王鎖明，侯 彬，朱二曠

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

隨著CCD(電荷耦合器件)高速成像技術的不斷發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型CCD 相機不斷出現(xiàn)。結合相應光學系統(tǒng)的CCD 成像探測器可以對目標進行實時的觀測和記錄，提供各方面的相關信息進行分析、考察和使用［1］。CCD 器件及其應用技術在圖像傳感和非接觸測量領域得到了廣泛的應用。

對于光線示波器，由于光線光點的運動速度非常快，利用肉眼和普通相機進行追蹤非常困難，使光點振蕩信息的揭示有一定難度。但是，高速CCD 成像技術與計算機技術的結合，取代了激光點成像中的底片，避免了顯影和定影的繁復操作過程，可以快速方便地實現(xiàn)波形再現(xiàn)的目的，同時也可達到對高速運動的激光光點進行快速跟蹤拍攝的目的，這對激光光點運動規(guī)律的研究與揭示具有非常重要的意義。

本文擬以高速CCD 相機拍攝回來的圖像集作為數(shù)據(jù)源，對圖像進行一些關鍵性的處理。為了更好、更形象地對激光光點的運動軌跡進行完整擬合，在常規(guī)圖像處理方法的基礎上提出了基于CCD 光跡捕捉的圖像疊加處理方法。

1 獲取激光光點圖像原理

光線示波振蕩系統(tǒng)的裝置結構如圖1 所示。圖中電磁振蕩系統(tǒng)在周期性信號(由A、B 端輸入)的激勵下，振子可以在豎直面內以擺幅θ 角振蕩，利用振動子偏轉反射的光束在感光記錄紙上記錄一個或多個參數(shù)的瞬時值，以確定其波形。被測參數(shù)可為電流或電壓等電量，或為已轉變?yōu)殡娏康母鞣N非電量，例如在機械工程中與應變片配合使用時，可測應力、應變、扭矩和振動等。光線示波器用光束記錄，光束無慣性，光記錄無摩擦，又可用增加光臂長度的方法來提高光學的放大作用。

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，在獲取圖像以后需要對所獲得圖像進行圖像處理［2］，即對圖像進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、增強圖像信息、消除非均勻性和改善圖像質量等。

圖1 光線示波器的測試系統(tǒng)

2.1 圖像去噪處理

圖像預處理使用的方法為圖像平滑，這是一類簡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消除噪聲。

2.2 中值濾波

中值濾波是一種非線性的運算，對隨機輸入信號的嚴格數(shù)學分析比較復雜，但在確定性信號中進行中值濾波還是比較方便的，因為在實際運算過程中并不需要圖像的統(tǒng)計特性［5］。其基本原理是:確定一個包含有奇數(shù)個像素的序列，按像素的灰度值從小到大或者從大到小排列起來，然后用中間灰度值來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題是如何有效地選擇一個最有可能代表領域特征的像素灰度，一般來說，鄰域像素中灰度大小居中的點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對鄰域內像素灰度排序然后取中值來確定的［6］。

實現(xiàn)算法:

1)確定某種結構的二維滑動模板，將板內像素按照限像素值的大小進行排列，生成單調上升(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 成像時可能存在曝光不足或過度，以及CCD 的非線性動態(tài)范圍太窄等因素，使采集回來的圖像存在對比度不足的現(xiàn)象，一些激光光點圖像可能不太清晰。為了修補這種缺陷，在圖像去噪之后，采用灰度切分(即將某個范圍的灰度值突出，將其余的灰度值變?yōu)槟硞€低灰度值)進行處理，增加圖像的對比度，從而能使激光光點的圖像更加清晰。

1)基本原理

假設源圖像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。其關系式如下:

2)實現(xiàn)算法

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

(2)對圖像進行灰度變換，變換后激光光點圖像G(x，y)= M，背景圖像G(x，y)= N。

在本次研究中發(fā)現(xiàn)，激光光點圖像與背景圖像的對比度越高越利于實現(xiàn)對激光光點圖像特性的研究。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)過濾波與灰度變換效果如圖2(b)所示。

3 目標圖像位置坐標提取

為了確定激光光點在高速運動時所經(jīng)過的位置，依次讀入各幀圖像，根據(jù)激光光點圖像和背景圖像的灰度來確定激光光點圖像各個像素的坐標，采用像素坐標平均法計算出激光光點的近似中心坐標，即求解像素體系質心的方法得中心坐標。經(jīng)過多次實驗測量，結果表明采用這種方法所得出的中心坐標與實際的中心坐標十分接近。

綜上所述，像素坐標平均算法可以表示為:

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

圖2 光點圖像處理過程

4 光跡軌跡擬合

前面已經(jīng)將每一幀圖像里激光光點圖像位置的中心坐標提取出來了，在一張同等大小的空白圖像中，將所有激光光點位置的中心坐標用點在相應的位置描繪出來，然后根據(jù)所采集的光點順序依次把各點疊加顯示，處理過程如圖3 所示。根據(jù)振蕩的周期，設置較佳的采集速度，由采集圖像信息點的中心坐標最終形成連續(xù)、完整且近似于激光光點運動軌跡的曲線，通過程序處理給出信號的振幅、頻率等信息。

圖3 圖像集的光點提取處理及疊加

5 結束語

本文提出的采用高速工業(yè)CCD 光跡捕捉的方法，通過對所得圖像集應用圖像處理技術，實現(xiàn)光線示波器的計算機處理與顯示。在實現(xiàn)手段上，首先通過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圖像進行了去噪處理，然后利用激光光點圖像與背景圖像的灰度屬性進行灰度變換，增強圖像的對比度，方便了圖像的疊加處理，最后經(jīng)多項式插值擬合得到光滑曲線，實現(xiàn)了激光光點運動軌跡的重現(xiàn)以揭示電信號的波動性。

［1］王中平，張權，朱玲，等.CCD 成像輔助激光散斑實驗［J］. 物理實驗，2010，30(10):11－13.

［2］李睿，彭新德，閔軍，等. 數(shù)字圖像處理技術在大米外觀品質分析中的應用［J］. 計算機系統(tǒng)應用，2011，20(4):194－198.

［3］李樹濤，胡秋偉.OpenCV 在“數(shù)字圖像處理”課程教學中的應用［J］. 電氣電子教學學報，2010，32(6):26－28.

［4］景敏. 數(shù)字圖像處理技術的應用［J］. 機械管理開發(fā)，2011(1):201－202.

［5］高守傳，姚領田.Visual C+ +實踐與提高——數(shù)字圖像處理與工程應用篇［M］. 北京:中國鐵道出版社，2006:52－69.

［6］左飛，萬晉森，劉航.Visual C+ +數(shù)字圖像處理開發(fā)入門與編程實踐［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2008:436－439.