光线示波器的CCD图像采集与处理研究

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第 1l卷 第 2期2013年4月实验科学与技术Experiment Science and TechnologyVoL 11 No.2Apr.2013光线示波器的 CCD图像采集与处理研究王锁明 ，侯 彬 ，朱二旷(1.燕山大学 理学院，河北 秦皇岛 066004；2.东北石油大学 秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004)摘要：用拍摄速度为 60帧/s以上的 CCD高速相机对光线示波器光点运动路径实时拍摄，在每-帧图像 中获得激光光点在某-时刻所到达的位置。通过对图像进行平滑和灰度变换等图像处理，准确提取各幅图像 中目标图像的位置坐标～只含目标图像的多幅图像进行叠加处理，再将在-段时间内的各个离散的位置坐标拟合成激光光点完整的运动轨迹，进而揭示电信号的特征。

关 键 词：光线示波器；电荷耦合器件；图像采集；图像处理；叠加中图分类号：TH74；TM935.3；TN911.73 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1672-4550.2013.02.002Study of the Acquisition and Processing of the Images withCCD to Optical OscillographWANG Suoming ，HOU Bin ，ZHU Erkuang(1.Colege of Science，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China；2.Qinhuangdao Campus，Northeast Petroleum University，Qinhuangdao 066004 ，China)Abstract：The high speed charge coupled device(CCD)with 60 frame/second was adopted to abtain the optical oscillograph spot con-trail in real time in the system of electromagnetic oscilation.The positional information of the arrival of the laser spot at a given time wasobtained through the processing of the images，and the coordinate position in each image was extracted exactly by image processingsuch as antialiasing，gray level transform，etc.So we can get the discrete coordinate position in a period of time and accomplish thedepiction of the movement station of the spot of optical oscilograph to indicate the characteristics of the inputed electrical signa1。

Key words：optical oscilograph；charge coupled devices；image acquisition；image processing；superposition随着CCD(电荷耦合器件)高速成像技术的不断发展，频率高、数字化的新型 CCD相机不断出现。

结合相应光学系统的CCD成像探测器可以对目标进行实时的观测和记录，提供各方面的相关信息进行分析、考察和使用 J。CCD器件及其应用技术在图像传感和非接触测量领域得到了广泛的应用。

对于光线示波器，由于光线光点的运动速度非踌，利用肉眼和普通相机进行追踪非常困难，使光点振荡信息的揭示有-定难度。但是，高速CCD成像技术与计算机技术的结合，取代 了激光点成像中的底片，避免了显影和定影的繁复操作过程，可以快速方便地实现波形再现的目的，同时也可达到对高速运动的激光光点进行快速跟踪拍摄的目的，这对激光光点运动规律的研究与揭示具有非常重要的意义。

本文拟以高速 CCD相机拍摄回来的图像集作收稿日期：2012-06-25；修改日期：2012-09-05基金项目：国家级大学生创新项目(101021627)。

作者简介：王锁明(1978-)，男，硕士，讲师，主要从事光学工程技术、嵌入式系统方面的教学与研究工作。

为数据源，对图像进行-些关键性的处理。为了更好、更形象地对激光光点的运动轨鉴行完整拟合，在常规图像处理方法的基础上提出了基于CCD光迹捕捉的图像叠加处理方法。

1 获趣光光点图像原理光线示波振荡系统的装置结构如图 1所示。图中电磁振荡系统在周期性信号(由A、B端输入)的激励下，振子可以在竖直面内以摆幅 0角振荡，利用振动子偏转反射的光束在感光记录纸上记录-个或多个参数的瞬时值 ，以确定其波形。被测参数可为电流或电压等电量，或为已转变为电量的各种非电量，例如在机械工程中与应变片配合使用时，可测应力、应变、扭矩和振动等。光线示波器用光束记录，光束无惯性，光记录无摩擦，又可用增加光臂长度的方法来提高光学的放大作用。

2 图像处理图像获取以后，由于外部环境和 CCD自身的原因，所获取的图像存在噪声的干扰，为了给后续的图像分析和图像理解奠定基础，在获取图像以后· 4· 实验科学与技术需要对所获得图像进行图像处理 ，即对图像进行各种加工以改善图像的效果，其主要目的是消除图像噪声、增强图像信息、消除非均匀性和改善图像质量等。

图 1 光线示波器的测试系统2.1 图像去噪处理图像预处理使用的方法为图像平滑，这是-类简单但使用频率很高的图像处理方法。平滑处理的用途很多，常用于去除图像上的噪声或者减少线性失真 。图像的平滑处理视其噪声本身的特性而定，可在空间域或在频率域采用不 同的措施 j。

- 般情况下，在空问域采用中值滤波法对大多数类型的噪声就可以取得很好的效果，所以本研究采用中值滤波来消除噪声。

2.2 中值滤波中值滤波是-种非线性的运算，对随机输入信号的严格数学分析比较复杂，但在确定性信号中进行中值滤波还是比较方便的，因为在实际运算过程中并不需要 图像 的统计特性 J。其基本原理是：确定-个包含有奇数个像素的序列，按像素的灰度值从小到大或者从大到小排列起来，然后用中间灰度值来代替原排列的中间位置像素的灰度值。但考虑到-般图像在二维方向上均具有相关性 ，所以，采样窗口-般选择为二维窗口，其形状可以不同，如方形、十字形、菱形等。中值滤波最核心的问题是如何有效地选择-个最有可能代表领域特征的像素灰度，-般来说，邻域像素中灰度大杏中的点通常能很好地描述邻域的属性。因此，中心像素的灰度是通过对邻域内像素灰度排序然后取中值来确定的 。

实现算法：1)确定某种结构的二维滑动模板，将板内像素按照限像素值的大续行排列，生成单调上升(或下降)的二维数据序列。

2)二维中值滤波输出为：G( ，Y)medF( -1，Y-k)，(1。k∈W))(1)其中，F( ，Y)和 G( ，Y)分别为原始图像和处理后图像；W为二维模板。

2.3 灰度变换由于CCD成像时可能存在曝光不足或过度，以及 CCD的非线性动态范围太窄等因素，使采集回来的图像存在对比度不足的现象，-些激光光点图像可能不太清晰。为了修补这种缺陷，在图像去噪之后，采用灰度切分(即将某个范围的灰度值突出，将其余的灰度值变为某个低灰度值)进行处理，增加图像的对比度，从而能使激光光点的图像更加清晰。

1)基本原理假设源图像 F( ，Y)的灰度范 围为 [A，B]，感兴趣的图像的灰度范围为[c，D](其中，A≤ c≤D≤ )，希望变换后图像 G( ，Y)中感兴趣的图像的灰度为 ，背景图像的灰度为 。其关系式如下：G( )： F )∈[c，D。

(2) G( ，y)Ⅳ，其余2)实现算法(1)读入去噪后的图像，对该图像的像素灰度进行分析，寻找出灰度分布在区间[c，D]的像素。

(2)对图像进行灰度变换，变换后激光光点图像 G( ，y)M ，背景图像 G( ，Y)N。

在本次研究中发现，激光光点图像与背景图像的对比度越高越利于实现对激光光点图像特性的研究。所以， 和 Ⅳ的值分别取0和255。图2(a)为CCD所拍摄的图像，经过滤波与灰度变换效果如图2(b)所示。

3 目标图像位置坐标提取为了确定激光光点在高速运动时所经过的位置，依次读人各帧图像，根据激光光点图像和背景图像的灰度来确定激光光点图像各个像素的坐标，采用像素坐标平均法计算出激光光点的近似中心坐标，即求解像素体系质心的方法得中心坐标。经过多次实验测量，结果表明采用这种方法所得出的中心坐标与实际的中心坐标十分接近。

综上所述，像素坐标平均算法可以表示为：1 nP( ，y) 1∑F ( ，)，) (3)其中，P( ，Y)为激光光点位置的中心坐标；n为灰度 G( ，Y)M的像素个数；F ( ，Y)为灰度 G( ，Y)M的第 n个像素的坐标，如图2(c)所示。