摘 要

高性能低成本的图像采集和处理系统在自动测量、设备检测、安全监控等工

业测控领域需求巨大。相比于ＣＭＯＳ图像传感器，ＣＣＤ图像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制以及技术成熟度等方面具有明显优势。发达国家对于基于ＣＣＤ图像传感器的高性能图像采集和处理系统的开发已经具有了一定的经验和成功先例，而在我国，相关的技术开发还比较薄弱。因此，通过对基于ＣＣＤ图像传感器的高性能图像采集和处理系统进行研究和开发，迅速掌握核心技术，积累必要的技术储备和经验，对满足我国在相关领域的需求有着重要意义。

本文研究了ＣＣＤ图像传感器的发展历程、结构及工作原理、性能特点。采用ARM开发系统，基于Windows CE6.0 的操作系统平台的EVC的程序开发。ARM将双端口RAM的彩色CCD信号进行处理，在LCD屏幕上再现被扫描的物体图像，同时对采集到的木板图像进行对比分类，从而完成木板的色选。系统主要电路包括ARM系统电路、双端口RAM读写电路等。

关键词：图像处理系统，CCD图像传感器，ARM，Windows CE6.0，木板的色选

Abstract

There are great requirement for high performance and low cost image

acquisition and processing systems in many aspects of industrial measure and control field, such as automatic measurement, equipment check, security monitoring, etc. Compared with CMOS image sensor, CCD image sensor has obvious advantages in sensitivity, resolution, noise suppression and technology maturity. Developed countries have got successful experience in high performance image acquisition and processing system based on CCD image sensor. However, we still know little about such system. So it is very import to obtain kernel technology and accumulate experience by researching high performance image acquisition and processing system based on CCD image sensor to meet the requirement.

This paper presents the history, structure and principle, classification of CCD image sensor. Using ARM development system, operating system platform based on Windows CE6.0 EVC application development. ARM will get color CCD signal of double port RAM processing on the LCD screen image reproduction of the scanned object, and compared the classification to collected wood images, thus complete the color of the board. System mainly includes the ARM system circuit, double port RAM to read and write circuit, etc.

Keywords: image processing system, CCD image sensor, ARM, Windows CE6.0, The color of the board to choose

目录

摘要 2

Abstract 3

目录 4

第一章 绪论 5

1.1关于CCD 5

1.1.1基本信息 5

1.1.2发展简介 6

1.1.3功能特性 6

1.1.4主要应用 7

第二章 CCD图像处理基础 8

2.1图像处理的硬件构成 8

2.2数字图像与Visual C 9

2.3彩色图像 9

2.4灰度图像 10

2.5位图文件格式 11

2.5.1位图文件头BITMAPFILEHEADER 11

2.5.2位图信息头BITMAPINFOHEADER 11

2.5.3调色板RGBQUAD 12

2.5.4图像数据 13

2.6图像采样与量化 13

2.7图像处理的基本步骤 13

第三章 图像载入及绘制 14

3.1主界面 14

3.2 bmp图像的载入 15

3.3 bmp图像的保存 19

3.4基本的图像绘制功能 20

3.4.1线宽的设置 21

3.4.2线型的设置 21

3.4.3调色板 21

3.4.4图形的绘制 22

第四章 CCD图像处理功能 25

4.1色彩空间的转换 25

4.2基于阈值的二值化处理 26

4.2.1二值化处理 27

4.2.2直方图 27

4.3降噪处理 28

4.3.1关于图像噪声 28

4.3.2中值滤波 29

4.3.3二值图像的平滑 29

4.4边缘检测与提取 29

4.4.1边缘与图像处理 29

4.4.2边缘性质的描述 30

4.4.3基于微分的边缘检测与提取 30

第五章 结论与展望 32

5.1结论 32

5.2展望 32

致谢 33

参考资料 34

附录： 36

第一章 绪论

1.1关于CCD

1.1.1基本信息

CCD,也叫电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

CCD分为面阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。本文主要讨论的即为线阵CCD。

1.1.2发展简介

CCD是于1969年由美国贝尔实验室的维拉·波义耳和乔治·史密斯所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。　到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体、美国无线电公司和德州仪器。其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

1.1.3功能特性

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

1.1.4主要应用

四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周而复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。

当前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜。