1、第七章第七章、CCDCCD视频信号处理视频信号处理 与计算机数据采集与计算机数据采集4242 7.1 7.1 概述概述 7.2 CCD7.2 CCD视频信号的二值化处理视频信号的二值化处理 7.3 CCD7.3 CCD视频信号的量化处理视频信号的量化处理 7.4 CCD7.4 CCD输出信号的输出信号的A/DA/D采集与接口采集与接口总目录总目录下一步我们怎么利用这些视频输出呢？二值化二值化处理后，进行处理后，进行数据采集数据采集经经采样、量化编码采样、量化编码后后,采集到计算采集到计算机系统机系统原始的调幅脉冲信号7.1 7.1 概述概述视频信号：视频信号：CCDCCD在时序脉冲驱动下输出的
2、信号是被抽样的在时序脉冲驱动下输出的信号是被抽样的 模拟信号模拟信号称视频信号称视频信号1 1、CCDCCD视频信号的处理方法视频信号的处理方法视频信号的视频信号的二值化二值化处理处理 光学系统把被测对象成像在光学系统把被测对象成像在CCDCCD光敏像元上光敏像元上(在不要求在不要求图象灰度的系统中图象灰度的系统中)把图象和背景区别开把图象和背景区别开,采用二值的采用二值的(0,1)(0,1)的方法。的方法。V VCCDCCD=1 =1 V VtHtH 0 0 V VtHtH图象灰度图象灰度:把图象亮度从最亮到最暗划分几个亮度等级把图象亮度从最亮到最暗划分几个亮度等级(10)(10)个个,该亮
3、度等级称灰度该亮度等级称灰度.若灰度若灰度6 6级级,图象层次已较清楚。图象层次已较清楚。图象灰度图象灰度CCDCCD视频信号的量化方法视频信号的量化方法 在要求灰度的系统中在要求灰度的系统中 ,需定量分析需定量分析 CCDCCD输出信号的幅度输出信号的幅度,则要把对应则要把对应CCDCCD空间光敏元所感受的光强转换成不同幅值的空间光敏元所感受的光强转换成不同幅值的电压度量等级，则电压度量等级，则称量化处理称量化处理(处理结果以数字量记录称为处理结果以数字量记录称为数据采集数据采集)2 2、CCDCCD输入信号的输入信号的A/DA/D数据采集与接口数据采集与接口计算机总线方式计算机总线方式 I
4、SAISA总线总线 PCI PCI EPP EPP USB USB A/D A/D数据采集与计算机接口数据采集与计算机接口7.2 CCD视频信号的二值化处理视频信号的二值化处理1、二值化方法、二值化方法(概念概念及及)分类分类 固定阈值法固定阈值法 浮动阈值法浮动阈值法 微分法微分法 比较法提取边界特征比较法提取边界特征2、二值化数据采集与计算机接口、二值化数据采集与计算机接口硬件逻辑电路二值化采集硬件逻辑电路二值化采集计数器法计算机数据采集计数器法计算机数据采集边沿送数的二值化数据采集边沿送数的二值化数据采集采用计算机计数器（定时器）采集采用计算机计数器（定时器）采集二值化概念二值化概念 应
5、用依据：由于被测物和背景所对应的输出电压有一定的差异，即在边界处会有明显的电平变化；二值化处理的应用范围：系统不要求图像灰度信息，对处理速度有一定要求，比如图纸和文件的输入、物体尺寸、缺陷、位置等的检测。1.二值化处理方法二值化处理方法 固定阈值法、固定阈值法、浮动阈值法、微分法、比较法浮动阈值法、微分法、比较法1.1 固定阈值法固定阈值法最简便的二值化处理方法。将最简便的二值化处理方法。将CCD输出的视频信号送入输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端上加电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端上加可可调电平的电位器调电平的电位器就构成了固定阈值二值化电路。就构成了固定
6、阈值二值化电路。二值化方波脉冲信号阈值电压拦腰一截拦腰一截调节电位器改变阈值电压，方波脉冲调节电位器改变阈值电压，方波脉冲的的前、后沿将发生移动前、后沿将发生移动，脉冲的宽度发生，脉冲的宽度发生变化。当变化。当CCD的视频信号输出含有被测物的视频信号输出含有被测物体直径的信息时，可以通过适当地调节阈体直径的信息时，可以通过适当地调节阈值电压值电压获得方波脉冲宽度与被测物体直径获得方波脉冲宽度与被测物体直径值的精确关系值的精确关系。固定阈值法的使用条件固定阈值法的使用条件 1）阈值电压要稳定）阈值电压要稳定2）CCD视频信号的时间稳定性要好视频信号的时间稳定性要好A.光源和驱动脉冲稳定（恒流源供
7、电光源和驱动脉冲稳定（恒流源供电+石英晶体振荡）石英晶体振荡）B.成像背景的干扰也要小成像背景的干扰也要小比较苛刻比较苛刻1.2浮动阈值法浮动阈值法 定义：使电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。当光的强度变化引起CCD的视频信号起伏时，通过电路将信号的起伏反馈到阈值设定电路，使阈值跟着变化，保证二值化脉冲的宽度稳定不变。采样/保持器 采样保持器采得线阵采样保持器采得线阵CCD在在该周期中输出的背景信号该周期中输出的背景信号并将其并将其保持整个周期，跟随器将采样输出信号通过电位器保持整个周期，跟随器将采样输出信号通过电位器 W 送到电压送到电压比较器提供比较器提
8、供浮动的阈值浮动的阈值。峰值保持峰值保持缓冲级缓冲级缓冲级缓冲级R RC CR R1 1R R2 2R RW WV VH HVCCdV VbinbinV Vthth阈值比较器阈值比较器图 3 浮动阈值电路图 3 浮动阈值电路浮动阈值浮动阈值固定阈值固定阈值正确二值化波形正确二值化波形不正确二值化波形不正确二值化波形 自适应地根据信号光及背景光的影响进行适当调整，完全消除光的不稳定带来的测量误差是困难的。理想的二值化方法：寻找输出信号中被测物体像的边界特征现场测量直径现场测量直径1.3微分法微分法 具体方法：用微分电路找到输出波形斜率最大的点，并将该点的坐标作为被测物图像的边界。精度最高边界处，
9、边界处，CCD输出信号波形的斜率最大！输出信号波形的斜率最大！微分法对信号的预处理：必须将CCD输出的调幅脉冲信号经过采样保持电路或低通滤波电路进行处理，变成连续的平滑曲线。微分法的工作过程：CCD输出信号经过微分电路1微分,对应于输出信号变化率最大位置(A及A点)处,输出两个负、正脉冲；取绝对值后,为两个正脉冲;再次微分,其过零点为两个边界点;通过过零触发器可以获得微分法的二值化输出脉冲,脉冲的宽度即为图像A A的宽度。1.4比较法提取边界特征比较法提取边界特征1.4比较法提取边界特征比较法提取边界特征2、二值化数据采集与计算机接口、二值化数据采集与计算机接口二值化数据采集主要适用系统：尺寸
10、测量；尺寸测量原理：在得到的二值化方波脉冲中填入与CCD像敏单元尺寸有关的高频时钟脉冲，并对其中的高频时钟脉冲计数，再乘以单个高频时钟脉冲对应的尺寸(脉冲当量)。被测尺寸=计数值脉冲当量2.1.硬件二值化数据采集方法（1）硬件二值化数据采集电路 CCD的驱动器除产生CCD工作所需的各路驱动脉冲外，还要产生与SH同步的控制脉冲Fc和用作二值化计数的输入脉冲CRt。电路组成：与门电路二进制计数器 锁存器显示器 Fc的上升沿对应于CCD输出信号的第一个有效像素单元 CRt脉冲频率是复位脉冲RS频率的整数倍RSCRtNff要要求求（2）硬件二值化数据采集原理）硬件二值化数据采集原理 Fc的低电平使计数
11、器清零，变为高电平后可以计数计数器的输入脉冲CRt只有在二值化脉冲的高电平期间才能通过与门输送到计数器的输入端计数器在一个行周期计得的CRt脉冲数将在二值化脉冲的下降沿产生，将计数器的值存入锁存器，再经译码、驱动、显示与二值化脉冲宽度有关的数值。控制脉冲输入脉冲 一个一个RS脉冲代表了一个像元的长度量，一个脉冲代表了一个像元的长度量，一个CRt脉冲应为像元尺寸的脉冲应为像元尺寸的N分之一。分之一。计数器一个周期内所计的数为二值化脉冲高电平所代表的被测物体的外径值。计数器一个周期内所计的数为二值化脉冲高电平所代表的被测物体的外径值。硬件逻辑电路二值化采集硬件逻辑电路二值化采集象素同频率信号象素同
12、频率信号RFC：行同步信号：行同步信号电路功能：电路功能：1.在二值化波形高电平期间计在二值化波形高电平期间计t的个数的个数.2.t应是应是R脉冲（与像素信号同频率）频率的整数脉冲（与像素信号同频率）频率的整数倍，倍，SH是转移脉冲是转移脉冲.3.C的的上升沿上升沿时刻应对应时刻应对应CCD输出的第一个有效输出的第一个有效 像元（二值化波形一定在像元（二值化波形一定在C上升沿时刻之上升沿时刻之 后时段）后时段）4.锁存信号发生在锁存信号发生在二值化信号下降沿二值化信号下降沿之后的瞬间。之后的瞬间。*适用条件：适用条件：n一个行周期内只有一个二值化脉冲；一个行周期内只有一个二值化脉冲；n只能采集
13、二值化脉冲的宽度或尺寸，只能采集二值化脉冲的宽度或尺寸，无法检测物体的位置无法检测物体的位置。（CCD有哪些象元被遮挡不知道）有哪些象元被遮挡不知道）u由线阵CCD行同步脉冲Fc控制的二进制计数器对每行的标准脉冲进行计数。uCCD输出的载有被测物体尺寸信息的视频信号经过二值化处理电路产生被测信号的方波脉冲。u将方波脉冲分别送给两个边沿信号产生电路，该电路产生两个上升沿，它们分别对应于方波脉冲的前、后边沿，即线阵CCD上的两个位置。锁存二值化锁存二值化信号的前后沿对信号的前后沿对应的像素位置。应的像素位置。2.2边沿送数的二值化数据采集边沿送数的二值化数据采集用这两个上升沿脉冲信号使两个存储器分
14、别锁存二进制计数器在上升沿时刻所计的数值Nl和N2，则 N1为二值化方波前沿时刻所对应的位置值，N2为后沿所对应的位置值。在行周期结束时，再存入计算机内存。Fc从第1个到第Nl个象元都没被遮挡，Nl到N2之间是被遮挡的像元素。宽度：（N2-Nl）n位置：在第Nl个和第N2个象元之间被遮挡7.3 CCD视频信号的量化处理视频信号的量化处理应用的场所应用的场所应用器件及选择原则应用器件及选择原则CCD视频信号量化对视频信号量化对A/D速率的要求速率的要求CCD视频信号量化对视频信号量化对A/D精度的要求精度的要求CCD视频信号量化举例视频信号量化举例应用的场所应用的场所p 量化处理量化处理：将：将
15、CCD视频信号视频信号u(t)转换为数字信号的过程。转换为数字信号的过程。CCD视频信号的量化处理过程视频信号的量化处理过程USU0 先将先将CCD输出的输出的脉冲调制脉冲调制信号经过低通滤波器滤波信号经过低通滤波器滤波,变成连变成连续的续的模拟信号模拟信号US。按照对图像分辨率的要求，采样。按照对图像分辨率的要求，采样/保持电路保持电路(S/H)对对 US进行进行间隔采样间隔采样，把，把US变成离散的模拟信号变成离散的模拟信号U0，最后，最后由由A/D转换器转换器（量化编码器）将（量化编码器）将U0转换为数字量送入计算机。转换为数字量送入计算机。CCD视频信号量化对视频信号量化对A/D速率的
16、要求速率的要求为为q 它完成的传递函数可表示成它完成的传递函数可表示成 式中式中,UB为参考源电压；为参考源电压；a1，a2，an为系数为系数(1或或0)；n为数字为数字量的位数；量的位数；E为数字信号的电压。为数字信号的电压。)222(221nnBaaaUEnBU221输入的模拟信号电压输入的模拟信号电压Us与与E之间的差值小于或等于之间的差值小于或等于 A/D转换器转换器:实现实现模拟量转换成数字量模拟量转换成数字量的电子器件。的电子器件。CCD视频信号量化对视频信号量化对A/D精度的要求精度的要求实际特性曲线：实际特性曲线：由宽度为由宽度为UB/2n的若干个台阶组成，的若干个台阶组成，每
17、个台阶的中间点与转换每个台阶的中间点与转换信号的电压值相对应。信号的电压值相对应。A/D的输出特性曲线的输出特性曲线与理论的输入值相对应的输出二进制数字量应在图中虚线。与理论的输入值相对应的输出二进制数字量应在图中虚线。量化误差量化误差：模拟量模拟量A（US）与二进制数对应的理论值与二进制数对应的理论值电压电压E之间存在的误差。之间存在的误差。是由于用有限位数的二进是由于用有限位数的二进制数字量逼近而代替实际制数字量逼近而代替实际的模拟量带来的原理误差。的模拟量带来的原理误差。量化单位量化单位 q=UB/2nUB为参考源电压为参考源电压n为数字量的位数为数字量的位数2.转换时间：转换时间转换时
18、间：转换时间 与与A/D的工作模式、转换位数等有关。的工作模式、转换位数等有关。逐次逼近型的逐次逼近型的A/D转换时间转换时间 在在10-3 10-6 s左右左右并行比较型的并行比较型的A/D转换速度更快，已经达到转换速度更快，已经达到10-9s量级量级1.3.A/D转换器的主要特性转换器的主要特性7.4 CCD输出信号的输出信号的A/D采集与接口采集与接口A/D数据采集系统作用及组成数据采集系统作用及组成用于用于CCD数据采集的计算机接口作用及类型数据采集的计算机接口作用及类型线阵线阵CCD数据采集原理举例数据采集原理举例线阵线阵CCD数据采集卡产品介绍数据采集卡产品介绍A/D数据采集系统作
19、用及组成数据采集系统作用及组成 总线接口方式总线接口方式：将线阵将线阵CCD的的A/D数据采集电路做在接口卡数据采集电路做在接口卡上，并将卡插在计算机的总线扩展槽内，通过各种总线信号直上，并将卡插在计算机的总线扩展槽内，通过各种总线信号直接与计算机的接与计算机的CPU、内存等部件进行操作，完成数据采集与传、内存等部件进行操作，完成数据采集与传输的接口工作。输的接口工作。线阵线阵CCD输出信号的输出信号的A/D数据采集与计算机接口方式很多，数据采集与计算机接口方式很多，常用的有常用的有并行接口、并行接口、USB串行接口、串行接口、PCI总线接口总线接口等方式。等方式。用于用于CCD数据采集的计算
20、机接口作用及类型数据采集的计算机接口作用及类型计算机接口作用计算机接口作用：由于计算机的外围设备品种繁多，主机由于计算机的外围设备品种繁多，主机CPU与外设之与外设之间的数据交换必须通过接口完成，协调间的数据交换必须通过接口完成，协调解决如下问题解决如下问题：速度不匹配问题：速度不匹配问题：外设的工作速度要比外设的工作速度要比CPU慢得多慢得多时序不匹配问题：时序不匹配问题：外设有自己的定时控制电路，以自己外设有自己的定时控制电路，以自己 的速度传输数据，无法与的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一的时序取得统一信息格式不匹配问题：信息格式不匹配问题：不同外设处理和存储的信息格式不同外设处
21、理和存储的信息格式 不同不同信息类型不匹配问题：信息类型不匹配问题：信号类型不同，如数字信号与模信号类型不同，如数字信号与模 拟信号拟信号计算机接口种类计算机接口种类：ISA接口接口 PCI接口接口 EPP接口接口 USB接口接口PCIPCI接口接口 Peripheral Component Interconnect（外设部件互连标（外设部件互连标准）的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接准）的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。颜色一般为乳白色颜色一般为乳白色可插接显卡、声卡、网卡、视频采集卡等扩展卡可插
22、接显卡、声卡、网卡、视频采集卡等扩展卡AGP，全称为加速图像处理端口，全称为加速图像处理端口（Accelerated Graphics Port），是电脑主），是电脑主板上的一种高速点对点传输通道，供显卡板上的一种高速点对点传输通道，供显卡使用，三维图像。使用，三维图像。PCI-E(PCI-Express)是一种通用的总线规是一种通用的总线规格，它由格，它由Intel所提倡和推广，其最终的设所提倡和推广，其最终的设计目的是为了取代现有电脑系统内部的总计目的是为了取代现有电脑系统内部的总线传输接口。线传输接口。EPP（Enhanced Parallel Port）是一种增强了的双向并行传输接口插
23、座接头方式插座接头方式：位于机箱外，：位于机箱外，2525针插座针插座概况概况 数据线数据线8 8条，条，地址线地址线8 8条，条，传输速度传输速度8Mb/S8Mb/S，引脚引脚2525特点特点 插座方式插座方式(位于机箱外位于机箱外)控制卡不占用机箱内空间，不易引入干扰控制卡不占用机箱内空间，不易引入干扰 传输速率同传输速率同ISAISA卡卡 各种机型有各种机型有EPPEPP插座插座 适用于线阵适用于线阵CCDCCD数据采集数据采集 EPP接口接口增强并行口（打印机接口）增强并行口（打印机接口）USB USB接口通用串行总线接口接口通用串行总线接口插座接头方式：插座接头方式：位于机箱外，位于
24、机箱外，手机，手机，MP3MP3概况概况 引脚引脚:4:4针针 传输速率传输速率 USB1.1USB1.1为为12MB/S12MB/S；USB2.0USB2.0为为480MB/S480MB/S特点特点 连线简单具有即插即用、热插拔功能连线简单具有即插即用、热插拔功能.支持较高速率传输（支持较高速率传输（12Mb/S12Mb/S）和错误校正）和错误校正.利用菊花链对端口扩展，能同时支持利用菊花链对端口扩展，能同时支持127127个外设个外设,通信距离小于通信距离小于5 5米米.具有等时、中断、控制和块传送四种数据传送模具有等时、中断、控制和块传送四种数据传送模 式（供选择），以适用于不同的应用场
25、合式（供选择），以适用于不同的应用场合.占用资源少，接口在机箱外，无干扰占用资源少，接口在机箱外，无干扰.适用于野外和便携式适用于野外和便携式CCDCCD应用系统采集数据应用系统采集数据.本章小结本章小结1.CCD视频信号处理方法有哪两种？视频信号处理方法有哪两种？2.什么叫二值化处理？有哪几种方法？哪种精度最高？什么什么叫二值化处理？有哪几种方法？哪种精度最高？什么叫浮动阈值法？优点是什么？叫浮动阈值法？优点是什么？3.微分法的工作过程微分法的工作过程4.二值化数据采集系统的适用场合和尺寸测量原理二值化数据采集系统的适用场合和尺寸测量原理5.硬件二值化数据采集电路的数据采集过程硬件二值化数据采集电路的数据采集过程6.边沿送数的二值化数据采集电路的数据采集过程边沿送数的二值化数据采集电路的数据采集过程7.CCD视频信号的量化过程由哪些环节组成；视频信号的量化过程由哪些环节组成；A/D转换器的转换器的主要特性主要特性。8.用于用于CCD数据采集的计算机接口类型（四种）；计算机接数据采集的计算机接口类型（四种）；计算机接口的作用，解决四个问题口的作用，解决四个问题
