光电检测与显示实验六 面阵CCD应用实验：总结 计划 汇报 设计 可编辑

（一）面阵CCD原理及驱动实验
一、实验目的
1.掌握面阵CCD实验仪的基本操作和各个部件的功能；
2.掌握隔列转移型面阵CCD的基本工作原理；
3.掌握面阵CCD各路驱动脉冲波形及其所涉及部分的功能；
4.掌握面阵CCD输出的视频信号与PAL电视制式的关系。
二、实验仪器
1.带宽50MHz以上双踪迹（或四踪迹）同步示波器一台；
实验6面阵CCD应用技术实验
面阵CCD图像传感器主要用于采集物体图像信息。它所包含的内容很多，其中能够按PAL电视制式（或其他电视制式）形成视频电视信号的常被称为面阵CCD摄像头。面阵CCD实验指导主要针对面阵CCD摄像头展开的，通过对它的驱动波形分析使学生掌握面阵CCD的基本工作原理和特性。然后展开它的应用实验和如何与现代的计算机技术结合起来为机器安装“眼睛”与“大脑”。为达到利用面阵CCD完成“电眼”功能，还需要掌握有关《图像数字处理》方面的有关内容，为此实验指导增设了一些图像数字处理最为基础的实验内容。通过这些内容的学习能够使学生大体了解如何将面阵CCD摄像头输出的视频信号转变为数字图像，又如何从数字图像中提取出有用的信息。
2.YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD多功能实验仪一台。
三、实验内容及步骤
1、开机过程
1）将被测的标准图片如图3-1所示，安装在“被测物夹持架”上，将USB接口线正确连接到计算机上；
2）打开计算机的电源开关，并确认YHACCD－Ⅲ型彩色面阵CCD实验仪的“面阵CCD尺寸测量实验”软件已经安装；
3）将外置面阵CCD摄像机的镜头盖打开；
3.面阵CCD行、场自扫描电视制式的测量；
4.视频输出信号的测量。
四、实验步骤
1）实验准备
①首先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实验仪的电源插头均已插在交流220V插座上；
②打开示波器电源开关；
③打开YHACCD－Ⅲ的电源开关；
④将内置与外置面阵CCD摄像机的转换开关设置到“内置”。
6、关于矩形数据的测量
矩形数据的测量需要从数据文件中找出四个点的坐标值，找点方法与上述相同，都可从文本数据中找到。
显然上述观测数据的方法是比较繁复的，能否用计算机软件根据边界点的特征进行自动寻找呢？回答是肯定的。下面的“边缘检测法”就是个实例。
四、实验总结
①写出实验总结报告，理解面阵CCD尺寸测量的原理，尝试使用VC++程序自己编写边缘检测及尺寸测量程序。
3）找出x方向与y方向的最大与最小位置值，可以计算出被测点的大小与中心位置。
（3-1）
点的直径为：
（3-2）
点的中心坐标为：
（3-3）
式中x0,y0分别为面阵CCD的像敏单元在水平（x）与垂直（y）方向尺寸；β为光学系统的横向放大倍率。
通常将x0/β与y0/β一起通过标定的方式进行校正。
3、x0/β与y0/β的标定
⑥将“内置面阵CCD摄像机的镜头盖”盖好；
⑦将内置与外置面阵CCD摄像头的转换开关设置到“外置”；
⑧将如图1-3所示的图片放置到“被测物夹持架”上，并将其置于仪器的最右端，将“外置面阵CCD摄像机”置于仪器的最左端，打开外置相机镜头盖；
⑨用示波器观测“外置面阵CCD摄像机”获取到的视频信号（包括不同的行信号、场信号并观测行、场信号）的输出幅度及其在不同时间与位置上的信号变化情况；
2）完成1）的测量工作后，就基本掌握了通过数字图像的像元值数据找出图像中图形边界的方法和原理。通过软件所提供的标定图像中任意一行（或列）数据边界的测量功能来确定边界点。例如，在采集到的图像上把鼠标移至某一行上点击左键，软件会弹出一个对话框，对话框中的曲线图表示了水平方向上各像元灰度的变化状况，如图3-3所示。图中的横坐标是水平方向上的像元位置，纵坐标是各像元灰度值。在曲线图上选择适当的灰度值（纵坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“172”），同时得到在此阈值（即纵坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值水平方向交点“149”、“159”，“540”、“550”）。也可以在采集到的图像上把鼠标移至某一列上点击右键，软件会弹出垂直方向上灰度变化曲线图，如图3-4所示。图中横坐标是各像元灰度值，纵坐标是垂直方向上的像元位置。在曲线图上选择适当的灰度值（横坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“209”），同时得到在此阈值（即横坐标坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值垂直方向交点“85”、“96”，“482”、“493”）。除了通过阈值法确定图形边界，还可以通过计算边界点附近的灰度变化率来确定边界，灰度变化最快的像元位置即为边界点坐标，试编写软件。
⑩从所测的行输出信号中是否能够获得图片信息与图片上图形边界的特征曲线？能否观测出图像黑电平所覆盖的像元数？上述两问的意义何在？
4）关机结束
①盖好所有的镜头盖；
②关闭实验仪的电源；
③关闭示波器的电源；
④整理好所有的连接线及部件。
五、实验总结
用自己的语言结合所观测的驱动脉冲波形图说明隔列转移面阵CCD的基本工作原理。讨论面阵CCD的各路驱动脉冲与PAL电视制式的关系。
3）视频输出信号的测量
①打开内置面阵CCD摄像头的镜头盖；
②用CH1探头测量VIDEO全电视视频输出信号，CH1的幅度选为200mV，扫描时间间隔分别用5ms、1ms、10μs、1μs和25ns档；
③分别用示波器测出场正程、场逆程、行正程、行逆程的时间；
④观测场正程、行正程期间的视频输出信号；
⑤测出视频信号的输出幅度与变化量；
③用CH1探头测量ΦV1脉冲，用CH2探头分别测量ΦV2、ΦV3、ΦV4脉冲，画出这四个脉冲的波形图。通过实测波形图测出它们的频率、周期与它们之间的相位关系；
说明ΦV1、ΦV2、ΦV3、ΦV4脉冲在信号电荷垂直转移过程中的作用。通过上述测试达到理解电荷包信号的垂直转移过程与垂直转移原理；
④用CH1、CH2（幅度选为2.0V，扫描时间间隔为100nS档）探头分别测量ΦH1、ΦH2脉冲。比较二者的相位关系，分析信号电荷包沿水平方向转移的过程与原理；
利用彩色面阵CCD可以将复杂的色彩图像分解为三原色单色图像，利用分解的单色图像进行颜色信息的识别。例如，若想从红小豆堆里分辨出如绿豆、黑豆、花小豆、砂石等杂质，可以将被测小豆经彩色面阵CCD摄取并采集的彩色图像分解成R、G、B三幅单色图像，用计算机软件分析这3幅单色图像的输出幅度，若G、B图像的输出幅度超过某阈值，则表明其为杂质。可以用电磁气阀将其吹出，实现除去杂质的目的。在彩色印刷过程中常采用顺序印刷单色图像的方法，在印每种颜色时都要检测其质量。因此，用彩色面阵CCD进行彩色图像分解出的单色图像进行色品分析是保证彩色印刷质量的关键。
面阵CCD图像传感器的内容很多，应用方式也非常丰富，对于各种各样的CCD照相机的内容几乎无法讲述清楚，各家厂商设计与生产的相机有不同的组合与功能。但是，它们的共同特点是形成数字图像。因此，学习数字图像处理技术是非常重要的，本实验指导增设这方面内容格外显得重要。
面阵CCD与线阵CCD的基本工作原理是相同的，它们都能够形成图像信息，但是，各自具有独特的特点和应用领域。线阵CCD图像传感器常用来对线性运动的物体进行扫描成像，再根据图像的灰度信息进行灰度、尺寸、速度和加速度等参量的测量，而很少注重它所产生的图像质量（对比度、白电平和人眼的视觉效果等）。因此，线阵CCD相机中的放大器一般是线性的，线性放大的特点是易于计算，缺点是动态范围与测量范围小，所产生的图像人眼观察效果也较差，但是对于想用线阵CCD摄取宽范围、大场景和高清晰度图像的时候可以采用修正光电响应γ值和其他技术手段获得视觉效果良好的图像。
比较二者的相位关系分析信号电荷包沿水平方向转移的过程与原理3视频输出信号的测量打开内置面阵ccd摄像头的镜头盖光电检测与显示实验六面阵ccd应用技术实验用ch1探头测量video全电视视频输出信号ch1的幅度选为200mv扫描时间间隔分别用5ms1ms10s1s和25ns档分别用示波器测出场正程场逆程行正程行逆程的时间观测场正程行正程期间的视频输出信号测出视频信号的输出幅度与变化量将内置面阵ccd摄像机的镜头盖பைடு நூலகம்好将内置与外置面阵ccd摄像头的转换开关设置到外置将如图13所示的图片放置到被测物夹持架上并将其置于仪器的最右端将外置面阵ccd摄像机置于仪器的最左端打开外置相机镜头盖用示波器观测外置面阵ccd摄像机获取到的视频信号包括不同的行信号场信号并观测行场信号的输出幅度及其在不同时间与位置上的信号变化情况从所测的行输出信号中是否能够获得图片信息与图片上图形边界的特征曲线能否观测出图像黑电平所覆盖的像元数上述两问的意义何在4关机结束盖好所有的镜头盖关闭实验仪的电源关闭示波器的电源整理好所有的连接线及部件
x0/β与y0/β标定的方法很多，这里我们提供一种简单的标定方法。在被测物面处，放置标准尺寸物或标尺，读出标尺图像的相关尺寸数据便可进行标定。设标准尺寸物或标尺的实际尺寸为l0，读出数据为N0，则测出的N值的长度当量（x0/β与y0/β）为：
（3-4）
显然，若光学系统存在畸变，就要对不同视场分别进行标定或进行更高精度的图像数据处理工作。
2）驱动脉冲波形的测量
①将示波器的CH1和CH2扫描线调整至适当位置，设置CH1为同步输入，对照图1-1及图1-2所示的波形图进行下面的实验测量；
②用CH1（幅度选为10.0V，扫描时间间隔为50μs档）探头测量内部控制脉冲SH，仔细调节使之同步稳定，然后用CH2（幅度选为5.0V，扫描的时间间隔为50μs档）探头分别观测ΦV1、ΦV2、ΦV3、ΦV4脉冲，画出这些脉冲的波形图并与图1-1的波形相比较，分析它们的相位关系；
4）打开YHACCD－Ⅲ彩色面阵CCD多功能实验仪的电源开关；
5）确认视频切换按钮（开关）是否已经按下，切换指示灯点亮表明采集外置CCD摄像机的图像信号；
6）运行“面阵CCD尺寸测量实验”程序；
7） 点击“连续采集”按钮，计算机界面将显示外置摄像头所采集到的图像，调整CCD摄像头与测量图片的相对位置使计算机显示的图像尽量清晰，点击“停止”按钮。或者，点击“单帧”按钮，采集到一幅数据图像，并将其存入指定内存。