4.5 光電信息技術其它

1、1,光電信息技術其它應用,光電信息技術其它應用 激光打印機和復印機 光盤存儲 攝像機和數(shù)碼相機 攝像測量,2,激光打印機和復印機,激光打印機和復印機 一．激光打印機的特點 激光打印機是光電技術和電子照相技術相結合的一種印字方式，它綜合利用了激光器，光束調(diào)制和偏轉、精密光學機械和電子計算機處理技術，是一種非常有代表性的光電子儀器。它有以下

2、特點： 1．像素密度高，印字清晰，分辨率比機械點陣式高 近百倍。 2．打印速度快，比普通打印機快6～30倍。 3．工作無撞擊，打印噪聲小。,,,,,,3,二．激光打印機原理 激光打印機結構如下圖所示。,激光打印機的打印原理如上圖所示。,激光打印機和復印機,4,1． 吸鼓帶電 對應圖2的1位置，在感光鼓〔也稱吸鼓〕上用電極對感光

3、體表面高壓電暈放電，使感光層表面帶電荷。感光鼓是在導電基體表面上涂有硒或其它光電導材料層，光電導層在光照時的電阻率下降。 2． 掃描曝光 對應圖2的2位置，用受被打印內(nèi)容調(diào)制的激光束對感光層掃描曝光，受光照區(qū)域的電阻率下降，表面電荷被中和而消失，在感光層上形成由靜電荷分布構成的潛像（電荷圖象）。,激光打印機和復印機,5,激光掃描寫入系統(tǒng)主要包括激光光源、光調(diào)制器、光偏轉器、掃描透鏡等光路元件及相應

4、的控制電路。 3． 靜電成像 對應圖2的3位置，用含有炭精粉粒的顯像劑與感光層接觸，在靜電場的作用下，炭精粉粒附在感光層的曝光區(qū)域上，形成可見的炭精粉圖象，這過程也稱顯像過程。 4．著色轉印 對應圖2的4位置，打印紙與已經(jīng)顯像的感光體接觸，同時采用電暈帶電體從紙的反面加電場，這時感光體表面的顯像劑轉移到打印紙上完成轉印。,激光打印機和復印機,6,5. 熱壓定影

5、 對應圖2的5位置，用熱壓器加熱加壓使著色劑牢固粘結在打印紙上，完成了靜電打印。 6． 清洗吸鼓 對應圖2的6位置，將感光體用清洗器清除殘留的色粉，準備下一張打印。三．激光打印機的光電技術 1. 激光器和調(diào)制器 實用的激光打印機—般采用He—Ne激光器或半導體激光器作激光光源。 激光打印機中使用的光調(diào)

6、制器早期多為聲光調(diào)制器。隨著半導體激光器的發(fā)展，直接電流調(diào)制的方式已逐步代替聲光調(diào)制方式。,激光打印機和復印機,7,2．光偏轉器 光偏轉器實現(xiàn)激光束的掃描，大多采用旋轉多面鏡的方式，它是由以正多角柱體的側面為鏡面的多面反射鏡和使其高速旋轉的電動機組合而成。 3． 激光打印機的主要技術指標 激光打印機的主要技術指標是打印寬度、打印速度和清晰程度。 四．靜電復

7、印機 同激光打印機相同，復印機也是利用光電技術和電子照相技術相結合的一種印字方式。復印機與激光打印機的主要區(qū)別是圖象信息產(chǎn)生的方式不同。復印機是實物文件被反射照明后由成像鏡頭成像曝光在感光體上；而激光打印機則是由主計算機產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)經(jīng)控制電路控制激光束的偏轉和光強度掃描曝光完成打印的。,激光打印機和復印機,8,光盤存儲,光盤存儲 一．光盤存儲的類型 1、記錄用光盤

8、 記錄用光盤也稱“寫后直讀型”(draw)光盤，它兼有寫入和讀出兩種功能，并且寫入后不需處理即可直接讀出所記錄的信息，因此可用作信息的追加記錄。這類系統(tǒng)根據(jù)記錄介質和記錄方式的不同又可分為作一次寫入和可擦重寫兩類。 2、專用再現(xiàn)光盤 專用再現(xiàn)光盤也稱“只讀”型(read nly)。它只能用來再現(xiàn)由專業(yè)工廠事先復制的光盤信息，不能由用戶自行追加記錄．,9,二、光盤存

9、儲的特點 1) 存儲密度高、容量大 2) 寫入讀出率高 3)存儲壽命長 4)每信息位的價格最低，易復制、壽命長。 5)有隨機尋址能力，隨機存取時間小于60ms。 6)光盤存儲是非接觸寫入讀出，防塵耐污染，操作方便，易與計算機聯(lián)機使用。 三、光盤存儲的工作原理 在光盤上寫入信息的裝置稱作光盤記錄系統(tǒng)；,光盤存儲,10,能從光盤上讀出數(shù)據(jù)的裝置是光盤重放系統(tǒng)。大多數(shù)光盤裝置具有記錄和重放的雙重功能。

10、 1、只讀型,光盤存儲,,11,下圖給出了光盤的截面形狀。,將載有音頻、視頻或文件信息的調(diào)制激光束被聚焦透鏡縮小成直徑1 um左右的光點。高能量密度的細束激光加熱光盤的記錄介質表面，使局部位置發(fā)生永久性變形，這造成介質表面光學特性的二值化改變。由于光盤是旋轉的，而寫入頭是平移的，在,光盤存儲,12,光盤面上會形成軌跡為螺旋狀的一系列微小凹坑或其它形式的信息記錄點。這些信息點的不同編碼方式就代表了被存儲的信息數(shù)據(jù)。

11、 在讀出狀態(tài)時，將照射激光束聚焦在光盤信息層上。當激光束落在光盤信息層的平坦區(qū)域時，大部分光束被反射回物鏡，落在凹坑邊緣的反射光因衍射作用而向兩側擴散，只有少量反射光能折回物鏡。落入凹坑底部的光束由于坑深為l／4 ?，故反射光相位與坑上反射光相位差為1／2 ?，由干涉理論可知，當二束光相位差為1／2 ? 時，由于干涉而形成暗條紋。由此可見，當激光束全部照在光盤信息層的平坦區(qū)域時，,光盤存儲,13,反射光為亮紋，而當部分激光束

12、落到凹坑底部時，反射光為暗紋，這樣，當光盤按一定的速度旋轉時，來自光盤的反射激光束亮度將隨光盤上凹坑的變化而變化，只要用光電檢測器接收反射回來的被信息點調(diào)制的光強，就可得到：“0”或“1”的信號。 讀出數(shù)據(jù)時，與寫入信息相同，光盤轉動，讀數(shù)頭作平移運動，即合成螺旋運動。 2．可擦型 同只讀型類似，只是在激光束照射光盤時，使光盤表面的磁性膜磁化或使介質表面結晶狀態(tài)發(fā)生變化。

13、 另一種光存方法采用基于光熱磁效應的光磁盤裝置。,光盤存儲,14,它的基本設備也和光盤裝置相類似，主要的區(qū)別在于采用的是磁性的記錄介質。在細束激光的調(diào)制作用下，通過改變磁介質的磁化方向完成信息的存儲。在信息讀出時不是檢測光的反射率，而是通過檢測反射光的偏振狀態(tài)檢測信息點處的磁化方向。 四．光盤存儲系統(tǒng)的關鍵技術 光盤存儲系統(tǒng)的核心裝置是光盤驅動器，它是一種超精密光電子裝置。主要包括：光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、伺服跟蹤系

14、統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。,光盤存儲,15,光盤驅動器的組成框圖如圖4.5.2－3所示。,光盤存儲,,16,1． 光學系統(tǒng) (1) 激光聚束光路 (2) 寫入光調(diào)制器 (3) 循跡跟蹤反射鏡 (4) 光電檢測系統(tǒng) 2．  機械系統(tǒng) (1) 轉臺機構 (2) 滑板機構 (3) 光電頭機構,3． 控制系統(tǒng) (1)

15、轉臺恒速控制系統(tǒng) (2) 滑板位移控制系統(tǒng) (3) 調(diào)焦控制系統(tǒng) (4) 循跡跟蹤系統(tǒng) 4． 信號處理系統(tǒng) (1) 寫入信號處理器 (2) 讀出信號處理器 (3) 控制器,,光盤存儲,17,,,18,,,19,,,20,,,21,,,22,,,23,,,24,攝像測量,攝像測量 一．攝像監(jiān)視 攝像監(jiān)視一般采用CCD攝像頭對

16、被監(jiān)視的區(qū)域成像，最后通過監(jiān)視電視顯示出來，也可用存儲設備保存以備后用。 如將攝像頭與有關控制系統(tǒng)或報警系統(tǒng)相連，則可起到防盜報警、防火報警等功能。 二．攝像檢測 攝像檢測主要用于工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠距測量、非接觸測量和在線測量。,25,目前，攝像檢測主要應用攝像技術和計算機數(shù)字圖象處理技術對被測量進行自動檢測和控制。下面舉例說明。 三．高壓容器焊縫底片

17、缺陷的攝像測量 隨著攝像測量技術和模式識別技術的發(fā)展，已研制出底片的攝像測量法，利用計算機對攝像的焊縫底片進行自動識別。其原理框圖如圖4.5.4－1所示。,攝像測量,,26,1、焊縫底片圖象的攝像輸入 2、圖象預處理,（1）灰度變換 運用全域線形變換，增強缺陷與背景的反差，使圖象清晰，特征明顯。,設p0(i,j)為原始圖象的灰度，p1(i,j)為經(jīng)過變換后的灰度。初始灰度級范圍為(a,b)，變換后的

18、灰度級范圍為(a‘,b’),則： p1(i,j)=a+(b'-a')*[p0(i,j)-a]/(b-a) a ?? p0(i,j)?b 即將原來的(a,b)范圍擴展為(a',b')范圍。經(jīng)灰度變換后，圖象對比度增強了（見圖4.5.4－3）。,攝像測量,,27,（2） 降噪處理 降噪處理通常稱為平滑或濾波。

19、其目的在于濾除干擾，突出目標特征。對濾波處理的要求有兩條：一是使圖象清晰；二是不要破壞圖象中的輪廓和邊緣等有用信息。常用的方法分為空域法和頻域法。空域法包括噪聲消除法、鄰域平均法、中值濾波法、掩模匹配法等。頻域法有低通濾波法等。 模糊加權均值濾波器(FWA)將濾波窗內(nèi)的樣本看作一個模糊集A中的元素，窗內(nèi)樣本xi根據(jù)其樣本值有不同的隸屬度ui，其隸屬度由模糊集的隸屬函數(shù)u(di)映射而得，其中di為樣本xi與濾波

20、輸出之間的差值。,攝像測量,28,這里，隸屬函數(shù)u(di)的定義域為（0,+??，值域為[0,1]的單調(diào)遞減函數(shù)。當由估計器算出的估計值導出的隸屬度加權均值后所得的值等于原估計值時，達到最佳估計。 具體算法描述如下： 1、設濾波輸出初值y0為濾波窗內(nèi)各樣本的均值，由這個初值導出樣本的隸屬度u0i；　 2、對導出的模糊隸屬度u0i進行加權均值，得到新的輸出y1； 3、比較y0與y1的差值是否

21、小于預定的閾值?，若小于該閾值，則迭代結束，輸出為y，否則由y1導出新的模糊隸屬度u1i；,攝像測量,29,依次類推，直至前后兩次估計值的差小于閾值?。 本算法中取模糊隸屬函數(shù)u(xi)=exp(-(xi-y)2/?)，其中，y為濾波輸出，?為尺度參數(shù)。?決定著模糊集的形狀，實驗證明，當?在5000左右時，能夠比較好的滿足要求。降噪處理后的圖象如圖4.5.4－4所示。,3、圖象分割圖象分割方法中的閾值化因易于

22、實現(xiàn)、計算量小、性能較穩(wěn)定而被廣泛使用。,攝像測量,,30,這里，采用單一閾值。設f(i,j) 為原圖象的灰度值，g(i,j)為閾值圖象的灰度值，T為閾值，則：,由此可見，T的選擇很重要。若閾值選的過低，會將目標物體的像素誤歸為背景；若閾值選的過高，背景難以去除。 閾值選取方法很多，經(jīng)過實驗，采用一種基于二維灰度直方圖Fisher線形分割的圖象分割方法。,攝像測量,31,具體算法如下：,平均灰度直方圖。（2）對鄰域平均

23、灰度直方圖，用改進的Otsu法，得到閾值T。 Reddi利用梯度概念，改進了Otsu法。其算法如下：,平均值，c為迭代次數(shù)，h(l)是各灰度級出現(xiàn)的頻數(shù)； 2）計算梯度ec = [m(0,kc)+m(kc,255)]/2-kc ；,攝像測量,32,3）判斷是否滿足?ec???，若滿足則轉至6），否則繼續(xù)； 4）令kc+1= kc + ec; 5）令c=c+1，轉至2）；

24、 6）輸出kc作為閾值。,(3) 對圖象進行閾值化 圖象中，灰度值大于閾值的像素置為白，小于閾值的像素不變。閾值化之后目標物體與背景分離。圖4.5.4－5是氣孔缺陷經(jīng)過圖象分割后得到的閾值圖象，該圖象分割的閾值取123。,攝像測量,33,4．   缺陷識別 焊縫缺陷主要有五類：圓形缺陷(包括球狀氣孔、點渣等)，裂紋，未熔合，未焊透，條狀夾渣。

25、 利用標記法對閾值化的圖象進行標記目標物體，可得到物體個數(shù)，即缺陷個數(shù)。此時， 須對缺陷先進行人工判別，因為要區(qū)分單個缺陷和成組缺陷。然后再對每個缺陷進行參數(shù)確定和特征提取。 （一）輪廓跟蹤 設背景像素值為0，物體像素值為1。下面給出輪廓跟蹤算法： (1)  利用水平掃描法得到輪廓跟蹤的初始點，其坐標為(start-x, start-y)，設它為x1； (2)  

26、;   搜索第2個輪廓點，設它為x2；,攝像測量,34,先判斷起始點的4鄰域中0像素的位置。當下鄰點為0，令n=6；當下鄰點不為0，左鄰點為0，令n=4；當下、左鄰點都不為0，上鄰點為0，令n=2；當下、左、上鄰點都不為0，右鄰點為0，令n=0； 從n位置出發(fā)，逆時針方向搜索1像素，最早找到的1像素即是第2個點，計下該點的鏈碼值，并算出其坐標。(3) 搜索第3個點及以后的點；

27、 設第3個點為x3，若x2相對于x1的鏈碼值為偶數(shù)，則搜索x3的起始位置n=(x2的鏈碼值+7)%8; 若x2相對于x1的鏈碼值為奇數(shù)，則搜索x3的起始位置n=(x2的鏈碼值+6)%8，其中%表示模運算。由起始位置逆時針搜索1像素。以后點的搜索方法同第3點。(4) 當搜索到的點的坐標與(start-x, start-y)相同時，表示一個輪廓跟蹤已完成。,攝像測量,35,（二） 選取參數(shù) 面積S 周長L 等效面

28、積S/L 長徑A和短徑B (5) 等效鏈碼方向像素分布N0?N3：NO為鏈碼值為0和4的像素個數(shù)之和與總像素之比，N1為鏈碼值為2和6的像素個數(shù)之和與總像素之比, N2為鏈碼值為1和5的像素個數(shù)之和與總像素之比，N3為鏈碼值為3和7的像素個數(shù)之和與總像素之比。(6) 圓形度M,攝像測量,36,（三）模式識別 根據(jù)大量底片圖象樣本，由上述參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析，建立識別模式。 (1) 長寬比?3的是

29、圓形缺陷，其中圓形度?15.5，判為點渣；圓形度?15.5，是球狀氣孔，若不滿足進行(2)；    (2) 等效面積?0. 1，是裂縫，若不滿足進行(3)； (3) 等效鏈碼方向像素分布N0?0.8，判為未焊透，若不滿足進行(4)；    (4) 再判斷長寬比?5，是未熔合，若不滿足進行(5)；   (5) 剩下的歸為

30、條狀夾渣。圖4.5.4－6為缺陷參和模式的識別結果。,攝像測量,37,圖4.5.4－6 缺陷參數(shù)和模式的識別結果,攝像測量,38,（四） 缺陷定級 根據(jù)JB4730-94，將缺陷分為四個等級。,由計算機自動定級(見圖4.5.4－8),RT人員對條件進行判斷(見圖4.5.4－7),5．結論 以上探討了用數(shù)字圖象技術進行數(shù)據(jù)圖象預處理、缺陷自動識別的有關算法。軟件在Windows98的中文平臺下用VB6