基于面阵CCD的运动物体瞬时位置的检测

引 言

CCD(Charge Coupled Devices，电荷耦合器件)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。由于CCD器件具有诸多优点，使得近30年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。目前国内利用CCD进行工业实时在线检测的系统大多用线阵CCD，精度不高、结构复杂、重量重、体积大、建造成本高、整体结构松散、数据量增大处理运算麻烦等，而面阵CCD光敏呈二维排列，可以将二维平面图像直接转换为一维光电信号输出，为提高采样精度和简化结构提供了条件。随着计算机技术的飞速发展以及动态图像处理理论的深入研究，采用面阵CCD图像传感器对运动目标进行监测成为测量领域的一种新的趋势，尤其在航天通信系统中，跟踪与数据的获取是为星座相对运动之间提供数据信息、连续跟踪与轨道精确测控服务的。

通过星座仿真可以得出，星座的相对运动的特点，应用面阵CCD来完成星座的相对运动的跟踪是一种新的跟踪方法，它使硬件变得简单，大部分数据处理都由软件来实现，使得跟踪达到速度与精度的完美结合。本文旨在用2个气浮台来模拟星座的相对运动。以目标气浮台上的光学反射球作为跟踪目标，位于追踪气浮台上的面阵CCD用来实时测得包含运动目标的图像信息传送到计算机；再由计算机进行处理得到运动目标位置信息、相对距离和方位；把测得的数据由串口输出给控制单元，进行精确的测量从而实现检测跟踪的目的，模拟跟踪如图1所示。

2 系统工作原理

(1)系统组成框图

本系统中主要由采集部分、处理部分、显示部分和控制部分组成，系统组成的框图如图2所示。

(2)面阵CCD传感器工作原理

面阵CCD由成像区(光敏区)、暂存区和水平读出寄存器3部分构成。当工作时，图像经物镜成像到光敏区，光敏区上电极加有适当的偏压时，光生电荷被收集到势阱里，这样就将光学图像变成了电信号。当光积分周期结束时，所有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读出寄存器，经输出级逐行输出1帧信息。在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到势阱中，这样可以一帧一帧连续读出。

本文采用北京微视公司MVC1000M系列具有130万像素的面阵CCD传感器，如图3所示的实物图。

3 图像处理单元

(1)图像的预处理

为提高图像处理速度采用一种快速中值滤波的算法，设n×n个像素方形滤波窗口为：

(2)特征提取及位置的确定

为了进一步对图像做分析和识别，就必须通过对图像中的物体(目标)做定性或定量分析来得出正确的结论。在本系统中，由于目标是处于运动中，所采集到的目标图像会有不同程度的改变，另外，在目标跟踪系统中，通常只需辨明目标的类型，并不需要了解有关运动目标图像中更多的细节。

因为要给出目标点的位置，所以每张图像上的物体最终只能用1个点来表示，这个点就是物体的中心点，在图形学上称为图形的几何中心。确定物体的几何中心，只需扫描整张图像，寻找颜色是白色点，记录它们的横坐标和纵坐标，并做累加，同时累加白色点的个数，最后把累加得到的横坐标的值除以白色点个数后，得到的值就是物体中心点的横坐标数值，纵坐标也是如此。其算法表示如下：

一般，这样得到物体的几何中心还是比较准确的，除非物体在运动过程中发生了非常大的形变。得到的质心是运动物体在图像中的像素坐标，转换成实际坐标从而达到对运动目标的实时监测。

4 软件设计

CCD采集获得的图像为8位位图格式，本文采用可视化编程软件VC++实现图像预览以及处理。处理后的数据经串口输出给控制部分。计算机的程序流程图如图4所示。

面阵CCD采集到的图像经处理提取后，得如图5所示其实时图像，并提取跟踪目标的坐标，图像每过100 ms数据处理1次，并与下位机进行通信进行控制。

在串口通信模块软件实现中使用API函数结合非阻塞通信、多线程等手段；在主线程中处理图像数据，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读人数据并向主线程报告，并且WaitCommEvent()，ReadFile()，WriteFile()都使用了非阻塞通信技术，依靠重叠(overlapped)读写操作，让串口读写操作在后台运行。这样做大大节省了时间，提高了系统的运行效率。

5 硬件设计

计算机通过RS 232的方式与单片机进行通信，将测得的位置信息传送给单片机，单片机收到数据后控制步进电机进行跟踪。其主要包括下位机与上位机的通信，以及步进电机的驱动电路的设计，硬件控制的框图如图6所示。

6 结语

本文通过面阵CCD对图像采集，结合计算机数字图像处理技术以及单片机，实现了对数据图像的扫描处理，从而获得了跟踪点的目标位置及对扫描的图像进行实时动态的