是:光源发出的光束照亮十字线分划板经光学透镜组后形成平行光射向反射镜(反射镜位于被测物体上)，反射镜将入射光束反射回光学透镜组，并成像在CCD 器件上，在驱动电路的作用下，CCD 器件将内部像素信号顺序输出，数据采集电路对CCD 器件输出信号进行调理和采集，实现模拟信号数字化，最后将采集数据传入计算机，在计算机内进行数据处理和显示。
2图像处理系统设计
CCD 自准直仪可分为光学系统和图像处理系统
两部分，图像处理系统的设计包括硬件电路和软件的设计，其关键点是图像传感器的选择和图像处理软件的设计。
2.1图像传感器的选择
根据采用的光电探测器件的不同，自准直仪可分为光敏电阻式、PSD 器件、线阵CCD 器件、面阵CCD 器件等类型，其中PSD 器件和CCD 器件是发展方向，目前国外自准直仪生产商多采用这两种器件。
采用面阵CCD 图像传感器作为光电转换器，CCD 的选择直接影响测量系统的测量精度、分辨率等技术指标，因此，它的选择非常关键。
CCD 是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。
随着微电子和图像处理技术的发展，CCD 技术在影像传感中的广泛应用，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。
CCD 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD 器件的主要功能是把二维光学图像转变成为一维视频信号输出，一般分为线阵CCD 和面阵CCD 两大
类，设计中采用面阵CCD 。
在选择CCD 型号时，要从分辨率、视场、稳定性、均匀性、噪声及抗干扰性等方面考虑，设计中选择了1024×1280，像素尺寸：7m ×7m 的CCD 。
CCD 图像采集卡主要由CCD 、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等构成，其原理框图如图2
所示。
图2CCD 图像采集卡的系统框图
Fig.2
System frame diagram of CCD picture collection card
2.2硬件电路设计
本系统的硬件电路结构如图3所示，采用DSP
嵌入式开发系统，通过FPGA 实现对外围电路的接口和逻辑控制，外围电路由CCD 相机接口、存储器、
液晶显示、触摸屏、蜂鸣器及指示灯等部分组成。
图3
电路结构框图
Fig.3
Structure frame diagram of electric circuit
DSP 是指专用于数字信号处理的高速器件，目前已在实时信号处理系统中得到了广泛应用。
本系统中使用的DSP 为TI 公司生产的TMS320C31，它是一
款浮点运算的DSP 芯片，由于浮点运算与定点运算结合，具有更高的精度，且不用考虑运算的溢出问题，因此浮点DSP 具有更好的性能，更容易在系统的处理器上实现高级语言。
FPGA 即现场可编程门阵列，设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和引出端，将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，通过对芯片的设计
62红外与激光工程：高精度几何量光电测量与校准技术第37卷
实现对数字系统的逻辑功能。
采用可编程逻辑器件，可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性。
采用了触摸屏作为输入设备，与彩色液晶显示器配合使用，并通过菜单方式进行操作，使人机交互更为直截了当。
2.3软件设计
系统软件的任务是要完成对系统的硬件的初始化，要对数据进行采集、处理、输出、保存等功能，并能够对用户的操作进行相应的处理，实现人机交互功能。
本系统的整个应用软件用C语言编程，并采用模块化结构设计程序。
其目的在于提供较好的结构、可读性和可移植性。
CCD双轴自准直仪是一款智能化精密小角度测量仪器，它采用触摸屏输入、彩色液晶显示输出、菜单方式操作，具有良好的操作界面：可以在大数字、表格、十字线等不同的显示方式间切换；可以在毫弧、秒、度分秒、度、微米/米等不同的角度单位间切换；可以根据测量需要设置不同的显示分辨力；具有中文/英文两种语言方式；可存储当前的角度数值，还可以通过RS232接口发送数据。
CCD二维自准直仪中的关键技术是采用面阵CCD进行图像处理，涉及到图像滤波、域值提取、直线拟和、像素细分等重要技术。
图像处理的精度直接关系到测量的精度，通过大量的试验分析比较，采用了以下计算十字丝中心的图像处理方法。
程序流程如图4
所示。
图4十字丝中心计算流程图
Fig.4Flow diagram of calculating graticule center
3结论
采用面阵CCD作为光电转换器件，实现高精度、双轴、大范围测量，测量范围可达±500″。
采用直线拟合计算十字丝中心的算法，大大提高了分辨力和测量精度，测量精度达到0.2″，分辨力优于0.01″。
参考文献：（略）。