基于線性CCD鏡片輪廓測量數(shù)據(jù)的處理

郭彩萍，張麟華

(1.太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原 030008；2.太原工業(yè)學(xué)院計算機工程系，山西太原 030008)

CCD可以把外界物體的圖像信號轉(zhuǎn)換成電信號，即把入射到CCD光敏面上的按空間位置分布的光強信息轉(zhuǎn)換為按時間順序輸出的視頻信號，視頻信號可在各種顯示器上再現(xiàn)原物體的圖像[1]。利用線陣CCD可精確檢測到鏡片的邊緣信息，并可將檢測結(jié)果通過串口上傳計算機以進行數(shù)據(jù)分析、運算與顯示。

1 測量原理

被測眼鏡片的上端裝置平行光源系統(tǒng)，線陣CCD檢測器件在鏡片下方。光源發(fā)出的光經(jīng)過被測眼鏡片照射到線陣CCD上，眼鏡片邊緣的位置影響了線陣CCD的感光強度，進而影響CCD的輸出信號。經(jīng)信號初步處理后傳送到計算機進行分析計算，最后在人機交互界面上顯示鏡片的輪廓信息。由于線陣CCD只有一行感光元件，要檢測出眼鏡片的整體輪廓信息需要眼鏡片或者CCD動起來，文中采用電機帶動眼鏡片旋轉(zhuǎn)的方法。

由測量原理可知，為精確獲得眼鏡片的輪廓位置，必須對CCD輸出信號進行定量分析，這就需要對線陣CCD輸出信號進行處理并送至上位機上顯示測量結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 下位機數(shù)據(jù)處理

2.1.1 信號放大處理

實驗中選用的TCD1208ACCD輸出OS電壓信號和補償信號DOS電壓信號，將此兩路輸出信號分別送到差分放大AD8031的正、反輸入端進行差動放大，抑制掉共模干擾后的信號即為包含鏡片邊緣位置信息的電信號[2]。

2.1.2 二值化處理[3]

由于被測鏡片邊緣遮擋部分光，反映在CCD視頻信號所對應(yīng)的圖像譜上，在鏡片邊界處有明顯的電平變化。線陣CCD在工作時，有時會造成某些像元只能感受部分光照，即亮、暗的分界點處恰位于某個像元上，致使輸出信號不能嚴(yán)格反映被測邊緣的位置，為了將邊緣信息提取出來以便進行信息處理，通常采用二值化的處理方法。本文數(shù)據(jù)的二值化是將放大輸出通過邏輯非門電路實現(xiàn)的。

2.2 上位機數(shù)據(jù)處理

上位機軟件開發(fā)環(huán)境選用了技術(shù)成熟、功能豐富的開發(fā)軟件Visual Basic 6.0。上位機數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)由采集的數(shù)據(jù)進行圖像顯示、圖像后期處理等功能[4-5]。

2.2.1 圖形顯示

下位機數(shù)據(jù)上傳至上位機后全部存儲到文本文件中，后期的圖形顯示完全依賴于文本文件中的數(shù)據(jù)。

1)從文件讀取數(shù)據(jù)。從文本文件中讀取數(shù)據(jù)的流程如下：

(1)開數(shù)據(jù)文件；

(2)據(jù)文件中的文本存放到字符串Lstr中(文本文件中沒有換行，所以整個文件的數(shù)據(jù)稱為一個字符串)；

(3)用函數(shù) Split(Lstr，“FF”)，根據(jù)分割字符“FF ”將數(shù)據(jù)分為若干組，每一組對應(yīng)CCD一次掃描的結(jié)果；

(4)函數(shù) Split(pixData(i)，“”)，根據(jù)分割字符“”，將每一組數(shù)據(jù)再次劃分，此時便可知某次掃描某點的數(shù)據(jù)為00或為01，為00代表詞掃描點為亮，為01代表此掃描點為暗，以此為依據(jù)作圖，最終便可呈現(xiàn)整個鏡片的輪廓。

2)繪制圖形。由于下位機掃描時采用了如圖1所示的雷達(dá)圓周掃描方式，且掃描出的區(qū)域不是圓形而是圓環(huán)，每一點的亮暗需要做相應(yīng)的處理后方可顯示，故程序中做了針對性的處理。

圖1 鏡片的掃描方式

圖1 中陰影部分為實際掃描區(qū)域，空白部分的半徑由電機軸與CCD的實際相對位置決定。在實驗中，按照1.76 cm(包括啞元)的距離進行擺放。本實驗中的數(shù)據(jù)都是基于這種擺放關(guān)系測試得到的。

從圖1可以看到，若某點的位序為I，那么實際的位置應(yīng)該加上空白的1.76 cm方可。由于取得了2 160個有效像素點的一半—1 080個有效像素點 (為了節(jié)省運行時間，隔一個像素采集一次數(shù)據(jù)，故TCD1208共有2 160個有效像素單元，系統(tǒng)實際采集了1 080個像素)，所以每兩個像素點的間隔為28 μm，所以第I個點實際對應(yīng)的半徑應(yīng)為 28 μm×I+1.76 cm.實際運算中，1.76 cm 對應(yīng)著634個像素點。

以上數(shù)據(jù)只是該點的半徑，還需根據(jù)該點所在的行數(shù)，確定掃描的角度。

實驗中電機ULN2003每一步的角度為5.6 250°/64，實驗中設(shè)計一次ccd掃描電機轉(zhuǎn)動8步，即為45°/64。每行之間相差的弧度值為5.625/64×8/180×pi×I。這樣，根據(jù)每一點的半徑和角度就能計算出該點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，以便繪圖使用。

繪圖時，首先對極徑數(shù)據(jù)進行預(yù)識別，判斷出鏡片邊緣的位置，之后將各個邊緣點按照先后順序用線段連接得到圖形，既節(jié)省了基于二維圖形的處理工作，又達(dá)到了較好的效果。鏡片圖形如圖2所示。

圖2 邊緣點連接得到的鏡片圖形

2.2.2 數(shù)據(jù)的濾波

由于光學(xué)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)的誤差，實驗所得的數(shù)據(jù)會以實際數(shù)據(jù)為中心上下波動，故在上位機系統(tǒng)設(shè)計中加入了軟件濾波的功能，選取了加權(quán)平均濾波算法。鑒于計算量和濾波效果的平衡，各位的權(quán)值根據(jù)楊輝三角第十行設(shè)置，分別是1，10，45，120，210，252，210，120，45，10，1。實驗結(jié)果表明濾波后圖形的邊緣更為平滑，達(dá)到預(yù)期的效果[6]。

2.2.3 鏡片輪廓識別效果對比

采用文中提到的一系列數(shù)據(jù)處理方法對包含鏡片輪廓的數(shù)據(jù)進行處理，準(zhǔn)確低誤差的還原了鏡片輪廓，如圖3所示。

圖3 圖形對比

3 結(jié)論

隨著光電器件技術(shù)的發(fā)展，光源穩(wěn)定性的提高，電機精度的提高，信號處理技術(shù)的發(fā)展將有更多更好的選擇來完成鏡片輪廓的測量，并使其功能更加完善，使之能夠更真實的反映輪廓的變化，為加工高質(zhì)量的鏡片提供完整的數(shù)據(jù)。

[1]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社,2006:173-179.

[2]徐造林.線陣CCD與單片機的一種接口[J].自動化與儀表,2001(16):68-70.

[3]張文革,段晨東,董革平.線陣CCD檢測技術(shù)中二值化方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003(17):92-94.

[4]李雁翎.Visual Basic程序設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:1-2.

[5]詹國華.VB6.0環(huán)境下直接利用MSComm控件實現(xiàn)分布式下位機群控制[J].計算機工,2001(7):56-59.

[6]孫培建.基于加權(quán)平均插值曲面的圖像放大方法研究[D].濟南:山東大學(xué),2006.