基于面阵CCD的玻璃霜露面积检测仪的研制

    引言

    CCD 图像测量技术具有检测时的非接触性、高精度、在线动态检测、测量速度快及检测智能化的特点，已成为现代测控技术的重要发展方向。对于不规则平面面积的 CCD 测量方法，国内外的研究人员曾做了大量的研究工作^[1-2]。 例如：哈尔滨工业大学研制的激光－CCD 零件自动识别检测系统；英国 ADC 公司研制的 AM-100 叶面积测量仪；德国 Zeiss 公司研制的VIDAS 型全自动图像分析仪等。这些检测设备的应用主要集中于线阵 CCD，线阵 CCD 图像传感器与光学镜头配合可用来检测大型的目标物尺寸。但设备比较复杂，需要相当精密的驱动传送控制，适应性不够强^[3]。

    利用面阵CCD可以在约40ms内获得不规则物体的二维信息，并且不再需要扫描控制电路、驱动传送机构等，使得设备相对简单，测量速度得到提高。并可以采用多个面阵 CCD 协同测量几何尺寸大的物体^[4]。某特殊应用玻璃在其工作环境中（低温）需具有良好的透过率，但由于工作环境的缘故，易结霜或表面附着水气，严重影响其透过率。

    本文基于面阵 CCD，提出了一种满足一定测量速度和测量精度要求的玻璃表面霜露面积自动检测方案，用于检测在低温环境下，玻璃表面所结霜露的面积。该项研究对这种玻璃的生产、库存的定期检测及使用都具有十分重要的意义。

    1 设计原理

    玻璃上不规则形状的霜露图像通过光学透镜成像到面阵 CCD 的像面上，各像素灰度不同。面阵 CCD及其驱动电路将各点灰度不同的二维光学信号转变成一维视频信号输出^[5]，再经图像采集卡，进行视频信号预处理、A/D 转换后，得到数值化的二维灰度数据。背景的灰度值较低，而结霜露部分的灰度值较高，单片机对量化后的灰度数据进行读取，采用适当的灰度阈值的二值化图像分割方法^[6-7]， 处理后得到一个合适的阈值（该阈值把 CCD 视频信号中图像部分与背景部分分离成二值电平），计算灰度值大于该阈值的点数，再乘以一个面积比例系数即可获得霜露面积。面积比例系数可以这样确定：面阵 CCD 的像素数量代表了固定物距处的视场面积（这一面积可计算得到），从而可求出每个像素所代表的视场面积^[8]。最后对霜露的图像及包括温湿度在内的测量数据通过LCD 显示输出，并将测量数据加以存储。基于面阵CCD 成像技术的面积检测系统原理框图如图 1 所示。

    2 二值化图像分割方法

    图像分割定义为将数字图像划分成互不相交（不重叠）区域的过程^[9]。图像分割目的是将目标和背景分离，为目标识别、精确定位等后续处理提供依据，其结果直接影响到其后的信息处理过程。本文采用的阈值化分割方法是一种区域分割技术，利用图像灰度特征，计算快速简明，是最为常见和实用的图像分割方法^[10]。