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1、光电成像原理与技术实验王霞 裘溯光电成像技术与系统教育部重点实验室光电成像与信息工程研究所2011年9-10月我们要学会什么？我们要学会什么？w 搞懂该课程的意义（能帮我们解决什么？）w 学习方法（首当其冲）w 基本原则（概念清楚）w工程经验（更为重要）w学有二道：曰沉思、曰实验w科学实验是近代自然科学得以相对独立发展的实践基础。w巩固所学的概念和规律，练习实验操作方法w经历科学过程，体会科学方法，树立科学的价值观w更加热爱科学实验内容实验内容序号序号实验项目实验项目地点地点实验一、二像管亮度增益和等效背景照度的测试IT楼40124013实验三像管积分灵敏度的测试实验四像管放大率和畸变的测试实
2、验五像管极限分辨力的测试实验六直视微光成像系统极限分辨角的测试实验七面阵C CD尺寸测量和颜色识别实验时间安排时间安排w实验时间安排w实验时间：4周-9周，每周五下午5-8节地点：信息楼4012-4013室w轮空的课时为课前预习和课后整理实验报告时间。实验要求实验要求w提前做好预习，未预习者辅导教师有权拒绝其做实验；w实验报告由学习委员收齐，于2011年11月4日以前交辅导教师。逾期未交者，视为不及格。w参加实验的同学每2-3人组，按学号顺序排列。如有调整，请学习委员在实验课开始之前一天，将分组情况通知辅导教师。w辅导教师王霞：68912569-801 w教学参考书光电信息实验技术王仲春 刘榴
3、娣 钟堰利 编著兵器工业出版社 实验报告要求实验报告要求w上课前写好实验预习报告，由辅导老师检查、签字之后，方可开始做实验；w实验所记录的测量数据，在实验结束后，由各实验的辅导老师签字后，方可离开实验室；w实验报告上交时，应由以下几个部分：预习报告（教师签字）实验数据（辅导老师签字）数据处理与实验结论思考题成绩的评判成绩的评判w实验成绩=w每个实验成绩=预习（20%）+实验（40%）+数据处理及思考题（40%）三个基本组成部分各完成不同的物理过程；（请写在预习报告上）光电成像器件亮度增益光电成像器件亮度增益测试实验测试实验亮度增益概念亮度增益概念w用规定照度的标准光源照射光电阴极，在像管输出的
4、轴向方向上分别测出有光输入和无光输入时荧光屏的法向亮度，两者之差与入射到光阴极上的照度之比，为亮度增益 使用照度计完成亮度增益的关键使用照度计完成亮度增益的关键 用照度计间接测量荧光屏的轴向发光亮度La：测量距离荧光屏l处的照度Ea由此可得亮度增益可表达为由此可得亮度增益可表达为电电电电 源源源源光源电源像管电源照度计照度计照度计照度计自动自动实验步骤实验步骤1.对光源的发光强度进行标定；2.照度计调零；3.给像管加以规定的工作电压，经过适当的时间，使其达到稳定的工作状态；4.用照度计测出入射到阴极面上的照度Ec；5.测量输入面上无光照时距荧光屏l处的照度Ea；6.测量输入面上有光照时距荧光屏
5、l处的照度Ea0。思考题思考题w像增强器亮度增益受那些因素的影响？w为什么光源的色温要定为2856K，如何保证？w为什么要减去无光照时的荧光屏输出亮度？光电成像器件等效背景照度光电成像器件等效背景照度测试实验测试实验概念概念w为了使荧光屏亮度等于暗背景亮度值，而需要在光阴极面上输入的照度值，就称为等效背景照度。w常用测试方法常用测试方法增益测试法增益测试法需要思考的问题需要思考的问题w使用增益测试设备测试等效背景照度时，应该先测有光照情况还是先测无光照情况下的输出照度？为什么？光电成像器件光电阴极灵敏度光电成像器件光电阴极灵敏度实验实验w光电阴极灵敏度的物理意义 在一定色温下的光源所发射的连续
6、光谱照射，以每入射流明的微安数（单位为A/lm）来表示光电阴极的灵敏度。w像管积分灵敏度在标准光源（色温2856K）照射下，阴极规定面积上所产生的饱和光电流与照射到该面积上的光通量之比实验装置实验装置实验装置实验装置实验步骤实验步骤1.对 光 源 的 发 光 强 度 进 行 标 定：调 整 稳 流 源 电 流 值（0.845A），使光源的色温达到2856K，并能均匀地照射在像管的阴极面上；2.测量并记录阴极面上的照度（Mr），正畸变（M0Mr），半视场畸变，边缘畸变。实验装置实验装置w阴极面上的尺寸：平行光管的焦距 成像物镜的焦距实验步骤实验步骤1.在像管上加以额定的工作电压，并使其工作稳定。
7、2.调节像管的位置，使测试板在荧光屏上清晰成像。3.通过目镜观察荧光屏，读出测试板上r在荧光屏上对应的r2值。需要注意的问题需要注意的问题w测试时，应从测试板中心开始测试，分别测试左右两侧，以消除误差。思考题思考题w像管阴极面上所成像的尺寸计算方法是什么？w为什么要在测试板与光源间使用毛玻璃？光电成像器件极限分辨力光电成像器件极限分辨力测试实验测试实验极限分辨力极限分辨力w用目视方法查对比度为100%的标准分辨力图案，在每毫米宽度内最多能分辨的黑白带状线条的对数，常用单位为lp/mm。w常用分辨力测试板：四方向平行条带板，放射形条带板。w常见不同定义：中心分辨力，半视场分辨力，边缘分辨力。需要
8、注意的问题需要注意的问题w测试台的构成、测试步骤、w分辨力查表、计算方法思考题思考题w光源的亮度对分辨力测试有无影响？为什么？w像管的中心分辨力和边缘分辨力差异大不大？为什么？w影响像管分辨力的因素都有哪些？直视微光成像系统极限分辨角直视微光成像系统极限分辨角测试实验测试实验视距估算视距估算w设目标的临界尺寸（最小高度或宽度）为H，目标到系统距离为l，则目标对系统的张角a0为w根据约翰逊准则，发现、识别和认清目标所需的空间频率分别为1、4、8对线/目标临界尺寸，相应分辨角为实验装置实验装置思考题思考题w计算实验中使用的夜视系统发现、识别、认清一个身高1.70m、中等胖瘦（约40cm宽）的人时，
9、相应的视距。面阵面阵CCD尺寸测量与颜色识别尺寸测量与颜色识别尺寸测量实验目的和要求尺寸测量实验目的和要求w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；w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。实验原理实验原理w在被测物面处，放置标准尺寸物或标尺，读出标尺图像的相关尺寸数据便可进行标定。设标准尺寸物或标尺的实际尺寸为l0，读出数据为N0，则测出的N 值的长度当量（x0/或y0/）为w显然，若光学系统存在畸变，就要对不同视场分别进行标定或进行更高精度的图像数据处理工作。测试步骤测试步骤w将被测的标准
10、图片如下图所示，安装在“被测物夹持架”上，将USB接口线正确连接到计算机上；w打开计算机的电源开关，并确认YHACCD型彩色面阵CCD实验仪的“面阵CCD尺寸测量实验”软件是否已经安装？若未安装，则先将软件安装在计算机的指定位置上；w将外置面阵CCD摄像机的镜头盖打开；w打开YHACCD彩色面阵CCD多功能实验仪的电源开关；测试步骤测试步骤w确认视频切换按钮（开关）是否已经按下，切换指示灯点亮表明采集外置CCD摄像机的图像信号；w 运行“面阵CCD尺寸测量实验”程序；w 点击“连续采集”按钮，计算机界面将显示外置摄像头所采集到的图像，调整CCD摄像头与测量图片的相对位置使计算机显示的图像尽量清
11、晰，点击“停止”按钮。或者，点击“单帧”按钮，采集到一幅数据图像，并将其存入指定内存。w点、圆数据的测量：中心、直径w三角形、矩形数据数据的测量：顶点坐标、边长、中心和面积。w显然上述观测数据的方法是比较繁复的，能否用计算机软件根据边界点的特征进行自动寻找呢？回答是肯定的。思考题思考题w尝试使用VC+程序（或Matlab）自己编写边缘检测及尺寸测量程序。w你能设计出用外置摄像机测量圆柱物体（如铅笔芯）外径的方案吗？w在铅笔芯外径的测量系统中，若所选的面阵CCD 为768（H）576（V），被测笔芯直径为0.7 m，试计算所获得的最高的测量精度为多少？颜色测量实验目的和要求颜色测量实验目的和要求
12、w学习利用彩色面阵CCD进行彩色图像的分解与合成，用此种方法对颜色信息进行识别和图像处理是本节实验的主要目的。w通过实验也能对R、G、B色品坐标与三基色色彩方程有进一步的认识。实验原理实验原理w利用彩色面阵CCD可以将复杂的色彩图像分解为三原色单色图像，利用分解的单色图像进行颜色信息的识别。例如，若想从红小豆堆里分辨出如绿豆、黑豆、花小豆、砂石等杂质，可以将被测小豆经彩色面阵CCD摄取并采集的彩色图像分解成R、G、B三幅单色图像，用计算机软件分析这3幅单色图像的输出幅度，若G、B图像的输出幅度超过某阈值，则表明其为杂质。可以用电磁气阀将其吹出，实现除去杂质的目的。在彩色印刷过程中常采用顺序印刷
13、单色图像的方法，在印每种颜色时都要检测其质量。因此，用彩色面阵CCD进行彩色图像分解出的单色图像进行色品分析是保证彩色印刷质量的关键。实验原理实验原理w将三原色单色图像合成为一幅图像，该幅图像为真彩色图像。若对一色、二色或三色单色图像进行对比度、白电平等参数的调整，结果会使合成的彩色图像的颜色、饱和度、色度等色品参数发生变化，即彩色图像被处理。通过彩色图像的处理能提高原图像的质量。实验内容实验内容w利用彩色面阵CCD摄像机进行彩色图像分解；w利用分解出的单色彩色图像进行颜色信息的分辨；w利用彩色面阵CCD摄像机与计算机图像数字采集系统进行简单的彩色图像处理。实验步骤实验步骤1）基本彩色图像的分
14、解 w 用USB连接线将YHACCD彩色面阵CCD多功能实验仪与计算机的USB2.0连接起来；w 打开计算机的电源开关，确定“面阵CCD颜色识别实验”程序是否已经安装；若未安装，请按厂家提供的安装盘安装。若已安装，可进行下面的操作；w 检查面阵CCD摄像机的电源线与视频线是否与实验仪连接好。再打开实验仪的电源开关；w 确认视频切换按钮是否已经按下，切换指示灯点亮，说明已经将外置面阵CCD摄像机的视频信号接入视频信号数据采集系统；实验步骤实验步骤1）基本彩色图像的分解 w 将仪器提供的彩色样品卡安装在“被测物夹持架”上，调整物像关系，使图像尽量清晰；w 运行“面阵CCD颜色识别实验”程序，点击“
15、实时采集”按钮，进行图像采集；w 把鼠标移到所采集的图像上，观测鼠标指示位置像素点的R、G、B等级数；w 在颜色选取框中选择任意单色通道，例如红色通道，关闭其余通道。此时实时采集图像为红色单色图像。点击“停止采集”按钮，完成一帧图像的数据采集。将采集到的红色单色图像数据保存成文本文件。然后点击“实时采集”按钮，并重新采集其他单色图像，观察这些图像的数据变化，并将采集的单色图像保存起来。实验步骤实验步骤2）用单色彩色图像分离杂质 w 按上面的步骤和方法采集需要挑选的红豆图像，再分别采集三种单色图像，并将其分别存入3个文本文件中；w 打开三种单色图像文件，分析各单色图像的特点，从单色图像中找到需要
16、分离出来的信息处在什么坐标位置（绿豆、黑豆、花豆等杂质的位置）。实验步骤实验步骤3）彩色图像简单处理方法 w 按上面的步骤和方法采集一幅彩色图像，再分别采集并存储三种单色图像，点击“查看”菜单的显示数据选项,并将其分别存入3个文本文件中；w 在采集软件中利用“颜色平衡”功能对任意三路颜色的图像数据进行调整和修正。将调整后的图像数据保存在文本文件中；w 将原图与修正后的图像进行比较，看其差别，说明这种处理带来的好处。实验步骤实验步骤4）结束与关机 w需要保存的数据及文件保存到“软盘”或“闪存”中，以免关机时丢掉；w 退出实验软件和其他执行软件，将计算机关掉；w 关掉实验仪的电源；w 盖好镜头盖；w 将被测图片放回原处，将其他工具放回原处。思考题思考题写出实验总结报告并对下面几个问题进行讨论:w单色图像数据采集方法还能应用在哪些方面？w你能列举出简单彩色图像处理方法的应用实例吗？