圖像處理方法在衍射圖樣分析中的應(yīng)用研究

1、畢 業(yè) 論 文題目： 圖像處理方法在衍射圖樣分析中的應(yīng)用 研究學(xué) 生： 李金珍 學(xué) 號： 201112020104 學(xué) 院： 理學(xué)院 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 指導(dǎo)教師： 閆友房 2015 年 6 月 15日畢業(yè)論文任務(wù)書理學(xué)院 應(yīng)用物理學(xué) 專業(yè) 物理111 班級 學(xué)生： 李金珍 題目： 圖像處理方法在衍射圖樣分析中的應(yīng)用研究 畢業(yè)論文從 2015 年 3 月 9 日起到 2015 年 6 月 21 日課題的意義及培養(yǎng)目標： 衍射圖樣含有衍射物的各種信息，在較廣泛的圓孔衍射中并沒有考慮到衍射屏的厚度及衍射激光斜照射到有厚度的衍射屏的衍射圖樣所發(fā)生的變化，并與直照射的衍射圖樣作比較，通過先了解圓孔衍

2、射基本實驗，熟悉光路，熟悉實驗操作，對所得圖樣進行多組采集，最后通過 MATLAB的學(xué)習(xí)對所得圖樣進行增強、取均值濾波圖、灰度圖、光強分布等多種方法進行分析研究。 通過課題的研究，學(xué)生首先可以更熟悉圓孔衍射實驗并用CCD采集圖像，對MATLAB操作更加熟練，更重要是在實驗中找出不斷發(fā)現(xiàn)新問題并積極解決。 論文所需收集的原始數(shù)據(jù)與資料：1 伽塔克.光學(xué)（第四版）M.北京:清華大學(xué)出版社,2013:351-353. 2 劉景峰,李艷秋.移相式點衍射干涉儀的幾個關(guān)鍵技術(shù)J.儀器儀表學(xué)報,2007,28(4):21. 3 周品.MATLAB圖像處理與圖形用戶界面設(shè)計M.北京:清華大學(xué)出版社,2013:

3、1-3. 4 Holly Moore. MATLAB實用教程（第二版）M.北京:電子工業(yè)出版社,2010:1-4. 5 鄧巍,丁為民.MATLAB在圖像處理和分析中的應(yīng)用D.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,2013. 6 Holly Moore. MATLAB實用教程（第二版）M.北京:電子工業(yè)出版社,2010:4. 課題的主要任務(wù)（需附有技術(shù)指標分析）：1. 通過前期資料的搜集、整理、寫開題報告； 2. 掌握圓孔衍射的理論和實驗部分的相關(guān)知識； 3. 研究有厚度孔的衍射屏形狀和衍射圖樣的相關(guān)內(nèi)容； 4對MATLAB加強練習(xí)，熟悉相關(guān)操作。 論文進度安排及完成的相關(guān)任務(wù)（以教學(xué)周為單位）：周 次論文

4、任務(wù)及要求1-3收集的相關(guān)資料4-5整理資料，寫開題報告，開題答辯6-8編寫論文大綱和相關(guān)內(nèi)容具體分支，做實驗9-11做實驗并匯總資料進行分析12-14撰寫研究論文15準備答辯 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師： 教研室主任： V圖像處理方法在衍射圖樣分析中的應(yīng)用研究摘 要對于光的衍射，由于可見光的波長很短，以及普通光源是非相干的面光源，這使光的衍射現(xiàn)象不易為人們所覺察，對此實驗室更加廣泛的研究光的衍射，在實驗室中以縮小狹縫寬度、減小圓孔的直徑使衍射圖樣更加清晰，但是，在得到較清晰圖樣過程中，忽略了衍射屏厚度對衍射圖樣的影響。本課題主要研究基于實驗室中的任何一個衍射屏都是有厚度的，并且在實驗過程中未必能保

5、證衍射屏和光線是完全垂直的，所以通過改變衍射屏與入射光線的角度來研究衍射屏厚度對衍射圖樣的影響，故研究圓孔的厚度對衍射圖樣的影響是提高光學(xué)衍射儀器的有力做法。主要通過CCD對衍射圖樣的采集和MATLAB圖像處理中的灰度變換、邊緣提取、光強分布等方法的結(jié)合使用對采集的圖樣進行分析和研究。關(guān)鍵字：圓孔衍射，衍射屏厚度，CCD采集，MATLAB圖像處理The Research of Analysis Method in Diffraction Pattern AnalysisABSTRACTWith regard to diffraction of light, due to the very sh

6、ort wavelengths of visible light, and light source is the presence of coherent light source make light diffraction phenomenon is not easy to perceive, In this lab more extensive study of the diffraction of light, narrow slit width in the lab, reducing the diameter of the circular aperture diffractio

7、n pattern more clearly. But in the process of get clear pattern, ignore the influence of diffraction thickness on the diffraction pattern. Any of this topic research based on the laboratory are the thickness of the diffraction screen, and in the process of the experiment do not ensure the diffractio

8、n screen and the light is completely vertical, so by changing the diffraction screen and the Angle of the incident light to study the influence of the diffraction screen thickness of diffraction pattern, therefore, to study the effect of the thickness of the round hole on the diffraction pattern is

9、to improve the powerful approach of optical diffraction instrument.Mainly through CCD of the diffraction pattern and the MATLAB image processing method of gray-scale transformation, edge detection and so on the acquisition of pattern analysis and research.Key words: circular hole diffraction, the th

10、ickness of the diffraction screen, CCD collection, MATLAB image processing目 錄摘要 ABSTRACT 1 緒論 11.1 引言 11.2 課題背景及意義 12 圖像處理方法概述 32.1 圖像處理方法發(fā)展史 32.2 MATLAB圖像處理特點 32.3 MATLAB圖像處理的應(yīng)用 42.3.1 航天和航空方面 42.3.2 生物醫(yī)學(xué)工程方面 42.3.3 通信工程方面 52.3.4 工業(yè)和工程方面 52.3.5 軍事公安方面 62.3.6 機器人視覺 62.3.7 林業(yè) 63 理想孔的理論計算與模擬圖樣 83.1 理想

11、圓孔的理論計算 83.2 理想圓孔的MATLAB模擬 83.3 理想橢圓孔的理論計算 103.4 理想橢圓孔的MATLAB模擬 104 衍射實驗 12 4.1 圓孔衍射實驗 124.2 圓孔衍射CCD圖像采集 145 圖像處理 175.1 厚度aa1衍射圖樣的圖像處理 175.2 厚度aa2衍射圖樣的圖像處理 205.3 同一角度、不同厚度衍射孔的衍射圖樣處理 215.4 圖像處理分析 245.4.1 對于某一厚度的不同角度衍射圖樣的分析 245.4.2 不同厚度同角度衍射圖樣的分析 256 總結(jié) 26致謝 28參考文獻 29附錄 30附錄 31附錄 3233圖像處理方法在衍射圖樣分析中的應(yīng)用

12、研究1 緒論1.1 引言第一個提出衍射現(xiàn)象的是達·芬奇的著作，意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家F.M.格里馬爾迪在17世紀首先精確地描述了光的衍射現(xiàn)象，150年以后，法國物理學(xué)家A.J.菲涅耳于19世紀最早闡明了這一現(xiàn)象1。實驗室里為了觀察衍射現(xiàn)象，總是由光源、衍射屏和接收衍射圖樣的屏幕(稱為接收屏)組成一個衍射系統(tǒng)。為了研究的方便，通常根據(jù)衍射系統(tǒng)中三者的相互距離的大小，將衍射現(xiàn)象分為兩類，一類稱為菲涅耳衍射，另一類稱為夫瑯禾費衍射。通常實驗室進行的是夫瑯禾費衍射，無論是哪種衍射，肉眼在衍射接收屏上的觀察都是不準確、不細微的，任何小的變化引起的圖樣的變化有時肉眼難以觀察并作出相關(guān)結(jié)論，進而

13、考慮到在實驗室未考慮衍射屏厚度對衍射圖樣的影響和肉眼的難以觀察，基于為提高目前更多的新型干涉衍射儀精度，考慮到衍射屏的厚度對衍射圖樣的影響，課題主要研究有厚度的衍射屏的衍射圖樣特點及對圓孔衍射圖樣的影響。本課題基于MATLAB一款成熟的軟件，高效的數(shù)值計算及符號計算功能的同時具有完備其他軟件沒有的強大的圖像處理功能（例如圖像的光照處理、色度處理以及思維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視性，也具有出色的處理能力，對一些特殊的可視性要求（例如圖像對話等）可繪制色彩絢麗的二維、三維圖像，使研究結(jié)果更具有可視性與直觀性。1.2 課題背景及意義在圓孔衍射或者狹縫衍射實驗中忽略了狹縫的厚度，實際狹縫

14、是有厚度的，該課題是用實驗改變圓孔與光線的夾角用CCD進行采集圖樣，最后用MATLAB編程進行濾波處理，作出灰度圖、光強分布圖等，結(jié)合各種方法分析衍射圖樣。對于用到的圖像處理方法在工業(yè)上也有應(yīng)用，如在激光拼焊中，背面焊縫成形質(zhì)量直接影響焊件的機械性能，首先通過開窗處理來獲得興趣區(qū)域，采用中值濾波去除圖像噪聲；其次使用迭代自動閾值法分割出結(jié)構(gòu)光；在結(jié)構(gòu)光條紋中心線提取過程中，提出了一種新的模板法獲得了條紋的邊界并用幾何中心法提取了條紋中心線，然后，將斜率分析法引入到條紋中心線特征點檢測中并獲得了中心線上的一系列特征點，最后通過背面焊縫的圖像序列，計算獲得了背面焊縫不同位置處的幾何參數(shù)及缺陷值。在

15、現(xiàn)在的光學(xué)器件中對小孔的厚度和不圓度有所研究和試驗。點衍射干涉儀作為一種新型干涉儀，由于其結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高等特點而被廣泛的關(guān)注和研究。由點衍射干涉儀的基本原理可以知道，要想獲得較高的檢測精度就需要一個理想的參考波面，因此制約干涉儀檢測精度的關(guān)鍵元件之一是小孔，小孔的好壞直接決定了檢測結(jié)果的好壞。基于入射光波為可見光，結(jié)合小孔自身及其加工誤差，小孔的各種屬性對衍射波面誤差影響的分析。根據(jù)小孔自身和加工過程中產(chǎn)生的誤差對衍射波面進行了仿真分析，分別從小孔的孔徑尺寸、制作小孔的材料厚度、小孔的不圓度和小孔的傾斜度等屬性入手，分析了衍射波面的誤差，為點衍射干涉儀檢測誤差的分析提供部分參考。相移點衍

16、射干涉儀（PSPDI）的檢測精度取決于衍射板中針孔衍射產(chǎn)生的參考球面波質(zhì)量，而針孔的直徑是影響參考球面波質(zhì)量的一個重要因素2?；谑噶垦苌淅碚?，以會聚光束作為入射光，分析針孔厚度和直徑、加工誤差以及入射光源單項像差和綜合像差對衍射波面質(zhì)量的影響也是非常重要的。基于以上對圖像處理方法的應(yīng)用和對小孔衍射的小孔的研究，該課題會對以圓孔為對象的小孔衍射進行小孔厚度和小孔角度對衍射圖樣做分析和研究。光學(xué)是一門建立在實驗基礎(chǔ)上的科學(xué)，但是由于受到實驗條件的限制，有的實驗很難現(xiàn)場演示，利用計算機模擬仿真能克服部分限制條件，又可以直觀地反映實驗現(xiàn)象，在模擬的過程中可以通過不同的算法，實現(xiàn)高精度的計算，從而能夠

17、比較好地反映物理現(xiàn)象，計算機模擬演示還能夠做到隨意變動實驗參數(shù)，在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)反映不同條件下的實驗現(xiàn)象和結(jié)果，動態(tài)直觀地展現(xiàn)各種物理量之間的關(guān)系。2 圖像處理方法概述2.1 圖像處理方法發(fā)展歷程最早出現(xiàn)于20世紀50年代的圖像處理的目的是以人為對象改善圖像的質(zhì)量，以改善人的視覺效果為目的，圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強、復(fù)制、編碼、壓縮等，首次獲得實際應(yīng)用的是美國噴氣推進實驗室（JPL），他們對航天測探器徘徊者7號在1964年發(fā)回的幾千張月球照片使用了圖像處理技術(shù)，如用幾何校正、灰度變換、處理噪音等方法進行處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)

18、境的影響，由計算機成功的繪制出月球表面地圖，獲得了巨大成功，隨后又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進行了更為復(fù)雜的圖像處理，得出了月球地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅實的基礎(chǔ)，也推進了數(shù)字圖像的處理這門學(xué)科的誕生，在以后的宇航空間（如對火星、土星等星球的探測研究）中，數(shù)字圖像處理都發(fā)揮了巨大作用，圖像處理取得的另一個巨大成果就是在醫(yī)學(xué)上獲得的成果，1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影裝置，也就是通常所說的CT(Computer Tomograph)。其是根據(jù)人的頭部截面的投影經(jīng)計算機處理來重建截面圖像，稱為圖像重

19、建。1975年GMI又成功研制出全身用的CT裝置，獲得人體各個部位鮮明清晰的斷層圖像。1979年，這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，說明他對人類做出了劃時代的貢獻，與此同時，圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大開拓性成就，屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測、機器人視覺、公安司法、軍事指導(dǎo)、文化藝術(shù)等，使圖像處理成為一門引人注目、前景遠大的新型學(xué)科，隨著圖像處理技術(shù)的深入發(fā)展，從20世紀70年代中期開始，隨著計算機和人工智能、思維科學(xué)的研究的迅速發(fā)展，熟悉圖像向更高、更深層次發(fā)展，人們開始研究如何用計算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺的系統(tǒng)對外部世界的理解，被成為圖像

20、理解或計算機視覺。很多國家特別是發(fā)達國家投入了更多的人力、物力到這項研究中，取得不少重要的研究成果，其中最具有代表性的研究成果是20世紀70年代末MIT的Marr提出的視覺計算理論，這個理論稱為計算機視覺領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)理論。圖像處理雖然在理論方法研究上取得不小的進展，但他本身是一個比較難的理論領(lǐng)域，并存在不少困難，因人類本身對自己視覺過程還了解甚少，因此計算機視覺是一個有待人們進一步探索的新領(lǐng)域3。2.2 MATLAB圖像處理特點一個圖樣里包含多方面信息和數(shù)據(jù)，對其做人工計算工作量極大并且不能得到直觀的表象，但MATLAB對于可見光圖像和不可見波譜圖像的無論是否可見光，對于電子顯微鏡圖像

21、和天文望遠鏡圖像，無論尺寸大小，其信息源的圖像只要被轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼形式后，均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像組合而成的，只要針對不同的圖像信息源，采取相應(yīng)的圖像信息采集措施，對圖像進行變換、增強、復(fù)原、分割等方法對圖像進行分析和處理。數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于，它不會因圖像的存儲、傳輸或復(fù)制等一系列變換操作導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時準確地表現(xiàn)了原稿，則數(shù)字圖像處理過程始終能保持圖像的再現(xiàn)；按目前的技術(shù)，幾乎可將一副模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這主要取決于數(shù)字圖像化設(shè)備的能力，現(xiàn)代掃描儀可將每個像素的灰度等級量化為16位甚至更高，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達到滿足任

22、一應(yīng)用需求。對計算機而言，不論數(shù)組大小，也不論每個像素的位數(shù)多少，其處理程序幾乎是一樣的。換言之，從原理上講，不論圖像的精度有多高，處理總是能實現(xiàn)的，只要在處理時改變程序中的數(shù)組參數(shù)就可以了。圖像的模擬處理為把處理精度提高一個數(shù)量級，需要大幅度改進處理裝備，這在經(jīng)濟上是及不合算的；圖像可以來自多種信息源，可以是可見光圖像，也可以是不可見的波譜圖像（例如X射線圖像、射線圖像、超聲波圖像或紅外圖像等）。從圖像反映的客觀實體尺度看，可以小到電子顯微鏡圖像，大到航空照片、遙感圖像甚至天文望遠鏡圖像。這些來自不同信息源的圖像只要被變換為數(shù)字編碼形式后，均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像（彩色圖像也是由灰度圖像

23、組合成的，例如RGB圖像由紅、綠、藍三個灰度圖像組合而成）組合而成，因而均可用計算機來處理。即只要針對不同的圖像信息源，采取相應(yīng)的圖像信息采集措施，圖像的數(shù)字處理方法適用于任何一種圖像；圖像處理大體上可分為圖像的像質(zhì)改善、圖像分析和圖像重建三大部分，每一部分均包含豐富的內(nèi)容。由于圖像的光學(xué)處理從原理上講只能進行線性運算，這極大地限制了光學(xué)圖像處理能實現(xiàn)的目標4。而數(shù)字圖像處理不僅能完成線性運算，而且能實現(xiàn)非線性處理，即凡是可以用數(shù)學(xué)公式或邏輯關(guān)系來表達的一切運算均可用數(shù)字圖像處理實現(xiàn)。2.3 MATLAB 圖像處理的應(yīng)用圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類

24、生活和工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴大。2.3.1 航天和航空方面數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了JPL對月球、火星照片的處理之外，另一方面的應(yīng)用是在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中。許多國家每天派出很多偵察飛機對地球上有興趣的地區(qū)進行大量的空中攝影。對由此得來的照片進行處理分析，以前需要雇用幾千人，而現(xiàn)在改用配備有高級計算機的圖像處理系統(tǒng)來判讀分析，既節(jié)省人力，又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報。從60年代末以來，美國及一些國際組織發(fā)射了資源遙感衛(wèi)星（如LANDSAT系列）和天空實驗室（如SKYLAB），由于成像

25、條件受飛行器位置、姿態(tài)、環(huán)境條件等影響，圖像質(zhì)量總不是很高。因此，以如此昂貴的代價進行簡單直觀的判讀來獲取圖像是不合算的，而必須采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。如LANDSAT系列陸地衛(wèi)星，采用多波段掃描器（MSS），在900km高空對地球每一個地區(qū)以18天為一周期進行掃描成像，其圖像分辨率大致相當于地面上十幾米或100米左右（如1983年發(fā)射的LANDSAT-4，分辨率為30m）。這些圖像在空中先處理（數(shù)字化，編碼）成數(shù)字信號存入磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng)過地面上空時，再高速傳送下來，然后由處理中心分析判讀。這些圖像無論是在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須采用很多數(shù)字圖像處理方法?，F(xiàn)在世界各國都

26、在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(diào)查（如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等），災(zāi)害檢測（如病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等），資源勘察（如石油勘查、礦產(chǎn)量探測、大型工程地理位置勘探分析等），農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤營養(yǎng)、水分和農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的估算等），城市規(guī)劃（如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水源及環(huán)境分析等）。中國也陸續(xù)開展了以上諸方面的一些實際應(yīng)用，并獲得了良好的效果5。在氣象預(yù)報和對太空其它星球研究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當大的作用。2.3.2 生物醫(yī)學(xué)工程方面數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十分廣泛，而且很有成效。除了上面介紹的CT技術(shù)之外，還有一類是對醫(yī)用顯微圖像的處理分析，如紅細胞

27、、白細胞分類，DNA分析，癌細胞識別，蟲卵及組織切片的分析，DSA(心血管數(shù)字剪影)及其他剪影技術(shù)，內(nèi)臟大小形狀及異常檢查，微循環(huán)的分析判斷，心急活動的動態(tài)分析，生物進化的圖像分析，此外，在超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學(xué)診斷方面都廣泛地應(yīng)用圖像處理技術(shù)6。2.3.3 通信工程方面當前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信。具體地講是將電話、電視和計算機以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通訊網(wǎng)上傳輸。其中以圖像通訊最為復(fù)雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達100Mbit/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實時傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比特

28、量7。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。除了應(yīng)用較廣泛的熵編碼、DPCM編碼、變換編碼外，國內(nèi)外正在大力開發(fā)研究新的編碼方法，如分行編碼、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼、小波變換圖像壓縮編碼等。2.3.4 工業(yè)和工程方面在工業(yè)和工程領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，如自動裝配線中檢測零件的質(zhì)量、并對零件進行分類，印刷電路板疵病檢查，彈性力學(xué)照片的應(yīng)力分析，流體力學(xué)圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些有毒、放射性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進的設(shè)計和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺等等8。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人，將會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來新的激勵，目前已在工

29、業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。2.3.5 軍事公安方面在軍事方面圖像處理和識別主要用于導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)，飛機、坦克和軍艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)等；公安業(yè)務(wù)圖片的判讀分析，指紋識別，人臉鑒別，不完整圖片的復(fù)原，以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別都是圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的例子。2.3.6 機器人視覺機器視覺作為智能機器人的重要感覺器官，主要進行三維景物理解和識別，是目前處于研究之中的開放課題。機器視覺主要用于軍事偵察、危險環(huán)境的自主機器人，郵政、醫(yī)院和家庭服務(wù)的智能機器人，

30、裝配線工件識別、定位，太空機器人的自動操作等。2.3.7 林業(yè) 隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)的日趨成熟，所用設(shè)備的普及，數(shù)字圖像處理技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)用于林業(yè)應(yīng)用研究也越來越多，涉及立木材積、葉面積、植被蓋度和固定樣地調(diào)查等多個方面。Eriellee(1988)使用非量測相機進行立體攝影測量，研究火炬松三維冠幅變化特征；宮鵬(1999)利用數(shù)字攝影測量探測草原變化。王秀美(2001)進行了數(shù)字攝影測量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用研究，建立森林照片處理系統(tǒng)，利用立體相片對的核線原理，只要在兩張照片上有影像樹木即可測定所需的樹徑、樹高、樹冠等數(shù)據(jù)。王雪峰(2001)應(yīng)用計算機立體視覺技術(shù)對

31、林分因子測定方法與技術(shù)進行研究。較為詳細地分析了單目、雙目和混合定標的三種定標算法，并給出三種三維重建的算法。馮仲科(2001)采用普通光學(xué)和數(shù)字相機，建立數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)，并對固定樣地攝影，應(yīng)用直接線性變換解法，求得待定參數(shù)，把像方空間和物方空間聯(lián)系起來，通過此攝影測量系統(tǒng)可測量樹高、胸徑、樹冠體積等，結(jié)果顯示：樹高測量的相對誤差為2%，胸徑測量的外符合誤差為1%，樹冠體積的內(nèi)符合誤差為3%，該方法可望用于森林固定樣地監(jiān)測。張青(2003)在研究樹木圖像匹配與重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了樹高、樹冠的測量。Zhou(1998)采用目視估測、樣帶法以及照相法等多種地表實測方法，估測澳大利亞半

32、干旱草地的植被蓋度。Michael(2000)利用數(shù)碼相機測量了美國新墨西哥州的半干旱生態(tài)系統(tǒng)灌木草地的植被蓋度，研究證明利用數(shù)碼相機測量半干旱生態(tài)系統(tǒng)的地表植被蓋度是可靠而有效的方法。張超(2003)根據(jù)樹干的特點，嘗試了多種在其他行業(yè)成功應(yīng)用的立體匹配算法之后，提出了適合樹干邊緣的立體匹配算法。楊華(2005)采用數(shù)碼相機獲取立木的圖像信息，對單株立木圖像信息的提取分別運用近景攝影測量技術(shù)的直接線性變換解法模型和雙目立體視覺技術(shù)進行解算，解決了立木圖像信息與立木二維坐標之間的解算問題，基于近景攝影測量技術(shù)樹木圖像信息的二維處理方法，提高了求解的運算速度。隨著數(shù)碼照相技術(shù)和圖像處理軟件的不斷

33、改進，使利用計算機系統(tǒng)測定葉面積成為可能。數(shù)字圖像測量技術(shù)廣泛用于葉面積指數(shù)測定、森林垂直分布結(jié)構(gòu)以及防護林孔隙度測算等植物生理生態(tài)研究領(lǐng)域。張壘法(2002)通過分析用CCD測量植物葉片面積時影響測量精度的各種因素，提出了利用標準物體的線性幾何畸變補償被測物體的線性幾何畸變，有效地克服像平面必須與CCD平面重臺的限制，而獲得較高的測量精度。肖強(2005)采用數(shù)碼相機獲取葉片的數(shù)字圖像，用Photoshop圖像處理軟件計算葉面積，并與目前常用的剪紙法和葉面積儀進行比較。結(jié)果表明，本方法和上述傳統(tǒng)測定方法測定結(jié)果存在極顯著的線性相關(guān)，不同拍攝分辨率、單位葉面積存儲像素個數(shù)和拍攝角度對測定結(jié)果無

34、顯著影9。3 理想孔理論計算及衍射圖樣3.1 理想圓孔理論計算對于圓孔衍射的計算，用極坐標代替直角坐標更為適當，設(shè)是孔上某點的極坐標： ， （3-1）并設(shè)是衍射圖樣上以電源幾何像為原點時p點的極坐標： ， （3-2）由p和q的定義可知，是方向夾角的正弦。設(shè)a為圓孔的半徑，則衍射積分可寫為： （3-3）根據(jù)貝塞爾函數(shù)的積分表示： （3-4）（3-3）式可化為： （3-5）此外，根據(jù)遞推關(guān)系： （3-6）取，進行積分有： （3-7）由（3-5）、（3-6）兩式即可得到： （3-8）式中，因此強度10： （3-9）3.2 理想圓孔的模擬圖像圖3-1 理想圓孔衍射模擬圖對于理想圓孔（邊緣光滑、無厚度、

35、衍射光與圓孔完全垂直）衍射，圓孔的夫瑯禾費衍射為用一個小孔來代替狹縫，當平行單色光垂直照射在圓孔上時，在透鏡上的焦平面就可以觀察到圓孔的夫瑯禾費衍射花樣。中間是一較亮的圓斑，外圍是一組同心的明環(huán)和暗環(huán)，以第一暗環(huán)為邊界的中央亮斑約占整個入射光線光強的83.8%，它的中心是點光源的幾何光學(xué)像，我們把這個中央亮斑叫做艾里斑，根據(jù)一階貝塞爾函數(shù)的零點值得到艾里斑(零級斑)的半角寬度由第一個光強極小值決定，有： （3-10）通常用角半徑（對透射中心張角）表示，即： （3-11）換成直徑表示為： （3-12）其中是光波長，D是直徑。因為： （3-13）故由函數(shù)的頭幾個極大值和極小值可知，各個暗環(huán)的半徑：

36、， （3-14）相鄰兩環(huán)的間隔漸進地趨于，可見衍射圖樣的有效尺寸反比于孔的尺寸。光強最大的地方在條紋中心，即艾里斑，基于圓孔是孔由四條邊擴展到多條邊，衍射圖樣向外擴展的方向增加。圓形相當于多邊形邊數(shù)趨于無窮的極限，圓孔的衍射圖樣過渡到一系列同心環(huán)。圓孔的半徑越小，衍射圓環(huán)擴展得越厲害，入射波長愈長，衍射效應(yīng)愈明顯。這種變化與圓孔衍射的理論公式分析同樣是符合的。3.3 理想橢圓孔的理論計算其他形狀光孔上的夫瑯禾費衍射可以用同樣的方式加以研究，如果能夠選用曲線坐標使得一坐標線與孔的邊界重合，計算將特別簡單，此處是將設(shè)有兩個相同的圓孔，將其中一個沿某一方向均勻拉伸（壓縮）時衍射圖樣的變化規(guī)律。 設(shè)和

37、是兩個這樣的孔，其中沿某一方向的尺寸是的倍。對于上的夫瑯禾費衍射可有： （3-15）同樣，對于上的夫瑯禾費衍射： （3-16）如果在上式中將積分變量改成，其中：， （3-17）則得到： （3-18）這表明，當孔徑沿某一方向按比例均勻拉伸時，則夫瑯禾費圖樣在同一方向按收縮，同時新圖樣上的各點的強度是原圖樣上對應(yīng)點強度的倍11。3.4 理想橢圓孔的模擬圖像圖3-2 理想橢圓孔衍射模擬圖根據(jù)上述分析及觀察，橢圓孔夫瑯禾費衍射圖樣為圍繞中央亮斑的一組明暗相間的橢圓環(huán)，且中央亮斑沿兩個軸向的半角寬度分別為：， （3-19）其中，a與b分別是橢圓孔的半軸長度，同時中央亮斑沿兩個軸向的半角寬度與橢圓孔半軸長

38、度成反比。此外，還可以看出，相鄰兩個暗（明）環(huán)的軸向角間距漸近于和，當橢圓孔兩個半軸趨于相等時，衍射圖樣將趨近于我們所熟悉的圓孔衍射。4 圓孔衍射4.1 圓孔衍射實驗衍射效應(yīng)使得障礙物后空間的光強分布既區(qū)別于幾何光學(xué)給出的光強分布，又區(qū)別于光波自由傳播時的光強分布，衍射光強有了一種重新分布。衍射使得一切幾何影界失去了敏銳的邊緣。所謂夫瑯禾費圓孔衍射，就是當光源到衍射屏的距離和接收屏到衍射屏的距離都是無限大時，所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。可見在夫瑯禾費衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一點的光都是平行光，夫瑯禾費衍射的條件在實驗室里可借助于透鏡（兩個透鏡組成的擴束器）實現(xiàn)。將光源放置在會聚透鏡的焦點上，則從

39、透射的光，即衍射孔的入射光就是平行光；同時將接收屏放置在會聚透鏡的焦面上，則到達接收屏上任意一點的衍射光也是平行光。光源用He-Ne激光器，由透鏡和組成氦氖激光器的擴束器（相當于倒置的望遠鏡系統(tǒng)），以獲得較大截面的平行光束（如果透鏡的焦距為，的焦距為，當調(diào)節(jié)和共焦時，其輸出平行光束的截面將增大倍），為成像透鏡，在實驗中較為復(fù)雜的是光路的調(diào)節(jié)，首先要使衍射屏到光源的距離和衍射屏到觀察屏的距離、衍射屏小孔的直徑符合衍射的基本條件，其次調(diào)節(jié)透鏡的共軸和相對位置，保證該系統(tǒng)的光束為平行光束（可通過觀察透過透鏡的光斑在觀察屏的位置和大小相對不變），先讓光線垂直照射小孔，調(diào)節(jié)，使觀察屏上出現(xiàn)清晰的衍射圖樣

40、，初步改變小孔傾斜，使其與光線入射成一定角度，在觀察屏上觀察衍射圖樣，及時觀察到清晰的衍射圖樣，由于衍射圖樣的尺寸和人眼的分辨率的限制觀察不到圓孔的特性對于衍射圖樣的影響。在實驗中，對于衍射屏首先用肉眼觀察其與衍射光線垂直，不斷改變衍射小孔與衍射光線呢的角度，在想象中會覺得衍射小孔傾斜時透射過去的光線會是橢圓，對此做了相關(guān)的分析，使對其有深刻理解和對后期課題的研究發(fā)揮重要作用。對于將厚度放大的圓孔如下，即圓柱側(cè)面：圖4-1 有厚度的圓孔模擬12（a）當衍射光線垂直入射時，由圖像可得衍射孔是圓，且圓孔的厚度對于衍射的圖樣是沒有影響的，并且衍射光對于到達衍射屏小孔的圓周上是同時的且強度相同，無光程

41、差。（b）當衍射光線斜入射到衍射屏?xí)r，對于衍射屏的圓孔也就會發(fā)生改變，不再是圓孔衍射，同時對于有厚度的小孔，衍射光到達衍射小孔的圓周面上的光程也不相同，并且不是同時達到，由此對于到達衍射小孔的圓周面上的各點的光強也不相同，對于一部分先到達，此處光強較大，對于另一部分后到達，此部分光強較小，而且根據(jù)分析其并非是簡單的橢圓或者其他形狀。而是由兩條弧線組成的圖形。 圖4-2 有厚度小孔傾斜光所透過的組成部分13對于角度逐漸增大，兩條圓弧所組成的圖像會不斷變化，其中兩條弧線逐漸變短。本次實驗主要觀察兩種不同厚度的圓孔衍射屏，其中對其進行編號表示：aa1表示厚度較厚的；aa2表示薄的，其中aa1厚度為1

42、.081mm，aa2厚度為0.401mm。4.2 圓孔衍射CCD圖像采集電荷耦合器件（Charge Couple Device）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路光電器件。它以電荷為信號，具有光電轉(zhuǎn)換、存儲、移位并讀出信號電荷的功能，CCD自1970年問世以來，由于其獨特的性能而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文及通訊等軍事及民用領(lǐng)域信息存儲及信息處理等方面，尤其適用以上領(lǐng)域中的圖像識別技術(shù)，構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)，在CCD中，信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能地減小時鐘脈沖容性地饋入

43、輸出電路的程度。目前，CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。在CCD中，電荷包是由入射光子被硅襯底吸收產(chǎn)生的少數(shù)載流子形成的，因此，它具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子可達到99.7%，由于CCD存在各種噪聲使CCD采集的圖像也存在相應(yīng)的缺陷，其中在CCD中有以下噪聲源：由于電荷注入器件引起的噪聲；電荷轉(zhuǎn)移過程中，電荷量的變化引起的噪聲14；由檢測時產(chǎn)生的噪聲。在衍射圖樣CCD采集的光路中，主要調(diào)節(jié)準直的激光，使射出的光線是平行光線，其次為使采集的圖像光強足夠，并且為后期的MATLAB處理光強分布圖像做基礎(chǔ)，在激光射出地方加一個光強衰減片，在實驗中首先將其

44、調(diào)節(jié)至可清晰看到衍射圖樣的。（a）固定衍射屏的位置，激光光強一定，確定某一厚度的圓孔衍射屏，確定為aa1厚度，不同程度的改變?nèi)肷浼す馀c衍射屏的角度對其進行多幅采集；（b）同樣上述固定衍射屏的位置，激光光強一定，換另一厚度的圓孔衍射屏，確定為aa2厚度，不同程度的改變?nèi)肷浼す馀c衍射屏的角度對其進行多幅采集；（c）同樣上述固定衍射屏的位置，激光光強一定，固定衍射屏與入射激光的某一較小角度，先采集aa1的圓孔衍射屏的衍射圖樣，再采集aa2的圓孔衍射屏的衍射圖樣，依次加大衍射屏與入射激光的角度，進行多組采集。第一組：厚度為aa1的不同角度的衍射圖樣采集： 圖4-3 厚度較厚的圓孔衍射屏不同角度夫瑯禾費

45、衍射圖第二組：厚度為aa2的圓孔衍射圖樣的采集：圖4-4 厚度較薄的圓孔衍射屏不同角度夫瑯禾費衍射圖第三組：對于同一角度的兩種不同厚度的衍射圖樣采集如下：其中第一幅圖為厚度為aa1的衍射圖樣，第二幅圖為厚度為aa2的衍射圖樣；圖像從上往下是角度依次增大。 圖4-5 同一角度不同厚度的衍射屏的夫瑯禾費衍射圖5 圖像處理對于采集到的衍射圖樣，要進行MATLAB圖像處理，首先要讀取采集到的圖像文件，在MATLAB中，圖像文件的讀取最主要的是利用函數(shù)imread()，該函數(shù)幾乎支持MATLAB中所有的圖像文件格式，在本課題的圖像處理過程中，讀取圖片用到的就是基本的、常用的調(diào)用程序I=imread(fi

46、lename,fmt)，該函數(shù)是用于讀取字符串filename指定的灰度圖像和真彩色圖像文件，其中filename是文件名，fmt是文件擴展名或文件格式15，對于本課題中CCD所采集到的圖像是bmp格式的，圖像處理上用到了灰度變換、增強、中值濾波、均值濾波等函數(shù)的調(diào)用。5.1 厚度aa1衍射圖樣的圖像處理任何圖像的處理都要開始考慮噪音為圖像帶來的影響，因而在處理圖像中首先要對圖像進行去噪、濾波，中值濾波對于某些類型的隨機噪音具有非常理想的降噪能力，對于線性平滑濾波而言，在處理的像素相鄰之間包括噪聲點時，噪聲的存在總會或多或少的影響該點的像素值的計算，但是在中值濾波中噪聲點則常常是直接被忽略掉的

47、；中值濾波在降噪同時起到的模糊效應(yīng)較低。中值濾波的一種典型應(yīng)用是消除椒鹽噪音，而對于椒鹽噪音是其在圖像中的表現(xiàn)形式而得名的，黑點如同胡椒，白點好似鹽粒，椒鹽噪音是由圖像傳感器，傳輸信道，解碼處理等產(chǎn)生的黑白相間的亮暗點噪音，椒鹽噪音往往由圖像切割引起16。對于CCD采集的圖像沒有椒鹽噪音，對其進行了均值濾波。各程序見附錄。圖5-1 厚度aa1不同角度的圓孔衍射圖樣均值濾波圖二值圖像是指每個像素不是黑就是白，其灰度值沒有中間過渡的圖像，二值圖像中所有的像素只能從0和1這兩個值中取，因此在MATLAB中，二值圖像用一個由0和1組成的二維矩陣表示。這兩個可取的值分別對應(yīng)于關(guān)閉和打開，關(guān)閉表征該像素處

48、于背景，而打開表征該像素處于前景。以這種方式來操作圖像可以更容易識別出圖像的結(jié)構(gòu)特征。二值圖像操作只返回與二值圖像的形式或結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息，如果希望對其他類型的圖像進行同樣的操作，則首先要將其轉(zhuǎn)換為二進制的圖像格式，可以通過調(diào)用MATLAB提供的im2wb()來實現(xiàn)。二值圖像經(jīng)常出現(xiàn)在圖像處理中作為圖像掩碼或者在圖像分割、二值化的結(jié)果中出現(xiàn)。一些輸入輸出設(shè)備，如激光打印機、傳真機、單色計算機顯示器等都可以處理二值圖像。圖5-2 厚度aa1不同角度的圓孔衍射圖樣二值圖二值圖像一般用來描述文字或者圖形，其優(yōu)點是占用空間少，缺點是，當表示人物，風(fēng)景的圖像時，二值圖像只能描述其輪廓，不能描述細節(jié)。這時候

49、要用更高的灰度級二值圖像是每個像素只有兩個可能值的數(shù)字圖像17。人們經(jīng)常用黑白、單色圖像表示二值圖像，但是也可以用來表示每個像素只有一個采樣值的任何圖像，例如灰度圖像等。濾波和灰度調(diào)整是為了消除圖像中的一些東西，目的相同，原理不同，在對圖樣進行灰度調(diào)整，為最后的光強分布做好基礎(chǔ)：圖5-3 厚度aa1不同角度的圓孔衍射圖樣灰度圖在做好去噪、改變灰度等處理之后，對采集的圖像進行光強分布圖分析： 圖5-4 厚度aa1不同角度的圓孔衍射圖樣光強分布圖5.2 厚度aa2衍射圖樣的圖像處理均值濾波圖如下（各程序見附錄）：圖5-5 厚度aa2衍射圖樣均值濾波圖二值處理：圖5-6 厚度aa2衍射圖樣二值圖灰度處理：圖5-7 厚度aa2衍射圖樣灰度圖光強分布：圖5-8 厚度aa2衍射圖樣光強分布圖5.3 同一角度、不同厚度衍射孔的衍射圖樣處理在以上實驗和MATLAB的模擬中發(fā)現(xiàn)不斷改變衍射光線和衍射屏入射角的大小，衍射圖樣在CCD采集上會發(fā)現(xiàn)