模块8——现代新型检测技术

单元1 CCD图像检测技术
【问题分析】
1．数码相机的组成及工作原理
数码相机结构示意图
单元1 CCD图像检测技术
【问题分析】
1．数码相机的组成及工作原理
数码相机系统原理框图
单元1 CCD图像检测技术
【问题分析】
1．数码相机的组成及工作原理
数码相机系统原理框图2
单元1 CCD图像检测技术
【问题分析】
数字图像的获取及处理 1．项目要求 熟悉CCD图像传感器的原理、特性及基本应用，认识数 码相机及其系统构成。通过资料查阅和摄像头或数码相机实际
拍摄操作，能够进行图像传感器的像素设置、图像信息的获取， 以及图片处理操作。 2．设备与工具 PC电脑；数码摄像机、数据线（或带摄像头的手机及数据 线）；Photoshop图像处理软件。
模块8
【背景知识】
现代新型检测技术
2．机器人检测技术的基本概念 机器人可以被定义为计算机控制的能模拟人的感觉、手工 操纵，具有自动行走能力而又足以完成有效工作的装置。 第三代机器人为高一级的智能机器人，具有自学习、自补 偿、自诊断能力，具备神经网络。“电脑化”是这一代机器人 的重要标志。然而，电脑处理的信息，必须要通过各种传感器 来获取，因而机器人需要有更多的、性能更好的、功能更强的、 集成度更高的传感器。 机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用，因此，传感 器被称为机器人的“电五官”。根据检测对象的不同可分为内 部检测传感器和外部检测传感器。
模块8
现代新型检测技术
机器人传感器分类
模块8
【背景知识】
现代新型检测技术
3．物联网技术的基本概念 通俗地讲，物联网就是万物都接入到互联网，物体通过装 入射频识别设备、红外感应器、GPS 或其他方式进行连接，然 后通过移动通信网络或其他方式接入到互联网，最终形成智能
网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分 析。 物联网(The Internet of things)就是“物物相连的互联网”。 这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是 在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和 扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
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【问题引入】
传统光学相机使用“胶卷”作为记录信息的载体，通过镜 头将被拍影像信息聚焦至胶卷上，经曝光将对应视场内信息按 一定颗粒度（像素）记录并按物理二维排列记录至胶卷上。如 果图像信息转为电信号，并利用数字存储介质储存，则可制成 数码相机，从而取消胶卷，节约资源。同时，其图像更便于复 制、编辑、传输。 数码相机为实现图像的获取及数字化，提供图片显示，则 需通过图像传感器将所选视场内的各像素点的色彩信息转换为 电信号，通过一定时序取出显示，或转存于相应存储介质，提 供后续的处理等。其“胶卷”就是其感光器件——图像传感器， 而且是与相机一体的，是数码相机的核心。感光器件性能的优 劣直接影响所获取图像的品质。
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【问题分析】
2．CCD图像传感器简介
CCD（MOS型）图像传感器 摄像头（CMOS型）图像传感器
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【问题分析】
2．CCD图像传感器简介 CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属-氧化物 -半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层 很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多 晶硅形成栅极。栅极和 P 型或 N 型硅衬垫就形成了规则的 MOS 电容器阵列。
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【知识链接】
1．光学系统与成像简介
一行收集结束
准备好下次雨水收集
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【知识链接】
2．CCD图像传感器的分类和基本参数 （1）CCD图像传感器的分类
（a）线阵CCD CCD图像传感器分类
（b）面阵CCD
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【知识链接】
线阵CCD电荷转移
1．数码相机的组成及工作原理
常用的感光元件有两种： ①电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device），是一种 高感光度的半导体（MOS型晶体管）材料制成，技术成熟，成 像质量好，应用广泛。但信息读取复杂，速度慢。 ②互补金属氧化物半导体（CMOS），利用硅和锗制成的 半导体，在CMOS上共存着N区和P区，两个互补效应所产生的 电路可被处理芯片记录和解读成影像信息。电路简单，信息直 接读取，速度较快，耗电两小，单个光电传感元件、电路之间 距离近，受光、电、磁干扰较严重，对图象质量影响很大。
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【问题引入】
传统胶片相机
数码相机
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【问题引入】
胶片摄像机
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【问题引入】
数码摄像机
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【问题分析】
1．数码相机的组成及工作原理
数码相机由镜头、图像传感器、闪光灯、A/D转换器、微 处理器（MPU）、存储芯片、LCD等组成。 镜头是其光学部分，用于调焦取景及滤光、聚焦成像至图 像传感器上。闪光灯作为内置光源，当环境光线较暗时提供一 定的照明。图像传感器、A/D转换器用于光电转换及数字化。 MPU、存储芯片、LCD则用于图像的处理、存储、显示，提供 与其他设备的接口，通过一定的算法程序可实现自动对焦、倾 斜校正、人脸捕捉、智能场景选择、防抖、夜景拍摄、防红眼、 白平衡等功能，使操作更为简便。
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【知识链接】
3．色彩信息的获取 （1）采用分光棱镜和3个CCD器件 利用棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分 别投射在一个 CCD 上。这样一来，每个 CCD 就只对一种基本 色分量感光。 效果好，但结构复杂，价格昂贵。
3CCD彩色成像原理图
单元1 CCD图像检测技术
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【知识链接】
（2）CCD图像传感器的基本参数 ①光谱灵敏度 取决于量子效率、波长、积分时间等参数。 ②动态范围 表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点 强度的比值。数字图像一般用DN表示。 ③非均匀性 全部像素对同一波长、同一强度信号响应能 力的不一致性。 ④非线性度 对于同一波长的输入信号，其输出信号强度 与输入信号强度比例变化的不一致性。 ⑤分辨率 包括灰度值分辨率和空间分辨率。灰度值分辨 率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法，机器能分辨给定 点的测量光强度，所需光强度越小则灰度值分辨率就越高；空 间分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像素来表示，栅网 越细，网点和像素越高，说明CCD的分辨精度越高。
单CCD彩色成像原理图
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【应用案例】
【案例1】平面扫描仪 可移动光源在步进电机带动下扫描原稿，线阵CCD接收到 这些信号后，经模数（A/D）转换器将其转换成计算机能读取 的信号，通过驱动程序转换成显示器上能看到的正确图像。
（a）光路图
扫描仪工作原理及结构
Biblioteka Baidu
（b）结构
单元1 CCD图像检测技术
单元1 CCD图像检测技术
【实践项目】
数字图像的获取及处理 3．操作步骤 （1）设置不同像素拍摄静态图像。 （2）数据线连接至PC电脑，转存于PC电脑中。 （3）利用Photoshop打开图像，利用缩放功能观察不同像素 下的图像差异。 （4）进行画笔、扭曲、旋转画面、锐化、插值等操作修正图 像缺陷。 （5）利用魔术棒工具提取图像中如人物或树木等，将之粘贴 入另一画面。 （6）分别获取灰度图像及红、绿、蓝三基色图像并观察。
单元1 CCD图像检测技术
【拓展提高】
1．红外CCD 红外CCD是在面阵CCD图像传感器和红外探测器阵列技术 基础上发展起来的，主要应用于军事，如夜视、跟踪、制导、 红外侦察和预警等。其红外敏感单元和固体电子扫描部分均用 相同半导体材料，经过一系列处理而制成的单片型红外CCD。
混合型红外CCD
1-图像输出口；2-红外线输入； 3-红外线敏感元件；4-铟缓冲 器；5-视频信号接口；6-信号处理芯片
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【知识链接】
1．光学系统与成像简介
（a） 驱动信号
（b）电荷转移 三相CCD驱动和转移示意图
单元1 CCD图像检测技术
【知识链接】
1．光学系统与成像简介 可用虹吸雨量收集类比 CCD电荷转移过程，雨滴
表示光子，小盆表示像元， 盆深度表示像元容纳的电 荷，虹吸泵表示CCD的移 位寄存器，雨量筒表示 CCD的输出放大器。 则电荷的转移过程与右 图所示雨量收集方法一致。
【应用案例】
【案例2】数码摄像机 外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，传感器 在扫描电路的控制下，将变化的外界景物以25帧／s的速度转 换为串行模拟脉冲信号输出，经A/D转换并处理存储，信息还 原后并按规定速率播放即可形成动态影像。
数码摄像机工作原理
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【实践项目】
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【问题分析】
3．光学系统与成像简介
（a）快门未按时 （b）快门按下时
数码单反相机光学系统
单元1 CCD图像检测技术
【知识链接】
1．光学系统与成像简介 时刻t1，第1相时钟φ1=1，φ2=φ3=0，这时第1组电极1、4、 7……下面形成深势阱，可以贮存信号电荷形成“电荷包”, 2、 5、8……，3、6、9……势阱为0 。 在t2时刻，φ1=1/2，φ2=1，φ3=0，在第1组电极下的势阱变 浅，而第2组(2、5、8……)电极下形成深势阱，信息电荷从第1 组电极下面向第2组转移。 t3时刻，φ2=1，φ1=φ3=0，信息电荷全部转移到第2组电极 下面。 重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3。 传输过程中继续光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠， 出现模糊现象。有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上 保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。
红外夜视仪及成像
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【拓展提高】
2．激光式图像传感器
激光式传感器的工作原理 1-光电转换及放大元件；2-高速回转多面棱镜；3-激光器；4-被测件条形码
单元2 机器人检测技术
【问题引入】
在进行深海作业时，由于环境极度恶劣，不便于作业人员 长时置身其中，此时水下机器人便可发挥重要的作用。机器人 是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能； 动作程序灵活；有一定程度的智能；它既可以接受人类指挥， 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动，可协助或取 代人类工作的工作，例如生产业、建筑业中危险或高劳动强度 的工作，或是人类难以到达的恶劣环境下作业等。 机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正 因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应 能力。近年来，机器人的技术发展迅速，应用范围日益广泛， 要求它能从事越来越复杂的工作，对变化的环境能有更强的适 应能力，要求能进行更精确的定位和控制，因而对传感器的应 用提出了更高的要求。
【知识链接】
视频——CCD数码相机原理 （2）采用单一CCD器件配合拜尔滤镜 将称拜尔滤镜加装在CCD上。每四个像素形成一个单元， 一个过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色。每个像素都接 收到感光信号，但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四个感 光单元为一组，分别获取G、B、R、G光度信号并合成为一个 像素点色彩信息。
模块8 现代新型检测技术
主要内容： 单元1 CCD图像检测技术 单元2 机器人检测技术 单元3 物联网检测技术
模块8
【引导语】
现代新型检测技术
传感器技术是当今世界发展最为迅速的高新技术之一，新
的检测原理、方法不断被发现、尝试及运用到实际应用中；对 传感器提出的要求也越来越高，如集成化、微型化、智能化 （自适应、自诊断、人工视觉、语音语义识别等）、高可靠性、 低功耗等等；应用的方式、领域不断扩大，如传感网络技术、 物联网技术、机器人检测技术等。 新的检测原理、方法包括基于生物体或生物物质制成的生 物传感器、核磁共振效应、射线检测技术、光纤传感器、微波 检测技术、固态图像传感器（CCD）检测技术、热成像技术、 声波检测技术、红外检测技术、激光检测技术、GPS等等。
模块8
【背景知识】
现代新型检测技术
1．图像检测与图像传感器的基本概念 图像传感器，或称光电转换器件、感光器件，是一种将光 学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机、 摄像机和其他电子光学设备中。 图像检测着重于将整个视场内的图像分割成一定排列的区 域，并获取每一区域的平均反光强弱，转成电信号。为将图像 信息完整获取，需要扫描电路或装置完成二维图像的电信号转 换为时间序列的一维信号。 单色图像检测获得是每一区域的灰度表示，彩色图像检测 则需将被测视场的每一区域抽取为红、绿、蓝三基色的强弱表 示，从而对其色彩进行准确描述。 图像检测一般包含光源部分、光学部分、光电转换及扫描 部分。