改进的直线拟合线阵CCD图像边缘检测方法

　　引 言

　　阿贝折射仪是测量液体和透明固体折射率的最常用仪器。原有的阿贝折射仪采用手动调节，目视瞄准，测量速度慢，精度低, 如果采用线阵 CCD 取代目视瞄准和调整机构，将与物体折射率所对应的明暗分界线的位置信息成像在 CCD 的光敏面上，然后采集和检测 CCD 所获得的图像的边缘，就可以实现折射率的自动测量，而且测量的速度快，精度高。这种改进的阿贝折射仪的关键是对CCD采集到的图像边缘信号的检测，它是决定系统检测精度的主要因素。常用的图像边缘检测算法有模板匹配[1]和微分算子[2]，由于光的色散、高频噪声和CCD光敏元处于临界状态，CCD采集到的图像的边缘质量有明显下降，经过实验验证这两种检测方法不适用。它们的缺点是用局部区域灰度变化最大值来定位边缘，而忽视了整个过渡边缘的别的点的信息。改进的方法是，对图像进行滤波后，把在可能边缘附近的所有点的信息都用来定位边缘，基于最小二乘原理的直线拟合边缘提取方法[3]就是考虑整个过渡边缘的图像信息，选取中间较直的部分作直线拟合，然后将边缘点的灰度值代入所得的直线方程从而得到边缘的像素位置值。实际应用中，发现计算得到的边缘值和过渡边缘的几何中心点非常接近，而且在进行直线拟合的时候，边缘定位的重复性没有拟合区间端点的重复性好。根据边缘数据的特点，本文在直线拟合方法的基础上构造了一种更加简单的边缘提取方法，首先使用直线拟合法获得一组可能的边缘值，然后选择这组边缘值的中值作为最终的边缘值。

　　1 检测系统

　　为了减小系统的体积，实现仪器化，系统采用单片机代替PC机作为核心控制和计算单元，检测系统框图如图1。光源采用发光二极管阵列，被测液体置于两个棱镜之间，上面的棱镜是入射光棱镜，下面的棱镜是折射棱镜。由于不同液体的折射率不同，光线经过折射形成的明暗区域的分界线位置不同。经过透镜和平面反射镜将明暗区域投射到CCD上，检测CCD采集到的图像的边缘，就可计算出分界线的位置，从而计算出对应的折射率。

　　2 直线拟合边缘检测算法

　　理想的边缘信号是一阶跃函数，灰度图如图2(a)所示。用平行光光源照射被测物体，在CCD光敏元上成像，CCD采集到的实际边缘信号是一个逐渐增大的渐变的信号，灰度图如图2(b)所示。可以选取中间较直的部分作直线拟合，然后将边缘点的灰度值代入所得的直线方程就可以得到边缘的像素位置值。

　　2.1 数据的预处理

　　通过 CCD 获得的原始数据通常带有高频噪声，因此对原始数据直接进行处理通常会影响算法的效率。由于中值滤波不依赖于领域内那些与典型值差别很大的值，因此它能够在去除高频噪声的同时保留图像边缘的细节。这里我们首先使用中值滤波对原始数据进行预处理，以消除噪声，为下一步的精确定位作好准备。