第2章 线阵CCD传感器原理与应用实验

电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Dvises）是20世纪70年代初期发现的新型集成光电传感器件，是常用的图像传感器之一。CCD 分线阵列与面阵列两种基本类型，各有不同的工作原理与特性。它们的应用为机器视觉领域的改革创新立下了汗马功劳，使机器有了获取70%以上信息的能力，加之它易于与计算机配合，使机器安装“眼睛”与“大脑”成为可能，从而自动识别与判断周边环境，为机器走向自动化、智能化的目标奠定基础。

线阵CCD传感器是将光敏单元阵列排列成一行的传感器，属于单行扫描输出的基本成像单元，如果与被扫描物体形成相对运动就能够扫描出图像。并且，它工作原理简单，输出信号速度快，易于处理，易于从中快速提取有用信息，特别适用于生产过程的“在线检测”与控制，在机器视觉领域具有举足轻重的地位。

另外，遵循由浅入深、循序渐进的学习规律，我们将CCD图像传感器的实验内容分为两章分别进行介绍：本章介绍线阵CCD的基本原理、基本特性和典型应用实验，目的是为学生深入学习 CCD的基本理论和应用提供自设实验题目，自搭实验系统，提高动手能力，开拓创新思路奠定基础；第3章介绍面阵CCD图像传感器应用技术实验。

值得提前说明的是线阵CCD 通常用于工业领域的非接触自动检测设备上，如自动化生产过程或生产线上在线非接触光电检测设备（俗称为“电眼”），非接触检测物体（工件）的尺寸、运动速度、加速度、运动规律、位置、面形、粗糙度、变形量、条码信息等。

本章共介绍9个实验，其中前2个实验属于对线阵CCD的原理与特性的认识性实验，后7个实验属于典型应用，从而了解线阵CCD在工业领域非接触测量工作中的重要地位。

几乎每个实验的后面均有相应的问题，供学生实验前、后进行思考，因此，实验前的预习是非常重要的。

2.1 线阵CCD原理与驱动特性实验

1．实验目的

①掌握彩色线阵CCD开发应用实验仪的基本操作和功能。

②掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等测量方法。

③通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其要掌握RS复位脉冲与CR1、CR2驱动脉冲间的相位关系，分析它对CCD输出信号有何影响？SH转移脉冲与CR1、CR2驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程。

2．基础知识

①学习线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》、《光电传感器应用技术》、《光电技术》等教材）；

②学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参考附录B）；

③根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与CR1、CR2的相位关系，理解线阵CCD并行转移过程中信号电荷从光积分区转移到移位寄存器的过程；

④观测CR1、CR2及CR1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的信号电荷在上述驱动脉冲作用下如何从移位寄存器串行传输的，以及复位脉冲RS的作用；

⑤阅读双踪示波器的使用说明书，掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步调整，幅度、频率、时间与相位的测量方法；

⑥掌握用计算机软件界面设置线阵CCD的积分时间与驱动频率的方法，测量在不同驱动频率与积分时间情况下的CR1、CR2、RS和SH的周期与频率，以及周期（FC）的测量方法；

⑦阅读附录C和附录D的内容。

3．实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台；

②装有VC++软件及相关实验软件的PC 1台，或光电综合实验平台1台；

③双踪同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在50MHz以上）1台。

4．实验内容及步骤

（1）熟悉示波器与线阵CCD驱动器积分时间与驱动频率实验软件

①首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V电源插座上；

②取出双踪同步示波器的测试笔（或称探头）待用；

③打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，使显示屏上的扫描线处于便于观察的位置；

④将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准信号输出端子上，进行表笔量程的校准；

⑤将LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪的电源开关闭合，指示灯被点亮；

⑥通过USB总线将实验仪与计算机或光电综合实验平台的USB输入端口相连；

⑦启动计算机，确认实验软件程序已经安装到计算机系统内，若没有安装则应按软件使用说明提示的方法F3安装实验软件程序；

⑧执行线阵CCD 原理实验软件，弹出如图2.1-1所示的执行界面，用鼠标单击“设置”，激活“积分时间”与“驱动频率”圆图，选中设置的参数，以较大数字显示在下方，然后单击“退出”，完成设置工作。

（2）驱动脉冲相位的测量

①开机后，先按图2.1-1的界面设置好线阵CCD的积分时间和驱动频率等参数，将其全部设置为“0”挡。

②将示波器测试笔 CH1和CH2分别接到实验仪面板上标注的各个脉冲端（例如CH1扫描线在上，CH2在下），然后用CH1作为同步输入，对照附录A所给出的TCD2252D的驱动波形进行下面的测试实验。

③将测试笔 CH1接到仪器面板上的转移脉冲SH输出端上，先仔细调节示波器的触发脉冲电平旋钮使示波器显示波形稳定，既表示示波器已被 SH 同步，再调节示波器的扫描频率“旋钮”或“按键”，使SH 脉冲的宽度适合观测，以能够观察到1～2个周期为最佳。然后，用测试笔 CH2分别接到仪器表面板上标有“CR1”与“CR2”字样的测试端口，观测SH与CR1、CR2的相位关系。为更清楚地观测，可以将示波器的扫描频率加快，使SH的正脉冲展宽。注意观测SH脉冲的下降沿是发生在CR1脉冲的“高”还是“低”电平的位置上？

④将测试笔 CH1移至CR1信号输出端，用示波器探头 CH2分别测量CR2、RS、CP、SP信号，观测CR1与CR2、RS、CP、SP信号之间的相位关系，注意 RS 脉冲与CR1、CR2的边沿位置（相位）关系。

⑤用测试笔 CH1探头接CP信号的输出端，用CH2探头分别测量RS、SP，观测CP与RS、SP信号之间的相位关系。

⑥将以上测得的波形与相位关系与附录B中图B2.4的驱动波形对照，分析实验仪的真正驱动脉冲与手册上所给脉冲之差异。

（3）驱动频率和积分时间的测量

①用示波器分别测量线阵CCD驱动器的4个挡位驱动脉冲CR1、CR2和复位脉冲RS的周期、频率与幅度等参数，并分别填入表2.1-1；

②观察它们之间的相位关系，尤其注意复位脉冲RS与CR1之间的相位关系，分析为什么复位脉冲RS产生于CR1由高变低之后的一段时间（结合《图像传感器应用技术》教材4.4节内容讨论）；

③在调整积分时间的过程中观测CCD的驱动频率f是否跟随变化？调整f时CCD的积分时间tint是否跟随变化？

④将CCD的驱动频率设置为“0”挡，积分时间也设置为“0”挡。用测试笔CH1测量FC（以它为同步信号），用测试笔CH2测量SH，观察两者的周期是否相同，记录FC信号的周期。在实验软件界面上用鼠标可以分别设置线阵CCD的“积分时间”和“驱动频率”，并将示波器在不同驱动频率挡和积分时间挡位下测量出来的FC周期填入表2.1-2中。表2.1-2只列出16挡，其余挡可以自行添加测量。

（4）CCD输出信号的测量

①将实验仪积分时间设置为“0”挡，驱动频率设置为“0”挡。

②用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器扫描频率，使屏上至少显示2个FC的周期波形；用CH2探头测量实验仪的彩色线阵CCD的绿色信号UG输出端子，采用遮挡部分光路的方式改变入射到CCD像面上的光强度。观察UG的输出信号应该有所变化。

③若将成像物镜大部分遮挡或全部盖住，UG的输出信号波形将变为最低的一条直线。

④保持 CH1探头的测量内容不变，调出改变积分时间的软件，调整积分时间，先逐渐增加积分时间，同时，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在积分时间改变过程中的变化情况。

⑤分别将CH1探头接至SH与FC，调节示波器使之同步，观测SH 波形和CCD输出信号波形之间的相位关系。重复上述步骤观测FC 波形和CCD输出波形之间的相位关系。比较上述两种相位关系的差异。

⑥将成像物镜恢复到初始状态（取下镜头盖），再将扫描装置拆掉（将扫描装置上的4个螺丝旋下便可将滚筒拿下），将被测圆柱物体安放到台上的圆孔（或方孔）处，调整好成像物镜的焦距，使示波器能够观测到比较陡直的输出信号波形；然后，再观察积分时间或驱动频率的变化对输出信号幅度的影响。

5．思考题

①说明RS、SP和CP脉冲的作用，输出信号与CR1、CR2周期的关系。

②在同样参数设置的情况下，彩色线阵CCD输出信号UR、UG、UB的幅度为何会出现较大的差异？差异产生的原因有哪些？

③为什么积分时间的改变会影响线阵CCD输出信号的幅度？从中能否体会出调节积分时间的意义？

④你能够测量出驱动频率与积分时间之间的关系吗？

⑤你能否观测到驱动频率的变化对CCD的暗信号电压有一定的影响？积分时间的变化对暗信号电压的影响又如何？

2.2 线阵CCD输出特性测量实验

1．实验目的

通过对典型彩色线阵CCD器件在不同驱动频率和积分时间下输出信号波形的测量，进一步掌握彩色线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CCD输出信号影响的认识，掌握驱动频率和积分时间设置的意义。正确理解彩色线阵CCD器件的光照灵敏度参数、饱和曝光量与饱和“溢出”等特性。

2．基础知识

①学习、掌握线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》、《光电传感器应用技术》与《光电技术》等教材的相关章节）。

②学习、掌握TCD2252D彩色线阵CCD的基本工作原理（见附录A中的特性参数表）。

3．实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台；

②装有VC++软件及相关实验软件的PC 1台，或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台；

③双踪同步示波器（带宽50MHz以上）1台。

4．实验内容及步骤

（1）开机

①将示波器的地线与实验仪的地线连接好，并确认实验仪、示波器和PC的电源插头均已插入交流220V的插座上。

②通过USB总线将实验仪与计算机或GDS-Ⅲ光电宗合实验平台的USB输入端口相连。

③打开计算机的电源或光电综合实验平台的计算机电源，检查计算机系统是否安装了线阵CCD实验软件，如果没有安装，请按附录D 提示的内容将软件安装到所用的计算机内，再进入线阵CCD基本特性测量实验软件。

④打开示波器电源开关，调整好示波器荧光屏上的扫描线使其在易于观察的位置上。

⑤打开实验仪的电源开关，用示波器测量CR1、CR2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与附录A中所示波形对比。应该与附录C中图C-7所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，继续进行下面实验。否则，应请指导教师检查。

（2）驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量

①将示波器CH1和CH2的扫描线调整至适当位置，设置CH1所测信号为同步信号。

②在如图2.2-1所示的软件界面菜单提示下将线阵CCD的驱动频率设置为适当的挡位，例如“0”挡；再设置积分时间的挡位，例如“0”挡。

③用示波器CH1探头测量FC 脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器显示至少为2个稳定的FC周期，用测试笔CH2测量Uo（泛指UR、UG、UB）信号宽度与幅度。

④调整CCD成像物镜镜头的光圈，观测Uo信号幅度的变化，将光圈调整至最小，使UG输出信号接近“0V”位置处于很低电平停止调整光圈，将任意测量物体插入支撑架，尺寸测量装置置于测量位置上，盖上遮光盖，然后进行下面的实验。

⑤保持示波器探头的接法不变，使示波器从始至终能够显示 2个FC 脉冲的周期，改变驱动频率，先将频率设置为“1”挡，观测FC与CCD输出信号UG的幅度。

⑥调节CCD的驱动频率至“2”挡和“3”挡，观测输出信号UG幅度的变化，记录在表2.2-1中。

（3）积分时间与对输出信号测量的影响

①保持实验仪的其他设置不变，将实验仪驱动频率的设置恢复为“0”挡，并确认积分时间的设置也处于“0”挡。

②用示波器CH1探头测量FC 脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用CH2探头测量Uo信号。

③在如图2.2-1所示的软件界面菜单的提示下，调节积分时间的设置，逐步增加积分时间，测出输出信号Uo的幅度（VH是高电平，VL是低电平）值，添入表2.2-1，并以积分时间为横坐标，以输出信号Uo的幅度为纵坐标，画输出特性曲线。当CCD出现饱和后，积分时间与输出信号又如何变化？

④改变驱动频率（即调节驱动频率设置，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。

⑤写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并用势阱理论对输出信号幅度随积分时间而变化的现象进行解释。

5．思考题

①为什么驱动频率对积分时间会有影响？

②为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对CCD的应用有何指导意义？

③进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？为什么？如果产生了“变宽”现象说明线阵CCD进入了什么工作状态？

④如果输入到线阵CCD光敏面上的光太强或积分时间太长，使线阵CCD器件工作到饱和状态，此时线阵CCD输出信号的幅度会怎样变化？

⑤观察线阵CCD进入饱和工作状态前与后输出信号的变化情况，分析线阵CCD进入饱和工作状态后的溢出情况，尤其是发生溢出后信号电荷溢出的方向，讨论这个问题对应用线阵CCD有何指导与借鉴的意义？

2.3 利用线阵CCD进行物体外形尺寸测量实验

1．实验目的

通过本实验掌握利用线阵CCD 测量非接触物体尺寸的基本原理和方法，用实例探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。

2．基础知识

线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。

CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图2.3-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。

当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，其像的光强分布使相应像敏单元载荷了被测物体尺寸信息，通过CCD及其驱动器将该信息转换为如图2.3-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以测得物体A在像方的尺寸D′，再根据成像物镜的物像关系，找出光学成像系统的放大倍率β，计算出物体A的实际尺寸为

显然，只要求出D′，就不难测出物体A的实际尺寸D。

线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线性的，因此，可用UO模拟光强分布。采用二值化处理方法将物体边界信息（图2.3-1中的N1与N2）检测出来是简单快捷的方法。有了物体边界信息便可以进行下述测量工作。

（1）二值化处理方法

图2.3-2所示为典型CCD输出信号与二值化处理的时序图。图中FC为行同步脉冲，FC的上升沿对应于CCD的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。UG为绿色组分光的输出信号即经过反相放大后的输出电压信号。为了提取UG信号所表征的边缘信息，采用如图2.3-3所示的固定阈值二值化处理电路，可以通过调节电位器R2对阈值电平进行设置，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为HT，它为方波脉冲。

再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物体在CCD像面上所成图像占据的像元数目。物体A在像方的尺寸为

式中，N1与N2为边界位置的像元序号，L0为CCD像敏单元的尺寸。

因此，物体的外径应为

（2）二值化数据采集原理

如图2.3-4所示为二值化处理原理方框图，图中计数器在行同步脉冲FC的作用下清零，即在有效像元脉冲相关的CRt到来之前计数器处于清零状态，而又不会影响对有效脉冲的计数。线阵CCD输出的视频信号经过二值化处理电路输出含有被测物外形尺寸的方波脉冲，分别控制锁存器1与2（锁存器1将脉冲的前沿计数值N1锁定，锁存器2锁定后沿N2）；通过数据总线DB计算机查询到一个CCD输出信号的行周期结束，便从锁存器1与2分别读取N2与N1，并做减法运算得到（N2-N1），再代入式（2.3-3）获得被测物体的外形尺寸。

同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图2.3-1中物体A在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A的中心位置，位置的时间函数便是运动速度，位置的重复频率是振动的频率。

3．实验器材

①线阵CCD应用开发实验仪1台

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台

4．实验内容及步骤

（1）实验内容

①建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构；

②观测二值化处理过程中CCD的输出信号；

③在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响；

④进行光学系统放大倍率的标定；

⑤非接触测量物体外形尺寸；

⑥通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因素。

（2）实验步骤

①实验准备

a.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多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。

b. 旋下旋转滚筒轴上的紧锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪的测试台组成如图2.3-5所示的尺寸测量系统；然后将被测杆件插入如图2.3-5所示的安装位置上。

c. 打开实验仪电源开关，启动计算机，运行物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹出如图2.3-6所示的界面。

图2.3-6所示界面中尽管标示了“LCCDAD-Ⅱ”字样，照样适用于“LCCDAD-Ⅱ-A型”实验仪。其中“打开”菜单用于打开原来曾保存过的数据文件，“保存”菜单用于将所测量的数据保存到指定文件夹。实验时单击“连续”菜单，仪器便执行连续采集线阵CCD的输出信号；其中“单次”是指只采集线阵CCD输出一行的信号，并将其显示在计算机界面上；“数据”与“曲线”菜单指以数据方式还是以曲线波形方式显示所采得的数据信号；“0ms”为曲线波形在计算机界面上停留显示的最短时间，以便实验者能够快速地观测到信号波形的变化，但是它不可能为“零”，它与计算机的性能有关。

②光学成像系统放大倍率β的标定

a.将直径为5mm的“试件”插入装置中，执行“物体尺寸测量实验” 软件，弹出如图2.3-6所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮。

b.在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，将显示含有被测“试件”外径尺寸信息的波形如图2.3-7所示。

c.在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度适宜观测，但是，一定不要使CCD工作到饱和状态。

d. 调整物镜的焦距使如图2.3-7所示输出信号曲线的斜率尽量陡。

e. 停止采集后，将进入如图2.3-8所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面，并在界面的底部用文字方式提示实验者应该执行的步骤，（如图2.3-8中提示的“请将标准棒插入测试槽中，观察数据曲线。”，实验者应该按着提示将Φ5的测试棒插入测试槽中）。然后根据曲线波形调节驱动频率与积分时间，使信号波形输出幅度适合测量需要（注意绝对不能使CCD输出信号波形出现“饱和现象”，否则严重影响测量精度）。如图2.3-8中设定积分时间为“6”挡，驱动频率为“0”挡时输出信号波形较为理想。

f. 选择适当的阈值。二值化阈值电平的选择原则是能够检测出物体的真正外形尺寸。例如，在图2.3-8所示输出波形上可以看出，波形幅度的一半处能够反映物体的外形尺寸信息，此处曲线的变化率也最大，为此可以选定阈值为“127”，再执行“下一步”，界面弹出下一步操作的提示。

g. 调整光学成像系统的焦距与光圈，注意观察输出信号波形，使信号波形中反映尺寸信息的变化边缘越陡成像光学系统调整得越好，测量系统的精度越高。调整好光学系统后执行下一步。

h.在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入到如图2.3-9所示的“已知值”输入框中，再执行“下一步”，软件自动计算出光学系统的放大倍率β并显示在新弹出的如图2.3-10所示的界面上；再单击“下一步”，出现 “完成”菜单，便将测得的放大倍率存入计算机内存。

标定好光学系统放大倍率后测量系统就可以对安装在指定位置上的任何物体的外形尺寸进行测量实验了，例如对仪器提供的3mm、8mm 棒材的外径尺寸进行测量实验。实际的物体外形尺寸的测量仪器都需要上述的标定过程，只有经过上述标定才能够应用于实际工程中。

也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距后，停止采集，选择“数据结果”菜单，查看线阵CCD所有单元的数据，观察相邻两个像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为N1，将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为N2，将所观察到的N1与N2的值填入表2.3-1，重复上述过程，进行多次测量后，再将测量值代入式（2.3-1），便可以获得光学系统的横向放大倍率为

式中，D为校正所用物体的直径，测量次数根据统计理论应该是奇数次，这里取7次。

③非接触测量物体的外形尺寸

a. 保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件，盖上盖。连续记下10组数据，填入表2.3-2，计算出被测件的实际尺寸。

b.将阈值电平的二进制数值设为98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表2.3-2，计算出被测杆件的直径D。

c. 再调整阈值至127，测量一组数据，填入表2.3-2，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。

d. 若调整阈值调至150，再测量一组数据，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。

e. 改变积分时间，重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，同时记录测量值的变化。

f.分别利用浮动阈值与固定阈值改变二值化的阈值电平（可以从软件界面菜单找到操作方法）后进行物体尺寸测量实验，观察、分析阈值的变化对测量结果的影响。

g. 当线阵CCD开始出现饱和状态后，再观测被测物尺寸的变化情况，进入深度饱和后测量结果有何变化？

5．思考题

①写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异？造成这种差异的原因有几点？

②固定阈值二值化测量方法有什么优点？其缺点又是什么？为什么在野外测量时一定要采用浮动阈值二值化测量方法？

③你能设计硬件浮动阈值二值化测量的具体电路吗？

④积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？

⑤如果线阵CCD已经进入饱和工作状态，试问上述实验测得的结果会如何变化？

2.4 线阵CCD的A/D数据采集实验

1．实验目的

（1）掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理。

（2）掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系。

（3）掌握本实验仪配套软件的基本操作。

（4）学习数据采集软件的编写方法和应用技巧（选做）。

2．实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台；

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台。

3．基础知识

线阵CCD的A/D数据采集的种类和方法很多，这里只介绍实验仪所采用的USB2.0接口方式的数据采集基本工作原理。

如图2.4-1所示为以高速8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的USB2.0接口方式的线阵CCD数据采集系统。它以CPLD为基本逻辑单元完成地址译码、接口控制、同步控制、逻辑控制和数据采集等逻辑功能。计算机软件通过向端口发送控制指令完成对CPLD的复位与操作。CPLD的所有操作均以行周期脉冲FC作为同步控制，以采样脉冲SP为像元同步脉冲，完成对每个像元的同步采集，A/D转换器输出的8位数字先存储在一个容量为32K的静态缓存器件SRAM62256中，待一行像元的数据转换完成后，CPLD会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器的转换工作。计算机软件在查询到结束标志信号后，读取SRAM存储器的数据，并显示数据。波形曲线当然也将数据以动态库的方式提供给用户，使用户通过自编程序扩展功能。当软件读取并处理完成一行数据后，将发送复位指令，并循环进行上述采集过程。

4．实验内容与步骤

（1）实验前的准备

①先将实验仪的数据端口和计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的USB输入端口用专用USB数据线缆连接好。

②打开计算机电源和实验仪的主机电源开关，完成系统的启动后进入下面的操作。

③A/D数据采集的基本软件安装完成后，计算机界面会以图标方式提供完成实验的所有软件，从中选择“A/D数据采集实验”软件。

（2）线阵CCDA/D数据采集系统实验

①选择 A/D数据采集实验后，计算机显示屏将显示出如图2.4-2所示的程序主界面。运用界面中的选项可以进行相应功能的操作。

②采集菜单分为“连续”、“单次”和“平均”3种方式，为调试方便，应选择连续采集方式。单击如图2.4-2所示的ms，所采集曲线的停顿时间为0s，再单击“连续”菜单，便可进行连续采集的工作方式。

③仿照实验2.2与2.3对驱动频率和积分时间等参数的设置方法进行多次设置，观测所采集信号的输出波形，使其幅度处于便于观察的位置。

④为观测由实际物体所成的图像信号，可以将被测件安放在夹具上，调节成像物镜的焦距和积分时间，使观测效果最佳；使输出的信号波形不受外部杂散光的影响。

⑤单击“保存”菜单，将A/D转换后的数据以*.txt，或*.dat数据格式保存到数据文件夹中。

⑥利用“打开”菜单，打开数据文件，显示 A/D数据采集的数据，观测每一像元的数据和整行数据的特点。

⑦观测与分析输出波形，分析输出波形与被测件的物像关系。

⑧将被测件取出，换上另外的被测件，再重复做⑤、⑥、⑦项实验，观察与分析测量结果。

（3）编写A/D数据采集连接与处理软件（选做）

①利用上面所保存的数据文件求出一行数据的最大、最小值所在的像元位置。

②利用数据文件找出信号的变化周期，分析所采数据的特点。

③根据厂家提供的接口程序（动态链接库）设计并编写出简单的功能接口软件与简单的数据处理软件。接口软件需要较好的VC++软件基础，根据情况进行选做。研究生或指导教师可以自行编写难度更高的应用软件，在该项实验中可以做更多的软件设计与编写工作。

5．思考题

①写出实验总结报告，总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，能否验证在同样的光照下输出信号的幅度随积分时间的增长而增大。

②能否用本实验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何设计这个实验？

③用线阵CCD的A/D数据采集实验能否测量物体尺寸？若能，该如何设计这个实验？

④经成像物镜、线阵CCD光电变换后，再经A/D数据采集，计算机所获得的波形会出现“变形”的现象，怎样解释该现象？“变形”产生的主要原因是什么？能否利用“变形”的输出波形非接触测量物体尺寸？你能列举出利用本实验装置所能进行的其他实验吗？

2.5 用软件提取边缘信号的二值化实验

1．实验目的

①掌握用软件提取线阵CCD输出信号UO中所含物体边界信息的两种方法。

②使用VC++语言编写简单测量软件的方法。

2．实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台；

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台。

3．基础知识

线阵CCD输出信号经过A/D转换进入计算机系统后，应用计算机测量软件提取边界信息的方法有多种，这里只介绍最基本的3种二值化测量方法。

（1）固定阈值二值化方法

用计算机软件设置二值化阈值或用计算机软件计算的方法提取边界信息进行物体尺寸测量的方法被称为软件二值化方法。用计算机软件设置二值化阈值的方法称为软件固定阈值二值化方法。其原理类同于硬件二值化数据提取方法。不同点在于硬件固定阈值二值化方法的阈值由硬件提供，软件固定阈值二值化方法的阈值由软件以数字方式提供。它比硬件固定阈值二值化提取方法更容易改变或设置阈值。在保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。图2.5-1所示为软件固定阈值二值化方法的信号波形图，其中的阈值以数字形式由软件提供。

（2）浮动阈值二值化方法

在固定阈值的基础上软件可以很方便地做浮动阈值的处理，这要比硬件的浮动阈值处理方法简单和方便得多，软件采集到一行周期Uo输出的数据后，可以根据背景光信号的强度设置阈值。该阈值可以由背景光幅值的百分比来设定，因此所设置的阈值将跟随背景光的变化而变化，即随背景光的强、弱浮动。在一定程度上消除了背景光的不稳定对测量造成的误差。另外，软件还可以采用多次平均、叠加等算法提高测量的稳定性和测量精度。

（3）微分法二值化方法

边界信息提取的第3种方法是计算输出曲线的斜率，称为微分法。《图像传感器应用技术》9.1.1节介绍了硬件二次微分的处理方法。图2.5-2所示为这种算法的波形图，线阵CCD输出的载有被测物体边界信息的电压信号UO经数据采集后送入计算机内存，该信号的一次微分结果记为UW，二次微分结果记为URW，因此，可以提取一次微分信号的峰值或者二次微分信号的过零点的像元值作为边界信息来测量被测物体的宽度。这种通过计算机软件算法的二值化方法要求CCD输出信号边缘斜率的变化显著，即曲线的边界锐利。实际上被测物体在光学成像系统良好的调焦情况下，输出信号的特性曲线确实比较锐利，而且曲线变化率最大的位置就是物体像的边缘，因此，采用软件进行微分运算更便于判断，也容易进行二值化处理。

当物体成像较为清晰时物体边界处所对应的输出信号变化很快，利用这个特点很容易从线阵CCD输出的信号中提取边界信息，完成测量工作。当然，光谱分析中的光谱信号很类似于微分后的输出波形，也经常采用这种算法计算出光谱的准确位置（或波长）。

4．实验内容及步骤

采用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所蕴含的图像边界信息，并用固定阈值法测量出被测物体的径向尺寸。

（1）二值化处理波形观测实验

①首先将实验仪的数据端口和计算机（或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台）的USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上实验仪开关。

②打开计算机电源，完成系统的启动后，确认已经正确安装实验仪软件。

③运行“用软件提取边缘信号的二值化实验”软件，弹出如图2.5-3所示的二值化软件参数设置界面，从中可以设置“积分时间”、“驱动频率”和“二值化阈值”，设定方法也是先用鼠标选定二值化阈值电平值，再单击“设置”，便将选定值存入内存，并以电压示值的方式显示在界面上（界面上红色圆点位置处的电压值）。

④完成设置后，用示波器可以观测二值化输出波形，方法是：将示波笔（探头）CH1接到同步脉冲FC上，调节示波器使波形同步，再将CH2接到彩色线阵CCD的任意一个输出信号上（例如绿色UG信号），观察并调整输出信号的幅度到适合观察的程度。

⑤将CH2改接到仪器面板上的“BIN”端口上，观察二值化后的输出信号脉冲的宽度随阈值的调整而变化的情况。

（2）固定阈值的二值化测量物体尺寸的方法

二值化测量物体的尺寸实验虽然在2.3节中已经完成，不过那时强调的是用线阵CCD 非接触测量物体尺寸的原理与方法，没有注重二值化的问题。现在讨论二值化方法，有必要重新再调出2.3节软件进行下面实验。

（3）标定光学系统放大倍率

①按界面提示的步骤先计算并调整好光学系统放大倍率，用直径为5mm的杆件作为标准测量件，并将其安装在测量夹具上。

②调出2.3节的软件，设置采集间隔为“0ms”，采集次数为10次。

③可以按 2.3节中图2.3-7、图2.3-8和图2.3-9所提示的内容和步骤测出光学系统的放大倍率β。

④再找出要测量的其他杆件（如3mm或8mm的杆件）安装到测量夹具上，并进行二值化数据采集操作，获得被测杆件的外形尺寸。

将测量结果以*.dat或*.txt格式保存到指定的文件夹中。

（4）浮动阈值的二值化测量方法

仿照固定阈值二值化测量的实验进行。在“阈值”项中应选择“浮动阈值”。“浮动阈值”的取值范围一般为20% ～ 80%，实际中“阈值”可按下式（2.5-1）进行设计：

U=(Umax-Umin)×x% +Umin

式中，U为实际所取的阈值电压，Umax与Umin为输出信号幅度的最大值与最小值，x为设定的百分比。可见，如果使用“浮动阈值”的方法，其“阈值”的实际值每次都要随环境光的变化而变化。在实际测量中，线阵CCD输出信号的峰值电压受环境光或背景光的影响，若采用固定阈值法，将使杆件外形尺寸的测量产生很大的误差，以至于无法接受；而采用浮动阈值方法，使阈值电压能够随背景光的升高而增高；反之随背景光的降低而降低；克服背景光的变化，获得满意的测量结果。本实验所用的“阈值”设定为50%的浮动量。

5．思考题

①写出实验总结报告，分析二值化和二次微分测量的特点和适用场合。

②试编写二次微分测量算法软件。（选做）

③怎样选择浮动阈值能够使测量精度更高？

④你能编写出用浮动阈值二值化测量物体尺寸的软件吗？（选做）

2.6 用线阵CCD测量物体的倾斜角度实验

1．实验目的

学习利用彩色线阵CCD 测量物体倾斜角度的方法，进一步认识影响非接触测量物体外形尺寸精度的主要因素，以及在线精确测量物体外形尺寸的技术。

2．实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台

3．基础知识

利用线阵CCD测量物体倾斜角度的方法很多，其实质都属于尺寸测量和位移量测量一类。常用的测量方法有以下两种。

第一种方法为采用单色线阵CCD的测量方法，图2.6-1中的水平粗线代表线阵CCD的像敏单元阵列，假设被测物体的轴线与像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的直径宽度为D；当该物体旋转了角度α后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为Ds。

从如图2.6-1所示的测量原理图可以推导出被测物的倾斜角度α的计算公式为

这种测量角度的方法比较简单，要求预先知道被测物体在垂直放置时的宽度，且光学系统的放大倍数不能太高。当被测物体本身的宽度D有显著变化时，会直接影响角度测量的精度。

测量角度的第二种方法实际上类似于两条具有水平刻度尺的平行线切割测量法，即用两条平行刻度尺对被测倾斜物体进行测量，计算出倾角的原理。彩色线阵CCD器件是由3条相互平行的像敏单元阵列构成的，且制造工艺保证了3条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的精度，使其中任意两行光敏单元阵列能够构成的测量系统类似于两条平行刻度尺，其像元尺寸可视为尺的分度，像元总长可视为测量范围（当然要考虑光学系统的放大倍率）。当被测物与线阵CCD像敏单元阵列所成的角度为α时，两条光敏单元阵列将测量出不同的数值，其差反映了被测量物体的倾斜角度。

假设被测物体在CCD像面上的投影如图2.6-2中灰色部分所示，R、B、G分别为彩色线阵CCD的3条像敏单元阵列。由图中可以看出，3个阵列传感器对被测物体成像后的边界是相互错开的，用分离最远的R与G 阵列传感器做测量尺，通过对R、G 阵列传感器的边界信息的提取，便可测得图2.6-2所示的偏移量S。而相邻感光单元阵列的间距为64μm，则R、G阵列的间隔距离为128μm。由此得到待测物体的倾斜角度为

彩色线阵CCD传感器相邻阵列的间距L0较宽，而同列像元的中心距l0又很小，因此，这种方法测角的精度或角度分辨率为

4．实验内容与步骤

（1）实验内容

①用单色线阵CCD测量物体的倾斜角度

②用彩色线阵CCD测量物体的倾斜角度

（2）实验步骤

①拆下图像扫描滚筒，将角度倾斜实验装置安放到测试位置，使实验仪构成如图2.6-3所示的结构。

②将实验仪的数据端口和计算机的USB端口用专用USB数据线缆连接好，并合上实验仪的主电源开关。

③打开计算机电源，系统启动后进入下一步操作。

④确认已经正确安装实验仪软件。

⑤选择“角度测量实验”文件夹，单击并弹出角度测量主界面，按界面提示的内容进行下面的操作。

⑥运行“角度测量实验”软件，远心照明光源即被自动点亮，同时弹出如图2.6-4所示的软件界面。先执行“连续扫描”菜单观测线阵CCD输出信号；调整好成像物镜的焦距使输出信号波形的两个边界处非常陡直。

⑦标定好光学系统放大倍率。

⑧在如图2.6-4所示界面上选择测量方法：“算法1”或“算法2”，计算机软件便可以按所选择的算法进行物体倾斜角度的测量。

对“算法1”，需要先将被测杆件与垂直仪器底板平行，测出它的直径D的值；然后再将它与底板倾斜一定角度，测出对应的DS值。将二者代入式（2.6-1），计算出物体倾斜的角度。

显然，“算法1”对物体倾斜角度的测量也属于二值化尺寸的测量范畴，既可以采用“固定阈值”方式又可以采用“浮动阈值”方式。

若选择“算法2”，测量系统为利用彩色线阵CCD的两条光敏单元阵列对倾斜物体进行测量的方案。从如图2.6-5所示曲线可以看出利用红、绿两条像敏单元阵列对物体所成图像进行测量。TCD2252D中的UR、UG（L0=128μm的两条光敏阵列）信号分别载有被测物体形态信息，如果物体垂直放置（倾角为零度），则两条阵列测量出的中心位置Ni相同，倾斜角度为零；如果物体倾斜一定角度，则中心位置Ni不相等，中心位置的差值S=ΔNl0便可以测量出来，而UR、UG的间距离为128μm。代入式（2.6-2）便可以测量出物体倾斜的角度α。

5．习题与思考题

①假设物体倾斜角度测量实验中所用的彩色线阵CCD像敏单元的尺寸为8μm，相邻两行像敏单元阵列宽度为64μm，如果光学系统的光学放大倍数为1.2，试分析该实验系统的测角分辨率为多少？

②在以上条件下，假设被测物体的外形尺寸宽度的变化为(8 ±0.2)mm，再分析系统测角的精度会怎样变化？为什么？

③试比较两种测量倾斜角度方法的优缺点，说明彩色线阵CCD的行间距对测量角度有何影响？怎样能够提高角度测量的精度？若采用两个平行放置的单色 CCD能否实现更高的角度测量精度？

④参考本节的角度测量实验原理，试设计用两只TCD1251D器件构成的圆形棒材直径测量系统，设平行安装的两只线阵CCD中心距为15mm，试分析其测量倾斜角度的分辨率应该能够达到多少？

2.7 条码的测量与识别实验

1．实验目的

在商场或超市的收银台很容易看到收银员利用条码扫描仪直接对商品上的条码进行扫描，以获得商品的名称、型号与单价，然后收银机将打出所扫商品的单价或总价。本实验的主要目的是熟悉条码扫描仪的基本原理，学习线阵CCD在收银机、商品流通与库管等方面的应用。

2.实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台

3. 基础知识

（1）通用商品条码的基本结构

目前世界上常用的码制有ENA条码、UPC条码、二五条码、交叉二五条码、库德巴条码、三九条码和128条码等。商品上最常使用的是EAN 商品条码。图2.7-1所示为我国商品流通中的典型条码，一般由13位数字组成，用来标明商品的国别、产地、制造厂商代码、商品代码和校验码等信息（见图2.7-2）。例如00～09代表美国、加拿大，45～49代表日本，690～692代表中国大陆，471代表我国台湾地区，489代表香港特区。EAN 商品条码分为EAN-13（标准版）和EAN-8（缩短版）两种。由13位数字码或8位数字码以及与之相对应的条码组成。数字是为识别者准备的，而条码是为机器视觉准备的。

条码下方的数字和上方的条码是对应的，计算机识别数字困难而识别黑白条或0和1容易。为此，通过黑白条的宽度和位置便可以将所表示的数字信号输送给计算机。这些黑白条称为数据符，对应最后几位数字的黑白条称为校验符。利用黑白条能够识别出商品的各种信息。

如图2.7-1所示的标准版条码的具体结构为：从左向右看去，空白后由2个细长黑条开始（起始符）、左侧数据符、中间分隔符（2个细长黑条）、右侧数据符、校验符、终止符（2个细长黑条）和右侧空白区等部分构成。前缀码的首位（数字）上方没有条码，其他数字上方均有条码。条中黑的单元称为条（有粗细之分），白的单元称为空，也有粗有细。条表示 1～1111；空表示 0～0000。条空的粗细由不同数目的模块组成。粗细分为四挡，以起始码条的宽度为一个单位，细条代表“1”，四个单位宽度为“1111”，同样，空的宽度代表“0”的个数。

左边的两个细长条、中间两个细长条和右边的两个细长条（起始符、分隔符与终止符）均具有数字意义，起始符与终止符均为101，占3个模块，而分隔符代表01010占5个模块。数据符与校验符均由7个模块组成，其二进制数如表2.7-1表示。

我国的前置码是6，由国际物品编码协会规定左侧的数据组合应为ABBBAA。右侧数据符与校验符都用C组的二进制数代表数字。

标准版的前置码不用条码表示，不包括在左侧数据符内。而缩短版的前置码要用条码表示，包括在左侧数据符内，并且左侧数据符均为A组表示，右侧数据符及校验符用C组。

（2）数字与条码的对应关系

根据我国前置码是6，中间分隔符左侧的数据符组合应为ABBBAA，中间分隔符右侧数据符及校验符应为C组。

例如：A组数字为3，B组数字为2，便可以用图2.7-3所示的条码表示。

图2.7-1所示条码的模块表示如表2.7-2所示。

（3）条码扫描的原理

商品上的信息条码被 LED或LD光源照亮，经成像物镜成像于线阵CCD的像敏单元阵列上，形成如图2.7-4（a）所示的一维时序信号，经二值化处理电路后输出如图2.7-2（b）所示的条形方波脉冲信号，它的横轴是时间轴，也是像元序号轴或空间位置轴。它包含有条的位置、宽度等信息，可以将事先编制好的信息读出来。

通过所读的信息找到相应商品的信息码，知道商品的类型、编号、产地等，再通过预先编制的软件或数据库将各类商品的质量、数量、存放地、单价、物流量与利润等多种信息编制出来，完成多种实用功能。这便是条码扫描仪的基本原理。

4．实验内容与步骤

首先对条码图形应有较为深刻的认识，然后再对条码信息的数据采集进行研究。本实验不研究如何编排条码的信息，而是介绍如何用线阵CCD数据采集系统采集条码的信息和怎样将条码所载荷的信息检测出来。

（1）搭建实验装置

将LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪上的配件（仿条码的信息图形条）安装到如图2.7-5所示的位置上，转动滚筒使条码的位置恰好被彩色线阵CCD相机所接收，信息条的明、暗图形通过成像物镜成于彩色线阵CCD的光敏阵列上，就构成了条码扫描仪的基本结构。

打开实验仪的电源开关，执行条码扫描实验软件，弹出如图2.7-6所示的实验软件主界面，在主界面的提示下进行条码的测量与识别实验。

（2）条码扫描

在图2.7-6的主界面上单击“连续”选项，显示屏上将显示含有条码信息的波形曲线，观察曲线是否进入饱和区，信号的幅度太低也无法读出条码。若有上述问题，先调整光学系统、积分时间或驱动频率的方法使输出幅度恰好满足要求。

再执行“连续”选项，将显示如图2.7-7所示的条码信息，其中上半部分为线阵CCD采集的条码的波形曲线，它既是时间函数又是条码信息的空间分布。经软件处理后得到与图2.7-1所示的信息条码图形相似的条码。测量采集的条码宽度，并以最左侧的一组黑白条的宽度为条与空的基准宽度；然后根据编码规则便可以将商品的信息代码识别出来，显示在软件界面条码值对话框中。

（3）读出条码信息内容

先将如图2.7-1所示图案的条码安装到扫描支撑架上，其包含的信息如图中下方数字符所示。在如图2.7-7所示的条码扫描实验软件主界面上单击“连续”选项，界面下方“条码值”对话框内将条码的数值显示出来；观察计算机软件读出的数值是否与条码下方标明的数值相符；若有错误，分析错误原因。

（4）找寻影响条码识别的主要因素

做完上述实验后可以进行找寻影响条码识别主要因素的实验，先调整成像物镜的调焦环，使像面离开理想像面，CCD输出信号的波形变坏，观察条码识别情况，逐渐加强直到影响识别位置。

调焦环恢复正常后，再调整光圈，重复上述采集实验观察识别情况，获得光学参数的变化对识别的影响情况。

恢复正常识别后再进行CCD参数调整对识别的影响实验，调整驱动器的参数，观察识别情况。

（5）扫描与识别其他条码实验

图2.7-8所示为国内图书的标准条码中的一种，为“十一五”国家级规划教材《光电传感器应用技术》的条码，将此教材的条码安装到如图2.7-5所示的安装位置上进行扫描，观察采样出的条码图像是否与图2.7-8相似；再利用表2.7-2的判读规则分析它的条码，读出它所表示的数字或代码，与图2.7-8所示条码下方的数字是否一致；一致说明判读正确，否则错误。分析错误发生的原因，然后对光学系统进行调整。先调整调焦环，每调整一次都要进行读条码实验；然后再进行光圈的调整，同样也每调一次测量判读一次，经5次获得正确读码和2次获得错误读码后才能算完成此项实验。

5．习题与思考题

①试找出影响条码识别的主要因素，说明 CCD的工作状态是否影响对条码的采集与识别？为什么条码扫描与识别系统中用的CCD也不能工作在饱和区？

②通过实验你能察觉到光学成像物镜对条码较宽条纹输出的幅度要比较窄条纹输出的幅度高吗？为什么？（提示：要从成像物镜的光学函数方面考虑）

③焦距的调焦程度对条码扫描与识别的影响如何？

④商场的条码扫描器对商品进行扫描时会发出“嘀”声，然后便能将商品的单价与总价输入到收款机内，试问发出“嘀”声前售货员转动条码扫描器的过程是什么？发出“嘀”声又是什么信号？

⑤能够自行设计条码编制规则吗？你能按自行设计的条码编制规则编制你所需要的条码吗？试说明自行设计条码编制规则与用自行编制条码进行信息读写工作的利与弊。

2.8 用线阵CCD测量物体的振动实验

1．实验目的

用线阵CCD 测量物体的位移及其振动是其另一个重要应用领域。测量位移与振动的基本原理和方法在《图像传感器应用技术》的11.7节，以及《光电传感器应用技术》的12.8节中都进行了详细的介绍。

2.实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或光电综合实验平台1台

3. 基础知识

实际工程上常常需要测量物体振动的振幅、频率和相位等参数。如图2.8-1所示为物体振动测量原理图。利用成像物镜对振动中的物进行成像（线阵CCD的像面），能够测量出物体的振动过程。从测出的曲线中找出被测物体像的时间函数W(t)。如果物体在振动，则W(t)为周期函数，其周期为T，它的倒数为物体振动的频率f；W(t)的最大值与最小值之差的一半应该为物体的振动幅度M。如何采集W(t)是测量物体振动的关键。

线阵CCD在驱动脉冲的作用下周期性地输出每个像元所接收的光强信息，其周期为行同步脉冲FC的周期，也称为线阵CCD的积分时间ting。在Fc的周期内利用二值化数据采集方法或A/D数据采集方法都能够测出被测物体像中心在CCD像敏面上的位置，它便是W(t)。而FC的周期或ting为采样的间隔时间t，t相当于显示曲线坐标的横轴刻度，其纵轴坐标为物体中心位置W(t)。因此，连续不断地采集物体图像中心位置便可以获得W(t)，测出物体的振动状况。

利用LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪很容易改装成如图2.8-2所示测量物体振动的实验装置。它用直流调速电机驱动偏心轮转动机构，带动被测杆件做左右方向的往复运动，其运动规律接近正弦曲线。

设杆件像在CCD像元上的位移为W′(t)，物镜的放大倍数为β，则被测物体的位移为

W(t)=βW′ (t)

由此测得被测物的振幅，并从振动波形曲线可以计算出它的振动频率和相位。

4．实验内容及步骤

（1）实验内容

测量被测杆件做正弦运动时的振动状态，画出振动波形图；根据振动波形图计算出它的振动周期、振幅与初相位。

（2）实验步骤

①将实验仪的数据端口和计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的USB端口用专用USB数据线缆连接好，合上实验仪主电源开关。

②打开计算机电源，系统启动后进入下一步操作。

③确认已经正确安装实验软件。

④将紧固扫描滚筒的螺钉拧下后取下滚筒，从备件中找到振动测量杆件并将它拧到到振动测量机构上，构成如图2.8-2所示振动测量实验装置。

⑤执行振动测量软件后，远心照明光源被自动点亮，计算机弹出如图2.8-3所示的振动测量软件界面。

⑥单击“连续”选项，观察线阵CCD的输出信号，根据输出信号波形判断是否需要调整光学成像物镜和CCD的工作参数；若 CCD的输出信号如图2.8-3所示（边沿陡直），就没必要再调整成像物镜的光圈与焦距；如果输出信号的宽度太窄，应该调整成像物镜的光圈使物体在运动过程中不会超出输出信号波形的高电平范围（视场）；如果输出信号的边界不够陡直，要调整成像物镜的调焦环，使边界的变化尽量陡直。

⑦设置适当的驱动频率与CCD的积分时间，使输出信号的幅度达到视窗的中间偏上位置，但不能进入饱和区。

⑧再设置与调整二值化电平，可以选择浮动二值化的浮动量或直接用固定阈值使阈值电平线（图2.8-3中的黄线）处于波形曲线的中间偏上位置。

⑨上述调整过程完成后便可测量成像物镜放大倍率，按着软件界面提示的内容与步骤进行操作便可计算出光学系统放大倍率。然后再选择“连续”菜单，单击执行。

⑩ 振动波形出来后，在适当时候单击“停止”菜单，将振动测量结果抄录下来，或用“保存”菜单将测量结果数据保存到相应的文件夹内。

⑪ 调整振动频率变化旋钮（实验仪工作台上的旋钮），使电机的转速发生变化，观察界面上波形曲线所反映的振动频率的变化；再单击“停止”菜单，将振动测量结果抄录下来，或用“保存”菜单将测量结果数据保存到相应的文件夹内。

测出3组以上数据后便可以结束实验。

5．习题与思考题

①分析影响物体振动测量精度的主要因素。

②在振动测量实验中采用“固定阈值”与“浮动阈值”对振动测量的结果有无影响？用不同的“固定阈值”进行实验，观察测量结果是否发生变化？

③调整拖动振动实验装置的电机转速，观察振动曲线的变化情况。然后改变线阵CCD的积分时间并观察测量结果，分析影响振动测量的主要因素是什么？

④在调整电机转速时发现振动频率与周期的确发生了变化，但是振动幅度不变，为什么？

2.9 利用线阵CCD对运动物体进行图像扫描实验

1．实验目的

在光电技术、机器视觉技术中数字图像的产生与分解是非常重要的基础知识。掌握图像的产生与分解，对于如何利用图像，从图像中解析出我们所要检测的信号，无疑是机器视觉技术最为重要的环节。本实验利用彩色线阵CCD图像传感器对彩色实物进行扫描而获得数字图像，并通过对扫描图像的解析方法、图像的形成方法和数字图像的特点等的学习，掌握数字图像的产生过程。

2.实验器材

①LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪1台

②装有VC++软件及相关实验软件的PC或光电综合实验平台1台

3.实验步骤

①首先将实验仪的数据端口和计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上实验仪的主电源开关。

②打开计算机电源，系统启动后进入下一步操作。

③确认已经正确安装实验仪软件。

④将贴好图片的扫描滚筒安装在扫描支架上，锁紧螺钉，组成如图2.9-1所示的彩色图像扫描实验装置。

⑤运行“图像扫描实验”软件，弹出如图2.9-2所示的图像扫描实验软件主界面。

⑥先单击界面中的“曲线”菜单，观察彩色线阵CCD的R、G和B输出波形曲线（在显示屏上分别用R、G、B三种颜色显示）。再根据曲线的特点决定是否对光学成像系统进行调试；如果曲线已经像图2.9-3所示边沿较陡，看上去比较“毛草”，说明已经调好了焦，图像的高频细节已经显现，就不要再调了。

⑦调试过程为：先调整光圈使其输出幅度居中偏高些，以使扫描出来的图像灰度阶更为丰富；但是不能使CCD输出信号进入饱和区，否则将出现高亮度区域偏白而无法显示图像颜色。

⑧然后再调整成像物镜的焦距，使观测到的曲线尽量陡直或如图2.9-3所示的波形显得比较毛糙（是高频分量较好的表现），表明已调试到较为理想状况；当然准确调焦后扫描出来的图像视觉效果可能并不理想，图像的细节表现明显，图像的缺陷暴露无疑。所以有时为了满足视觉效果常有意进行“离焦处理”，以便掩盖图像本身的缺陷。在产品表面质量检测中应尽量提高图像的清晰度，尽量使成像物镜调整到理想像面。

⑨当所观察到的输出波形（曲线波形）表明光学成像系统已经调好后（曲线越陡直说明光学成像系统的焦距调整得越好），信号的幅度也能满足扫描要求，便可进行下一步扫描实验了。若幅度不满足需要，则应调整成像物镜的光圈、CCD的积分时间与驱动频率等参数，使曲线的幅度达到扫描图像的要求。

⑩ 波形曲线调好后执行停止菜单，在如图2.9-2所示的菜单中选中“图像”菜单，将弹出如图2.9-4所示的图像扫描设置与控制主菜单，选中界面上的“开始扫描”菜单，执行后，扫描电机将带动滚筒转动，程序自动判断扫描起始点并进入自动扫描工作过程，并不断在界面上显示正在扫描的行数；界面上同时弹出扫描进度条，完成整幅画面的扫描后将在屏幕上自动显示出如图2.9-5所示的整幅图像。

⑪ 利用图2.9-4的“水平方向”与“垂直方向”的缩、放控制键进行x、y两个方向的缩放调整，使所显示的图像适于观看。

⑫ 用扫描界面上的“保存图像”与“打开图像”菜单能够将扫出的图像存入指定文件夹内或从指定文件夹内调出所存图像。

⑬ 改变驱动频率与积分时间的挡位，再次进行图像扫描，观察扫描出来的图像变化情况，分析图像发生变化的原因。

⑭ 调整扫描电机的转速（提高或降低），再次进行图像扫描，观察扫描出来的图像，分析扫描速度与图像质量的关系。

4．习题与思考题

①是否考虑到作者为什么将被扫描图像设计成如此图样？为什么一周要有黑白直条？为什么用了“三原色”的色条，而且每种颜色的条纹宽度都有所变化？（提示：从光学传递函数方面考虑）

②观察扫出的图像，分析中心视场亮度与边缘视场亮度情况不同产生的原因，能否提出解决的方法或方案（提示：从成像物镜的像面照度分布考虑）。

③若要扫描的对象是以速度 做匀速直线运动的物体（如钢板）表面，如何采用线阵CCD对其表面进行图像扫描？若在扫描过程中物体运动的速度发生变化，该采取什么办法进行修正才能获得更为“真实”的图像？

④实验过程中是否进行了电机转速的调整？调整转速后扫描图像将发生怎样的变化？为什么？

⑤能否利用实验仪提供的动态链接库函数自己编写出与扫描图像有关的软件程序（包括视场亮度分布的修正与色彩调整等）？

⑥通过本实验，你能在哪方面有所提高？该实验内容涉及哪些相关课程？你认为该实验还应增添哪些实验内容？

⑦如果已知 TCD2252D器件的自扫描方向和图像在CCD像敏面上的机械扫描方向，且知彩色线阵CCD的色彩排列顺序，其间距为64μm，试问机械扫描对图像在运动方向上的分辨率是否产生影响？如何克服这种影响才能获得更高的分辨率和更真实的彩色图像？（提示：只需进行理论方面的讨论，说明方法、技术路线，如有条件可作为毕业设计课题）

⑧能否发现灯的颜色对图像色品的影响？ DEMO软件界面设置色条的意义何在？