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1、用面阵CCD 测量不规则平面物体的面积1 引言在工业生产中, 经常需要对薄的、形状不规则的平面物体进行面积测量。例如, 为了对皮革或昂贵的动物毛皮进行有效剪裁, 需事先确定其最大有效可用面积。另外, 剪裁下来的面积比较小的部分, 有些有很好的应用场合, 由于挑选费工费时, 只得放弃。从资源有效利用和环境保护等角度来看, 这是必须加以解决的问题。然而, 不规则平面物体面积的准确测量, 在通常情况下是一件困难的工作, 有时甚至不可能实现。为了解决这一问题, 人们曾做了大量的研究工作。例如文献提出了一种利用线阵CCD 对不规则平面物体的面积进行自动测量的方法, 与人工测量相比, 无论是测量精度还是测
2、量效率都得到了很大提高。该方法中, 利用透镜将待测物体成像到线阵CCD 上, 通过机械扫描把其像分解成许多行, 通过积算各行中物体的像所占的象元数, 再考虑到光学系统的放大倍数, 即可计算出面积。由于线阵CCD 具有分辨率高的特点( 可达几千个象元) , 这种方法易于达到比较高的测量精度。但其缺点是测量速度不够快( 10s) , 同时设备比较复杂, 需要扫描控制电路、驱动传送机构等。该方法的适应性也不够强。另外, 镜头离物体的远近与扫描速度必须事先确定, 不能任意调整。本文提出一种运用面阵CCD 图像传感器实现对不规则平面物体进行面积测量的方法。该方法也可以实现测量自动化, 但由于利用面阵CC
3、D 可以在约40ms 内获得不规则物体的整体图像, 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。2 测量原理如图1 所示, 利用透镜将不规则平面物体成像到面阵CCD 上, 其像实质上是二维的点阵, 各点灰度不同。面阵CCD 及其驱动电路将各点的灰度转换成电信号依次输出, 再经A/ D 转换卡, 得到数值化的二维灰度数据。经计算机处理后得到一个阈值, 积算灰度值大于( 或小于) 该阈值的点数, 再乘以一个比例系数即可获得其面积。对模拟信号进行数值化有两种方法：一种是根据给定的阈值对模拟信号进行二值化处理, 硬件简单,也很容易积算物体的像所占的象元数。但是, 这种
4、方法要求环境光稳定不变, 或者利用硬件产生随环境光动态改变的阈值。第二种方法是采用高速CCD 视频数据采集电路进行多位A/ D 转换, 获得多灰度级的数值信号。第二种方法使得可以利用硬件或软件确定阈值。如果仅仅是为了测量面积, 可以主要利用硬件实现, 不用记录各点灰度值, 能够提高测量速度。二值化处理时, 可以利用一个计数器对输出中的“1”或“0”计数, 之后再乘以一个比例系数即可。多位A/ D 转换时, 则可设置n 个计数器( n 等于灰度等级数) , 分别对输出中的不同灰度出现的次数计数。之后可以根据给定的阈值, 把编号大于或小于该阈值的计数器的计数值加起来乘以一个比例系数。但是, 很多情
5、况下可能还需要进一步的处理。比如需要根据不规则平面物体的轮廓, 对其充分利用加以指导; 需要在一大块杂色的毛皮上裁剪比较纯正的一块等。这就要求记录各点的灰度值, 根据阈值提取轮廓信息, 根据二维灰度数据确定裁减区域等。因此, 我们决定采用第二种数值化方法, 并记录各点的灰度值, 而后利用软件确定阈值并计算面积。3 实验结果实验装置如图1 所示, 其中面阵CCD( 摄像头) 型号为WV- CP410/ G, A/ D 转换卡为CA6300 图像卡,计算机为奔腾133。需要说明的是, 计算机的使用, 不仅方便了对大量数据的存储和处理, 也方便了调整成像系统的放大倍数, 特别是保证不超出测量范围。当
6、需要调整时, 切换到监视状态, 调焦使图像清晰并处于测量范围之内。然后切换到测量状态, 即可进行测量。测量对象为白纸裁成的不同大小的长方形、三角形, 具有较高的灰度值。背景采用了一块灰度不太均匀的三合板, 具有较低的灰度值。照明条件为: 室内自然光与日光灯混合。图1 实验装置示意图另外, 为了研究透镜畸变的影响, 实验中使用了两个镜头: f = 50mm、9. 1度的长焦距小角度镜头和f =3. 5mm、67度的短焦距广角镜头。使用短焦距镜头, 可以让面阵CCD 距离物体很近, 即使面积小到2cm2 的物体, 所占象元数也可达到面阵CCD 象元总数( 768 *576) 的2/ 3 以上。当然
7、, 其畸变比较大。用长焦距镜头时, 面阵CCD 与物体之间的距离最小约50cm, 同样面积物体, 只占象元总数的1/ 8。当然, 其畸变比较小。在某些场合, 例如当面阵CCD 与物体的距离不能太大时, 就应该考虑采用短焦距镜头, 而利用软件来补偿其畸变。我们采用的是由软件确定阈值的方法。CA6300 图像卡对面阵CCD 的图像信号进行A/ D 转换后, 可以得到各点的灰度值, 灰度级为256 级。如图2 所示为某一次测量的灰度直方图, 说明无论是背景还是被测对象的灰度分布范围都比较宽。图3 所示为图2 的局部放大,说明背景和被测对象的灰度分布可能有重叠。此时由软件确定阈值是相当困难的。如图4
8、所示为对灰度直方数据经过低通滤波后画出的曲线, 此时很容易确定两个峰的位置, 我们取其中间位置作为阈值。图2 灰度直方图图3 灰度直方图的局部放大比例系数通过标定得到。当面阵CCD 与被测对象之间的距离改变后, 通过调焦使图像清晰, 随后测量一已知面积的物体, 由计算机自动计算该条件下的比例系数。然后测量其它物体。由于图像数据的获得非常迅速, 而所有的数据处理都由计算机自动进行, 单次测量所用的时间不超过1s。图4 低通滤波后的灰度直方数据曲线测量结果如下列表所示。表中将测量值与人工测量值进行了比较, 误差一般不超过1. 5%。表1 用f = 50mm 镜头对矩形平面物体的测量结果表2 用f
9、= 3 5mm 镜头对矩形平面物体的测量结果表3 用f = 35mm 镜头对三角形平面物体的测量结果4 误差分析采用CCD 对不规则平面物体进行面积测量时, 影响测量精度的因素有许多, 下面逐一进行分析, 并比较采用线阵CCD 和采用面阵CCD 的不同。41阈值的影响阈值用来区分物体和背景, 是影响测量精度的一个主要因素, 取值必须准确。影响阈值的主要因素是环境光的变化。环境光的改变可以分解为两个分量: 其中第一个分量来源于环境光在较长时间内的缓慢改变, 例如黄昏与正午或者阴雨天与晴朗天的不同; 第二个分量来源于环境光在短时间内的快速改变, 例如日光灯等
10、光源受市电影响的改变。第二个分量使得利用硬件产生动态改变的阈值存在困难, 因为还要求它在一个扫描行内( 线阵CCD) 或一帧图像内( 面阵CCD) 保持不变。当采用线阵CCD 进行面积测量时, 影响阈值的主要是第二个分量。这是因为机械扫描时间比较长, 扫描每一行时可能都不一样, 而且在整幅图像扫描期间,可能有许多周期的改变。这也使得利用软件确定阈值变得比较困难。当采用面阵CCD 时, 影响阈值的主要是第一个分量。这是因为, 当采用商用的面阵CCD 时, 其场频为50Hz, 和市电的频率相同, 尽管一帧图像的两场不是同时获得, 但每场内光强的平均值相同, 因而第二个分量的影响大大减小。另外, 由
11、于商用面阵CCD 摄像头具有AGC( 自动增益控制) 功能, 也使得第一个分量的影响大大减小。42 被测对象和背景的对比度以及灰度分布范围的影响被测对象和背景的对比度越高, 越易于确定阈值,也就越易于提高测量精度。被测对象和背景的灰度分布范围越小, 越易于提高测量精度。但是, 虽然背景的灰度比较容易控制。被测对象却无法控制。特别是,很可能出现背景的灰度分布和被测对象的灰度分布有重叠。在这种情况下, 只有根据被测对象的拓扑信息,把背景和被测对象区分开来, 从而提高测量精度。而要进行这一工作, 无疑需要记录各点的灰度值, 并进行大量的计算。43 被测对象的像所占象元数的影响当被测对象太小或成像系统
12、的放大倍数太小时,被测对象的像所占象元数太少, 就可能产生比较大的误差。被测对象的大小可能变化很大, 这就要求成像系统的放大倍数能够动态变化, 使得较大的物体不超出测量范围, 较小的物体又能够占足够多的象元。要作到这一点, 使用线阵CCD 就比较困难, 因为还要调整扫描速度、比例系数等。使用面阵CCD 则相对容易, 只需在改变后随时测量一个已知面积, 标定一下比例系数即可。44 两相邻扫描行的间距的影响当采用线阵CCD 时, 理论上要求像的一次移动等于CCD 象元的横向尺寸a ( CCD 象元实际上是a * a的正方形) 。但这比较难以作到, 需要相当精密的驱动传送控制。特别是当固定CCD 而
13、移动被测物体实现扫描时, 移动速度和成像系统的放大倍数必须密切配合。但是, 采用面阵CCD 时不存在这个问题。45 透镜畸变的影响当成像透镜的畸变比较大时, CCD 的每个象元所对应的面积将出现较大的差异, 如果简单地对被测物体的像所占的象元计数再乘以一个比例常数, 就会产生比较大的误差。而普通镜头的畸变是比较大的。为了实现高速度、高精度测量, 只有采用价格昂贵的无畸变透镜。但是, 当对测量速度要求不是很高时, 通过软件补偿, 也即采用加权求和, 可以减小透镜畸变的影响, 从而可以采用廉价的普通透镜。根据实验结果, 总的来说, 采用短焦距镜头产生的误差要比长焦距镜头大, 因为还没有对镜头的畸变
14、进行补偿。一般来说, 视场中心附近畸变较小, 远离视场中心的地方畸变较大。从表2 和表3 可以看出, 当被测对象不太大时, 成像在视场中心附近, 误差较小。但是, 当成像过小时, 畸变的影响成为次要因素, 被测对象的像所占象元数的影响成为主要因素, 误差反而增大, 这可以从表1 看出。5 结论由于采用了面阵CCD, 测量非常迅速。如果再对畸变加以补偿, 误差完全可能控制在0. 5% 以内甚至更小, 能够满足一般应用的要求。本测量方法也允许被测对象移动( 只要速度不是太快) , 应用到一般的生产线上无须对其加以调整。另外, 本方法对环境光的稳定性要求也不高。因此, 利用面阵CCD 对不规则平面物
15、体进行面积测量, 具有测量速度快, 测量精度高, 适应性强等特点,具有广泛的应用前景。6 总结本文主要介绍了MCA7707 的补偿原理及其开发和应用, 经开发、应用、设计、调试和反复实验, 证明利用MCA7707 对硅压阻传感器进行补偿是切实可行的。通过对该装置的研究和实验, 我们成功地开发出能够把用户传感器补偿到较好效果的应用装置, 其功能指标可达到预定要求。该装置可脱离MCA7707 仿真装置和计算机, 用一片外部EEPROM 对特定传感器进行实时补偿, 具有很高的实用价值, 可以在实践中推广和应用。参考文献1 关胜晓. 不规则形体面积的CCD 测量研究. 仪表技术与传感器,1998; (
16、 11) : 31 34.2 刘晓昌. 线阵CCD 高精度检测技术. 仪表技术与传感器, 1993; ( 3) : 6 8.3 张春华等. 直方图累积器( ( 一个图像处理硬件. 光电工程, 1992; 19( 2) : 57 62.4 余瑞芬主编. 传感器原理. 北京: 航空工业出版社, 1995.5 李永敏主编. 检测仪器电子电路. 北京: 西北工业大学出版社, 1994.6 MCA 公司原文资料.7 方佩敏编著. 新编传感器原理应用电路详解. 北京: 电子工业出版社, 1994.8 IC 速查手册2300 种LC. 1991.9 IC 速查手册1000 种运算放大器. 1992.10 IC 速查手册600 种D/ A、A/ D. 1994.一种新型智能传感器在1999 年美国克利文兰传感器博览会上, 美国太平洋光学公司( Ocean Optic Inc) . 展示了一种叫作FOXY的新型光纤氧传感器, 它和光纤光谱仪连接, 对溶解氧及气态氧浓度进行光谱分析。每一套FOXY 传感器包括光纤探头, 一个兰色发光二极管, 脉冲光源可在470nm 激励, 一根分叉光纤组件, 一个连接套筒及一套001FOXY氧传感器, 工作面用于实时测量。据报道, 这种低功率便携式器件可提供高的灵敏度, 高的可逆性及高的稳定性,是一种新型智能光纤氧传感器。
