光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
五、实验内容及步骤
1、实验内容
（1）进行以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统实验（可参考“光电传感器应用技术”教材11.3.1节内容）。
（2）进行线阵CCD的A/D数据采集系统基本软件操作，进行线阵CCD的积分时间、驱动频率等参数设置，计算机显示波形的时间（刷新频率）设置，显示数据长度的设置等熟悉软件操作的基本功能；
（3）进行线阵CCD的A/D数据采集过程中对数据文件的存储、打开、读出等操作，为今后应用所采数据完成功能更为丰富的研究做准备。
2．实验步骤
（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； （3） 先确认是否已经安装了A/D数据采集的基本软件。若没有安装，请安装A/D数据采集的基本软件。A/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。
3．进行AD数据采集实验
（1） 选择“A/D数据采集实验”。后，计算机显示屏将显示出如图4-2所示的程序主界面。界面中含有“打开”、“保存”、“曲线”、“数据”、“连续”、“停止”、“单次”、“0s”显示时间、“积分时间”和“驱动频率”等选项，运用这些选项可以进行相应功能的操作。图中所示的特性曲线表述了线阵CCD所采到成像于线阵CCD像敏面上的尺寸信息。
采集菜单分为“连续”、“单次”和“平均”等3种采集方式，为调试方便，应选择连续采集方式。点击如图4-2所示的“0”设置，所采集曲线的停顿时间为0s。再点击“连续”菜单，便可进行连续采集的工作方式。
图4-2 A/D数据采集实验软件界面
（2） 仿照实验二、三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，使输出信号波形的幅度处于便于观察的位置。
（3） 为使观测到又有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，为使输出的信号波形不受外部杂散光的影响，测量过程中应将仪器上盖盖好。
（4） 点击“保存”菜单，将AD转换后的数据以*.txt，或*.dat数据格式保存到数据文件夹中。
（5） 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。
（6） 观测与分析输出波形，分析输出波形与被测件的物像关系。 （7） 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。
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4．结束、关机
（1） 先退出实验程序，再关闭实验仪的电源； （2） 关闭计算机系统； （3） 关掉总电源；
（4） 整理好所有的实验器材与工具。
六、实验总结
（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幅度增大。
（2） 能否用这个试验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何安排这个实验？
（3） 用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？若能，该如何安排这个实验？
（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“变形”的现象？“变形”产生的主要原因是什么？能否利用“变形”的输出波形进行物体尺寸的非接触测量？你能例举出利用本实验进行其他目的的实验吗？
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（五） 用软件提取边缘信号的二值化
一、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、 学习使用VC++语言编写简单测量软件的方法。
二、实验仪器
1、 LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台；
2、 装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一台；
三、软件提取边界信息的原理
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可以进行多种方法的测量工作，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的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可以由软件以数字方式提供。这样，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。在能够保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。图5-1所示为软件固定阈值二值化数据提取方法的信号波形图，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，它要比硬件的浮动阈值处理方法简单得多，也方便得多，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
边缘信息提取的第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》教材第9章9.1.1节介绍了硬件二次微分的处理方法。图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
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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利判断，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）。
四、实验内容
1. 2.
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，并用浮动阈
值法测量出被测物体的径向尺寸。 值法测量出被测物体的径向尺寸。
五、实验步骤
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，完成系统的启动后先确认是否已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件，而后进行下面的实验；
（3） 运行《用软件提取边缘信号的二值化实验》软件，弹出如图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，再点击“设置”便将选定值存入内存，并以示值电压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：
① 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；
② 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方法
二值化测量物体的尺寸实验虽然在实验三中已经完成，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，有必要重新再调出实验三软件进行下面实验。
（1）按界面提示的步骤先计算调整好的光学系统放大倍率，用直径为5mm）的杆件为标准测量件，并将其安装在测量夹具上；
（2） 调出实验三软件进行实验，设置采集间隔为“0ms”，采集次数为10次； （3） 可以按实验3中如图3-7、3-8和3-9所提示的内容和步骤测出光学系统的放大
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倍率β；
（4） 再找出要进行测量的其它杆件安装到测量夹具上，再进行二值化数据采集操作，获得被测杆件的外形尺寸；
（5） 将测量结果以*.dat或*.txt格式保存到指定的文件夹中。
3、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”的取值范围一般应在（20% ~ 80%）范围内，在实际上“阈值”可按公式（5-1）进行设计：
U ＝（Umax－Umin）× x% ＋Umin (5-1)
式中，U为实际所取的阈值电压值，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，峰值电压受环境光或背景光的影响使杆件外形尺寸的测量产生很大的误差，以致于达到不能接受的程度；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。
六、实验总结
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。 （选做） 3、 怎样选择的浮动阈值能够使测量精度更高？