高速ccd 摄像系统及其应用

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1、实验技术管理s№zool6高速CCD摄像系统及其应用王军波，孙振国，陈强(清华大学机械工程系，北京Z00084)摘要：介绍了DA[SA公司生产的cA—D6型高速CCD摄像系统的基本组成、工作原理．以及其在co^短路焊接过程及熔滴尺寸检测、压铸充型模拟实验过程检测、激光深熔焊等离子体形态橙测、人体运动分析等科研领域的典型应用。此类应用为“高速CCD摄像系统原理及应用”实验课程的教学提供了丰富的素材=关键词：高速CCD摄像系统；激光焊接；CO：焊；压铸充型；人体运动分析中国分类号：TB853．1+7文献标识码：A文章编号：10

2、02—4956(2oo1)o6一oo16一o4当今世界进入信息时代，以数字化、计算机、通讯、电视和多媒体为主要特征的新的信息革命正在兴起。CCD(ChargeCoupledDevice)作为近几年新兴的固体成像器件，具有体积小、重量轻、动态范围大、灵敏度高、可靠性好等优点，广泛应用于机器人视觉系统、安全保卫系统、智能交通系统以及lnternet接人装置等领域，为人类探索微观世界和瞬态运动过程作出和提供了丰富的视觉信息。近年来，CCD摄像机在分辨率、拍摄速度和智能化水平等性能指标上有了质的飞跃目前国产线阵CCD器件的分辨率已

3、有128、256、512和1024象素等，面阵CCD的分辨率也有100×100、120×150和320×256象素等，拍摄速度为每秒钟几十帧。国外线阵CCD的分辨率已达4096象素以上，面阵CCD分辨率已达到4096x4096象素以上，而图像摄取速度则可达到每秒钟上千帧，最快的达到每秒钟1万帧(64x64象素)。本着提高相关课程教学水平，同时服务于科研工作的宗旨，在“2l1工程”资助下，我系于2000年1月引进了一套高速CCD摄像系统。许多学生在学习、了解高速CCD摄像系统的基本组成、工作原理和操作方法后，与其从事的科研工

4、作紧密结合，使得该系统已经在CO短路焊接过程及熔滴尺寸检测、压铸充型模拟实验过程检测、激光深熔焊等离子体形态检测、人体运动分析、电弧放电过程检测等众多科研工作中发挥了重要作用。而从这些研究工作中取得的成果又进一步丰富了课程教学内容，为今后的教学工作提供了大量的素材和使用经验。本文着重介绍高速CCD摄像系统的基本组成及其在科研工作中的典型应用实例，供相关的科研和教学工作人员参考。收稿13期：2001—05—28作者简介：王军渡，男1973年出生，硕，在读博士生基金项目：国家自然科学基金项目(编号：59975050)，清华大学

5、“2Il”、“985经费资助商谜CCI)摄像系统技心j{]1．高速CCI)摄像系统高速CCD摄像系统由高速CCD摄像机、光学系统、图像采集卡和计算机组成，如图1所示。高速摄像机采用加拿大DALSA公司生产的cA—D6型，其基本性能指标为：分辨率260x260象素，最大感光面2．6x2．6mm，最大拍摄速度为955帧／秒，四路8bit数据以每路25NHz的速度同时输出，采用EIA---644协议，最小曝光时间0．8ins，可通过键盘、鼠标及程序触发等方式控制拍摄时刻图像采集卡采用美国生产的PIXC1型板卡，该板卡由差分输入及

6、驱动单元、图像控制单元和PCI总线接口单元组成。其中：差分输入及驱动单元的作用将输入的差分信号转换为单端的丌L信号；图像控制单元可以格式化图像数据、窗口化图像、控制摄像机A、B触发器，判断触发器触发条件、缓存从差分单元输往PCI总线接口单元的数据；PCI总线接口单元提供中断请求信号、PCI协议寄存器、先人先出缓存器、PCI总线主从控制等功能。计算机采用PIII500CPU，配置lG内存，运行环境为WINNT汁算机图I典型的高速摄像系统组成原理图根据拍摄对象的不同要求，一般需设计特殊的光学系统摄像机经由光学系统获取拍摄对象的

7、图像信息，该信息由图像卡转换后读人计算机，用户借助相应的应用软件，对拍摄图像的特征进行综合分析研究。2．CO：短路焊接过程及熔滴尺寸检测CO短路焊接熔滴形状及尺寸是影响焊接工艺性能和焊缝质量的重要因素，受实验技术及研究手段等多方面因素的限制，目前的研究工作仍偏重于理论分析及数据模拟。为了分析影响熔滴尺寸的因素和规律，了解熔滴控制效果，文献“建立了以He—Ne激光器为背光照明的熔滴高速摄像研究系统。高速摄像机以每秒955帧的速度，每次连续拍摄8000帧熔滴图像。在拍摄图像的同时，与拍摄时序同步的数据采集卡采集焊接电弧电流和电

8、压信号，这样得到了焊接过程中对应同一时刻的熔滴图像、焊接电流和电弧电压。图像经处理后可以获得熔滴的尺寸，通过对熔滴尺寸与对应时刻电弧信号相关参数的动态分析，发现短路前熔滴体积及燃弧能量的随机性分布是造成熔滴尺寸不均匀分布的重要原因，而熔滴尺寸与其对应的再燃弧电压有着良好的相关性。在此基础上，确定了将再燃