CCD相机自动测试技术研究.pdf
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1、2012,48(26)1引言CCD摄像机技术越来越成熟,在国防军事,工业生产中有广泛的应用1-3。本文中的CCD摄相机应用于神光III装置光路自动准直系统4-5,通过CCD相机进行图像采集,然后对采集的图像进行处理,根据计算结果控制步进电机的移动,完成光路的自动准直。装置内部是密闭的真空环境,不能轻易开启,因此,对于主机装置内部的元器件的可靠性有较高的要求,而CCD作为图像采集的高精密光学元器件,相对比较脆弱,更需要确保其可用与可靠。提高可靠性的一种常用的方法是元器件冗余机制6。该方法虽然可以提高系统的可靠性,但是将会增加成本,同时占据更多的空间,增加装置的复杂度,而神光III装置中没有足够的
2、空间安装冗余设备,因此冗余机制不可行。另一种常用的方法就是对元器件进行严格的测试,确保每个元器件可用并具有较高的可靠性。在CCD出厂测试时,主要对性能参数进行测试,如光学灵敏度、信噪比、空间分辨率,频带宽度等7。而在实际应用环境中,主要关注的是CCD 能否正常使用而且可靠。出厂测试中性能参数达标的CCD并不能保证在实际应用中具有高的可靠性。因此,在装入装置前,需要对CCD相机根据应用环境的特点CCD相机自动测试技术研究常飞,谢兴全,张学东,虢仲平,刘金CHANG Fei,XIE Xingquan,ZHANG Xuedong,GUO Zhongping,LIU Jin中国工程物理研究院 计算机应
3、用研究所,四川 绵阳 621900ComputerApplication Institute,ChinaAcademic of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 621900,ChinaCHANG Fei,XIE Xingquan,ZHANG Xuedong,et al.Research of auto-testing technologies for CCD camera.Computer Engineering andApplications,2012,48(26):171-176.Abstract:A test model for CCD came
4、ra based on application is established in this paper,which is used to test CCDcamera automatically.In the test model,major factors that influence the utilization of CCD camera are selected andclassified into two classes,which can be named the usability factor and the reliability factor.Based on the
5、analysisof factors,the testing approach and evaluation function are proposed.The comprehensive evaluation function ofCCD camera can be formed with the evaluation function.Moreover,an auto-testing framework for CCD camera isdesigned in this framework.The experimental results show that,with the propos
6、ed method,the test can be more effi-cient,accurate and comprehensive.Key words:CCD camera;auto-testing model;evaluation function摘要:建立了一个CCD相机自动测试模型,对CCD相机根据应用需求进行自动测试。根据应用环境分析了CCD相机的6个主要的影响因子,并分类为可用影响因子和可靠性影响因子;针对不同影响因子的特点,提出了具体的测试方法和算法,并建立了影响因子评价函数;根据因子评价函数,通过加权的方式建立了CCD相机的综合评价函数;模型还给出了CCD相机自动测试框架。
7、实验结果表明,CCD相机自动测试技术能够有效减少测试时间,提高测试效率,降低测试复杂度,对CCD相机的测评更加全面和可信。关键词:CCD相机;自动测试模型;评价函数文章编号:1002-8331(2012)26-0171-06文献标识码:A中图分类号:TP393作者简介:常飞,男,助理工程师,研究领域:计算机网络、自动化控制与集成;谢兴全,高级工程师,研究方向:图像处理、自动化控制与集成;张学东,男,高级工程师,研究方向:自动化控制、电路设计;虢仲平,男,研究员,研究方向:自动化控制、计算机网络;刘金,男,高级工程师,研究方向:自动化控制、图像处理。E-mail:收稿日期:2012-04-05修
8、回日期:2012-07-13DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2012.26.038Computer Engineering and Applications计算机工程与应用171Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2012,48(26)进行严格的测试和评估,以确保CCD可用及高可靠性。本文主要研究CCD相机可用与可靠性测试方法,对于性能参数测试不作讨论。实际应用中需要使用大量的CCD,如果采用人工测试的方式,需要较多的人力物力资源,同时测试人员的经验和水平将影响测试结果,而且部分测试可能是人工方式很难甚至无法完成的
9、,如CCD图像采集丢帧测试等。因此,根据应用特点对CCD相机可用于可靠性自动测试技术研究具有重要的意义。本文根据实际应用中出现的问题,分析了CCD相机可用与可靠性主要的影响因子,针对每一个影响因子的特点提出了相应的测试方法。根据影响因子测试的结果以及 CCD 相机可用评价函数,判断CCD相机是否可用,在可用的基础上根据CCD相机综合评价函数计算CCD相机的综合评价值。根据影响因子间的关系,设计了CCD相机的自动测试框架,并对某公司某型号的 8 个 CCD 相机进行了自动测试,验证了每个因子的测试方法、评价函数和自动测试框架的可行性。与手动测试相比,自动测试技术能够有效提高CCD的测试效率,降低
10、测试工作量和复杂度,并完成人工方式很难完成的测试工作,使测试更加深入和全面。2CCD相机CCD相机的核心是电荷耦合器件(CCD芯片),分为线阵CCD和面阵CCD两种8-9。面阵CCD又分为三种类型,分别为行间转移(IT)型,帧间转移行(FT)和行帧间转移型(FIT)。目前常用的CCD类型为行间转移(IT)型,其图像采集分为四个步骤:(1)信号产生与积分;(2)信号垂直转移;(3)信号水平转移;(4)信号检测与图像生成10。CCD相机有两种图像采集模式,一种是软触发采集,另一种是外部信号触发采集11。软触发模式由控制软件发出触发指令,然后进行图像采集。外部信号触发采集模式是由外部信号发生器向CC
11、D相机发送触发采集信号,CCD相机生成图像,然后控制软件从CCD相机中采集图像。本文中使用的面阵行间转移型CCD,需要使用到软触发和外部信号触发两种图像采集模式。3CCD相机可用与可靠性因子神光III装置光路自动准直系统中使用的是面阵行间转移型CCD相机,通过CCD相机进行单次或连续图像采集,要求采集的图像清晰,连续采集过程中尽量不丢帧,为后续的图像处理提供高质量的图像。在实验室测试及实际应用中,发现影响主要因子有:(1)CCD相机连接。CCD相机连上网络并正确配置后,通过生产厂商提供的软件接口,能够连接到CCD相机,同时也能断开相机连接。如果CCD相机不能正常断开,则可能影响下一次连接。(2
12、)CCD图像采集。图像采集有两种模式,一种是软触发图像采集,另一种是外部信号触发图像采集。软触发采集用于单个相机的单次或者连续采集。而外部信号触发采集多用于多个相机同步采集。(3)芯片损坏。当CCD芯片局部损坏时,因为CCD的串扰效应,采集的图像中会出现贯穿整张图片的白色竖状带9,12-13,极端情况下,采集的整幅图像全部为白色。串扰效应下采集的图像如图1(d)所示。(4)图像清晰度。CCD相机拍摄设固定距离的标定物,要求能够采集到边缘清晰的图像,如果图片不清晰,将会影响图像处理的计算精度,需要通过调整镜头的焦距等方式使采集的图片清晰。CCD相机采集的清晰图像如图1(a)所示,模糊的图像如图1
13、(b)所示。(5)连续采集丢帧。连续采集在软触发和外部信号触发两种模式下进行。CCD相机在连续采集时,因自身的图像采集机制,外部干扰,网路状况等原因将可能出现丢帧的现象,频繁丢帧将影响图像处理。(6)图像数据缺失。图像数据缺失一般情况为局部数据缺失,极端情况下可能出现数据全部丢失。引起数据缺失的一种可能原因是触发采集信号与图像采集操作之间的时间间隔过短,CCD相机的缓冲区中图像数据还未完全生成,数据就被采集输出,从而图像出现缺损。根据CCD相机的图像形成机制,数据缺失的图片将会在图像中出现横穿图片的黑色条状带,极端情况下,如果数据全部丢失,则产生的整个图片像素全部为黑色。数据部分缺失图像如图1
14、(c)所示。(a)清晰图像(b)模糊图像(c)数据部分缺失图像(b)芯片损坏导致串扰图像图1CCD相机不同影响因子下的图片1722012,48(26)上述的影响因子可以分为两大类别,一种是影响到CCD的使用,使CCD不能正常使用或者CCD采集的图像达不到使用的要求,将该类因子称为可用影响因子。另一种是影响到CCD可靠性,因子的影响是规律性或者是随机性的,状态不会持续保持,不会严重影响系统的使用,但是会降低系统的可靠性,将该类因子称为可靠性影响因子。CCD相机影响因子分类及符号表示如表1所示。4CCD影响因子的测试根据影响因子的特性和分类,测试分为两个部分,CCD相机可用测试和可靠性测试。可用测
15、试可以看成是可靠性测试的预处理过程。只有在CCD相机可用的情况下才进行可靠性测试。4.1可用测试可用测试是测试相机能否正常连接,能否正常采集图像,芯片是否损坏以及图像是否清晰。如果测试的因子正常,则因子状态为1,否则因子的状态为0。当4个可用影响因子状态都为1时,才能保证CCD相机可用。对于相机连接和图像采集,测试方法比较简单,而芯片损坏测试与图像清晰度判定,则需要根据具体应用的特点设计相应的测试方法。4.1.1相机连接与图像采集测试测试CCD相机能否正常连接,调用CCD厂商提供的接口程序和库函数,执行N次连接CCD相机操作,根据函数返回状态判定CCD能否正常连接,如果能够正常连接,则状态为1
16、,否则为0。CCD图像采集(uic)测试时,在软触发采集以及外部信号触发采集模式下,调用接口程序和库函数,连续进行N次图像采集,两种模式下都能够采集到图片,则状态为1,否则为0。4.1.2芯片损坏检测CCD芯片损坏时,因为串扰效应,将会在图像中出现贯穿整张图片的白色竖状带,根据白色竖状带形成的原理,结合图像扫描的思想,提出了一种检测算法。算法的思想是,选择图像中一定数量的行进行扫描,记录每次行扫描最左和最右白色的像素点的列值,然后用所有最右白色像素点的最左点的列值减去所有最左白色像素点的最右点的列值,如果差值小于0,表示不存在白色竖亮线,反之则存在。具体算法如下:步骤1 对于图像矩阵Iwh,w
17、表示图像宽,h表示图像高;固定选取Iwh中的第1至3以及h-3至h共6行像素点,再在Iwh(行范围为4到h-4)中随机选择 N 行像素点,得到一个N+6行的判定矩阵Cw(N+6)。步骤2 设置阈值V,扫描Cw(N+6)的第i行,从左向右扫描,当C(ij)V时,将j值添加到最左点列值集合 L 中,即L=Lj,然后从右向左扫描,当C(ij)V时,将j值添加到最右点列值集合R中,即R=Rj,接下来安装相同的方法扫描Cw(N+6)的第i+1行。步骤3 矩阵Cw(N+6)扫描结束后,如果L=R=,则芯片未损坏,返回状态值1。步骤4 如果LR,则找出L的最大值a,R的最小值b。步骤5 如果ba,则芯片损坏
18、,返回状态值0;反之则芯片未损坏,返回状态值1。4.1.3图像清晰度判定图像清晰度判定可通过观察的方式进行判断,也可以通过图像清晰度判定算法进行检测,即主观评价法和客观评价法13。主观评价法是观察者根据事先规定的法则和主观经验给出图像清晰度的评价,该方法可以比较好地评价图像的清晰度,但是不能应用于自动测试。客观评价法分为有参考评价与无参考评价,有参考评价是使用参考图像的全部数据或部分特征与被测的图像进行比较来进行评价。无参考评价是无法获得参考图像或很难获得参考图像的情况下,对被测图像进行评价,如成像系统,用户终端系统14。本文需要测试不同的CCD相机采集图像的清晰度,所以不存在可参考的原始图像
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