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，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(jìn)展。目前國內(nèi)利用CCD進(jìn)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(jī)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(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?jǐn)?shù)據(jù)處理都由軟件來實現(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個氣浮臺來模擬星座的相對運動。以目標(biāo)氣浮臺上的光學(xué)反射球作為跟蹤目標(biāo)，位于追蹤氣浮臺上的面陣CCD用來實時測得包含運動目標(biāo)的圖像信息傳送到計算機(jī)；再由計算機(jī)進(jìn)行處理得到運動目標(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，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，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，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(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)是處于運動中，所采集到的目標(biāo)圖像會有不同程度的改變，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)運動目標(biāo)圖像中更多的細(xì)節(jié)。
因為要給出目標(biāo)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(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，記錄它們的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，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(biāo)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(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(biāo)，轉(zhuǎn)換成實際坐標(biāo)從而達(dá)到對運動目標(biāo)的實時監(jiān)測。
4 軟件設(shè)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(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所示其實時圖像，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。
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(dá)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(shè)計
計算機(jī)通過RS 232的方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，將測得的位置信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行跟蹤。其主要包括下位機(jī)與上位機(jī)的通信，以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路的設(shè)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(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)以及單片機(jī)，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(biāo)位置及對掃描的圖像進(jìn)行實時動態(tài)的顯示以及跟蹤。在軟件設(shè)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(dá)到實時準(zhǔn)確的目標(biāo)，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(shè)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(jìn)一步發(fā)展，CCD傳感器與集成電路進(jìn)一步集成，面陣CCD傳感器的應(yīng)用前景將更加廣闊，其應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⑸钊氲矫恳粋€相關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域，將給人們帶來新的概念。