光電成像原理和技術(shù)實(shí)驗(yàn)

1、光電成像原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn),王霞 裘溯光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光電成像與信息工程研究所2011年9-10月,我們要學(xué)會(huì)什么？？？,搞懂該課程的意義（能幫我們解決什么？） 學(xué)習(xí)方法（首當(dāng)其沖） 基本原則（概念清楚）工程經(jīng)驗(yàn)（更為重要）,,學(xué)有二道：曰沉思、曰實(shí)驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是近代自然科學(xué)得以相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的實(shí)踐基礎(chǔ)。鞏固所學(xué)的概念和規(guī)律，練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作方法經(jīng)歷科學(xué)過(guò)程，體會(huì)科學(xué)方法，樹(shù)立科學(xué)的價(jià)值觀更加熱愛(ài)科學(xué),實(shí)驗(yàn)

2、內(nèi)容,時(shí)間安排,實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間：4周-9周，每周五下午5-8節(jié)地點(diǎn)：信息樓4012-4013室輪空的課時(shí)為課前預(yù)習(xí)和課后整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)間。,實(shí)驗(yàn)要求,提前做好預(yù)習(xí)，未預(yù)習(xí)者輔導(dǎo)教師有權(quán)拒絕其做實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告由學(xué)習(xí)委員收齊，于2011年11月4日以前交輔導(dǎo)教師。逾期未交者，視為不及格。參加實(shí)驗(yàn)的同學(xué)每2-3人組，按學(xué)號(hào)順序排列。如有調(diào)整，請(qǐng)學(xué)習(xí)委員在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始之前一天，將分組情況通知輔導(dǎo)教師。,,輔導(dǎo)教師王霞：6891

3、2569-801 angelniuniu@bit.edu.cn 13811670583裘溯：13621349269 edmondqiu@bit.edu.cn教學(xué)參考書(shū)《光電信息實(shí)驗(yàn)技術(shù)》王仲春 劉榴娣 鐘堰利 編著兵器工業(yè)出版社,實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求,上課前寫(xiě)好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，由輔導(dǎo)老師檢查、簽字之后，方可開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)所記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由各實(shí)驗(yàn)的輔導(dǎo)老師簽字后，方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室；

4、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上交時(shí)，應(yīng)由以下幾個(gè)部分：預(yù)習(xí)報(bào)告（教師簽字）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（輔導(dǎo)老師簽字）數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)論思考題,成績(jī)的評(píng)判,實(shí)驗(yàn)成績(jī)=每個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)= 預(yù)習(xí)（20%）+實(shí)驗(yàn)（40%）+數(shù)據(jù)處理及思考題（40%）,,,三個(gè)基本組成部分各完成不同的物理過(guò)程；（請(qǐng)寫(xiě)在預(yù)習(xí)報(bào)告上）,光電成像器件亮度增益測(cè)試實(shí)驗(yàn),,亮度增益概念,用規(guī)定照度的標(biāo)準(zhǔn)光源照射光電陰極，在像管輸出的軸向方向上分別測(cè)出有光輸入和無(wú)光輸入時(shí)熒光屏的法向亮度，

5、兩者之差與入射到光陰極上的照度之比，為亮度增益,使用照度計(jì)完成亮度增益的關(guān)鍵,用照度計(jì)間接測(cè)量熒光屏的軸向發(fā)光亮度La：測(cè)量距離熒光屏l處的照度Ea,由此可得亮度增益可表達(dá)為,實(shí)驗(yàn)步驟,對(duì)光源的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定；照度計(jì)調(diào)零；給像管加以規(guī)定的工作電壓，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使其達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)；用照度計(jì)測(cè)出入射到陰極面上的照度Ec；測(cè)量輸入面上無(wú)光照時(shí)距熒光屏l處的照度Ea；測(cè)量輸入面上有光照時(shí)距熒光屏l處的照度Ea0。,思考題,像

6、增強(qiáng)器亮度增益受那些因素的影響？為什么光源的色溫要定為2856K，如何保證？為什么要減去無(wú)光照時(shí)的熒光屏輸出亮度？,光電成像器件等效背景照度測(cè)試實(shí)驗(yàn),,概念,為了使熒光屏亮度等于暗背景亮度值，而需要在光陰極面上輸入的照度值，就稱為等效背景照度。常用測(cè)試方法增益測(cè)試法,需要思考的問(wèn)題,使用增益測(cè)試設(shè)備測(cè)試等效背景照度時(shí)，應(yīng)該先測(cè)有光照情況還是先測(cè)無(wú)光照情況下的輸出照度？為什么？,光電成像器件光電陰極靈敏度實(shí)驗(yàn),,,光電陰極

7、靈敏度的物理意義 在一定色溫下的光源所發(fā)射的連續(xù)光譜照射，以每入射流明的微安數(shù)（單位為μA/lm）來(lái)表示光電陰極的靈敏度。 像管積分靈敏度在標(biāo)準(zhǔn)光源（色溫2856K）照射下，陰極規(guī)定面積上所產(chǎn)生的飽和光電流與照射到該面積上的光通量之比,實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)步驟,對(duì)光源的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定：調(diào)整穩(wěn)流源電流值（0.845A），使光源的色溫達(dá)到2856K，并能均勻地照射在像管的陰極面上；測(cè)量并記錄陰極面上的照度（<

8、100lx）；（照度計(jì)調(diào)零）選擇合適直徑的光闌，計(jì)算出其面積的大小。在光電陰極及相關(guān)電極之間施加200V直流電壓。測(cè)量并記錄下有光照時(shí)的光電流值；測(cè)量并記錄下無(wú)光照時(shí)的光電流值。,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,思考題,試述光電陰極光譜靈敏度測(cè)試原理、系統(tǒng)組成及測(cè)試方法？,光電成像器件放大率和畸變測(cè)試實(shí)驗(yàn),,概念,放大率：rc——在陰極面中心處輸入圖像的尺寸；rp——由陰極面上尺寸為rc的圖像在熒光屏上成像的尺寸?；儯篗0——rc不

9、超過(guò)1mm處某點(diǎn)的放大率；Mr——距離中心r處的放大率。,,實(shí)質(zhì)：都是測(cè)量不同半徑上的放大率。常用概念：負(fù)畸變（ M0>Mr）， 正畸變（ M0<Mr）， 半視場(chǎng)畸變， 邊緣畸變。,實(shí)驗(yàn)裝置,陰極面上的尺寸： ——平行光管的焦距

10、 ——成像物鏡的焦距,實(shí)驗(yàn)步驟,在像管上加以額定的工作電壓，并使其工作穩(wěn)定。調(diào)節(jié)像管的位置，使測(cè)試板在熒光屏上清晰成像。通過(guò)目鏡觀察熒光屏，讀出測(cè)試板上r在熒光屏上對(duì)應(yīng)的r2值。,需要注意的問(wèn)題,測(cè)試時(shí)，應(yīng)從測(cè)試板中心開(kāi)始測(cè)試，分別測(cè)試左右兩側(cè)，以消除誤差。,思考題,像管陰極面上所成像的尺寸計(jì)算方法是什么？為什么要在測(cè)試板與光源間使用毛玻璃？,光電成像器件極限分辨力測(cè)試實(shí)驗(yàn),,

11、極限分辨力,用目視方法查對(duì)比度為100%的標(biāo)準(zhǔn)分辨力圖案，在每毫米寬度內(nèi)最多能分辨的黑白帶狀線條的對(duì)數(shù)，常用單位為lp/mm。常用分辨力測(cè)試板：四方向平行條帶板， 放射形條帶板。常見(jiàn)不同定義：中心分辨力， 半視場(chǎng)分辨力， 邊緣分辨力。

12、,需要注意的問(wèn)題,測(cè)試臺(tái)的構(gòu)成、測(cè)試步驟、分辨力查表、計(jì)算方法,思考題,光源的亮度對(duì)分辨力測(cè)試有無(wú)影響？為什么？像管的中心分辨力和邊緣分辨力差異大不大？為什么？影響像管分辨力的因素都有哪些？,直視微光成像系統(tǒng)極限分辨角測(cè)試實(shí)驗(yàn),,視距估算,設(shè)目標(biāo)的臨界尺寸（最小高度或?qū)挾龋镠，目標(biāo)到系統(tǒng)距離為l，則目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角a0為根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和認(rèn)清目標(biāo)所需的空間頻率分別為1、4、8對(duì)線/目標(biāo)臨界尺寸，相應(yīng)分辨角為,實(shí)驗(yàn)

13、裝置,思考題,計(jì)算實(shí)驗(yàn)中使用的夜視系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、認(rèn)清一個(gè)身高1.70m、中等胖瘦（約40cm寬）的人時(shí)，相應(yīng)的視距。,面陣CCD尺寸測(cè)量與顏色識(shí)別,,尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的點(diǎn)、線、面的測(cè)量過(guò)程掌握應(yīng)用面陣CCD進(jìn)行尺寸測(cè)量的基本方法； 通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的點(diǎn)、線、面的測(cè)量過(guò)程掌握應(yīng)用面陣CCD進(jìn)行尺寸測(cè)量，掌握測(cè)量范圍、精度和測(cè)量時(shí)間等問(wèn)題。,實(shí)驗(yàn)原理,在被測(cè)物面處， 放置標(biāo)準(zhǔn)尺寸物或標(biāo)尺，讀出標(biāo)尺圖像的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)便

14、可進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸物或標(biāo)尺的實(shí)際尺寸為l0，讀出數(shù)據(jù)為N0，則測(cè)出的N 值的長(zhǎng)度當(dāng)量（x0/β 或y0/β ）為顯然，若光學(xué)系統(tǒng)存在畸變，就要對(duì)不同視場(chǎng)分別進(jìn)行標(biāo)定或進(jìn)行更高精度的圖像數(shù)據(jù)處理工作。,,測(cè)試步驟,將被測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)圖片如下圖所示，安裝在“被測(cè)物夾持架”上，將USB接口線正確連接到計(jì)算機(jī)上； 打開(kāi)計(jì)算機(jī)的電源開(kāi)關(guān)，并確認(rèn)YHACCD－Ⅲ型彩色面陣CCD實(shí)驗(yàn)儀的“面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)”軟件是否已經(jīng)安裝？若未安裝，則先

15、將軟件安裝在計(jì)算機(jī)的指定位置上； 將外置面陣CCD攝像機(jī)的鏡頭蓋打開(kāi)； 打開(kāi)YHACCD－Ⅲ彩色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀的電源開(kāi)關(guān)；,測(cè)試步驟,確認(rèn)視頻切換按鈕（開(kāi)關(guān)）是否已經(jīng)按下，切換指示燈點(diǎn)亮表明采集外置CCD攝像機(jī)的圖像信號(hào)； ⑥ 運(yùn)行“面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)”程序； ⑦ 點(diǎn)擊 “連續(xù)采集”按鈕，計(jì)算機(jī)界面將顯示外置攝像頭所采集到的圖像，調(diào)整CCD攝像頭與測(cè)量圖片的相對(duì)位置使計(jì)算機(jī)顯示的圖像盡量清晰，點(diǎn)擊“停止”按鈕?；蛘?，

16、點(diǎn)擊“單幀”按鈕，采集到一幅數(shù)據(jù)圖像，并將其存入指定內(nèi)存。,,,,點(diǎn)、圓數(shù)據(jù)的測(cè)量：中心、直徑三角形、矩形數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的測(cè)量：頂點(diǎn)坐標(biāo)、邊長(zhǎng)、中心和面積。 顯然上述觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法是比較繁復(fù)的，能否用計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)邊界點(diǎn)的特征進(jìn)行自動(dòng)尋找呢？回答是肯定的。,思考題,嘗試使用VC++程序（或Matlab）自己編寫(xiě)邊緣檢測(cè)及尺寸測(cè)量程序。 你能設(shè)計(jì)出用外置攝像機(jī)測(cè)量圓柱物體（如鉛筆芯）外徑的方案嗎？ 在鉛筆芯外徑的測(cè)量系統(tǒng)中，若所選的面陣

17、CCD 為768（H）×576（V），被測(cè)筆芯直徑為0.7μ m，試計(jì)算所獲得的最高的測(cè)量精度為多少？,顏色測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?學(xué)習(xí)利用彩色面陣CCD進(jìn)行彩色圖像的分解與合成，用此種方法對(duì)顏色信息進(jìn)行識(shí)別和圖像處理是本節(jié)實(shí)驗(yàn)的主要目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也能對(duì)R、G、B色品坐標(biāo)與三基色色彩方程有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。,實(shí)驗(yàn)原理,利用彩色面陣CCD可以將復(fù)雜的色彩圖像分解為三原色單色圖像，利用分解的單色圖像進(jìn)行顏色信息的識(shí)別。例如，若想從紅小豆

18、堆里分辨出如綠豆、黑豆、花小豆、砂石等雜質(zhì)，可以將被測(cè)小豆經(jīng)彩色面陣CCD攝取并采集的彩色圖像分解成R、G、B三幅單色圖像，用計(jì)算機(jī)軟件分析這3幅單色圖像的輸出幅度，若G、B圖像的輸出幅度超過(guò)某閾值，則表明其為雜質(zhì)?？梢杂秒姶艢忾y將其吹出，實(shí)現(xiàn)除去雜質(zhì)的目的。在彩色印刷過(guò)程中常采用順序印刷單色圖像的方法，在印每種顏色時(shí)都要檢測(cè)其質(zhì)量。因此，用彩色面陣CCD進(jìn)行彩色圖像分解出的單色圖像進(jìn)行色品分析是保證彩色印刷質(zhì)量的關(guān)鍵。,,實(shí)驗(yàn)原理,將

19、三原色單色圖像合成為一幅圖像，該幅圖像為真彩色圖像。若對(duì)一色、二色或三色單色圖像進(jìn)行對(duì)比度、白電平等參數(shù)的調(diào)整，結(jié)果會(huì)使合成的彩色圖像的顏色、飽和度、色度等色品參數(shù)發(fā)生變化，即彩色圖像被處理。通過(guò)彩色圖像的處理能提高原圖像的質(zhì)量。,,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,利用彩色面陣CCD攝像機(jī)進(jìn)行彩色圖像分解； 利用分解出的單色彩色圖像進(jìn)行顏色信息的分辨；利用彩色面陣CCD攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)圖像數(shù)字采集系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的彩色圖像處理。,實(shí)驗(yàn)步驟,1）基本彩色圖像的分

20、解 ① 用USB連接線將YHACCD－Ⅲ彩色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)的USB2.0連接起來(lái)； ② 打開(kāi)計(jì)算機(jī)的電源開(kāi)關(guān)，確定“面陣CCD顏色識(shí)別實(shí)驗(yàn)”程序是否已經(jīng)安裝；若未安裝，請(qǐng)按廠家提供的安裝盤(pán)安裝。若已安裝，可進(jìn)行下面的操作； ③ 檢查面陣CCD攝像機(jī)的電源線與視頻線是否與實(shí)驗(yàn)儀連接好。再打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀的電源開(kāi)關(guān)； ④ 確認(rèn)視頻切換按鈕是否已經(jīng)按下，切換指示燈點(diǎn)亮，說(shuō)明已經(jīng)將外置面陣CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)接入視頻信號(hào)數(shù)據(jù)

21、采集系統(tǒng)；,實(shí)驗(yàn)步驟,1）基本彩色圖像的分解 ⑤ 將儀器提供的彩色樣品卡安裝在“被測(cè)物夾持架”上，調(diào)整物像關(guān)系，使圖像盡量清晰； ⑥ 運(yùn)行“面陣CCD顏色識(shí)別實(shí)驗(yàn)”程序，點(diǎn)擊 “實(shí)時(shí)采集”按鈕，進(jìn)行圖像采集； ⑦ 把鼠標(biāo)移到所采集的圖像上，觀測(cè)鼠標(biāo)指示位置像素點(diǎn)的R、G、B等級(jí)數(shù)； ⑧ 在顏色選取框中選擇任意單色通道，例如紅色通道，關(guān)閉其余通道。此時(shí)實(shí)時(shí)采集圖像為紅色單色圖像。點(diǎn)擊 “停止采集”按鈕，完成一幀圖像的數(shù)據(jù)采集。將采

22、集到的紅色單色圖像數(shù)據(jù)保存成文本文件。然后點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)采集”按鈕，并重新采集其他單色圖像，觀察這些圖像的數(shù)據(jù)變化，并將采集的單色圖像保存起來(lái)。,實(shí)驗(yàn)步驟,2）用單色彩色圖像分離雜質(zhì) ① 按上面的步驟和方法采集需要挑選的紅豆圖像，再分別采集三種單色圖像，并將其分別存入3個(gè)文本文件中； ② 打開(kāi)三種單色圖像文件，分析各單色圖像的特點(diǎn)，從單色圖像中找到需要分離出來(lái)的信息處在什么坐標(biāo)位置（綠豆、黑豆、花豆等雜質(zhì)的位置）。,實(shí)驗(yàn)步驟,3）彩色圖

23、像簡(jiǎn)單處理方法 ① 按上面的步驟和方法采集一幅彩色圖像，再分別采集并存儲(chǔ)三種單色圖像，點(diǎn)擊“查看”菜單的顯示數(shù)據(jù)選項(xiàng),并將其分別存入3個(gè)文本文件中； ② 在采集軟件中利用“顏色平衡”功能對(duì)任意三路顏色的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修正。將調(diào)整后的圖像數(shù)據(jù)保存在文本文件中；③ 將原圖與修正后的圖像進(jìn)行比較，看其差別，說(shuō)明這種處理帶來(lái)的好處。,實(shí)驗(yàn)步驟,4）結(jié)束與關(guān)機(jī) ①需要保存的數(shù)據(jù)及文件保存到 “軟盤(pán)”或“閃存”中，以免關(guān)機(jī)時(shí)丟掉； ②