基于面陣CCD的運動物體瞬時位置的檢測

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(yīng)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(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(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(wù)的。

通過星座仿真可以得出，星座的相對運動的特點，應(yīng)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(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(guān)運動目標圖像中更多的細節(jié)。