基于面阵CCD的玻璃霜露面积检测仪的研制

1、505基于面阵CCD 的玻璃霜露面积检测仪的研制邓保青1，邓 盼2（1. 华南师范大学增城学院，广东 广州 510665；2. 中国三江航天集团，武汉 湖北 430036）摘要：根据某玻璃霜露的具体特点，分析了将图像处理技术应用于玻璃霜露面积检测的原理。通过对面积比例系数标定方法以及局部阈值选取方法的研究，提出了一种满足一定测量速度和测量精度要求的自动检测方案。检测仪具有可编程、存储容量大、测量的非接触性、可图文显示等特点。实验结果表明，本系统检测玻璃霜露面积的精度优于1.5%。 关键词：面阵CCD ；面积测量；图像处理中图分类号：TH713 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(20

2、0709-0505-03The Development of Glass Area Measuring Instrument Based on Matrix CCDand Used for Area Measurement of the Frost and DewDENG Bao-qing1，DENG Pan2（1. Zengcheng College of South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510665, China;2. Designing Institute of China Sanjiang Space Group,

3、Wuhan Hubei 430036, ChinaAbstract ：According to the concrete characteristics of the frost and dew on the glass, the theory on how to apply image processing techniques to detect the frost and dew area on the glass was analysised. By studying the methods of area proportionality coefficient calibration

4、 and image processing methods, an automatic area measuring scheme that can meet a certain measurement speed and accuracy was put forward. This instruments characteristics are programmable, with large memory capacity, able to realize non-contact measurement, and display images and so on. The experime

5、ntal results show that the measurement accuracy is better than 1.5 percent.Key words：matrix CCD，area measurement，image processing引言CCD 图像测量技术具有检测时的非接触性、高精度、在线动态检测、测量速度快及检测智能化的特点，已成为现代测控技术的重要发展方向。对于不规则平面面积的CCD 测量方法，国内外的研究人员曾做了大量的研究工作1-2。例如：哈尔滨工业大学研制的激光CCD 零件自动识别检测系统；英国ADC 公司研制的AM-100叶面积测量仪；德国Zeiss 公司

6、研制的VIDAS 型全自动图像分析仪等。这些检测设备的应用主要集中于线阵CCD ，线阵CCD 图像传感器与光学镜头配合可用来检测大型的目标物尺寸。但设备比较复杂，需要相当精密的驱动传送控制，适应性不够强3。利用面阵CCD 可以在约40ms 内获得不规则物体的二维信息，并且不再需要扫描控制电路、驱动传送机构等，使得设备相对简单，测量速度得到提高。并可以采用多个面阵CCD 协同测量几何尺寸大的物体4。某特殊应用玻璃在其工作环境中（低温）需具有良好的透过率，但由于工作环境的缘故，易结霜或表面附着水气，严重影响其透过率。本文基于面阵CCD ，提出了一种满足一定测量速度和测量精度要求的玻璃表面霜露面积自

7、动检测方案，用于检测在低温环境下，玻璃表面所结霜露的面积。该项研究对这种玻璃的生产、库存的定期检测及使用都具有十分重要的意义。1 设计原理玻璃上不规则形状的霜露图像通过光学透镜成像到面阵CCD 的像面上，各像素灰度不同。面阵CCD 及其驱动电路将各点灰度不同的二维光学信号转变 506成一维视频信号输出5，再经图像采集卡，进行视频信号预处理、A/D转换后，得到数值化的二维灰度数据。背景的灰度值较低，而结霜露部分的灰度值较高，单片机对量化后的灰度数据进行读取，采用适当的灰度阈值的二值化图像分割方法6-7，处理后得到一个合适的阈值（该阈值把CCD 视频信号中图像部分与背景部分分离成二值电平），计算灰

8、度值大于该阈值的点数，再乘以一个面积比例系数即可获得霜露面积。面积比例系数可以这样确定：面阵CCD 的像素数量代表了固定物距处的视场面积（这一面积可计算得到），从而可求出每个像素所代表的视场面积8。最后对霜露的图像及包括温湿度在内的测量数据通过LCD 显示输出，并将测量数据加以存储。基于面阵CCD 成像技术的面积检测系统原理框图如图1所示。 图1 面积检测系统原理框图 Fig.1 Area detecting system block diagram2 二值化图像分割方法图像分割定义为将数字图像划分成互不相交（不重叠）区域的过程9。图像分割目的是将目标和背景分离，为目标识别、精确定位等后续处理

9、提供依据，其结果直接影响到其后的信息处理过程。本文采用的阈值化分割方法是一种区域分割技术，利用图像灰度特征，计算快速简明，是最为常见和实用的图像分割方法10。阈值化算法一般可以统一描述为如下形式： T T x , y , f (x , y , p (x , y (1 式中：f (x , y 为在像素点(x , y 处的灰度值；p (x , y 为在该点邻域的某种局部性质。若T 的变量只有f (x , y ，则称为全局阈值法。如果T 的变量为f (x , y 和p (x , y 则称为局部阈值法。如果T 不仅根据f (x , y 和p (x , y 选取外，还与x ，y 有关，则称为动态阈值法。

10、本文采用全局阈值法。3 电路设计本文所研制的面积检测仪是由处理电路、信号采集电路、液晶显示电路、键盘控制、数据存储电路、实时时钟电路等几个功能模块组成。 3.1 CCD的选择CCD 是整个检测系统的关键部件之一。CCD 与CMOS 器件相比，具有光照灵敏度高，噪声低的特点，故采用CCD 摄像机。评价CCD 性能的主要参数有行扫描分辨率、光亮敏感度、信噪比以及传感器的有效像素数等。CCD 的分辨率是指摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器上能够看到的最多线对数。在一定尺寸的CCD 靶面上，像素数越多，则分辨率就越高。根据奈奎斯特采样定理的要求，确定所选类型器件需要的像元尺寸。如果已知图像的最大

11、空间频率（即每毫米的线数），则采样频率应大于图像最大空间频率的2倍。通常CCD 的像元空间分辨率在4080线对/mm范围，一般光学系统都能满足。由下式来确定CCD 的像元数n ：n w /a (2式中：w 为系统的工作视场；a 为CCD 像元的物方分辨率。3.2 由PIC 单片机构成的主机电路主处理电路是面积检测仪硬件电路部分的核心。该电路的主要任务是将单片机同扩展芯片正确连接起来，组成智能部件，以实现面积检测仪数据处理和控制的要求。作为一个嵌入式系统，本仪器电路硬件的核心部件是Microchip 公司的PIC18F6620单片机，该芯片是PIC 系列单片机中的高档产品，是一种功能强大的8位微

12、控制器（MCU ），它采用的是16位的RISC 指令系统，采用控制总线和数据总线分开的哈佛（Harvard ）总线结构，流水线取指方式。它具有64个引脚，52个I/O接口，12通道高速A/D（10bit ）转换器、5个定时/计数器、比较输出、捕捉输人、PWM 输出、I 2C 和SPI 接口、两个异步串行通讯（USART ）、模拟电压比较器、LCD 驱动、32k 的FLASH 程序存储器(ROM、内部自带E 2PROM （1k ）及3k 的数据存储器（RAM ）。由PIC18F6620外接其它芯片构成的检测系统电路原理框图如图2所示。 3.3 半导体制冷系统设计本研究采用半导体制冷器件实现冷室内

13、的低温。半导体制冷是利用珀尔贴效应实现制冷11：当直流电流通过一个由N 型和P 型半导体材料组成的电对时，由于半导体具有较好的热电转换特性，使电对的一端温度升高，对外放热，称为热端；另一端温度降低，2007年9月 邓保青等：基于面阵CCD 的玻璃霜露面积检测仪的研制 Sep. 2007 507产生吸热，称为冷端，利用电对冷端的吸热效应即可制冷。与传统的制冷技术相比，半导体制冷具有体积小、重量轻、无污染、无机械噪声、控制灵活、可靠性高等特点。半导体制冷器基本单元如图3所示。图2 单片机系统框图 Fig.2 MCU blockdiagram图3 半导体制冷器基本单元 Fig.3 Basic uni

14、t of a semiconductor cooler4 试验利用检测仪进行了玻璃的霜露面积的检测。由测量结果可见，测量的稳定性很好，测量误差随被测面积的减小而增大，最大相对误差小于1.5%。霜露在LCD 上的图像显示如图4所示。图4 霜露图像在LCD 上的显示 Fig.4 Frost and dew displayed on LCD利用全局阈值法分割得到的图像及其灰度直方图如图5、图6所示。图5 计算机采集的霜露图像Fig.5Image of frost and dew collected by a PC图6 霜露图像灰度直方图Fig.6 Gray scale histogram of fr

15、ost and dew image试验中发现：在霜露面积测量过程中，霜露面积的大小可能变化较大，当霜露面积太小时，其像所占像素数太少，产生较大的误差。可以通过实验观察小面积时和大面积时的面积比例系数的变化情况，通过软件进行补偿。5 结论本文在对目前国内外 CCD应用技术及光电式面积检测仪的研究现状进行深入分析总结的基础上，提出了采用CCD 作为光电传感器的图像处理技术检测窗口玻璃霜露面积的方法。根据本系统的特点选取了计算快捷简明、能够满足精度和测量速度要求的二值化图像分割方法。实验证明，本文研制的基于面阵CCD 的导弹窗口玻璃霜露面积检测仪，在功能上和精度上基本达到了预期的效果。（下转第511

16、页）2007年9月 向诗红等：利用STK 计算卫星外表面接收的太阳直接辐射 Sep. 2007511期内基本不变，而且在这个轨道周期内无阴影区，所以卫星接收的太阳直接辐射在整个轨道周期内基本没有变化；y 平面法向矢量与太阳的夹角始终大于180，接受的太阳直接辐射为零；c 曲面和y 平面接收的太阳直接辐射保持恒定值。从以上的分析可见，计算结果与预测的结果一致。4 结论本文首先给出了卫星接收太阳直接辐射的计算方法和表达式，然后介绍了使用STK 软件给出相关参数的过程和方法，最后对两个特定的目标卫星进行计算给出量化结果。本文所使用的方法能够准确方便的计算出已知的目标卫星在任意一个轨道周期内接收到的太

17、阳直接辐射功率，对任意外表面结构和轨道参数的卫星都适用。由于太阳直接辐射在卫星接收的全部外热能中占很大部分，所以这部分辐射的量化结果对空间目标红外辐射特性的量化分析及空间目标的红外探测有很重要的意义。参考文献：1 闵桂荣, 郭舜. 航天器热控制（第二版）M. 北京: 科学出版社, 1998. 2 杨颖, 王琦. STK在计算机仿真中的应用M. 北京: 国防工业出版社,2005.（上接第507页）参考方献：1 Bryan F. Jones and Peter Plassmann. An Instrument to Measure theDimensions of Skin WoundsJ. IE

18、EE Transactions on Biomedical Engineering , 1995, 42(5: 464470.2 Parker J R. Gray level thresholding in badly illuminated imagesJ.IEEE-PAMI , 1991, 13(8: 813819.3 关胜晓. 不规则形体面积的CCD 测量研究J. 仪器技术与传感器.1998, (11: 3134.4 王婉春, 裴仁清. 多面阵CCD 协同精密检测较大物体的研究J. 光学仪器. 2001, 8(4: 34.5 王庆有. CCD 应用技术M. 天津: 天津大学出版社, 2000: 4041,216217.6 J. Kittler and J. Illingworth. Threshold Selection Based on a Simple ImageSegmentationA. 9th International Conference On Pattern RecognitionC. 1988, 1: 270275.8 关胜晓.