基于面阵图像传感器的光电自准直仪自动瞄准显示系统设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 3.17MB 73 页 15积分
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摘 要
传统的视觉自准直仪存在人为的瞄准误差和估读误差，测量精度较低。后来
得以发展的光电自准直仪替代了之前的视觉自准直仪，其利用光电探测器代替人
眼瞄准读数，增加了测量精确度。目前较成熟的光电自准直仪是利用线阵 CCD 作
为光电转换器件，精度较高，但不能反映被测物二维方向上的角位移。为了真正
实现光电自准直仪的双轴测量，自动读值控制显示，本文研究设计了一套从图像
采集，处理到小液晶显示的电学测量系统。
文中提出了一种基于面阵图像传感器光电自准直仪嵌入式自动瞄准显示系统
的设计方案；研究了面阵 CCD 与CMOS 的成像原理与特性，选择了 CMOS 作为
本系统的图像传感器。实时测量显示系统对图像处理的运算效率要求很高，即对
硬件资源的要求高，故本文选择了运算能力较强的数字信号处理器 DSP 作为系统
的核心单元；设计了整个系统的硬件电路，并在硬件基础上完成了图像处理功能
软件设计。图像处理软件的核心部分为运动目标检测，通过帧间差分法和背景差
分法相结合的方法检测静态背景下的运动目标，确定当前运动点的位置，计算出
角位移结果，并利用液晶显示屏实时显示处理结果。
论文结束时，系统的硬件电路设计与软件程序编写均已完成，且通过测试，
能够实现光电自准直仪自动瞄准显示的功能。
关键词：面阵图像传感器 自动瞄准显示 光电自准直仪 运动目标检测
ABSTRACT
Traditional visual autocollimator comes with human targeting error and reading
estimation error with low measurement accuracy. Later photoelectric autocollimator
developed, using photoelectric detector instead of human eyes to read results. At present,
autocollimator using linear CCD is the most mature photoelectric converter
measurement solution. Its precision is high. But this kind of sensor can not reflect the
two-dimensional angular displacement of the measured object. In order to realize two
optical axis collimator measurement and automatic control of results display, this
research dissertation designs a whole set of electrical measurement system integrating
image acquisition, processing and results display on a relatively small LCD.
This dissertation proposes auto-targeting display embedded system design for
optical autocollimator based on area array image sensor. After Comparing array CCD
and CMOS imaging principles and characteristics, choose CMOS as image sensor of the
whole system. Real-time measurements and display requires high efficiency from image
processing and also hardware resources. Therefore, so take digital signal processor DSP
with greater computing capability as the core of the system. Then design the hardware
circuit of the entire system, and image processing software based on the complete
hardware board. The core part of the image processing software is moving target
detection, through the combination of inter-frame difference and background difference
of to detect moving object against static background, locating the current coordinates of
the moving point, calculating the angular displacement results, and using LCD to
display the results at real time.
At the end of the dissertation, the system hardware design and software
programming have been completed and tested. The results show that the system has
achieved automatic targeting and results display function for photoelectric
autocollimator.
Key Words: area array image sensor, automatically targeting and
display, photoelectric autocollimator, moving target
detection
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 光电自准直仪概述 ...............................................................................................1
§1.1.1 自准直仪简介 ...............................................................................................1
§1.1.2 光电自准直仪的发展历程 ...........................................................................1
§1.2 课题来源与研究意义 ...........................................................................................2
§1.3 研究方向和既定方案 ...........................................................................................4
§1.4 本章小结 ...............................................................................................................4
第二章 自准直仪测量原理 .............................................................................................6
§2.1 自准直光学结构原理 ...........................................................................................6
§2.1.1 自准直基本原理 ...........................................................................................6
§2.1.2 自准直仪的光路系统结构 ...........................................................................7
§2.2 角位移测量原理 ...................................................................................................9
§2.2.1 光路分析 .......................................................................................................9
§2.2.2 角位移计算原理 .........................................................................................10
§2.3 本章小结 .............................................................................................................11
第三章 面阵图像传感器应用研究 ...............................................................................12
§3.1 CMOS 图像传感器的结构特性与工作原理 .................................................... 12
§3.1.1 CMOS 的像元构成 .................................................................................... 12
§3.1.2 CMOS 像元工作原理 ................................................................................ 13
§3.1.3 CMOS 的基本功能结构 ............................................................................ 14
§3.2 CCD 成像原理 ................................................................................................... 15
§3.3 CMOS 的主要技术参数以及与 CCD 的区别 .................................................. 16
§3.3.1 灵敏度 .........................................................................................................16
§3.3.2 器件噪声 .....................................................................................................17
§3.3.3 响应均匀性 .................................................................................................17
§3.3.4 响应速度 .....................................................................................................17
§3.3.5 其他技术参数 .............................................................................................17
§3.3.6 CMOS 与CCD 区别小结和选用 CMOS 的原因 .....................................18
§3.4 本章小结 .............................................................................................................19
第四章 自动瞄准系统图像处理算法 ...........................................................................20
§4.1 运动图像分析基础知识 .....................................................................................20
§4.1.1 运动图像定义 .............................................................................................20
§4.1.2 运动图像分析的基本内容 ..........................................................................20
§4.2 运动目标检测 .....................................................................................................21
§4.2.1 静态背景下的运动目标检测 .....................................................................21
§4.2.2 动态背景下的运动目标检测 .....................................................................22
§4.3 本系统的运动目标检测瞄准算法设计 .............................................................22
§4.3.1 运动区域检测 .............................................................................................23
§4.3.2 背景差分 .....................................................................................................23
§4.3.3 二值化与去噪 .............................................................................................24
§4.3.4 运动目标形心计算 .....................................................................................24
§4.4 本章小结 .............................................................................................................24
第五章 CMOS 自动瞄准显示系统设计 ...................................................................... 25
§5.1 硬件电路设计 .....................................................................................................25
§5.1.1 CMOS 图像采集板 .................................................................................... 25
§5.1.2 主板与 CMOS 图像采集板接口电路 ....................................................... 32
§5.1.3 系统供电与复位电路 .................................................................................34
§5.1.4 数字信号处理器 DSP 核心板 ................................................................... 36
§5.1.5 液晶驱动与显示电路 .................................................................................38
§5.1.6 系统 PCB 设计成图 ................................................................................... 40
§5.2 软件程序编写 .....................................................................................................43
§5.2.1 功能初始化 .................................................................................................43
§5.2.2 图像采集控制 .............................................................................................49
§5.2.3 图像数据处理 .............................................................................................51
§5.2.4 液晶显示控制 .............................................................................................57
§5.3 实时操作系统μC/OSII 的移植 ..........................................................................58
§5.3.1 uCOSII 系统简介 ....................................................................................... 58
§5.3.2 uCOSII 系统组成 ....................................................................................... 59
§5.3.3 uCOSII 移植过程 ....................................................................................... 61
§5.4 本章小结 .............................................................................................................64
第六章 总结与展望 .......................................................................................................66
§6.1 研究总结 .............................................................................................................66
§6.2 课题展望 .............................................................................................................67
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 光电自准直仪概述
本节对自准直仪进行了简要的介绍，并回顾了光电自准直仪的发展历史，阐
述了国内外光电自准直仪的技术水平。
§1.1.1 自准直仪简介
自准直仪是一种高灵敏度的光学仪器，可实现非接触式的小角度和超小角度
测量，采用的原理为光学中的自准直原理，所以又被称作自准直测微光管。
自准直仪通常被用来做元件对齐，以及测量光学系统或者机械系统中的表面
平整度，因此广泛应用于多学科领域内的高精密测量，如光学，微电子学，精密
机械，科学实验器材等领域，具体应用实例包括，光学系统搭建过程中各元件的
对齐，器件的精确定位，各种精密平台的平面度测试[1,2]等。
自准直仪通过向目标反射镜投影一幅带有读值标志的图像，比如“+”标志，
测量反射回来图像中读值标志的偏移，最终确定反射镜与待测物角度的偏移量。
定位反射图像中读值标志的偏移，可以通过人眼瞄准观察，也可以借助电子探测
器，如光电池等来代替人眼“观察”，由此可将自准直仪归为两类，视觉自准直仪
和光电自准直仪。可看出光电自准直仪是光学自准直原理与光电技术结合应运而
生的产物。一般来说，视觉自准直仪可胜任 0.5 弧秒的测量范围（弧秒，即为角秒，
是「秒」用在角度单位场合的限定称呼，用数学式来表示：1°(度)= 60'(角分)=
60
60" (角秒)），而光电自准直仪可达到 100 倍于此的测量精度。
两种自准直仪的应用场合也有所不同，视觉自准直仪通常被用于激光头对齐、
光学窗口和器件边缘表面平行度检验等对精度要求较低的应用上。而光电自准直
仪和数字光电自准直仪则用于角度测量标定，检测系统长时间内的角度漂移以及
机械系统内重要角位置的可重复性。另外，多台光电自准直仪还可组成伺服自准
直仪系统，用于闭环的高速伺服反馈系统，在保证平台正常运行应用中发挥着关
键的作用。
§1.1.2 光电自准直仪的发展历程
自准直技术很早就被人类发现并广泛应用于生产实践，而光电自准直仪是上
世纪四五十年代才面世的，自光电自准直仪诞生之日起，加上之后新型光电探测
器件和计算机技术的飞速发展，古老的自准直技术又被赋予了新的生机与活力。
上世纪八九十年代，光电自准直仪出现快速地更新换代，数字显示读值代替
了之前的转动鼓轮人眼瞄准读数，一维方向测量被二维双轴测量取代，新型光电
探测器投入应用，如电荷耦合器件 CCD，位置敏感探测器 PSD，CMOS 图像传感
器，而且新型的光电自准直仪大都配有 RS-232 等标准接口，将数据直接传输至 PC
基于面阵图像传感器的光电自准直仪自动瞄准显示系统设计
2
进行处理，这些都使得仪器在测量精度，角度分辨能力和动态测量等方面有了较
大幅度的改进，从开始的光学机械式自准直仪到后来应用新型光电探测器自动跟
踪瞄准式的光电自准直仪，测量角度分辨力从 1秒提高到了 0.005 秒。
国际上知名的自准直仪生产厂商有 Moller-Wedel，Taylor Hobson，API 和
Nikon，基于笔者所了解到的情况，其中德国的 Moller-Wedel 是世界上精度最高的
自准直仪的生产厂商，研发自准直仪的历史可追溯到 60 年前，该公司 ELCOMAT
系列电子自准直仪 ELCOMATHR 测量精度在 10 秒范围内可达到±0.01 秒，甚至
可低至 0.005 秒，被誉为世界上精度最高的自准直仪，测量范围 300”；另外，
ELCOMAT3000 在20”内精度±0.1 秒，精度较高，测量范围大至±1000”，测量距
离最长 25 米，可广泛用于实验室及光学车间，ELCOMATvario 可满足一般用户的
需要，测量精度范围±0.4 秒至 3秒测量距离相比于 ELCOMAT3000 较短，最长为
10 米，而且 ELCOMATvario 和ELCOMAT3000 还有一个特点，可以倾斜、垂直使
用，适用于多种场合下的角度测量。
英国 Taylor Hobson 公司的自准直仪产品对我国自准直仪的发展影响深远，从
上世纪 60 年代起，该公司多种型号的自准直仪产品就开始进驻中国内地，八九十
年代引入最多的当属 TA80，这款产品仍属于瞄准读值型自准直仪，以及之后推出
的数字显示式光电自准直仪 DA20，DA400，测量范围扩至±20”和±400”，测量
精度分别为±0.1 秒和±0.2 秒。除了测量过程结果可采用数字显示外，还配有独
立的目视通道，可供初始设置时使用。另外还可通过 RS232 接口与上位机通信，
借助 PC 对平整度，平行度，光学多面体角度误差等测量数据进行计算机处理[3]。
中国早在上世纪 30 年代就开始了自准直仪的研究，到了 70 年代，由北京计
量仪器厂和天津大学精密仪器系共同研制的 702 型光电自准直仪成功面世，这是
我国第一台自准直仪，该仪器可实现双坐标测量，但需手动切换方向，到 80 年代
产品又升级为 C24 光栅自准直仪。90 年代之后，我国开始利用新型的光电探测器
来研制光电自准直仪，1995 年天津大学和航天部合作实现了应用线阵 CCD 的双坐
标光电自准直仪 TJDX- 93，测量范围 480 秒，精度可达到 1秒；1998 年中科院光
电技术研究所成功将四象限探测器应用于自准直测量等。上海光学仪器研究所研
制的型号为 1×5 的光电自准直仪，测量范围 600 秒，测量精度可达 0.5 秒，在该领
域内处于领先地位。近年来，除了高校重点实验室和国家研究机构，另外还有一
些高科技企业也加入了研发高精度自准直仪的行列，如上海研润，天津奥特梅尔
等，这些公司的产品测量精度可低至 0.3 秒，开始向国际小角度测量的先进水平靠
拢。
§1.2 课题来源与研究意义
第一章 绪 论
3
由以上简介可知，目前国内市场上的自准直仪包括视觉自准直仪和光电自准
直仪。传统的视觉自准直仪存在人为的瞄准误差和估读误差，造成测量精度低下，
已经处于被淘汰的边缘。光电自准直仪运用新型光电探测器作为电子测量传感器，
目前较成熟的是利用线阵 CCD 作为光电转换器件，虽能够保证精度，但却不能反
映被测物二维方向上的角位移。即使采用特殊结构，如将两线阵 CCD 垂直放置，
来实现二维方向的角位移测量，但是要保证两列 CCD 绝对垂直，同样存在不确定
性。另外对于采用微机控制数据的读取、存储和处理的光电自准直仪，测量系统
则过于庞大，便携性较差。
当然，国际上发达国家不乏一些优秀的产品，Moller-Wedel 公司的
ELCOMATHR 和ELCOMAT3000 所用的光电探测器均为双线阵 CCD[4]，测量精度
堪称世界之最，而且完全胜任二维测量。图 1- 1 即为 ELCOMATHR 型自准直仪产
品，可以看到其构成还包括一个液晶显示控制器，即使周围光线较差，用户仍可
轻松读取数值，并可按照菜单指导，友好操作完成测量；另外其不仅可以独立完
成测量，还可以通过 RS232 接口与计算机配合完成平行度测量等复杂的数据处理。
图1- 1 ELCOMATHR 型自准直仪
自准直仪所用光电探测器不仅涵盖了线阵 CCD，四象限探测器以及 PSD 等，
面阵图像传感器也开始引入，用于实现二维双轴测量。Moller-Wedel 公司所推出的
产品 ELCOMATvario 的测量探头即为高分辨的 CCD 摄像机[5]，内置 32 位微处理
器，可靠精确地跟踪光标点，并显示测量结果，不过测量精度相比之下有所下降，
但是它确实采用二维图像传感器实现了双轴同时测量，而无需借助特殊的指标线
结构。
可看出国外的自准直仪技术成熟，测量精度高，在用户体验和操作友好性方
面遥遥领先，但是从这些发达国家引进这些产品价格昂贵，成本不菲。不过国内
的相关机构对自准直仪的研究亦从未停止，但是制作成产品投放市场的却为数不
多，即使像天津大学和北京计量仪器厂，中科院，航天部等部门作出的一些成品，
与国外的自准直仪制作水平相比，无论在测量范围，还是测量精度上都存在很大
基于面阵图像传感器的光电自准直仪自动瞄准显示系统设计
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的差距[6]。面对这一局面，提高我国自主产品的测量精度以及测量精确性和便携性，
展开新型图像传感器的应用研究和自动跟踪读值系统的开发，具有极其深远的意
义。
§1.3 研究方向和既定方案
本课题研究目的是为上海光学仪器研究所产品型号 1×5 光电自准直仪研制一
套自动瞄准显示的电学系统，通过面阵图像传感器的应用以及自动跟踪读值来提
高自准直仪测量精度，实现自准直仪的实时动态测量。
针对前文中提到国内自准直仪的一些不足之处，课题方向设定为，选用面阵
图像传感器作为光电探测器件，可同时反映被测平面在二维方向上的角位移，而
且相比于线阵图像传感器垂直放置所实现的二维测量，利用面阵图像传感器测量
更加方便，更加直接；同时选用嵌入式内核处理器，如 MCU，ARM，DSP 等，实
现对数据的读取、存储和图像处理等功能，避免了大型 PC 机的使用，简化了系统
的结构，缩小了系统的体积；整个系统植入嵌入式操作系统，多任务分配更加合
理，提高测量效率；并配以小面积显示屏实时跟踪测量，实时刷新显示测量值，
无需人为瞄准读数，实现动态测量；可视化的人机界面使得操作使用更加简单，
友好；从而进一步实现光电自准直仪的数字化，二维化，便携化。
课题研究内容包括，调研面阵图像传感器的各种特性，掌握面阵图像传感器
的驱动方式和配置方式；图像传感器与嵌入式内核 DSP 的接口方式，以实现图像
数据高速采集，以及嵌入式内核与液晶控制器的接口设计，实现图像处理结果的
实时显示；掌握运动目标自动检测的关键算法，实现对视场内测量点的自动瞄准；
了解植入嵌入式系统的过程，系统管理资源，使得整个测量系统高效运行，人机
界面更加友好。
课题确定的实施方案为，选用面阵图像传感器 CMOS 芯片作为本系统的光电
转换器件，嵌入式内核控制模块以 ADI 公司 Blackfin 系列 32 位数字信号微处理器
BF549 DSP 为核心。系统采用帧间差分法与背景差分法结合来实现静态背景下的
运动目标的自动跟踪检测，并将最终结果实时显示在液晶 TFT 上，最后植入嵌入
式实时操作系统 uC/OS-II 管理整个测量系统。
§1.4 本章小结
本章首先从总体上对自准直仪做了一个概括的介绍，包括其分类，用途以及
评定仪器优劣的各项指标。之后对国内外光电自准直仪的制造技术水平和发展现
状进行了总结对比。通过比较可以看出，我国自主生产的光电自准直仪产品，无
论从测量精度还是仪器使用的友好性方面都与国际先进水平存在较大的差距。基
于这一认识，引出本课题的来源与研究意义，制定出本课题的研究内容和实施方
摘要：

摘要传统的视觉自准直仪存在人为的瞄准误差和估读误差，测量精度较低。后来得以发展的光电自准直仪替代了之前的视觉自准直仪，其利用光电探测器代替人眼瞄准读数，增加了测量精确度。目前较成熟的光电自准直仪是利用线阵CCD作为光电转换器件，精度较高，但不能反映被测物二维方向上的角位移。为了真正实现光电自准直仪的双轴测量，自动读值控制显示，本文研究设计了一套从图像采集，处理到小液晶显示的电学测量系统。文中提出了一种基于面阵图像传感器光电自准直仪嵌入式自动瞄准显示系统的设计方案；研究了面阵CCD与CMOS的成像原理与特性，选择了CMOS作为本系统的图像传感器。实时测量显示系统对图像处理的运算效率要求很高，即对...

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