光線示波器的CCD 圖像采集與處理研究

王鎖明，侯 彬，朱二曠

(1. 燕山大學(xué) 理學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2. 東北石油大學(xué) 秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

隨著CCD(電荷耦合器件)高速成像技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型CCD 相機(jī)不斷出現(xiàn)。結(jié)合相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的CCD 成像探測(cè)器可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測(cè)和記錄，提供各方面的相關(guān)信息進(jìn)行分析、考察和使用［1］。CCD 器件及其應(yīng)用技術(shù)在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于光線示波器，由于光線光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度非?？?，利用肉眼和普通相機(jī)進(jìn)行追蹤非常困難，使光點(diǎn)振蕩信息的揭示有一定難度。但是，高速CCD 成像技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，取代了激光點(diǎn)成像中的底片，避免了顯影和定影的繁復(fù)操作過(guò)程，可以快速方便地實(shí)現(xiàn)波形再現(xiàn)的目的，同時(shí)也可達(dá)到對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的激光光點(diǎn)進(jìn)行快速跟蹤拍攝的目的，這對(duì)激光光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究與揭示具有非常重要的意義。

本文擬以高速CCD 相機(jī)拍攝回來(lái)的圖像集作為數(shù)據(jù)源，對(duì)圖像進(jìn)行一些關(guān)鍵性的處理。為了更好、更形象地對(duì)激光光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行完整擬合，在常規(guī)圖像處理方法的基礎(chǔ)上提出了基于CCD 光跡捕捉的圖像疊加處理方法。

1 獲取激光光點(diǎn)圖像原理

光線示波振蕩系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中電磁振蕩系統(tǒng)在周期性信號(hào)(由A、B 端輸入)的激勵(lì)下，振子可以在豎直面內(nèi)以擺幅θ 角振蕩，利用振動(dòng)子偏轉(zhuǎn)反射的光束在感光記錄紙上記錄一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的瞬時(shí)值，以確定其波形。被測(cè)參數(shù)可為電流或電壓等電量，或?yàn)橐艳D(zhuǎn)變?yōu)殡娏康母鞣N非電量，例如在機(jī)械工程中與應(yīng)變片配合使用時(shí)，可測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、扭矩和振動(dòng)等。光線示波器用光束記錄，光束無(wú)慣性，光記錄無(wú)摩擦，又可用增加光臂長(zhǎng)度的方法來(lái)提高光學(xué)的放大作用。

2 圖像處理

圖像獲取以后，由于外部環(huán)境和CCD 自身的原因，所獲取的圖像存在噪聲的干擾，為了給后續(xù)的圖像分析和圖像理解奠定基礎(chǔ)，在獲取圖像以后需要對(duì)所獲得圖像進(jìn)行圖像處理［2］，即對(duì)圖像進(jìn)行各種加工以改善圖像的效果，其主要目的是消除圖像噪聲、增強(qiáng)圖像信息、消除非均勻性和改善圖像質(zhì)量等。

圖1 光線示波器的測(cè)試系統(tǒng)

2.1 圖像去噪處理

圖像預(yù)處理使用的方法為圖像平滑，這是一類簡(jiǎn)單但使用頻率很高的圖像處理方法。平滑處理的用途很多，常用于去除圖像上的噪聲或者減少線性失真［3］。圖像的平滑處理視其噪聲本身的特性而定，可在空間域或在頻率域采用不同的措施［4］。一般情況下，在空間域采用中值濾波法對(duì)大多數(shù)類型的噪聲就可以取得很好的效果，所以本研究采用中值濾波來(lái)消除噪聲。

2.2 中值濾波

中值濾波是一種非線性的運(yùn)算，對(duì)隨機(jī)輸入信號(hào)的嚴(yán)格數(shù)學(xué)分析比較復(fù)雜，但在確定性信號(hào)中進(jìn)行中值濾波還是比較方便的，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)算過(guò)程中并不需要圖像的統(tǒng)計(jì)特性［5］。其基本原理是:確定一個(gè)包含有奇數(shù)個(gè)像素的序列，按像素的灰度值從小到大或者從大到小排列起來(lái)，然后用中間灰度值來(lái)代替原排列的中間位置像素的灰度值。但考慮到一般圖像在二維方向上均具有相關(guān)性，所以，采樣窗口一般選擇為二維窗口，其形狀可以不同，如方形、十字形、菱形等。中值濾波最核心的問(wèn)題是如何有效地選擇一個(gè)最有可能代表領(lǐng)域特征的像素灰度，一般來(lái)說(shuō)，鄰域像素中灰度大小居中的點(diǎn)通常能很好地描述鄰域的屬性。因此，中心像素的灰度是通過(guò)對(duì)鄰域內(nèi)像素灰度排序然后取中值來(lái)確定的［6］。

實(shí)現(xiàn)算法:

1)確定某種結(jié)構(gòu)的二維滑動(dòng)模板，將板內(nèi)像素按照限像素值的大小進(jìn)行排列，生成單調(diào)上升(或下降)的二維數(shù)據(jù)序列。

2)二維中值濾波輸出為:

其中，F(xiàn)(x，y)和G(x，y)分別為原始圖像和處理后圖像;W 為二維模板。

2.3 灰度變換

由于CCD 成像時(shí)可能存在曝光不足或過(guò)度，以及CCD 的非線性動(dòng)態(tài)范圍太窄等因素，使采集回來(lái)的圖像存在對(duì)比度不足的現(xiàn)象，一些激光光點(diǎn)圖像可能不太清晰。為了修補(bǔ)這種缺陷，在圖像去噪之后，采用灰度切分(即將某個(gè)范圍的灰度值突出，將其余的灰度值變?yōu)槟硞€(gè)低灰度值)進(jìn)行處理，增加圖像的對(duì)比度，從而能使激光光點(diǎn)的圖像更加清晰。

1)基本原理

假設(shè)源圖像F(x，y)的灰度范圍為［A，B］，感興趣的圖像的灰度范圍為［C，D］(其中，A ≤C≤D ≤B)，希望變換后圖像G(x，y)中感興趣的圖像的灰度為M，背景圖像的灰度為N。其關(guān)系式如下:

2)實(shí)現(xiàn)算法

(1)讀入去噪后的圖像，對(duì)該圖像的像素灰度進(jìn)行分析，尋找出灰度分布在區(qū)間［C，D］的像素。

(2)對(duì)圖像進(jìn)行灰度變換，變換后激光光點(diǎn)圖像G(x，y)= M，背景圖像G(x，y)= N。

在本次研究中發(fā)現(xiàn)，激光光點(diǎn)圖像與背景圖像的對(duì)比度越高越利于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光點(diǎn)圖像特性的研究。所以，M 和N 的值分別取0 和255。圖2(a)為CCD 所拍攝的圖像，經(jīng)過(guò)濾波與灰度變換效果如圖2(b)所示。

3 目標(biāo)圖像位置坐標(biāo)提取

為了確定激光光點(diǎn)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過(guò)的位置，依次讀入各幀圖像，根據(jù)激光光點(diǎn)圖像和背景圖像的灰度來(lái)確定激光光點(diǎn)圖像各個(gè)像素的坐標(biāo)，采用像素坐標(biāo)平均法計(jì)算出激光光點(diǎn)的近似中心坐標(biāo)，即求解像素體系質(zhì)心的方法得中心坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明采用這種方法所得出的中心坐標(biāo)與實(shí)際的中心坐標(biāo)十分接近。

綜上所述，像素坐標(biāo)平均算法可以表示為:

其中，P(x，y)為激光光點(diǎn)位置的中心坐標(biāo);n 為灰度G(x，y)= M 的像素個(gè)數(shù);Fn(x，y)為灰度G(x，y)= M 的第n 個(gè)像素的坐標(biāo)，如圖2(c)所示。

圖2 光點(diǎn)圖像處理過(guò)程

4 光跡軌跡擬合

前面已經(jīng)將每一幀圖像里激光光點(diǎn)圖像位置的中心坐標(biāo)提取出來(lái)了，在一張同等大小的空白圖像中，將所有激光光點(diǎn)位置的中心坐標(biāo)用點(diǎn)在相應(yīng)的位置描繪出來(lái)，然后根據(jù)所采集的光點(diǎn)順序依次把各點(diǎn)疊加顯示，處理過(guò)程如圖3 所示。根據(jù)振蕩的周期，設(shè)置較佳的采集速度，由采集圖像信息點(diǎn)的中心坐標(biāo)最終形成連續(xù)、完整且近似于激光光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的曲線，通過(guò)程序處理給出信號(hào)的振幅、頻率等信息。

圖3 圖像集的光點(diǎn)提取處理及疊加

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的采用高速工業(yè)CCD 光跡捕捉的方法，通過(guò)對(duì)所得圖像集應(yīng)用圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光線示波器的計(jì)算機(jī)處理與顯示。在實(shí)現(xiàn)手段上，首先通過(guò)像素灰度屬性的分析提取圖像的感興趣部分，再使用中值濾波法對(duì)圖像進(jìn)行了去噪處理，然后利用激光光點(diǎn)圖像與背景圖像的灰度屬性進(jìn)行灰度變換，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，方便了圖像的疊加處理，最后經(jīng)多項(xiàng)式插值擬合得到光滑曲線，實(shí)現(xiàn)了激光光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的重現(xiàn)以揭示電信號(hào)的波動(dòng)性。

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