引 言

CCD(Charge Coupled Devices，電荷耦合器件)是20世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導體集成光電器件。由于CCD器件具有諸多優(yōu)點，使得近30年來，CCD器件及其應用技術(shù)的研究取得了驚人的進展。目前國內(nèi)利用CCD進行工業(yè)實時在線檢測的系統(tǒng)大多用線陣CCD，精度不高、結(jié)構(gòu)復雜、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。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及動態(tài)圖像處理理論的深入研究，采用面陣CCD圖像傳感器對運動目標進行監(jiān)測成為測量領域的一種新的趨勢，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動之間提供數(shù)據(jù)信息、連續(xù)跟蹤與軌道精確測控服務的。

通過星座仿真可以得出，星座的相對運動的特點，應用面陣CCD來完成星座的相對運動的跟蹤是一種新的跟蹤方法，它使硬件變得簡單，大部分數(shù)據(jù)處理都由軟件來實現(xiàn)，使得跟蹤達到速度與精度的完美結(jié)合。本文旨在用2個氣浮臺來模擬星座的相對運動。以目標氣浮臺上的光學反射球作為跟蹤目標，位于追蹤氣浮臺上的面陣CCD用來實時測得包含運動目標的圖像信息傳送到計算機；再由計算機進行處理得到運動目標位置信息、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，進行精確的測量從而實現(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。當工作時，圖像經(jīng)物鏡成像到光敏區(qū)，光敏區(qū)上電極加有適當?shù)钠珘簳r，光生電荷被收集到勢阱里，這樣就將光學圖像變成了電信號。當光積分周期結(jié)束時，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，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所示的實物圖。

3 圖像處理單元

(1)圖像的預處理

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

(2)特征提取及位置的確定

為了進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)做定性或定量分析來得出正確的結(jié)論。在本系統(tǒng)中，由于目標是處于運動中，所采集到的目標圖像會有不同程度的改變，另外，在目標跟蹤系統(tǒng)中，通常只需辨明目標的類型，并不需要了解有關運動目標圖像中更多的細節(jié)。

因為要給出目標點的位置，所以每張圖像上的物體最終只能用1個點來表示，這個點就是物體的中心點，在圖形學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，記錄它們的橫坐標和縱坐標，并做累加，同時累加白色點的個數(shù)，最后把累加得到的橫坐標的值除以白色點個數(shù)后，得到的值就是物體中心點的橫坐標數(shù)值，縱坐標也是如此。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確的，除非物體在運動過程中發(fā)生了非常大的形變。得到的質(zhì)心是運動物體在圖像中的像素坐標，轉(zhuǎn)換成實際坐標從而達到對運動目標的實時監(jiān)測。

4 軟件設計

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++實現(xiàn)圖像預覽以及處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)串口輸出給控制部分。計算機的程序流程圖如圖4所示。

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

在串口通信模塊軟件實現(xiàn)中使用API函數(shù)結(jié)合非阻塞通信、多線程等手段；在主線程中處理圖像數(shù)據(jù)，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達時依靠事件驅(qū)動，讀人數(shù)據(jù)并向主線程報告，并且WaitCommEvent()，ReadFile()，WriteFile()都使用了非阻塞通信技術(shù)，依靠重疊(overlapped)讀寫操作，讓串口讀寫操作在后臺運行。這樣做大大節(jié)省了時間，提高了系統(tǒng)的運行效率。

5 硬件設計

計算機通過RS 232的方式與單片機進行通信，將測得的位置信息傳送給單片機，單片機收到數(shù)據(jù)后控制步進電機進行跟蹤。其主要包括下位機與上位機的通信，以及步進電機的驅(qū)動電路的設計，硬件控制的框圖如圖6所示。

6 結(jié)語

本文通過面陣CCD對圖像采集，結(jié)合計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)以及單片機，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)圖像的掃描處理，從而獲得了跟蹤點的目標位置及對掃描的圖像進行實時動態(tài)的顯示以及跟蹤。在軟件設計中使用了快速中值濾波和多線程技術(shù)使得在實際使用中能夠達到實時準確的目標，為提高非接觸位置測量方面的理論研究、測量技術(shù)及工程設計的水平將有很大的幫助。隨著CCD傳感器制作技術(shù)的提高，圖像處理軟件的進一步發(fā)展，CCD傳感器與集成電路進一步集成，面陣CCD傳感器的應用前景將更加廣闊，其應用的領域?qū)⑸钊氲矫恳粋€相關的專業(yè)領域，將給人們帶來新的概念。