Transcript NEW 第八章CCD光电信号的二值化原理

背景知识:
CCD (Charge Coupled Device) 是一种光电转换式图像传感器。由于它性能优
良，近年来得到广泛的应用 。 CCD分为线阵CCD和面阵CCD。
目前CCD已在军用和天体高科技、航空航天、卫星侦察、遥感遥测、光学图像处
理等领域得到了广泛地应用，尤其是在物体几何尺寸的非接触检测方面(无接触、
准确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等优势，更引起人们的高
度重视,形成了CCD研究开发及应用的热潮) 。
基于CCD的光电在线检测系统在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。
比如电缆、电线、钢丝、裸铜线、轧钢、纤维、橡胶、小钻头、灯丝、玻璃管、
轴类等零件的测量和生产加工，它们往往是在自动化生产线上加工的，加工速度
快，生产效率高，其加工水平的提高往往是与测量技术的不断提高密切相连的，
可以说产品质量在很大程度上是由监测仪器的精度所决定的。
自CCD问世以来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其
中:美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。
国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国
德州仪器，荷兰飞利浦等。二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高速度、
高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。
目前，国外已经研制出了像素数目为9Kx9K的CCD芯片，像素尺寸最小已经达到
2.4umx2.4|um像素数目为4Kx4K的CCD芯片已达到商品化水平。
另外，CCD芯片的拼接技术也日益成熟。
国内对于CCD的研究始于1976年，主要研制单位有重庆光电技术研究所、河北
半导体研究所等，由于受国内微电子半导体加工技术的限制，生产能力较低，
其产量远不能满足国内需求。同时由于缺乏核心CCD芯片设计和制造技术，尖
端CCD芯片需依赖进口。在应用的层次和领域内与发达国家还有很大的差距。
1．线、管、圆柱等零件外径的在线测量例如，天津大学的孙学珠、付维乔等人开
发的高精度CCD光电测径系统，可以数字显示测量的结果，能够对不合格的产品进
行自动筛选，对于直径在0.8—8mm之间的被测物，单点测试时间不超过5秒，测量
精度可以达到± 0.03mm。桂林电子工业学院的陈跃林、中科院上海技术研究所的
钱思明等人也做出了类似的应用系统。
2．热轧生产线上轧制零件的在线检测比较典型的有清华大学的任伟明等
人研制的热轧异性钢材截面尺寸的在线测量系统以及华中科技大学的罗志勇等
人所研制的高温钢坯长度在线测量系统等。
3．零件上的空洞检测如铝板、钢板等在生产过程中出现的空洞的检测。
4．橡胶等软材料的尺寸测量
国外:日本生产的LS-7000系列高速、高精度CCD测量仪器，如：
LS-7030M(配备测量摄影机)测量范围：0.3mm～30mm，测量精度：±2µm 。
LS一7010M(配备测量摄影机)测量范围：0.04mm～6mm，测量精度：±0.5µm 。
线阵CCD
对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高
脉冲及抑制噪声。
基于线阵CCD测径系统原理
被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵CCD传感
器上，被测工件被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵
CCD传感器上.
l——物距
l’——像距
d——被测工件的直径大小
d’——被测工件直径在CCD上影像大小
——光学系统的放大率
知道物距、像距并测出工件影像d’的大小，即可求出被测工件的尺寸
CCD的信号检测电路实现电荷一电压的转化，这样在CCD输出端可获得表
示被测工件的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该
光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺
序。最终，被测物体的影像大小反映在CCD输出信号中变为输出信号电压
的高低，即在CCD中被影像遮挡部分的光敏元输出电压低，两侧未被遮挡
的光敏元输出电压高。
未放工件输出信号
放工件输出信号
CCD的输出视频信号中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系
统的白噪声，使得有用信号难以提取。
由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀
性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测目标边缘时的衍射
现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0／1信号，其包络的边缘带有明显的
梯度，或者说，目标尺寸的两个边缘在CCD上成像的具体位置不能确定。
导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮
廓在视场中位置的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征
点，进而影响测量精度。
因此，除了减少外界干扰外，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘
的特征信息，是测量的难点所在。
由于被测工件的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大
由CCD实现按空间域分布的光学图像信息向按时间域分布的电压信号转化，该输出电
压信号经过信号处理后，可得到表示d’大小的脉冲信号，脉冲信号送入单片机中，测
出脉冲宽度，进而可求出被测工件的大小．即用CCD复位脉冲(对应CCD的光敏元)可
求出尺寸的大小．若： 为脉冲当量(CCD脉冲间距)，N为CCD器件像元数，n1，n2
为光照部分的光敏信号输出脉冲数， 为光学系统的放大倍数，则被测工件线径为：

d
若CCD的像元数为N，则其所能测量的最大尺寸也就确定为N×
 ／ ， 为光学系统的放大倍数。
CCD对物体的取样是通过光学系统实现的，CCD像敏元上所成像的稳定
性与准确性对系统精度影响很大．对光学系统总的要求是：成像几何畸变
小，像面照度分布均匀、杂散光少。光学系统包括：照明系统、成像系统
和成像物镜的选择。
CCD输出的信号为视频信号，光学系统把被测工件成像在CCD光敏元上。由于被
测工件与背景在光强上的交化反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸在分界处会
有明显的电平变化，通过二值化处理电路把CCD视频信号中的图像尺寸部分与背景
部分分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的方法很多，一般采用硬件电路实
现。无论采用哪种信号处理方式，都是为了从CCD的输出信号中提取真正表示被测
工件边界的特征点，这是保证测量精度的关键，常采用浮动阈值法和微分法。
浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信
号的幅值浮动。这样，当光源强度变化引起CCD的视频信号起伏变化时，可以通
过电路将光源的起伏或CCD视频信号的起伏反馈到阈值，使阙值电位跟着变化，
从而实现方波脉冲的宽度基本不变。
浮动二值化电路的浮动量需要根据光源及背景光的影响进行适当调整，但理想的
完全能够消除光源不稳定所带来的误差是很困难的。想办法找到CCD视频信号中
被测工件的影像的边界特征进行二值化是更为理想的二值化方法。
微分法是基于真正代表被测工件边界的特征点处，被测工件的边缘是通光和挡光
的交界点理论上该处的光强变化率最大，由高等数学的知识知道，在拐点处，电
压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。
线阵CCD尺寸测量的应用方法总结：
采用CCD器件进行尺寸测量时随着被测尺寸大小的不同，所采用的检测方案也有
所不同。将被测尺寸大小按照CCD器件芯片感光面长度b进行分类：
(1)微小尺寸测量：L≤1mm
当被测尺寸L≤1mm时，如果采用通过光照，直接读出反映被测尺寸大小的电荷信
号的测量方法，则会产生很大的测量误差。最好的测量方案是：用线阵CCD测量光
对微小尺寸工件的衍射条纹，再经过低通滤波、高速数据采集后送入计算机，通过
软件计算获得被测工件的尺寸。
(2)一般尺寸测量：1mm<L≤b
当被测工件尺寸lmm<L<b时，可以采用平行光成像法进行测量，该测量方案相对
比较简单，只需要通过计数器检测出被工件挡光部分CCD光敏区长度，即可测出
被测工件尺寸。
设CCD挡光部分所插入的计数器脉冲数为N,脉冲当量为s，则
L=Nscosθ式中，θ为平行光线与CCD光敏面法线之间的夹角。
(3)较大尺寸测量：b<L<2b
当被测尺寸大于CCD感光面尺寸时，有两种方法：一是缩小成像测量法，二是采
用CCD拼接技术测量法。缩小成像测量法与一般尺寸测量相同，这时在CCD与被
测工件之间放置一面透镜，实现被测尺寸缩小成像在CCD光敏面上，达到测量目
的。L=Ns(cosθ)／ 式中，  为透镜的放大倍数。
CCD拼接技术测量法是采用市场上的线阵CCD在显微镜下将其首尾拼在一起，实
现机械拼接，这种方法工艺简单，易于实现。然后将拼接后的CCD视为一片CCD
进行测量。
(4)大尺寸测量：2b<L
当被测工件尺寸足够大，而采用拼接CCD不能实现测量时，可以采用两套CCD
测量系统实现大尺寸工件的边缘测量，然后将两套CCD测得的工件边缘位置与
两CCD相对位置综合起来，得出被测工件的尺寸。
CCD技术的应用中的一些问题：
1．测量系统的分辨率受CCD光敏元间距的限制为了提高测量系统的分
辨率，应尽可能准确的实现边缘特征的识别、提取和处理。现有的特征信号的
处理方法有电子细分法、插值函数法、Mart算子法、模糊成像法等。这些方法
各有利弊。如电子细分法的处理速度较快，但电路较为复杂；利用Mart算子
平滑原始的图像，可以去除噪声，但容易将原有的边缘平滑掉，采取何种方法
处理更合理、更高效，还需做进一步的探讨。
2．现有的CCD测量系统主要限于简单形状、简单尺寸的测量利用CCD
实现一些形状复杂的零件的尺寸测量，是值得进一步研究的问题。