引 言

CCD(Charge Coupled Devices，電荷耦合器件)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件。由于CCD器件具有諸多優(yōu)點(diǎn)，使得近30年來，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的電感生產(chǎn)廠家進(jìn)展。目前國內(nèi)利用CCD進(jìn)行工業(yè)實(shí)時(shí)在線檢測的系統(tǒng)大多用線陣CCD，精度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重、體積大、建造成本高、整體結(jié)構(gòu)松散、數(shù)據(jù)量增大處理運(yùn)算麻煩等，而面陣CCD光敏呈二維排列，可以將二維平面圖像直接轉(zhuǎn)換為一維光電信號輸出，為提高采樣精度和簡化結(jié)構(gòu)提供了條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及動(dòng)態(tài)圖像處理理論的深入研究，采用面陣CCD圖像傳感器對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測成為測量領(lǐng)域的一種新的趨勢，尤其在航天通信系統(tǒng)中，跟蹤與數(shù)據(jù)的獲取是為星座相對運(yùn)動(dòng)之間提供數(shù)據(jù)信息、連續(xù)跟蹤與軌道精確測控服務(wù)的。

通過星座仿真可以得出，星座的相對運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，應(yīng)用面陣CCD來完成星座的相對運(yùn)動(dòng)的跟蹤是一種新的跟蹤方法，它使硬件變得簡單鐵硅鋁電感器，大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理都電感生產(chǎn)由軟件來實(shí)現(xiàn)，使得跟蹤達(dá)到速度與精度的完美結(jié)合。本文旨在用2個(gè)氣浮臺(tái)來模擬星座的相對運(yùn)動(dòng)。以目標(biāo)氣浮臺(tái)上的光學(xué)反射球作為跟蹤目標(biāo)，位于追蹤氣浮臺(tái)上的面陣CCD用來實(shí)時(shí)測得包含運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像信息傳送到計(jì)算機(jī)；再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置信息、相對距離和方位；把測得的數(shù)據(jù)由串口輸出給控制單元，進(jìn)行精確的測量從而實(shí)現(xiàn)檢測跟蹤的目的，模擬跟蹤如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

(1)系統(tǒng)組成框圖

本系統(tǒng)中主要由采集部分、處理部分、顯示部分和控制部分組成，系統(tǒng)組成的框圖如圖2所示。

(2)面陣CCD傳感器工作原理

面陣CCD由成像區(qū)(光敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器3部分構(gòu)成。當(dāng)工作時(shí)，圖像經(jīng)物鏡成像到光敏區(qū)，光敏區(qū)上電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，光生電荷被收集到勢阱里，這樣就將光學(xué)圖像變成了電信號。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，所有收集到的信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)中，然后經(jīng)由水平讀出寄存器，經(jīng)輸出級逐行輸出1幀信息。在第一幀讀出的同時(shí)，第二幀信息通過光積分又收集到勢阱中，這樣可以一幀一幀連續(xù)讀出。

本文采用模壓電感器北京微視公司MVC1000M系列具有130萬像素的面陣CCD傳感器，如圖3所示的實(shí)物圖。

3 圖像處理單元

(1)圖像的預(yù)處理

為提高圖像處理速度采用一種快速中值濾波的算法，設(shè)n×n個(gè)像素方形濾波窗口為：

(2)特征提取及位置的確定

為了進(jìn)一步對圖像做分析和識別，就必須通過對圖像中的物體(目標(biāo))做定性或定量分析來得出正確的結(jié)論。在本系統(tǒng)中，由于目標(biāo)是處于運(yùn)動(dòng)中，所采集到的目標(biāo)圖像會(huì)有不同程度的改變，另外，在目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中，通常只需辨明目標(biāo)的類型，并不需要了解有關(guān)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像中更多的細(xì)節(jié)。

因?yàn)橐o出目標(biāo)點(diǎn)的位置，所以每張圖像上的物體最終只能用1個(gè)點(diǎn)來表示，這個(gè)點(diǎn)就是物體的中心點(diǎn)，在圖形學(xué)上稱為圖形的幾何中心。確定物體的幾何中心，只需掃描整張圖像，尋找顏色是白色點(diǎn)，記錄它們的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，并做累加，同時(shí)繞行電感累加白色點(diǎn)的個(gè)數(shù)，最后把累加得到的橫坐標(biāo)的值除以白色點(diǎn)個(gè)數(shù)后，得到的值就是物體中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)數(shù)值，縱坐標(biāo)也是如此。其算法表示如下：

一般，這樣得到物體的幾何中心還是比較準(zhǔn)確的，除非物體在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生了非常大的形變。得到的質(zhì)心是運(yùn)動(dòng)物體在圖像中的像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換成實(shí)際坐標(biāo)從而達(dá)到對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4 軟件設(shè)計(jì)

CCD采集獲得的圖像為8位位圖格式，本文采用可視化編程軟件VC++實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)覽以及處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)串口輸出給控制部分。計(jì)算機(jī)的程序流程圖如圖4所示。

面陣CCD采集到的圖像經(jīng)處理提取后，得如圖5所示其實(shí)時(shí)圖像，并提取跟蹤目標(biāo)的坐標(biāo)，圖像每過100 ms數(shù)據(jù)處理1次，并與下位機(jī)進(jìn)行通信進(jìn)行控制。