第七章二值化與數(shù)據(jù)采集

第七章二值化與數(shù)據(jù)采集第一頁，共41頁。下一步我們怎么利用這些視頻輸出呢？二值化處理后，進行數(shù)據(jù)采集經(jīng)采樣、量化編碼后,采集到計算機系統(tǒng)原始的調(diào)幅脈沖信號第二頁，共41頁。7.1概述視頻信號：CCD在時序脈沖驅(qū)動下輸出的信號是被抽樣的模擬信號稱視頻信號1、CCD視頻信號的處理方法①視頻信號的二值化處理光學(xué)系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏像元上(在不要求圖象灰度的系統(tǒng)中)把圖象和背景區(qū)別開,采用二值的(0,1)的方法。

VCCD=1≥VtH0﹤VtH圖象灰度:把圖象亮度從最亮到最暗劃分幾個亮度等級(10)個,該亮度等級稱灰度.若灰度≥6級,圖象層次已較清楚。第三頁，共41頁。圖象灰度第四頁，共41頁。②CCD視頻信號的量化方法

在要求灰度的系統(tǒng)中,需定量分析CCD輸出信號的幅度,則要把對應(yīng)CCD空間光敏元所感受的光強轉(zhuǎn)換成不同幅值的電壓度量等級，則稱量化處理(處理結(jié)果以數(shù)字量記錄稱為數(shù)據(jù)采集)2、CCD輸入信號的A/D數(shù)據(jù)采集與接口①計算機總線方式ISA總線

PCIEPPUSB②A/D數(shù)據(jù)采集與計算機接口第五頁，共41頁。7.2CCD視頻信號的二值化處理1、二值化方法(概念及)分類

固定閾值法

浮動閾值法

微分法

比較法提取邊界特征2、二值化數(shù)據(jù)采集與計算機接口硬件邏輯電路二值化采集計數(shù)器法計算機數(shù)據(jù)采集邊沿送數(shù)的二值化數(shù)據(jù)采集采用計算機計數(shù)器（定時器）采集第六頁，共41頁。二值化概念應(yīng)用依據(jù)：由于被測物和背景所對應(yīng)的輸出電壓有一定的差異，即在邊界處會有明顯的電平變化；

二值化處理的應(yīng)用范圍：系統(tǒng)不要求圖像灰度信息，對處理速度有一定要求，比如圖紙和文件的輸入、物體尺寸、缺陷、位置等的檢測。第七頁，共41頁。1.二值化處理方法

固定閾值法、浮動閾值法、微分法、比較法1.1固定閾值法 最簡便的二值化處理方法。將CCD輸出的視頻信號送入電壓比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端上加可調(diào)電平的電位器就構(gòu)成了固定閾值二值化電路。二值化方波脈沖信號閾值電壓攔腰一截第八頁，共41頁。

調(diào)節(jié)電位器改變閾值電壓，方波脈沖的前、后沿將發(fā)生移動，脈沖的寬度發(fā)生變化。當(dāng)CCD的視頻信號輸出含有被測物體直徑的信息時，可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)閾值電壓獲得方波脈沖寬度與被測物體直徑值的精確關(guān)系。

固定閾值法的使用條件—— 1）閾值電壓要穩(wěn)定

2）CCD視頻信號的時間穩(wěn)定性要好

A.光源和驅(qū)動脈沖穩(wěn)定（恒流源供電+石英晶體振蕩）

B.成像背景的干擾也要小比較苛刻第九頁，共41頁。1.2浮動閾值法

定義：使電壓比較器的閾值電壓隨測量系統(tǒng)的光源或隨CCD輸出視頻信號的幅值浮動。當(dāng)光的強度變化引起CCD的視頻信號起伏時，通過電路將信號的起伏反饋到閾值設(shè)定電路，使閾值跟著變化，保證二值化脈沖的寬度穩(wěn)定不變。采樣/保持器

采樣保持器采得線陣CCD在該周期中輸出的背景信號并將其保持整個周期，跟隨器將采樣輸出信號通過電位器W送到電壓比較器提供浮動的閾值。第十頁，共41頁。

自適應(yīng)地根據(jù)信號光及背景光的影響進行適當(dāng)調(diào)整，完全消除光的不穩(wěn)定帶來的測量誤差是困難的。理想的二值化方法：尋找輸出信號中被測物體像的邊界特征現(xiàn)場測量直徑第十一頁，共41頁。1.3微分法

具體方法：用微分電路找到輸出波形斜率最大的點，并將該點的坐標(biāo)作為被測物圖像的邊界。

精度最高邊界處，CCD輸出信號波形的斜率最大！第十二頁，共41頁。

微分法對信號的預(yù)處理：必須將CCD輸出的調(diào)幅脈沖信號經(jīng)過采樣保持電路或低通濾波電路進行處理，變成連續(xù)的平滑曲線。微分法的工作過程：

CCD輸出信號經(jīng)過微分電路1微分,對應(yīng)于輸出信號變化率最大位置(A及A`點)處,輸出兩個負(fù)、正脈沖； 取絕對值后,為兩個正脈沖;

再次微分,其過零點為兩個邊界點;

通過過零觸發(fā)器可以獲得微分法的二值化輸出脈沖,脈沖的寬度即為圖像AA`的寬度。第十三頁，共41頁。絕對值電路二次微分電路一次微分電路過零比較器邊沿觸發(fā)器第十四頁，共41頁。1.4比較法提取邊界特征第十五頁，共41頁。1.4比較法提取邊界特征第十六頁，共41頁。2、二值化數(shù)據(jù)采集與計算機接口

二值化數(shù)據(jù)采集主要適用系統(tǒng)：尺寸測量；

尺寸測量原理：在得到的二值化方波脈沖中填入與CCD像敏單元尺寸有關(guān)的高頻時鐘脈沖，并對其中的高頻時鐘脈沖計數(shù)，再乘以單個高頻時鐘脈沖對應(yīng)的尺寸(脈沖當(dāng)量)。被測尺寸=計數(shù)值×脈沖當(dāng)量第十七頁，共41頁。2.1.硬件二值化數(shù)據(jù)采集方法（1）硬件二值化數(shù)據(jù)采集電路 CCD的驅(qū)動器除產(chǎn)生CCD工作所需的各路驅(qū)動脈沖外，還要產(chǎn)生與SH同步的控制脈沖Fc和用作二值化計數(shù)的輸入脈沖CRt。電路組成：與門電路二進制計數(shù)器鎖存器顯示器Fc的上升沿對應(yīng)于CCD輸出信號的第一個有效像素單元

CRt脈沖頻率是復(fù)位脈沖RS頻率的整數(shù)倍要求第十八頁，共41頁。（2）硬件二值化數(shù)據(jù)采集原理Fc的低電平使計數(shù)器清零，變?yōu)楦唠娖胶罂梢杂嫈?shù)計數(shù)器的輸入脈沖CRt只有在二值化脈沖的高電平期間才能通過與門輸送到計數(shù)器的輸入端計數(shù)器在一個行周期計得的CRt脈沖數(shù)將在二值化脈沖的下降沿產(chǎn)生，將計數(shù)器的值存入鎖存器，再經(jīng)譯碼、驅(qū)動、顯示與二值化脈沖寬度有關(guān)的數(shù)值?？刂泼}沖輸入脈沖一個RS脈沖代表了一個像元的長度量，一個CRt脈沖應(yīng)為像元尺寸的N分之一。計數(shù)器一個周期內(nèi)所計的數(shù)為二值化脈沖高電平所代表的被測物體的外徑值。第十九頁，共41頁。硬件邏輯電路二值化采集象素同頻率信號φRFC：行同步信號第二十頁，共41頁。電路功能：1.在二值化波形高電平期間計φt的個數(shù).2.φt應(yīng)是φR脈沖（與像素信號同頻率）頻率的整數(shù)倍，SH是轉(zhuǎn)移脈沖.3.φC的上升沿時刻應(yīng)對應(yīng)CCD輸出的第一個有效像元（二值化波形一定在φC上升沿時刻之后時段）4.鎖存信號發(fā)生在二值化信號下降沿之后的瞬間。***適用條件：一個行周期內(nèi)只有一個二值化脈沖；只能采集二值化脈沖的寬度或尺寸，無法檢測物體的位置。

（CCD有哪些象元被遮擋不知道）第二十一頁，共41頁。由線陣CCD行同步脈沖Fc控制的二進制計數(shù)器對每行的標(biāo)準(zhǔn)脈沖進行計數(shù)。CCD輸出的載有被測物體尺寸信息的視頻信號經(jīng)過二值化處理電路產(chǎn)生被測信號的方波脈沖。將方波脈沖分別送給兩個邊沿信號產(chǎn)生電路，該電路產(chǎn)生兩個上升沿，它們分別對應(yīng)于方波脈沖的前、后邊沿，即線陣CCD上的兩個位置。

鎖存二值化信號的前后沿對應(yīng)的像素位置。2.2邊沿送數(shù)的二值化數(shù)據(jù)采集第二十二頁，共41頁。

用這兩個上升沿脈沖信號使兩個存儲器分別鎖存二進制計數(shù)器在上升沿時刻所計的數(shù)值Nl和N2，則N1為二值化方波前沿時刻所對應(yīng)的位置值，N2為后沿所對應(yīng)的位置值。

在行周期結(jié)束時，再存入計算機內(nèi)存。Fc第二十三頁，共41頁。從第1個到第Nl個象元都沒被遮擋，Nl到N2之間是被遮擋的像元素。寬度：（N2-Nl）×φn位置：在第Nl個和第N2個象元之間被遮擋第二十四頁，共41頁。7.3CCD視頻信號的量化處理應(yīng)用的場所應(yīng)用器件及選擇原則注釋CCD視頻信號量化對A/D速率的要求CCD視頻信號量化對A/D精度的要求注釋注釋CCD視頻信號量化舉例第二十五頁，共41頁。應(yīng)用的場所量化處理：將CCD視頻信號u(t)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。第二十六頁，共41頁。CCD視頻信號的量化處理過程USU0

先將CCD輸出的脈沖調(diào)制信號經(jīng)過低通濾波器濾波,變成連續(xù)的模擬信號US

。按照對圖像分辨率的要求，采樣/保持電路(S/H)對US進行間隔采樣，把US變成離散的模擬信號U0

，最后由A/D轉(zhuǎn)換器（量化編碼器）將U0轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計算機。第二十七頁，共41頁。CCD視頻信號量化對A/D速率的要求第二十八頁，共41頁。為q第二十九頁，共41頁。

它完成的傳遞函數(shù)可表示成

式中,UB為參考源電壓；a1，a2，…，an為系數(shù)(1或0)；n為數(shù)字量的位數(shù)；E為數(shù)字信號的電壓。輸入的模擬信號電壓Us與E之間的差值小于或等于A/D轉(zhuǎn)換器:實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電子器件。CCD視頻信號量化對A/D精度的要求第三十頁，共41頁。實際特性曲線：由寬度為UB/2n的若干個臺階組成，每個臺階的中間點與轉(zhuǎn)換信號的電壓值相對應(yīng)。A/D的輸出特性曲線與理論的輸入值相對應(yīng)的輸出二進制數(shù)字量應(yīng)在圖中虛線。量化誤差：模擬量A（US）與二進制數(shù)對應(yīng)的理論值電壓E之間存在的誤差。是由于用有限位數(shù)的二進制數(shù)字量逼近而代替實際的模擬量帶來的原理誤差。量化單位q=UB/2n第三十一頁，共41頁。UB為參考源電壓n為數(shù)字量的位數(shù)2.轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間與A/D的工作模式、轉(zhuǎn)換位數(shù)等有關(guān)。逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換時間在10-3~10-6s左右并行比較型的A/D轉(zhuǎn)換速度更快，已經(jīng)達(dá)到10-9s量級1.3.A/D轉(zhuǎn)換器的主要特性第三十二頁，共41頁。第三十三頁，共41頁。7.4CCD輸出信號的A/D采集與接口A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作用及組成用于CCD數(shù)據(jù)采集的計算機接口作用及類型線陣CCD數(shù)據(jù)采集原理舉例線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品介紹第三十四頁，共41頁。A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作用及組成

總線接口方式：將線陣CCD的A/D數(shù)據(jù)采集電路做在接口卡上，并將卡插在計算機的總線擴展槽內(nèi)，通過各種總線信號直接與計算機的CPU、內(nèi)存等部件進行操作，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)慕涌诠ぷ鳌?/p>

線陣CCD輸出信號的A/D數(shù)據(jù)采集與計算機接口方式很多，常用的有并行接口、USB串行接口、PCI總線接口等方式。第三十五頁，共41頁。用于CCD數(shù)據(jù)采集的計算機接口作用及類型計算機接口作用：

由于計算機的外圍設(shè)備品種繁多，主機CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換必須通過接口完成，協(xié)調(diào)解決如下問題：①速度不匹配問題：外設(shè)的工作速度要比CPU慢得多②時序不匹配問題：外設(shè)有自己的定時控制電路，以自己的速度傳輸數(shù)據(jù)，無法與CPU的時序取得統(tǒng)一③信息格式不匹配問題：不同外設(shè)處理和存儲的信息格式不同④信息類型不匹配問題：信號類型不同，如數(shù)字信號與模擬信號第三十六頁，共41頁。計算機接口種類：ISA接口

PCI接口

EPP接口

USB接口第三十七頁，共41頁。②PCI接口

PeripheralComponentInterconnect（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。顏色一般為乳白色可插接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、視頻采集卡等擴展卡AGP，全稱為加速圖像處理端口（AcceleratedGraphicsPort），是電腦主板上的一種高速點對點傳輸通道，供顯卡使用，三維圖像。PCI-E(PCI-Express)是一種通用的總線規(guī)格，它由Intel所提倡和推廣，其最終的設(shè)計目的是為了取代現(xiàn)有電腦系統(tǒng)內(nèi)部的總線傳輸接口。第三十八頁，共41頁。EPP（EnhancedParallelPort）是一