李 佳 齊俊虎

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CCD目標定位方法

李 佳1齊俊虎2

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CCD測量技術是近年來迅速發(fā)展的一種非接觸式測量技術。作為一種非接觸式的光電測量技術，其獨特的優(yōu)越性表現在對空間目標進行坐標定位。因此，在對目標跟蹤以及物體表面形狀檢測等領域中有廣泛的應用。本文從線陣CCD中的二值化處理和CCD目標定位方法兩方面入手，介紹如何進行CCD目標定位。

CCD 二值化處理 定位方法

引 言

CCD（Charge Coupled Device）是目前圖像處理和非接觸尺寸測量領域的研究熱點之一。CCD測量技術是近年來迅速發(fā)展的一種非接觸式測量技術。CCD作為電荷耦合器件，其最大的特點是它的信號載體是電荷而非電流或電壓，其基本功能是存儲電荷和轉移電荷。CCD圖像傳感器能夠直接把光學信號轉換成數字信號，實現獲取、傳輸、處理和復現圖像等功能。CCD作為攝像機內是一個非常重要的部分，類似于人的眼睛，將光線轉換成電信號，其性能的優(yōu)劣直接影響攝像機的質量。

1 線陣CCD中的二值化處理

線陣CCD所輸出的信號是非標準制式的，傳統(tǒng)上一般采用二值化方法對線陣CCD進行處理得到邊界目標，從而得出目標的位置或大小。

1.1 線陣CCD的工作過程

首先，在光照下，CCD器件將被測物體的某些特性轉化成光束，光束照在CCD的感光面上使得感光面產生光生電荷，電荷被儲存記憶在像素單位中。未受到光照的部分則不產生光生電荷。驅動電路的時鐘脈沖發(fā)生反應，將電荷輸送至輸出電路，將電荷量轉化為輸出電壓。CCD器件輸出的信號是數字視頻信號，需要將其轉化為標準信號。

1.2 線陣CCD的輸出信號特性

CCD器件輸出的信號波形，如圖1所示。

圖1 CCD器件輸出信號

測試采用東芝公司的TCD1208AP，前端光信息檢測器件為線陣CCD器件。從圖1中可以看出，這些信號是模擬信號，其幅值代表每一個像素單元受到光照后產生感生電荷的數量。同時，在感測和信號輸出的過程中，其非線性和信號轉移時的電荷損失量說明CCD器件輸出信號是模擬信號。但是，這些信號同時受到時鐘脈沖的控制，并發(fā)生移位輸出。綜合這兩方面，可認為CCD信號具有模擬性和數字性兩個特點，因此又被稱為數字視頻信號。CCD所輸出的數字視頻信號中，含有圖像信息以及背景信息。例如，圖1中的信號輸出區(qū)和光屏蔽象素區(qū)所示，由于被測物體與其周圍背景在光的強度上有所變化，反映出CCD數字視頻信號中對應的圖像上，在圖像邊界的地方有非常明顯的電平變化。通常采用二值化的處理方法將該圖像信息提取出來進行信息處理，將CCD數字視頻信號中的背景信息和圖像信息分成二值電平信息，在線陣CCD的檢測方法上，采用硬件電路來實現。

2 CCD目標定位方法

傳統(tǒng)采用二值化電路方法處理邊緣不確定的問題。但是對二值化域值的設定方法不理想，得到的像高也不是實際高度，因此，可以采用以下方法提高定位的精度。

CCD交匯測量技術，作為一種非接觸式的光電測量技術，其獨特的優(yōu)越性表現在對空間目標進行坐標定位。因此，對目標跟蹤以及物體表面形狀檢測等領域中有廣泛的應用。CCD是空間定位裝置，需要重視的問題是如何提高測量精度。導致坐標測量誤差的原因很多，主要因素之一是光斑在圖像中心位置的精確定位。

雙目視覺測量技術，其測量系統(tǒng)具有非接觸式測量、結構簡單、數據采集快速和便于移動的特點。如圖2所示，雙目視覺定位的基本原理類似于人的兩只眼睛對于空間某一點的定位方法，它利用在兩攝像機畫面上取得空間中一個點的視覺差值，計算出該點的三維坐標。雙目傳感器大多采用兩光軸相互平行的擺放姿態(tài)，個別是兩光軸不平行的交向擺放姿態(tài)，并且兩像面之間可以存在旋轉。

圖2 雙目視覺定位原理圖

本文介紹的是一般擺放姿態(tài)的雙目傳感器的模型。

兩個攝像機對稱放置，坐標系分別設為O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2，Z1與 Z2相交于 P，兩個坐標系原點之間的距離為L。相應像面坐標系為OI1XI1YI1ZI1、OI2XI2YI2ZI2。世界坐標系 OWXWYWZW與O1X1Y1Z1重合。軸Z1、軸Z2與對稱軸偏角為θ。假設兩攝像機的焦距相等，f=O1OI1=O2OI2為?？臻g上任意點Q（x，y，z）在坐標系O2X2Y2Z2中的坐標為 Q （x2，y2，z2），對應像點坐標分別為 （X1，Y1）、（X1，Y1）。

根據小孔成像原理可推得：

令θ為0即可得到正直擺放方式的雙目視覺傳感器情況下的定位公式。

由上式可以得出，其主要技術參數為：（1）標定，即確定左、右視圖之間的空間幾何關系；（2）匹配，即在左、右兩圖上尋找同名像素點。

一維CCD圖像傳感器，即線陣CCD，具有傳輸速度快、信息檢取方便、密集度高等很多優(yōu)點，廣泛用于掃描儀、復印機、大幅面高精度實物圖像掃描等工業(yè)現場檢測和分析領域，工業(yè)技術人員所說的“電眼”常指線陣CCD圖像傳感器。

在雙目視覺側系統(tǒng)中，引起側誤差的原因很多，如鏡頭霧化、攝像機抖動等。其中，由于圖像識別誤差實際來源于面陣的分辯率誤差，但與光學系統(tǒng)分辯率誤差有區(qū)別，不像其它大多數因素可以通過精密調節(jié)和提高設備質量來消除或最大程序的減小。因此，對于雙目視覺側系統(tǒng)誤差和圖像識別誤差的影響不可忽視。通過理論推導和計算機模擬，重點對該部分誤差與雙目視覺測系統(tǒng)結構參數之間的關系進行分析和研究，在最大程度上減小該部分誤差。

審稿人：嚴志剛 內蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺 正高級工程師

責任編輯：王學敏

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2096-0751（2017）04-0017-03

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