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摘要： 介绍线阵CCD器件的内部结构、工作原理和输出信号特征，给出线阵CCD器件输出信号的检测和处理方法，针对CCD器件输出信号的二值化问题，列举固定阈值法、浮动阈值法、微分法等常见处理方法，经比较这几种方法，最后设计出由二阶滤波电路构成的浮动阈值法处理电路，并进行实验测试，验证这种方法的可行性。
关键词： 视频信号；线阵CCD；二值化；浮动阈值
中图分类号：TN364文献标识码：A文章编号：1671—7597（2011）0110059－01
随着计算机的普及，采用CCD器件和计算机数据采集，光学成像，机械运动组成的图像测量系统，能近似得对被测图像进行快速采样存储和数据处理，实现光、机电一体化设计，实现精密的尺寸测量[1]。
1 线阵CCD内部结构及工作原理
CCD是由一系列相邻的MOS存储单元构成。CCD基本组成部分：1）主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，它的作用是存贮和转移信号电荷；2）输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，其作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅的势阱中；3）输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，其作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检出电荷所输运的信息。
从结构上，CCD可分为线阵和面阵两大类。前者将接收到的一维光电信号转换成一定时序的电输出信号，获得一维图像信号，在一维方向上的补偿与校正易于实现，因此常作为一种高精度光电传感器，广泛应用于生产线上的产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位。
工作原理：线阵CCD图像传感器是由中间一排多个光敏二极管构成的光敏阵列和与之平行的两个移位寄存器组成，作用是接收照射到CCD硅片上的光并将之转化成电荷信号，通过转移栅控制可以同时将一帧图像所对应的电荷由光敏区转移到存储区。线阵CCD是由阵列光敏单元曝光一定时间后，在相应驱动脉冲作用下，把信号电荷转移至移位寄存器，再由移位寄存器一位一位地将其输出，从而得到所需的光电信息即与光电荷量成正比的弱电压信号[2]。
2 线阵CCD输出信号特征
CCD器件输出的信号具有模拟性和数字性，即从时间上是离散的，从幅值上是模拟的，因此往往被称为数字视频信号.CCD输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息，由于被测物与背景在光强上的变化，反映在CCD视频信号所对应的图像谱上，在边界处会有明显的电平变化。CCD的输出视频信号由电压脉冲组成，单个脉冲的幅值正比于每个敏感元的光感电荷量，其行同步脉冲FC、像元同步脉冲即时钟信号SP和输出视频信号Vout的关系如图1所示。
3 信号处理电路
CCD输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息，反映在CCD视频信号所对应的图像谱上，在边界处会有明显的电平变化，为了将图像信息提取出来以便进行信息处理，必须对视频信号进行数字信号处理，两种处理方法，一是对CCD视频信号进行二值化处理后，再进行数据采集；二是对CCD视频信号采样，量化编码后再采集到计算机系统。
视频信号既携带了被测物体信息的脉冲信号，又混杂有幅度较大的复位脉冲干扰，为了降低此噪声信号对视频信号的影响，需要对视频信号进行前置放大和低通滤波。在不要求图像灰度的系统中，为了提高处理速度和降低成本，常采用二值化图像处理方法。下面介绍几种常用的二值化处理方法：固定阈值法、浮动阈值法和微分法。
1）固定阈值法。固定阈值法是一种最简便的二值化处理方法。将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端加上可调的电平信号就构成了固定阈值二值化电路。固定阈值法对检测系统有较高的要求。首先提供给电压比较器的阈值电压要稳定；其次要求提供稳定的恒流源供电的稳定光源。
2）浮动阈值法。浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随着测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动而浮动。这样，当光源强度变化引起CCD的视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源的起伏或CCD视频信号的起伏变化反馈到阈值上，使阈值电位跟随变化，从而抵消CCD输出视频信号因光源不稳定而造成的误差。
3）微分法。分析CCD输出的视频信号波形可以看出，图像边界在波形图曲线变化率最大的点处。为此，可用微分的办法找到曲线最大变化率所对应的点。这种方法称微分法。微分法的电路复杂，并且电路工作不容易稳定[3]。
鉴于以上分析，认为浮动阈值法因能克服光源强度变化引起的误差，电路较为简单和容易实现、工作稳定，所以常被选为二值化处理电路。浮动二值化电路原理如图2所示。
图2浮动二值化电路原理图
检测过程描述：当CCD被成功驱动后因其光性会有视频模拟信号Vout输出，输出信号波形如图3所示。
图3检测信息时序图
模拟信号Vout在CCD扫描到深色区和浅色区有明显的幅值大小区别，要提取的信息就是这个变化的电压信号，对Vout进行浮动二值化处理后得到数字信号BIN。
4 结束语
经过对设计浮动阈值二值化电路的反复调试，使之正常工作后，使用示波器观察二值化处理前后的信号波形，可以看出经过浮动阈值二值化电路处理后，CCD视频信号已由原来的不规则形状变为规则的方波信号。在对电路的测试中，发现改变光源强度不影响方波的宽度，这就证明了该浮动阈值电路能有效地克服因光源波动引起的误差。
参考文献：
[1]杨云志，CCD精密测量系统及其数字信号处理[J].系统工程与电子技术，1999（6）.
[2]王庆有，图像传感器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2003.78～98.
[3]王庆有，CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，2000.120～127.
作者简介：
王慧华（1978-），女，硕士，河北邢台邢台职业技术学院电气工程系，助理实验师，研究方向：计算机智能控制技术。
关键词： 视频信号；线阵CCD；二值化；浮动阈值
中图分类号：TN364文献标识码：A文章编号：1671—7597（2011）0110059－01
随着计算机的普及，采用CCD器件和计算机数据采集，光学成像，机械运动组成的图像测量系统，能近似得对被测图像进行快速采样存储和数据处理，实现光、机电一体化设计，实现精密的尺寸测量[1]。
1 线阵CCD内部结构及工作原理
CCD是由一系列相邻的MOS存储单元构成。CCD基本组成部分：1）主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，它的作用是存贮和转移信号电荷；2）输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，其作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅的势阱中；3）输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，其作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检出电荷所输运的信息。
从结构上，CCD可分为线阵和面阵两大类。前者将接收到的一维光电信号转换成一定时序的电输出信号，获得一维图像信号，在一维方向上的补偿与校正易于实现，因此常作为一种高精度光电传感器，广泛应用于生产线上的产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位。
工作原理：线阵CCD图像传感器是由中间一排多个光敏二极管构成的光敏阵列和与之平行的两个移位寄存器组成，作用是接收照射到CCD硅片上的光并将之转化成电荷信号，通过转移栅控制可以同时将一帧图像所对应的电荷由光敏区转移到存储区。线阵CCD是由阵列光敏单元曝光一定时间后，在相应驱动脉冲作用下，把信号电荷转移至移位寄存器，再由移位寄存器一位一位地将其输出，从而得到所需的光电信息即与光电荷量成正比的弱电压信号[2]。
2 线阵CCD输出信号特征
CCD器件输出的信号具有模拟性和数字性，即从时间上是离散的，从幅值上是模拟的，因此往往被称为数字视频信号.CCD输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息，由于被测物与背景在光强上的变化，反映在CCD视频信号所对应的图像谱上，在边界处会有明显的电平变化。CCD的输出视频信号由电压脉冲组成，单个脉冲的幅值正比于每个敏感元的光感电荷量，其行同步脉冲FC、像元同步脉冲即时钟信号SP和输出视频信号Vout的关系如图1所示。
3 信号处理电路
CCD输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息，反映在CCD视频信号所对应的图像谱上，在边界处会有明显的电平变化，为了将图像信息提取出来以便进行信息处理，必须对视频信号进行数字信号处理，两种处理方法，一是对CCD视频信号进行二值化处理后，再进行数据采集；二是对CCD视频信号采样，量化编码后再采集到计算机系统。
视频信号既携带了被测物体信息的脉冲信号，又混杂有幅度较大的复位脉冲干扰，为了降低此噪声信号对视频信号的影响，需要对视频信号进行前置放大和低通滤波。在不要求图像灰度的系统中，为了提高处理速度和降低成本，常采用二值化图像处理方法。下面介绍几种常用的二值化处理方法：固定阈值法、浮动阈值法和微分法。
1）固定阈值法。固定阈值法是一种最简便的二值化处理方法。将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端加上可调的电平信号就构成了固定阈值二值化电路。固定阈值法对检测系统有较高的要求。首先提供给电压比较器的阈值电压要稳定；其次要求提供稳定的恒流源供电的稳定光源。
2）浮动阈值法。浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随着测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动而浮动。这样，当光源强度变化引起CCD的视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源的起伏或CCD视频信号的起伏变化反馈到阈值上，使阈值电位跟随变化，从而抵消CCD输出视频信号因光源不稳定而造成的误差。
3）微分法。分析CCD输出的视频信号波形可以看出，图像边界在波形图曲线变化率最大的点处。为此，可用微分的办法找到曲线最大变化率所对应的点。这种方法称微分法。微分法的电路复杂，并且电路工作不容易稳定[3]。
鉴于以上分析，认为浮动阈值法因能克服光源强度变化引起的误差，电路较为简单和容易实现、工作稳定，所以常被选为二值化处理电路。浮动二值化电路原理如图2所示。
图2浮动二值化电路原理图
检测过程描述：当CCD被成功驱动后因其光性会有视频模拟信号Vout输出，输出信号波形如图3所示。
图3检测信息时序图
模拟信号Vout在CCD扫描到深色区和浅色区有明显的幅值大小区别，要提取的信息就是这个变化的电压信号，对Vout进行浮动二值化处理后得到数字信号BIN。
4 结束语
经过对设计浮动阈值二值化电路的反复调试，使之正常工作后，使用示波器观察二值化处理前后的信号波形，可以看出经过浮动阈值二值化电路处理后，CCD视频信号已由原来的不规则形状变为规则的方波信号。在对电路的测试中，发现改变光源强度不影响方波的宽度，这就证明了该浮动阈值电路能有效地克服因光源波动引起的误差。
参考文献：
[1]杨云志，CCD精密测量系统及其数字信号处理[J].系统工程与电子技术，1999（6）.
[2]王庆有，图像传感器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2003.78～98.
[3]王庆有，CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，2000.120～127.
作者简介：
王慧华（1978-），女，硕士，河北邢台邢台职业技术学院电气工程系，助理实验师，研究方向：计算机智能控制技术。