基于面阵CCD的运动物体瞬时位置的检测

 引 言

CCD(Charge Coupled Devices，电荷耦合器件)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。由于CCD器件具有诸多优点，使得近30年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。目前国内利用CCD进行工业实时在线检测的系统大多用线阵CCD，精度不高、结构复杂、重量重、体积大、建造成本高、整体结构松散、数据量增大处理运算麻烦等，而面阵CCD光敏呈二维排列，可以将二维平面图像直接转换为一维光电信号输出，为提高采样精度和简化结构提供了条件。随着计算机技术的飞速发展以及动态图像处理理论的深入研究，采用面阵CCD图像传感器对运动目标进行监测成为测量领域的一种新的趋势，尤其在航天通信系统中，跟踪与数据的获取是为星座相对运动之间提供数据信息、连续跟踪与轨道精确测控服务的。

通过星座仿真可以得出，星座的相对运动的特点，应用面阵CCD来完成星座的相对运动的跟踪是一种新的跟踪方法，它使硬件变得简单，大部分数据处理都由软件来实现，使得跟踪达到速度与精度的完美结合。本文旨在用2个气浮台来模拟星座的相对运动。以目标气浮台上的光学反射球作为跟踪目标，位于追踪气浮台上的面阵CCD用来实时测得包含运动目标的图像信息传送到计算机；再由计算机进行处理得到运动目标位置信息、相对距离和方位；把测得的数据由串口输出给控制单元，进行精确的测量从而实现检测跟踪的目的，模拟跟踪如图1所示。

2 系统工作原理

(1)系统组成框图

本系统中主要由采集部分、处理部分、显示部分和控制部分组成，系统组成的框图如图2所示。

(2)面阵CCD传感器工作原理

面阵CCD由成像区(光敏区)、暂存区和水平读出寄存器3部分构成。当工作时，图像经物镜成像到光敏区，光敏区上电极加有适当的偏压时，光生电荷被收集到势阱里，这样就将光学图像变成了电信号。当光积分周期结束时，所有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读出寄存器，经输出级逐行输出1帧信息。在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到势阱中，这样可以一帧一帧连续读出。

本文采用北京微视公司MVC1000M系列具有130万像素的面阵CCD传感器，如图3所示的实物图。

3 图像处理单元

(1)图像的预处理

为提高图像处理速度采用一种快速中值滤波的算法，设n×n个像素方形滤波窗口为：

(2)特征提取及位置的确定

为了进一步对图像做分析和识别，就必须通过对图像中的物体(目标)做定性或定量分析来得出正确的结论。在本系统中，由于目标是处于运动中，所采集到的目标图像会有不同程度的改变，另外，在目标跟踪系统中，通常只需辨明目标的类型，并不需要了解有关运动目标图像中更多的细节。[page]

因为要给出目标点的位置，所以每张图像上的物体最终只能用1个点来表示，这个点就是物体的中心点，在图形学上称为图形的几何中心。确定物体的几何中心，只需扫描整张图像，寻找颜色是白色点，记录它们的横坐标和纵坐标，并做累加，同时累加白色点的个数，最后把累加得到的横坐标的值除以白色点个数后，得到的值就是物体中心点的横坐标数值，纵坐标也是如此。其算法表示如下：

一般，这样得到物体的几何中心还是比较准确的，除非物体在运动过程中发生了非常大的形变。得到的质心是运动物体在图像中的像素坐标，转换成实际坐标从而达到对运动目标的实时监测。

4 软件设计

CCD采集获得的图像为8位位图格式，本文采用可视化编程软件VC++实现图像预览以及处理。处理后的数据经串口输出给控制部分。计算机的程序流程图如图4所示。

面阵CCD采集到的图像经处理提取后，得如图5所示其实时图像，并提取跟踪目标的坐标，图像每过100 ms数据处理1次，并与下位机进行通信进行控制。

在串口通信模块软件实现中使用API函数结合非阻塞通信、多线程等手段；在主线程中处理图像数据，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读人数据并向主线程报告，并且WaitCommEvent()，ReadFile()，WriteFile()都使用了非阻塞通信技术，依靠重叠(overlapped)读写操作，让串口读写操作在后台运行。这样做大大节省了时间，提高了系统的运行效率。

5 硬件设计

计算机通过RS 232的方式与单片机进行通信，将测得的位置信息传送给单片机，单片机收到数据后控制步进电机进行跟踪。其主要包括下位机与上位机的通信，以及步进电机的驱动电路的设计，硬件控制的框图如图6所示。

6 结语

本文通过面阵CCD对图像采集，结合计算机数字图像处理技术以及单片机，实现了对数据图像的扫描处理，从而获得了跟踪点的目标位置及对扫描的图像进行实时动态的显示以及跟踪。在软件设计中使用了快速中值滤波和多线程技术使得在实际使用中能够达到实时准确的目标，为提高非接触位置测量方面的理论研究、测量技术及工程设计的水平将有很大的帮助。随着CCD传感器制作技术的提高，图像处理软件的进一步发展，CCD传感器与集成电路进一步集成，面阵CCD传感器的应用前景将更加广阔，其应用的领域将深入到每一个相关的专业领域，将给人们带来新的概念。