视频图像尺寸测量 实验目的 （1)用面阵CCD摄像头与图像数据采集系统，测量实际物体外形尺寸是CCD最广泛应用

视频图像尺寸测量

实验目的

(1)用面阵CCD摄像头与图像数据采集系统，测量实际物体外形尺寸是CCD最广泛应用的领域。在尺寸测量应用中，存在着许多实际问题，如何将这些实际问题分解成一个个的分立问题，是学习和掌握该方法的关键。本实验采用标准几何图形代替实际被测物，可以将一些不必要的问题排除在外，突出主要问题；

(2)通过对标准图形的点、线、面的测量过程，掌握应用面阵CCD进行尺寸测量的基本方法；

(3)通过对标准图形的点、线、面的测量过程，掌握应用面阵CCD进行尺寸测量，掌握测量范围、精度和测量时间等问题。

实验准备内容

(1)学习《光电检测技术》第11章中有关视频图像尺寸测量的内容；

(2)复习矩形、圆、三角形等典型几何图形的点、线、面的基本计算公式。

实验内容

(1)进行点数据的测量，找出x方向与y方向的最大与最小位置值，计算出被测点的大小与中心位置。

(2)进行x₀/β与y₀/β的标定。其中，x₀与y₀分别为面阵CCD的像敏单元在水平(x)与垂直(y)方向尺寸；β为光学系统的横向放大倍率。

(3)进行圆数据的测量，测内圆直径或外圆直径。

(4)进行三角形数据的测量，找出三个顶点的坐标值，计算出三角形的各边长、三角形的重心、中心和面积。

(5)进行矩形数据的测量，找出四个点的坐标值。

实验所需仪器设备

(1)带有USB2.0输入端口的计算机，推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024×768分辨率，24或32位真彩显示；

(2)彩色面阵CCD多功能实验仪YHACCD-Ⅱ型一台。

实验原理

1．目标尺寸的测量

(1)信标测量法

目标几何尺寸的测量，是进行其他参数(角度、面积、速度、距离等)测量的基础。利用教材中所讲述的量化时基的概念，能很容易地求出被测目标的水平及垂直尺寸与量化时基数之间的关系。下面通过所测得的量化时基数，具体计算所测目标水平及垂直方向的几何尺寸。

物体在水平方向上尺寸的计算方法如下：

(25-1)

式中，x是所求物体水平方向的尺寸，X为所用摄像器件水平方向上的扫描尺寸(对于1英寸的摄像管，其水平有效扫描尺寸为12.7mm)，N_x为水平有效扫描期间所占的量化脉冲的总数，n_x为目标所相应的脉冲宽度内所占的量化脉冲数，l及f则分别表示物距及所用透镜的焦距。

根据上式所给出的计算方法，便能从目标水平计数器所计的量化时基数n_x，以人工或自动方法计算出物体水平方向上的尺寸。

同理，可以求出物体垂直方向的几何尺寸，其数学表达式为

(25-2)

式中，Y是所求物体在垂直方向上的高度；y'是摄像管在垂直方向上电子束扫描的有效高度，对于lin摄像管，y'=9.52mm；N_y是垂直方向上量化时基脉冲的总数，它决定于视频图像测量电视系统所采用的扫描制式。根据前面的分析，对于广播电视扫描制式而言，N_y=575。n_y是视频图像测量系统的垂直计数器所记的时基脉冲总数。

下面通过下图方框图来说明测量几何尺寸的方法。

图中，视频信号处理器受波门脉冲的控制。只有当用人工或自动方式使波门套住目标时，视频信号处理器才输出行场视频脉冲。在相加器中，将视频处理器送来的全电视信号及由波门产生器送出的波门信号相加，以供工作人员从监视器上选择测量目标。视频信号处理器送出的经过波门选通的行场视频脉冲，分别进入水平及垂直目标脉冲计数器。最后，根据各计数器的读数，便能计算出目标水平及垂直方向上的几何尺寸。在实际应用中，为了测量不规则物体在水平或垂直方向上任意位置的几何尺寸，可以采用相应的垂直或水平移动目标的方法来进行测量。但事实上，这样做是相当麻烦的，有时甚至是不可能的。因此，在实际测量中，往往用移动波门的办法，来实现对物体水平及垂直方向任意位置上几何尺寸的测量。例如，要测量物体水平方向任意位置上的几何尺寸，只要垂直移动波门直至所需测量的位置；反之如果测量垂直方向任意位置上的几何尺寸，只要将波门水平移动到所需测量的位置上即可。

为了简化电路以及保证在水平及垂直方向上精度的一致性，在对静止物体进行测量时，可以把物体水平方向的尺寸变成垂直方向来处理。这时，可以只考虑提取目标的物(或行)的视频脉冲，即只用场(或行)的计数器，对物体在水平及垂直方向的几何尺寸进行测量。这是因为，在进行物体水平方向尺寸的测量时，只要将物体旋转90°(或者将光阑旋转90°)的方法，便能利用测量垂直方向上几何尺寸的方法及电路，来进行水平尺寸的测量；反之亦然。

(2)双摄像机信号比较法

在实际应用中，有时并不一定要知道某一物体的绝对长度，而只需要知道被测物体比规定长度物体(或称标准长度)长还是短，或者是指出长多少短多少。对于这一类要求，可以采用以下的双摄像机信号比较法，来进行判断与计算。下图是这种方法的示意图及工作波形图。

将两台摄像机水平固定在基座上，两基座间的距离与标准物体的长度相等。从图中可以看出，适当调整两摄像机的位置使其光轴恰好与被测物体的两端重合，由于被测物体与环境之间亮度(或照亮)的不同，这时从二摄像机将分别输出两个极性完全相反，但起始时间又完全一致的脉冲。现设被测物体是灼热的钢材，其亮度高于周围物体。当摄像机采用正极性标准全电视信号输出时，这时从摄像机I输出的行程电压波形的起始部分为低电平，后半部分为高电平。即前半部分对应于暗的背景，后半部分对应于亮的物体。与之相反，摄像机Ⅱ则输出前半部分高电平，后半部分为低电平的脉冲信号。由于两台摄像机的光轴已调整到与标准物体的两端重合，所以就能保证两个不同极性的脉冲能在完全相同的时间内进行电平交换。将这两台摄像机输出信号送入混合电路中，由于两者极性相反，转换时间又完全相同，所以合成后的结果为零。而当被测物体比所规定的物体还长时，这时摄像机Ⅰ的输出信号将提前由低电平转换为高电平，而摄像机Ⅱ的输出信号的转换时间将比标准转换时间推后一段时间。因此，在混合器中就会产生一个宽度正比于长度差值而极性为正的脉冲信号。同时，可以推知当被测物体比标准物体短时，则会输出一宽度与差值成正比而其极性为负的脉冲。

如果将以上正(或负)脉冲经整形，并取其直流分量去作为伺服系统的控制信号，那么就能构成自动长度控制装置。

这种视频图像测量的优点是显而易见的，即当被测物体在垂直于光轴的方向任一平面内移动时，由于两个工作脉冲也同时在时间轴上做相同的移动，所以不会破坏相互的位置关系。另外，由于这两个电视摄像机的光轴是互相平行的，因而测量结果的精度与电视摄像机和被测物体的距离无关。

(3)信号重合法

这是一种远距离测量物体长度的简单办法。它也是一种与信标法不同，但却行之有效的视频图像测量新装置。下图是这种电视测长装置的系统构成图。

图中l表示被测物体的长度；M为反射镜，移动其中的M₁与M₄反射镜的位置，使其光轴与被测物体两端相切。摄像机输出同时包含物体两端的视频信号，在监视器中将得到恰好重合的图像。这时，反射镜M₁与M₄之间的距离即为被测物体的长度。当更换被测物体时，只要重新调整反射镜的距离，使从监视器上看到的物体两端的图像能够完全重合，那么就可以直接从反射镜滑动架标尺上，读出被测物体的长度。这种测量装置，具有千分之几的数量级的精度，而且测量直观、装置简单、操作方便。因此，它是一种测量物体长度(特别是较长物体)的有效方法。

(4)正切计数法

用这种方法测量，要用到上述的信号重合法原理，以及一些简单的角度测量和计算。它的系统构成也比较简单，而且还具有较高的测量精度，能对长达几十米的物体进行测量。

用正切计数法测量长度的系统图，如下图所示。图中，l为被测物体的长度，摄像机光轴垂直于物体所在的平面，且离此平面的距离为L。测量时，需沿物体长度方向转动摄像机，使物体A端面成像于荧光屏的光栅中心处。这时偏转角设为α，然后使摄像机转向被测物体的右端，又使B端面成像于荧光屏上光栅的中心处。这时，偏转角设为p。根据几何关系，不难求出被测物体的长度l的表达式，即

l=L(tanα+tanβ) (25-3)

因此，能非常方便地求出被测物体的长度。

2．目标面积的测量

目标面积的测量，是对物体进行二维测量的典型应用。从原则上讲，只要应用前面讲的测量尺寸的方法测出物体的长与宽(对于矩形或正方形)或测出物体各部位的长与宽，然后求面积并相加(对于非规则物体)，就可以求出物体的面积。但在实际应用中，特别是对非规则物体的面积测量，这样做无疑是相当麻烦的，并且还会产生相当大的误差。下面所介绍的视频图像测量面积的方法，其原理与上述相同；所不同的是，用电视扫描线将物体分为若干等分(即量化)，测出每一等分的元面积，然后相加。由于各元面积大小是以信脉冲数的多少来表示的，所以对物体面积的测量与计算就变成了对信标脉冲数的计数计算。下面通过下图，导出用视频图像测量目标面积的方法。

图中x_i表示第i行扫描线上像的长度，△y表示在垂直方向上的长度元。显然，△y=即表示在场的方向上一个量化时基所代表的长度(h为成像面高度、N_d为正程时间的行扫描线数。)根据这一设定，很容易求出像元面积的表达式为x_i△y。据此可以求出像的总面积表达式为

A=x_i△y (25-4)

式中，i=1表示第一条扫描线扫过像的长度，d则为最后一条扫描线扫过线的长度。根据前面的结论，在长度比为4:3的靶面上

(25-5)

式中，N_i为水平方向每条扫描线扫过想的量化时基的个数。而

(25-6)

将上两式结果代入式(25-4)，便能求出目标像的总面积表达式为

(25-7)

对于一定的数字化系统，在量化脉冲的重复频率及成像面的尺寸已经选定的情况下，为一常数，只要实时测出各条行扫描线上所包含的量化时基，并将它们相加，即可根据上式求出成像面上的像面积，最后由下式求出物体的面积为

(25-8)

式中，A即上式所表示的目标像的总面积，L为物距，F为透镜的焦距。

由于扫过物体的各扫描行的长度与输出的视频脉冲宽度成正比，因此有以下的关系式

(25-9)

式中，T_i为扫过物体的各扫描行的长度所相应的视频脉冲的宽度；A₀为光电摄像器件光敏层上光栅的总面积；Z为扫描总行数；Z_r为每帧时间内行的损失(Z_r=0.08Z)，及帧消隐时间内所占的扫描数；T为行扫描周期；T_r为在行逆程时间内，行有效宽度的损失(T_r=0.18T)。

将以上数据代入教材中式(11-76)，可得

(25-10)

根据以上介绍，不难利用任何一种电视摄像机作为测量面积的电视传感器。只要将所输出的视频信号与时基脉冲一道，经混合加到时基脉冲计数器，则所计的时基脉冲数，即表示视频脉冲的宽度值。将此值加入测量电桥，便可由仪表指出所求的面积值。

3．目标周长的测量

同上述测量面积一样，也可利用光栅的行结构很容易求出物体周长的近似值。下面通过下图加以说明。即以各边之和来代替物体周长。其计算公式为

l=K[|(l_i-l_i-1)|+2d](25-11)

式中，l_i与l_i-1是第i行及i-1行扫描线，扫过物体形成的视频脉冲宽度所对应的长度，K为与镜头焦距及物体距离等参数有关的常数，d为相邻的两条扫描线间距。

以上测量方法所测结果的误差是显而易见的。实际测量结果及理论推算表明，在测一边与行扫描方向成45°的三角形周长时，其误差最大，约为40%。而在大多数情况下，其误差约在30%左右，可将此作为系统误差来考虑。