專利名稱：一種光電耦合器件成像邊緣檢測計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測領(lǐng)域中的一種光電耦合器件(以下稱CCD)成像邊緣檢測計(jì)算方法。
本發(fā)明方法之前，對光電耦合器件成像邊緣檢測計(jì)算方法，一般是采用數(shù)值比較法(例如SPIE VOL.701 ECOOSA’86(Florence1986)，High resolution optical metrology and edge detectionusing a pc-controlled smart CCD camera.M.T.Gale andP.Seitz)將CCD成像器件輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并對其進(jìn)行微分計(jì)算，求出微分信號的極值點(diǎn)，這個極值點(diǎn)被認(rèn)為是邊緣點(diǎn)信號。對極值點(diǎn)的求法，一般有兩種，一種是直接比較法，就是將微分信號數(shù)值直接比較，找出極大值，這種方法簡單，但精度較低。另一種方法是將微分?jǐn)?shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，找出擬合曲線的極值點(diǎn)，這種方法雖然精度提高了，但計(jì)算量非常大，只適用于大型高速計(jì)算機(jī)，單片機(jī)是無法完成的。
為了克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)建立一套新的計(jì)算方法，使計(jì)算過程簡單化，大大提高工作效率，提高計(jì)算精度。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容，結(jié)合圖1予以說明在圖1中，a為理想的CCD輸出邊緣信號波形，b為實(shí)際CCD輸出邊緣信號波形，c為CCD輸出邊緣采樣信號波形，d為邊緣數(shù)值微分信號波形。
第一步，對CCD成像器件輸出的被測物的邊緣信號波形b進(jìn)行采樣，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(A/D轉(zhuǎn)換)信號波形c，存儲在計(jì)算機(jī)里；第二步，將采集的數(shù)字信號波形c進(jìn)行微分計(jì)算，得出邊緣信號微分波形d，找出上波峰和下波峰，并將波峰看成是一種星點(diǎn)能量信號，邊緣信號波形c的上升沿梯度最大處對應(yīng)邊緣信號微分波形d的上波峰峰值，邊緣信號波形c的下降沿梯度最大處對應(yīng)邊緣信號微分波形d的下波峰峰值；第三步，應(yīng)用星的像心算法公式Xc=ΣXiRiΣRi,]]>式中Xc為像心位置(X軸方向與CCD像元排列方向一致)，Xi為CCD像元在X軸方向的位置，i為像元個數(shù)，i＝1、2、3、……Ri為A/D轉(zhuǎn)換后的Xi點(diǎn)處的像素響應(yīng)電平。
將第二步微分?jǐn)?shù)值看成是星點(diǎn)的響應(yīng)電平Ri代入該公式中，計(jì)算所得像心Xc即是CCD成像器件輸出的被測物的邊緣點(diǎn)值。
本發(fā)明的原理說明當(dāng)一被測物體(不透光)成像在CCD上時，總會存在左右兩個邊緣，圖1a為理想的邊緣階躍信號，即當(dāng)光線由明到暗或由暗到明時，會出現(xiàn)輸出電信號的跳變，該跳變被定義為圖像的邊緣信號。但在實(shí)際測量過程中，理想的邊緣階躍信號不可能出現(xiàn)，由于光線由明到暗或由暗以明變化時，對CCD的邊緣信號輸出會產(chǎn)生余輝信號的影響，即與邊緣點(diǎn)相鄰的CCD像元也會有不同程度信號輸出，實(shí)際的邊緣信號波形如圖1b所示，因此，就需要確定圖1b中的兩個邊緣點(diǎn)。首先將CCD輸出模擬信號b經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號c存儲在存儲器當(dāng)中。根據(jù)邊緣點(diǎn)的定義，認(rèn)為邊緣信號梯度最大處就是邊緣點(diǎn)，又根據(jù)數(shù)值微分原理可知，數(shù)字信號微分值的大小就代表了邊緣信號梯度的大小。因此，將邊緣數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)值微分計(jì)算，求出各采樣點(diǎn)的梯度值，波形如圖1d。
下面的主要問題是如何利用圖1d中微分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算邊緣點(diǎn)。從邊緣的數(shù)值微分信號的波形可以看出，它是近似于高斯圖象，具有左右對稱、單峰值點(diǎn)等特點(diǎn)。如果將該信號看成是一種能量信號，認(rèn)為它是某一能量物質(zhì)星點(diǎn)在CCD接收器上的響應(yīng)，那么，根據(jù)信號的對稱性可知，該信號的能量中心應(yīng)位于信號的垂直中心線上，且該中心線通過信號的極值點(diǎn)。因此，可以通過計(jì)算該信號的能量中心的方法，找出信號的象心點(diǎn)，即邊緣點(diǎn)。
星點(diǎn)能量中心(像心)的計(jì)算公式為Xc=ΣXiRiΣRi.]]>其中Xi為CCD第i個像元的坐標(biāo)點(diǎn)，(定義CCD象元的排列方向?yàn)閄軸方向)i＝1、2、3……；Ri為CCD象元在Xi處信號響應(yīng)值，在此，將邊緣信號微分?jǐn)?shù)值看作能量響應(yīng)值Ri，代入像心公式中。
根據(jù)該公式Xc的計(jì)算精度可以達(dá)到很高，但最終的測量精度要取決于采樣信號的信噪比。
綜上所述，由于邊緣微分信號的對稱性和單峰值點(diǎn)的特點(diǎn)，使得信號的極值點(diǎn)和能量中心點(diǎn)具有相同的橫坐標(biāo)點(diǎn)(X方向)，因此，可以將通過數(shù)值擬合的復(fù)雜算法求解信號極值點(diǎn)問題轉(zhuǎn)化為應(yīng)用簡單公式求解能量中心問題。也就是說在邊緣信號滿足應(yīng)用條件的情況下(對稱性，單峰值點(diǎn))，利用能量中心公式，可以求解信號邊緣點(diǎn)，或者說此時能量中心計(jì)算公式就是邊緣點(diǎn)計(jì)算公式，這就是本發(fā)明的原理所在。
本發(fā)明的積極效果計(jì)算過程簡單，可在小型計(jì)算機(jī)或單片機(jī)中進(jìn)行操作使用，響應(yīng)速度快，精度高，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)信。


圖1是CCD成像器件輸出的被測物的邊緣信號波形圖，a為理想邊緣信號波形，b為實(shí)際的邊緣信號波形，c為邊緣采樣信號波形，d為邊緣微分信號波形圖。
最佳實(shí)施例應(yīng)用線陣CCD成像器件，被測物采用暗信號成像，成像邊緣清晰，對比度好，采用8位以上的A/D轉(zhuǎn)換器，像心算法公式適合于相對位移量測量計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種光電耦合器件成像邊緣檢測計(jì)算方法，是通過將CCD成像器件輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并對其進(jìn)行微分計(jì)算實(shí)現(xiàn)的(完成的)，其特征在于第一步，對CCD成像器件輸出的被測物的邊緣信號波形b進(jìn)行采樣，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(A/D轉(zhuǎn)換)信號波形c，存儲在計(jì)算機(jī)里；第二步，將采集的數(shù)字信號波形c進(jìn)行微分計(jì)算，得出邊緣信號微分波形d，找出上波峰和下波峰，并將波峰看成是一種星點(diǎn)能量信號，邊緣信號波形c的上升沿梯度最大處對應(yīng)邊緣信號微分波形d的上波峰峰值，邊緣信號波形c的下降沿梯度最大處對應(yīng)邊緣信號微分波形d的下波峰峰值；第三步，應(yīng)用星的像心算法公式 式中Xc為像心位置(X軸方向與CCD像元排列方向一致)，Xi為CCD像元在X軸方向的位置，i為像元個數(shù)，i＝1、2、3、……Ri為A/D轉(zhuǎn)換后的Xi點(diǎn)處的像素響應(yīng)電平。將第二步微分?jǐn)?shù)值看成是星點(diǎn)的響應(yīng)電平Ri代入該公式中，計(jì)算所得像心Xc即是CCD成像器件輸出的被測物的邊緣點(diǎn)值。
全文摘要
一種光電耦合器件成像邊緣檢測計(jì)算方法,屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域中的一種光電耦合器件(以下稱CCD)成像邊緣檢測的計(jì)算方法,是通過對CCD成像器件輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并對其進(jìn)行微分計(jì)算，找出微分信號的上波峰和下波峰，將波峰看成是一種星點(diǎn)能量信號，應(yīng)用星的像心計(jì)算公式:Xc=∑XiRi/∑Ri,將微分?jǐn)?shù)值代入該公式中,計(jì)算所得像心Xc,即是CCD成像器件輸出的被測物的邊緣值。
文檔編號G06F17/13GK1357845SQ01119490
公開日2002年7月10日 申請日期2001年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者賀庚賢 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所