CCD目标定位方法

李 佳 齐俊虎

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CCD测量技术是近年来迅速发展的一种非接触式测量技术。作为一种非接触式的光电测量技术，其独特的优越性表现在对空间目标进行坐标定位。因此，在对目标跟踪以及物体表面形状检测等领域中有广泛的应用。本文从线阵CCD中的二值化处理和CCD目标定位方法两方面入手，介绍如何进行CCD目标定位。

CCD 二值化处理 定位方法

引 言

CCD（Charge Coupled Device）是目前图像处理和非接触尺寸测量领域的研究热点之一。CCD测量技术是近年来迅速发展的一种非接触式测量技术。CCD作为电荷耦合器件，其最大的特点是它的信号载体是电荷而非电流或电压，其基本功能是存储电荷和转移电荷。CCD图像传感器能够直接把光学信号转换成数字信号，实现获取、传输、处理和复现图像等功能。CCD作为摄像机内是一个非常重要的部分，类似于人的眼睛，将光线转换成电信号，其性能的优劣直接影响摄像机的质量。

1 线阵CCD中的二值化处理

线阵CCD所输出的信号是非标准制式的，传统上一般采用二值化方法对线阵CCD进行处理得到边界目标，从而得出目标的位置或大小。

1.1 线阵CCD的工作过程

首先，在光照下，CCD器件将被测物体的某些特性转化成光束，光束照在CCD的感光面上使得感光面产生光生电荷，电荷被储存记忆在像素单位中。未受到光照的部分则不产生光生电荷。驱动电路的时钟脉冲发生反应，将电荷输送至输出电路，将电荷量转化为输出电压。CCD器件输出的信号是数字视频信号，需要将其转化为标准信号。

1.2 线阵CCD的输出信号特性

CCD器件输出的信号波形，如图1所示。

图1 CCD器件输出信号

测试采用东芝公司的TCD1208AP，前端光信息检测器件为线阵CCD器件。从图1中可以看出，这些信号是模拟信号，其幅值代表每一个像素单元受到光照后产生感生电荷的数量。同时，在感测和信号输出的过程中，其非线性和信号转移时的电荷损失量说明CCD器件输出信号是模拟信号。但是，这些信号同时受到时钟脉冲的控制，并发生移位输出。综合这两方面，可认为CCD信号具有模拟性和数字性两个特点，因此又被称为数字视频信号。CCD所输出的数字视频信号中，含有图像信息以及背景信息。例如，图1中的信号输出区和光屏蔽象素区所示，由于被测物体与其周围背景在光的强度上有所变化，反映出CCD数字视频信号中对应的图像上，在图像边界的地方有非常明显的电平变化。通常采用二值化的处理方法将该图像信息提取出来进行信息处理，将CCD数字视频信号中的背景信息和图像信息分成二值电平信息，在线阵CCD的检测方法上，采用硬件电路来实现。

2 CCD目标定位方法

传统采用二值化电路方法处理边缘不确定的问题。但是对二值化域值的设定方法不理想，得到的像高也不是实际高度，因此，可以采用以下方法提高定位的精度。

CCD交汇测量技术，作为一种非接触式的光电测量技术，其独特的优越性表现在对空间目标进行坐标定位。因此，对目标跟踪以及物体表面形状检测等领域中有广泛的应用。CCD是空间定位装置，需要重视的问题是如何提高测量精度。导致坐标测量误差的原因很多，主要因素之一是光斑在图像中心位置的精确定位。

双目视觉测量技术，其测量系统具有非接触式测量、结构简单、数据采集快速和便于移动的特点。如图2所示，双目视觉定位的基本原理类似于人的两只眼睛对于空间某一点的定位方法，它利用在两摄像机画面上取得空间中一个点的视觉差值，计算出该点的三维坐标。双目传感器大多采用两光轴相互平行的摆放姿态，个别是两光轴不平行的交向摆放姿态，并且两像面之间可以存在旋转。

图2 双目视觉定位原理图

本文介绍的是一般摆放姿态的双目传感器的模型。

两个摄像机对称放置，坐标系分别设为O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2，Z1与 Z2相交于 P，两个坐标系原点之间的距离为L。相应像面坐标系为OI1XI1YI1ZI1、OI2XI2YI2ZI2。世界坐标系 OWXWYWZW与O1X1Y1Z1重合。轴Z1、轴Z2与对称轴偏角为θ。假设两摄像机的焦距相等，f=O1OI1=O2OI2为。空间上任意点Q（x，y，z）在坐标系O2X2Y2Z2中的坐标为 Q （x2，y2，z2），对应像点坐标分别为 （X1，Y1）、（X1，Y1）。

根据小孔成像原理可推得：

令θ为0即可得到正直摆放方式的双目视觉传感器情况下的定位公式。

由上式可以得出，其主要技术参数为：（1）标定，即确定左、右视图之间的空间几何关系；（2）匹配，即在左、右两图上寻找同名像素点。

一维CCD图像传感器，即线阵CCD，具有传输速度快、信息检取方便、密集度高等很多优点，广泛用于扫描仪、复印机、大幅面高精度实物图像扫描等工业现场检测和分析领域，工业技术人员所说的“电眼”常指线阵CCD图像传感器。

在双目视觉侧系统中，引起侧误差的原因很多，如镜头雾化、摄像机抖动等。其中，由于图像识别误差实际来源于面阵的分辩率误差，但与光学系统分辩率误差有区别，不像其它大多数因素可以通过精密调节和提高设备质量来消除或最大程序的减小。因此，对于双目视觉侧系统误差和图像识别误差的影响不可忽视。通过理论推导和计算机模拟，重点对该部分误差与双目视觉测系统结构参数之间的关系进行分析和研究，在最大程度上减小该部分误差。

审稿人：严志刚 内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台 正高级工程师

责任编辑：王学敏

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2096-0751（2017）04-0017-03

李 佳 内蒙古新闻出版广电局501台 工程师

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