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1§ 4.5 光电信息技术其它应用
§ 4.5 光电信息技术其它应用
§ 4.5.1 激光打印机和复印机
§ 4.5.2 光盘存储
§ 4.5.3 摄像机和数码相机
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
2§ 4.5.1 激光打印机和复印机
§ 4.5.1 激光打印机和复印机一,激光打印机的特点激光打印机 是光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式,它综合利用了激光器,光束调制和偏转,精密光学机械和电子计算机处理技术,是一种非常有代表性的光电子仪器 。 它有以下特点：
1,像素密度高,印字清晰,分辨率比机械点阵式高近百倍 。
2,打印速度快,比普通打印机快 6～ 30倍 。
3,工作无撞击,打印噪声小 。
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二．激光打印机原理激光打印机结构如图
4.5.1 － 1所示。
激光打印机的打印原理如图 4.5.1 － 2所示。
§ 4.5.1 激光打印机和复印机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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1,吸鼓带电对应图 4.5.1 － 2的 1位置,在感光鼓 〔 也称吸鼓 〕
上用电极对感光体表面高压电晕放电,使感光层表面带电荷 。 感光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层,光电导层在光照时的电阻率下降 。
2,扫描曝光对应图 4.5.1 － 2的 2位置,用受被打印内容调制的激光束对感光层扫描曝光,受光照区域的电阻率下降,表面电荷被中和而消失,在感光层上形成由静电荷分布构成的潜像 （ 电荷图象 ） 。
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激光扫描写入系统主要包括激光光源、光调制器、
光偏转器、扫描透镜等光路元件及相应的控制电路。
3,静电成像对应图 4.5.1 － 2的 3位置,用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接触,在静电场的作用下,炭精粉粒附在感光层的曝光区域上,形成可见的炭精粉图象,这过程也称 显像过程 。
4,着色转印对应图 4.5.1 － 2的 4位置,打印纸与已经显像的感光体接触,同时采用电晕带电体从纸的反面加电场,
这时感光体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印 。
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5,热压定影对应图 4.5.1 － 2的 5位置,用热压器加热加压使着色剂牢固粘结在打印纸上,完成了静电打印 。
6,清洗吸鼓对应图 4.5.1 － 2的 6位置,将感光体用清洗器清除残留的色粉,准备下一张打印 。
三,激光打印机的光电技术
1,激光器和调制器实用的激光打印机 — 般采用 He— Ne激光器或半导体激光器作激光光源 。
激光打印机中使用的光调制器早期多为声光调制器 。 随着半导体激光器的发展,直接电流调制的方式已逐步代替声光调制方式 。
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2,光偏转器光偏转器实现激光束的扫描,大多采用旋转多面镜的方式,它是由以正多角柱体的侧面为镜面的多面反射镜和使其高速旋转的电动机组合而成 。
3,激光打印机的主要技术指标激光打印机的主要技术指标是打印宽度,打印速度和清晰程度 。
四,静电复印机同激光打印机相同,复印机也是利用光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式 。 复印机与激光打印机的主要区别是图象信息产生的方式不同 。 复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和光强度扫描曝光完成打印的 。
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8§ 4.5.2 光盘存储
§ 4.5.2 光盘存储一,光盘存储的类型
1,记录用光盘记录用光盘也称,写后直读型,(draw)光盘,它兼有写入和读出两种功能,并且写入后不需处理即可直接读出所记录的信息,因此可用作信息的追加记录 。
这类系统根据记录介质和记录方式的不同又可分为作一次写入和可擦重写两类 。
2,专用再现光盘专用再现光盘也称,只读,型 (read nly)。 它只能用来再现由专业工厂事先复制的光盘信息,不能由用户自行追加记录,
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二,光盘存储的特点
1) 存储密度高,容量大
2) 写入读出率高
3)存储寿命长
4)每信息位的价格最低,易复制,寿命长 。
5)有随机寻址能力,随机存取时间小于 60ms。
6)光盘存储是非接触写入读出,防尘耐污染,操作方便,易与计算机联机使用 。
三,光盘存储的工作原理在光盘上写入信息的装置称作 光盘记录系统 ；
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能从光盘上读出数据的装置是 光盘重放系统 。 大多数光盘装置具有记录和重放的双重功能 。
1,只读型
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图 4.5.2－ 2给出了光盘的截面形状。
将载有音频、视频或文件信息的调制激光束被聚焦透镜缩小成直径 1 um左右的光点。高能量密度的细束激光加热光盘的记录介质表面，
使局部位置发生永久性变形，这造成介质表面光学特性的二值化改变。
由于光盘是旋转的，而写入头是平移的，在
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光盘面上会形成轨迹为螺旋状的一系列微小凹坑或其它形式的信息记录点。这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信息数据。
在读出状态时,将照射激光束聚焦在光盘信息层上 。
当激光束落在光盘信息层的平坦区域时,大部分光束被反射回物镜,落在凹坑边缘的反射光因衍射作用而向两侧扩散,只有少量反射光能折回物镜 。 落入凹坑底部的光束由于坑深为 l／ 4?,故反射光相位与坑上反射光相位差为 1／ 2?,由干涉理论可知,当二束光相位差为 1／ 2? 时,由于干涉而形成暗条纹 。 由此可见,
当激光束全部照在光盘信息层的平坦区域时,
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反射光为亮纹,而当部分激光束落到凹坑底部时,反射光为暗纹,这样,当光盘按一定的速度旋转时,来自光盘的反射激光束亮度将随光盘上凹坑的变化而变化,只要用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强,就可得到：,0”或,1”的信号 。
读出数据时,与写入信息相同,光盘转动,读数头作平移运动,即合成螺旋运动 。
2,可擦型同只读型类似,只是在激光束照射光盘时,使光盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生变化 。
另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置 。
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它的基本设备也和光盘装置相类似,主要的区别在于采用的是磁性的记录介质 。 在细束激光的调制作用下,
通过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储 。 在信息读出时不是检测光的反射率,而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的磁化方向 。
四,光盘存储系统的关键技术光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器,它是一种超精密光电子装置 。 主要包括：光学系统,机械系统,
伺服跟踪系统和信号处理系统 。
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光盘驱动器的组成框图如图 4.5.2－ 3所示。
§ 4.5.2 光盘存储上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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1,光学系统
(1) 激光聚束光路
(2) 写入光调制器
(3) 循迹跟踪反射镜
(4) 光电检测系统
2,机械系统
(1) 转台机构
(2) 滑板机构
(3) 光电头机构
3,控制系统
(1) 转台恒速控制系统
(2) 滑板位移控制系统
(3) 调焦控制系统
(4) 循迹跟踪系统
4,信号处理系统
(1) 写入信号处理器
(2) 读出信号处理器
(3) 控制器
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17§ 4.5.3 摄像机和数码相机
§ 4.5.3 摄像机和数码相机一,全电视信号
1、电视图像的像素人眼对被观察的物体相邻两点间最小分辨距离的视角?的倒数称 人眼的分辨率 。
对应于电视图像,如图 4.5.3－ 1所示,人眼能分辨上下相邻两行像素 D的视角为?,观看电视的距离为 L，
则
＝ 57.3?60 D / L=3438D / L （ 分 ）
D＝? L / 3438
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设眼睛所能分辨的条纹数为 Z,则
Z＝ H / D＝ 3438H/?L
由于眼睛长时间看电视图像比较容易疲劳,一般取?
＝ 1.5分,而眼睛对图像的最佳垂直视角约 15度左右,
即最佳观看距离 L＝ 5H,代上式得：
Z＝ 458 （线）
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2,电视的 2,1隔行扫描制式我国用 PAL制式的标准,每帧图像由二场组成,
每场为 312.5行 。 主要参数如下：
场频＝ 50Hz 场周期＝ 20ms
行频＝ 15625Hz 行周期＝ 64?s
场逆程时间＝ 25H＝ 1.6ms（ H为行周期 ）
行逆程时间＝ 11.8?s
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3,全电视信号根据国际惯例,全电视信号由亮度信号 B,复合消隐信号 A
和复合同步信号 S组成 。
B 信号,一般采用负极性视频信号，
反映了一行中像素的明暗变化的情况，如图 4.5.3－ 3（ a）所示。
A 信号,分水平消隐和垂直消隐，
水平消隐也叫行消隐，如图 4.5.3－ 3
（ b）所示。垂直消隐也称场消隐，
如图 4.5.3－ 3（ c）所示。
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S 信号,分行同步信号和场同步信号，保证摄像信号与电视信号的一致，校正电视机的扫描误差。如图 4.5.3－
4所示。
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一,光电导摄像机摄像机是将光图像信息转换成电信号,最后形成全电视信号 。
1,光电导摄像机的组成部分镜头,同照相机相同,对被摄物进行成像,所成的像照射在摄像管的光电导靶面上 。
聚焦线圈,使摄像管阴极发射的电子束聚焦且使其垂直上靶 。
偏转线圈,使电子束对光电靶面进行扫描,一对是上下偏转,一对是左右偏转 。
摄像管,阴极的电子枪发射恒定的电子束,轰击光电导靶面,实现光电信息的转换 。
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2,摄像管由半导体能带理论可知，当图像的光子大量入射到半导体光电导材料上时，使大量的电子吸收能量进入导带，从而使其导电性能改善，
电导率增加或电阻下降，形成了电子图像信号，
这就是摄像管工作的基本原理。
(1） 电子枪,产生电子束,由电加热阴极,
电子束在电场中加速,最后轰击光电导靶面 。
电子束的大小和加速度是恒定的,方向由偏转线圈控制 。
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（ 2） 光电导靶面,光电导靶面是由无数个光电导像素单元组成,每个光电导像素单元可以等效为一个电阻和一个电容并联的电路,
其电阻值和电容值为：
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光电导靶面的工作原理如下：
当阴极发射的电子接通某一像素时，该像素单元的电容 C0 就立即被充电到靶电源的电压，当电子束离开该像素单元时，电容便通过该单元的等效电阻 R0 放电，放电时电容两端电压为：
第一种情况,无光照时。在一帧时间内电子束扫描完各个点，使这些点为地电位后,C0 充满电，由于电容放电时间?＝ R0 C0＝ 0.53 秒，远大于一帧的扫描时间 0.04秒，
故电容几乎没有放电，当第二次扫描时，无充电电流流过 RS,B点电位?ET，这时无视频信号输出。
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第二种情况,有光照时。当有光照射在靶面上时,R0随光强的大小而变化，扫描后 C0 放电时间变化，光越强,R0 越小，
放电越快，在下一次电子束扫描该像素时所补充的电荷就越多，就会有较大的电流流过负载电阻 RS而产生较大的信号电压输出，负极性视频信号反映了图像的明暗程度。
第三种情况,光照均匀时。当光照均匀无起伏时,R0不变，
输出为直流分量，直流量反映了平均照度。
由此可见，只有电子束按全电视信号的要求对靶面进行扫描，就可在输出端得到视频信号，将视频信号加上消隐信号和同步信号，就形成了全电视信号，就可送入电视机进行逆过程变换，形成一幅幅电视图像，也可送入录像机用磁带保存全电视信号。
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三,CCD摄像机
CCD摄像机是利用 MOS光敏元在光照后产生电子和空穴分离的现象,电子被吸收到势阱,势阱内的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比,也与光照时间 （ 曝光时间 ） 成正比 。 假设一个 MOS元就是一个像素,则在半导体硅片上制有上万个独立的 MOS元,
如照在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像,则在光敏元上就会产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像,这就形成了影像信号 。
§ 4.5.3 摄像机和数码相机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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CCD摄像机使用面阵 CCD。 CCD摄像机完成摄像需经历以下过程：
1．曝光
2．光生电荷平移到移位寄存器
3．移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号
4．形成全电视信号四,数码相机数码相机原理同 CCD摄像机,所不同的是 CCD摄像机是采集连续的图像,而数码相机只采集一幅图像；
摄像机将采集的连续变化的图像信号转换成全电视信号后保存在磁带中,而数码相机将一幅图像的信息转换成数字量保存在内存或软盘中 。
§ 4.5.3 摄像机和数码相机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
29§ 4.5.4 摄像测量
§ 4.5.4 摄像测量一,摄像监视摄像监视一般采用 CCD摄像头对被监视的区域成像,最后通过监视电视显示出来,也可用存储设备保存以备后用 。
如将摄像头与有关控制系统或报警系统相连,则可起到防盗报警,防火报警等功能 。
二,摄像检测摄像检测主要用于工业和医疗系统,可实现远距测量,非接触测量和在线测量 。
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目前,摄像检测主要应用摄像技术和计算机数字图象处理技术对被测量进行自动检测和控制 。 下面举例说明 。
三,高压容器焊缝底片缺陷的摄像测量随着摄像测量技术和模式识别技术的发展,已研制出底片的摄像测量法,利用计算机对摄像的焊缝底片进行自动识别 。 其原理框图如图 4.5.4－ 1所示 。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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1,焊缝底片图象的摄像输入
2,图象预处理
（ 1） 灰度变换运用全域线形变换,
增强缺陷与背景的反差,
使图象清晰,特征明显 。
设 p0(i,j)为原始图象的灰度，
p1(i,j)为经过变换后的灰度。初始灰度级范围为 (a,b)，变换后的灰度级范围为 (a‘,b’),则：
p1(i,j)=a+(b'-a')*[p0(i,j)-a]/(b-a)
ap0(i,j)?b
即将原来的 (a,b)范围扩展为 (a',b')范围。经灰度变换后，
图象对比度增强了（见图 4.5.4
－ 3）。
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（ 2） 降噪处理降噪处理通常称为 平滑 或 滤波 。其目的在于滤除干扰，突出目标特征。对滤波处理的要求有两条：
一是使图象清晰；二是不要破坏图象中的轮廓和边缘等有用信息。常用的方法分为空域法和频域法。空域法包括噪声消除法、邻域平均法、中值滤波法、掩模匹配法等。频域法有低通滤波法等。
模糊加权均值滤波器 (FWA)将滤波窗内的样本看作一个模糊集 A中的元素，窗内样本 xi根据其样本值有不同的隶属度 ui，其隶属度由模糊集的隶属函数
u(di)映射而得，其中 di为样本 xi与滤波输出之间的差值。
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这里，隶属函数 u(di)的定义域为（ 0,+，值域为 [0,1]
的单调递减函数。当由估计器算出的估计值导出的隶属度加权均值后所得的值等于原估计值时，达到最佳估计。
具体算法描述如下,
1,设滤波输出初值 y0为滤波窗内各样本的均值,由这个初值导出样本的隶属度 u0i；
2,对导出的模糊隶属度 u0i进行加权均值,得到新的输出 y1；
3,比较 y0与 y1的差值是否小于预定的阈值?,若小于该阈值,则迭代结束,输出为 y,否则由 y1导出新的模糊隶属度 u1i；
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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依次类推,直至前后两次估计值的差小于阈值?。
本算法中取模糊隶属函数 u(xi)=exp(-(xi-y)2/?),其中,y为滤波输出,?为尺度参数 。决定着模糊集的形状,实验证明,当?在 5000左右时,能够比较好的满足要求 。 降噪处理后的图象如图 4.5.4－ 4所示 。
3、图象分割图象分割方法中的阈值化因易于实现、计算量小、
性能较稳定而被广泛使用。
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这里,采用单一阈值 。 设 f(i,j) 为原图象的灰度值,
g(i,j)为阈值图象的灰度值,T为阈值,则：
其它若
)j,i(f
T)j,i(f2 5 5)j,i(g
由此可见,T的选择很重要。若阈值选的过低，会将目标物体的像素误归为背景；若阈值选的过高，背景难以去除。
阈值选取方法很多，经过实验，采用一种基于二维灰度直方图 Fisher线形分割的图象分割方法。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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具体算法如下：
出邻域邻域的平均灰度值，得，计算各点的）根据（ 33)tj,si(f91)j,i(g1 1
1s
1
1t
平均灰度直方图 。
（ 2） 对邻域平均灰度直方图,用改进的 Otsu法，得到阈值 T。
Reddi利用梯度概念，改进了 Otsu法。其算法如下：
是灰度。这里令，给定允许误差）取初始阈值 002 5 5
0l
2
2 5 5
0l
c m0c,10m
)l(h
l*)l(h
k1
平均值,c为迭代次数,h(l)是各灰度级出现的频数；
2）计算梯度 ec = [m(0,kc)+m(kc,255)]/2-kc ；
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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3） 判断是否满足?ec,若满足则转至 6）,否则继续；
4） 令 kc+1= kc + ec;
5） 令 c=c+1,转至 2） ；
6） 输出 kc作为阈值 。
(3) 对图象进行阈值化图象中，灰度值大于阈值的像素置为白，小于阈值的像素不变。阈值化之后目标物体与背景分离。图
4.5.4－ 5是气孔缺陷经过图象分割后得到的阈值图象，
该图象分割的阈值取 123。
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4,缺陷识别焊缝缺陷主要有五类：圆形缺陷 (包括球状气孔、点渣等 )，裂纹，未熔合，未焊透，条状夹渣。
利用标记法对阈值化的图象进行标记目标物体,可得到物体个数,即缺陷个数 。 此时,须对缺陷先进行人工判别,因为要区分单个缺陷和成组缺陷 。 然后再对每个缺陷进行参数确定和特征提取 。
（ 一 ） 轮廓跟踪设背景像素值为 0,物体像素值为 1。 下面给出轮廓跟踪算法：
(1) 利用水平扫描法得到轮廓跟踪的初始点,其坐标为 (start-
x,start-y),设它为 x1；
(2) 搜索第 2个轮廓点,设它为 x2；
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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先判断起始点的 4邻域中 0像素的位置 。 当下邻点为 0,令
n=6；当下邻点不为 0,左邻点为 0,令 n=4；当下,左邻点都不为 0,上邻点为 0,令 n=2；当下,左,上邻点都不为 0，
右邻点为 0,令 n=0；
从 n位置出发,逆时针方向搜索 1像素,最早找到的 1像素即是第 2个点,计下该点的链码值,并算出其坐标 。
(3) 搜索第 3个点及以后的点；
设第 3个点为 x3,若 x2相对于 x1的链码值为偶数,则搜索
x3的起始位置 n=(x2的链码值 +7)%8; 若 x2相对于 x1的链码值为奇数,则搜索 x3的起始位置 n=(x2的链码值 +6)%8,其中 %表示模运算 。 由起始位置逆时针搜索 1像素 。 以后点的搜索方法同第 3点 。
(4) 当搜索到的点的坐标与 (start-x,start-y)相同时，表示一个轮廓跟踪已完成。
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（ 二 ） 选取参数
(1) 面积 S
(2) 周长 L
(3) 等效面积 S/L
(4) 长径 A和短径 B
(5) 等效链码方向像素分布 N0?N3,NO为链码值为 0
和 4的像素个数之和与总像素之比,N1为链码值为
2和 6的像素个数之和与总像素之比,N2为链码值为
1和 5的像素个数之和与总像素之比,N3为链码值为 3和 7的像素个数之和与总像素之比 。
(6) 圆形度 M
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（ 三 ） 模式识别根据大量底片图象样本,由上述参数进行数据分析,建立识别模式 。
(1) 长宽比?3的是圆形缺陷,其中圆形度?15.5,判为点渣；圆形度?15.5,是球状气孔,若不满足进行 (2)；
(2) 等效面积?0,1,是裂缝,若不满足进行 (3)；
(3) 等效链码方向像素分布 N0?0.8,判为未焊透,若不满足进行 (4)；
(4) 再判断长宽比?5,是未熔合,若不满足进行 (5)；
(5) 剩下的归为条状夹渣。图 4.5.4－ 6为缺陷参和模式的识别结果。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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图 4.5.4－ 6 缺陷参数和模式的识别结果
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（ 四 ） 缺陷定级根据 JB4730-94,将缺陷分为四个等级 。
由计算机自动定级 (见图 4.5.4－ 8)RT人员对条件进行判断 (见图 4.5.4－ 7)
5．结论以上探讨了用数字图象技术进行数据图象预处理、缺陷自动识别的有关算法。软件在 Windows98的中文平台下用
VB6.0语言设计，使用方便，实用性强。但是，缺陷提取速度和类型识别的准确率还有待提高。
§ 4.5.4 摄像测量
1§ 4.5 光电信息技术其它应用
§ 4.5 光电信息技术其它应用
§ 4.5.1 激光打印机和复印机
§ 4.5.2 光盘存储
§ 4.5.3 摄像机和数码相机
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
2§ 4.5.1 激光打印机和复印机
§ 4.5.1 激光打印机和复印机一,激光打印机的特点激光打印机 是光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式,它综合利用了激光器,光束调制和偏转,精密光学机械和电子计算机处理技术,是一种非常有代表性的光电子仪器 。 它有以下特点：
1,像素密度高,印字清晰,分辨率比机械点阵式高近百倍 。
2,打印速度快,比普通打印机快 6～ 30倍 。
3,工作无撞击,打印噪声小 。
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二．激光打印机原理激光打印机结构如图
4.5.1 － 1所示。
激光打印机的打印原理如图 4.5.1 － 2所示。
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1,吸鼓带电对应图 4.5.1 － 2的 1位置,在感光鼓 〔 也称吸鼓 〕
上用电极对感光体表面高压电晕放电,使感光层表面带电荷 。 感光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层,光电导层在光照时的电阻率下降 。
2,扫描曝光对应图 4.5.1 － 2的 2位置,用受被打印内容调制的激光束对感光层扫描曝光,受光照区域的电阻率下降,表面电荷被中和而消失,在感光层上形成由静电荷分布构成的潜像 （ 电荷图象 ） 。
§ 4.5.1 激光打印机和复印机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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激光扫描写入系统主要包括激光光源、光调制器、
光偏转器、扫描透镜等光路元件及相应的控制电路。
3,静电成像对应图 4.5.1 － 2的 3位置,用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接触,在静电场的作用下,炭精粉粒附在感光层的曝光区域上,形成可见的炭精粉图象,这过程也称 显像过程 。
4,着色转印对应图 4.5.1 － 2的 4位置,打印纸与已经显像的感光体接触,同时采用电晕带电体从纸的反面加电场,
这时感光体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印 。
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5,热压定影对应图 4.5.1 － 2的 5位置,用热压器加热加压使着色剂牢固粘结在打印纸上,完成了静电打印 。
6,清洗吸鼓对应图 4.5.1 － 2的 6位置,将感光体用清洗器清除残留的色粉,准备下一张打印 。
三,激光打印机的光电技术
1,激光器和调制器实用的激光打印机 — 般采用 He— Ne激光器或半导体激光器作激光光源 。
激光打印机中使用的光调制器早期多为声光调制器 。 随着半导体激光器的发展,直接电流调制的方式已逐步代替声光调制方式 。
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2,光偏转器光偏转器实现激光束的扫描,大多采用旋转多面镜的方式,它是由以正多角柱体的侧面为镜面的多面反射镜和使其高速旋转的电动机组合而成 。
3,激光打印机的主要技术指标激光打印机的主要技术指标是打印宽度,打印速度和清晰程度 。
四,静电复印机同激光打印机相同,复印机也是利用光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式 。 复印机与激光打印机的主要区别是图象信息产生的方式不同 。 复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和光强度扫描曝光完成打印的 。
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8§ 4.5.2 光盘存储
§ 4.5.2 光盘存储一,光盘存储的类型
1,记录用光盘记录用光盘也称,写后直读型,(draw)光盘,它兼有写入和读出两种功能,并且写入后不需处理即可直接读出所记录的信息,因此可用作信息的追加记录 。
这类系统根据记录介质和记录方式的不同又可分为作一次写入和可擦重写两类 。
2,专用再现光盘专用再现光盘也称,只读,型 (read nly)。 它只能用来再现由专业工厂事先复制的光盘信息,不能由用户自行追加记录,
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二,光盘存储的特点
1) 存储密度高,容量大
2) 写入读出率高
3)存储寿命长
4)每信息位的价格最低,易复制,寿命长 。
5)有随机寻址能力,随机存取时间小于 60ms。
6)光盘存储是非接触写入读出,防尘耐污染,操作方便,易与计算机联机使用 。
三,光盘存储的工作原理在光盘上写入信息的装置称作 光盘记录系统 ；
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能从光盘上读出数据的装置是 光盘重放系统 。 大多数光盘装置具有记录和重放的双重功能 。
1,只读型
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图 4.5.2－ 2给出了光盘的截面形状。
将载有音频、视频或文件信息的调制激光束被聚焦透镜缩小成直径 1 um左右的光点。高能量密度的细束激光加热光盘的记录介质表面，
使局部位置发生永久性变形，这造成介质表面光学特性的二值化改变。
由于光盘是旋转的，而写入头是平移的，在
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光盘面上会形成轨迹为螺旋状的一系列微小凹坑或其它形式的信息记录点。这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信息数据。
在读出状态时,将照射激光束聚焦在光盘信息层上 。
当激光束落在光盘信息层的平坦区域时,大部分光束被反射回物镜,落在凹坑边缘的反射光因衍射作用而向两侧扩散,只有少量反射光能折回物镜 。 落入凹坑底部的光束由于坑深为 l／ 4?,故反射光相位与坑上反射光相位差为 1／ 2?,由干涉理论可知,当二束光相位差为 1／ 2? 时,由于干涉而形成暗条纹 。 由此可见,
当激光束全部照在光盘信息层的平坦区域时,
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反射光为亮纹,而当部分激光束落到凹坑底部时,反射光为暗纹,这样,当光盘按一定的速度旋转时,来自光盘的反射激光束亮度将随光盘上凹坑的变化而变化,只要用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强,就可得到：,0”或,1”的信号 。
读出数据时,与写入信息相同,光盘转动,读数头作平移运动,即合成螺旋运动 。
2,可擦型同只读型类似,只是在激光束照射光盘时,使光盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生变化 。
另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置 。
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它的基本设备也和光盘装置相类似,主要的区别在于采用的是磁性的记录介质 。 在细束激光的调制作用下,
通过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储 。 在信息读出时不是检测光的反射率,而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的磁化方向 。
四,光盘存储系统的关键技术光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器,它是一种超精密光电子装置 。 主要包括：光学系统,机械系统,
伺服跟踪系统和信号处理系统 。
§ 4.5.2 光盘存储上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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光盘驱动器的组成框图如图 4.5.2－ 3所示。
§ 4.5.2 光盘存储上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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1,光学系统
(1) 激光聚束光路
(2) 写入光调制器
(3) 循迹跟踪反射镜
(4) 光电检测系统
2,机械系统
(1) 转台机构
(2) 滑板机构
(3) 光电头机构
3,控制系统
(1) 转台恒速控制系统
(2) 滑板位移控制系统
(3) 调焦控制系统
(4) 循迹跟踪系统
4,信号处理系统
(1) 写入信号处理器
(2) 读出信号处理器
(3) 控制器
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17§ 4.5.3 摄像机和数码相机
§ 4.5.3 摄像机和数码相机一,全电视信号
1、电视图像的像素人眼对被观察的物体相邻两点间最小分辨距离的视角?的倒数称 人眼的分辨率 。
对应于电视图像,如图 4.5.3－ 1所示,人眼能分辨上下相邻两行像素 D的视角为?,观看电视的距离为 L，
则
＝ 57.3?60 D / L=3438D / L （ 分 ）
D＝? L / 3438
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设眼睛所能分辨的条纹数为 Z,则
Z＝ H / D＝ 3438H/?L
由于眼睛长时间看电视图像比较容易疲劳,一般取?
＝ 1.5分,而眼睛对图像的最佳垂直视角约 15度左右,
即最佳观看距离 L＝ 5H,代上式得：
Z＝ 458 （线）
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2,电视的 2,1隔行扫描制式我国用 PAL制式的标准,每帧图像由二场组成,
每场为 312.5行 。 主要参数如下：
场频＝ 50Hz 场周期＝ 20ms
行频＝ 15625Hz 行周期＝ 64?s
场逆程时间＝ 25H＝ 1.6ms（ H为行周期 ）
行逆程时间＝ 11.8?s
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3,全电视信号根据国际惯例,全电视信号由亮度信号 B,复合消隐信号 A
和复合同步信号 S组成 。
B 信号,一般采用负极性视频信号，
反映了一行中像素的明暗变化的情况，如图 4.5.3－ 3（ a）所示。
A 信号,分水平消隐和垂直消隐，
水平消隐也叫行消隐，如图 4.5.3－ 3
（ b）所示。垂直消隐也称场消隐，
如图 4.5.3－ 3（ c）所示。
§ 4.5.3 摄像机和数码相机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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S 信号,分行同步信号和场同步信号，保证摄像信号与电视信号的一致，校正电视机的扫描误差。如图 4.5.3－
4所示。
§ 4.5.3 摄像机和数码相机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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一,光电导摄像机摄像机是将光图像信息转换成电信号,最后形成全电视信号 。
1,光电导摄像机的组成部分镜头,同照相机相同,对被摄物进行成像,所成的像照射在摄像管的光电导靶面上 。
聚焦线圈,使摄像管阴极发射的电子束聚焦且使其垂直上靶 。
偏转线圈,使电子束对光电靶面进行扫描,一对是上下偏转,一对是左右偏转 。
摄像管,阴极的电子枪发射恒定的电子束,轰击光电导靶面,实现光电信息的转换 。
§ 4.5.3 摄像机和数码相机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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2,摄像管由半导体能带理论可知，当图像的光子大量入射到半导体光电导材料上时，使大量的电子吸收能量进入导带，从而使其导电性能改善，
电导率增加或电阻下降，形成了电子图像信号，
这就是摄像管工作的基本原理。
(1） 电子枪,产生电子束,由电加热阴极,
电子束在电场中加速,最后轰击光电导靶面 。
电子束的大小和加速度是恒定的,方向由偏转线圈控制 。
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（ 2） 光电导靶面,光电导靶面是由无数个光电导像素单元组成,每个光电导像素单元可以等效为一个电阻和一个电容并联的电路,
其电阻值和电容值为：
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光电导靶面的工作原理如下：
当阴极发射的电子接通某一像素时，该像素单元的电容 C0 就立即被充电到靶电源的电压，当电子束离开该像素单元时，电容便通过该单元的等效电阻 R0 放电，放电时电容两端电压为：
第一种情况,无光照时。在一帧时间内电子束扫描完各个点，使这些点为地电位后,C0 充满电，由于电容放电时间?＝ R0 C0＝ 0.53 秒，远大于一帧的扫描时间 0.04秒，
故电容几乎没有放电，当第二次扫描时，无充电电流流过 RS,B点电位?ET，这时无视频信号输出。
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第二种情况,有光照时。当有光照射在靶面上时,R0随光强的大小而变化，扫描后 C0 放电时间变化，光越强,R0 越小，
放电越快，在下一次电子束扫描该像素时所补充的电荷就越多，就会有较大的电流流过负载电阻 RS而产生较大的信号电压输出，负极性视频信号反映了图像的明暗程度。
第三种情况,光照均匀时。当光照均匀无起伏时,R0不变，
输出为直流分量，直流量反映了平均照度。
由此可见，只有电子束按全电视信号的要求对靶面进行扫描，就可在输出端得到视频信号，将视频信号加上消隐信号和同步信号，就形成了全电视信号，就可送入电视机进行逆过程变换，形成一幅幅电视图像，也可送入录像机用磁带保存全电视信号。
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三,CCD摄像机
CCD摄像机是利用 MOS光敏元在光照后产生电子和空穴分离的现象,电子被吸收到势阱,势阱内的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比,也与光照时间 （ 曝光时间 ） 成正比 。 假设一个 MOS元就是一个像素,则在半导体硅片上制有上万个独立的 MOS元,
如照在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像,则在光敏元上就会产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像,这就形成了影像信号 。
§ 4.5.3 摄像机和数码相机上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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CCD摄像机使用面阵 CCD。 CCD摄像机完成摄像需经历以下过程：
1．曝光
2．光生电荷平移到移位寄存器
3．移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号
4．形成全电视信号四,数码相机数码相机原理同 CCD摄像机,所不同的是 CCD摄像机是采集连续的图像,而数码相机只采集一幅图像；
摄像机将采集的连续变化的图像信号转换成全电视信号后保存在磁带中,而数码相机将一幅图像的信息转换成数字量保存在内存或软盘中 。
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29§ 4.5.4 摄像测量
§ 4.5.4 摄像测量一,摄像监视摄像监视一般采用 CCD摄像头对被监视的区域成像,最后通过监视电视显示出来,也可用存储设备保存以备后用 。
如将摄像头与有关控制系统或报警系统相连,则可起到防盗报警,防火报警等功能 。
二,摄像检测摄像检测主要用于工业和医疗系统,可实现远距测量,非接触测量和在线测量 。
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目前,摄像检测主要应用摄像技术和计算机数字图象处理技术对被测量进行自动检测和控制 。 下面举例说明 。
三,高压容器焊缝底片缺陷的摄像测量随着摄像测量技术和模式识别技术的发展,已研制出底片的摄像测量法,利用计算机对摄像的焊缝底片进行自动识别 。 其原理框图如图 4.5.4－ 1所示 。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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1,焊缝底片图象的摄像输入
2,图象预处理
（ 1） 灰度变换运用全域线形变换,
增强缺陷与背景的反差,
使图象清晰,特征明显 。
设 p0(i,j)为原始图象的灰度，
p1(i,j)为经过变换后的灰度。初始灰度级范围为 (a,b)，变换后的灰度级范围为 (a‘,b’),则：
p1(i,j)=a+(b'-a')*[p0(i,j)-a]/(b-a)
ap0(i,j)?b
即将原来的 (a,b)范围扩展为 (a',b')范围。经灰度变换后，
图象对比度增强了（见图 4.5.4
－ 3）。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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（ 2） 降噪处理降噪处理通常称为 平滑 或 滤波 。其目的在于滤除干扰，突出目标特征。对滤波处理的要求有两条：
一是使图象清晰；二是不要破坏图象中的轮廓和边缘等有用信息。常用的方法分为空域法和频域法。空域法包括噪声消除法、邻域平均法、中值滤波法、掩模匹配法等。频域法有低通滤波法等。
模糊加权均值滤波器 (FWA)将滤波窗内的样本看作一个模糊集 A中的元素，窗内样本 xi根据其样本值有不同的隶属度 ui，其隶属度由模糊集的隶属函数
u(di)映射而得，其中 di为样本 xi与滤波输出之间的差值。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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这里，隶属函数 u(di)的定义域为（ 0,+，值域为 [0,1]
的单调递减函数。当由估计器算出的估计值导出的隶属度加权均值后所得的值等于原估计值时，达到最佳估计。
具体算法描述如下,
1,设滤波输出初值 y0为滤波窗内各样本的均值,由这个初值导出样本的隶属度 u0i；
2,对导出的模糊隶属度 u0i进行加权均值,得到新的输出 y1；
3,比较 y0与 y1的差值是否小于预定的阈值?,若小于该阈值,则迭代结束,输出为 y,否则由 y1导出新的模糊隶属度 u1i；
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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依次类推,直至前后两次估计值的差小于阈值?。
本算法中取模糊隶属函数 u(xi)=exp(-(xi-y)2/?),其中,y为滤波输出,?为尺度参数 。决定着模糊集的形状,实验证明,当?在 5000左右时,能够比较好的满足要求 。 降噪处理后的图象如图 4.5.4－ 4所示 。
3、图象分割图象分割方法中的阈值化因易于实现、计算量小、
性能较稳定而被广泛使用。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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这里,采用单一阈值 。 设 f(i,j) 为原图象的灰度值,
g(i,j)为阈值图象的灰度值,T为阈值,则：
其它若
)j,i(f
T)j,i(f2 5 5)j,i(g
由此可见,T的选择很重要。若阈值选的过低，会将目标物体的像素误归为背景；若阈值选的过高，背景难以去除。
阈值选取方法很多，经过实验，采用一种基于二维灰度直方图 Fisher线形分割的图象分割方法。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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具体算法如下：
出邻域邻域的平均灰度值，得，计算各点的）根据（ 33)tj,si(f91)j,i(g1 1
1s
1
1t
平均灰度直方图 。
（ 2） 对邻域平均灰度直方图,用改进的 Otsu法，得到阈值 T。
Reddi利用梯度概念，改进了 Otsu法。其算法如下：
是灰度。这里令，给定允许误差）取初始阈值 002 5 5
0l
2
2 5 5
0l
c m0c,10m
)l(h
l*)l(h
k1
平均值,c为迭代次数,h(l)是各灰度级出现的频数；
2）计算梯度 ec = [m(0,kc)+m(kc,255)]/2-kc ；
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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3） 判断是否满足?ec,若满足则转至 6）,否则继续；
4） 令 kc+1= kc + ec;
5） 令 c=c+1,转至 2） ；
6） 输出 kc作为阈值 。
(3) 对图象进行阈值化图象中，灰度值大于阈值的像素置为白，小于阈值的像素不变。阈值化之后目标物体与背景分离。图
4.5.4－ 5是气孔缺陷经过图象分割后得到的阈值图象，
该图象分割的阈值取 123。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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4,缺陷识别焊缝缺陷主要有五类：圆形缺陷 (包括球状气孔、点渣等 )，裂纹，未熔合，未焊透，条状夹渣。
利用标记法对阈值化的图象进行标记目标物体,可得到物体个数,即缺陷个数 。 此时,须对缺陷先进行人工判别,因为要区分单个缺陷和成组缺陷 。 然后再对每个缺陷进行参数确定和特征提取 。
（ 一 ） 轮廓跟踪设背景像素值为 0,物体像素值为 1。 下面给出轮廓跟踪算法：
(1) 利用水平扫描法得到轮廓跟踪的初始点,其坐标为 (start-
x,start-y),设它为 x1；
(2) 搜索第 2个轮廓点,设它为 x2；
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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先判断起始点的 4邻域中 0像素的位置 。 当下邻点为 0,令
n=6；当下邻点不为 0,左邻点为 0,令 n=4；当下,左邻点都不为 0,上邻点为 0,令 n=2；当下,左,上邻点都不为 0，
右邻点为 0,令 n=0；
从 n位置出发,逆时针方向搜索 1像素,最早找到的 1像素即是第 2个点,计下该点的链码值,并算出其坐标 。
(3) 搜索第 3个点及以后的点；
设第 3个点为 x3,若 x2相对于 x1的链码值为偶数,则搜索
x3的起始位置 n=(x2的链码值 +7)%8; 若 x2相对于 x1的链码值为奇数,则搜索 x3的起始位置 n=(x2的链码值 +6)%8,其中 %表示模运算 。 由起始位置逆时针搜索 1像素 。 以后点的搜索方法同第 3点 。
(4) 当搜索到的点的坐标与 (start-x,start-y)相同时，表示一个轮廓跟踪已完成。
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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（ 二 ） 选取参数
(1) 面积 S
(2) 周长 L
(3) 等效面积 S/L
(4) 长径 A和短径 B
(5) 等效链码方向像素分布 N0?N3,NO为链码值为 0
和 4的像素个数之和与总像素之比,N1为链码值为
2和 6的像素个数之和与总像素之比,N2为链码值为
1和 5的像素个数之和与总像素之比,N3为链码值为 3和 7的像素个数之和与总像素之比 。
(6) 圆形度 M
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（ 三 ） 模式识别根据大量底片图象样本,由上述参数进行数据分析,建立识别模式 。
(1) 长宽比?3的是圆形缺陷,其中圆形度?15.5,判为点渣；圆形度?15.5,是球状气孔,若不满足进行 (2)；
(2) 等效面积?0,1,是裂缝,若不满足进行 (3)；
(3) 等效链码方向像素分布 N0?0.8,判为未焊透,若不满足进行 (4)；
(4) 再判断长宽比?5,是未熔合,若不满足进行 (5)；
(5) 剩下的归为条状夹渣。图 4.5.4－ 6为缺陷参和模式的识别结果。
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图 4.5.4－ 6 缺陷参数和模式的识别结果
§ 4.5.4 摄像测量上一张章首 下一张 结束节首目录第四章 光电信息技术
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（ 四 ） 缺陷定级根据 JB4730-94,将缺陷分为四个等级 。
由计算机自动定级 (见图 4.5.4－ 8)RT人员对条件进行判断 (见图 4.5.4－ 7)
5．结论以上探讨了用数字图象技术进行数据图象预处理、缺陷自动识别的有关算法。软件在 Windows98的中文平台下用
VB6.0语言设计，使用方便，实用性强。但是，缺陷提取速度和类型识别的准确率还有待提高。
§ 4.5.4 摄像测量
