汤姆逊散射系统的光路自动准直系统的设计与实现课件

导师：赵君煜导师：赵君煜学生：李梦婷学生：李梦婷2011年年12月月6日日EAST汤姆逊散射系统光路自动准直系统的设计与实现汤姆逊散射系统光路自动准直系统的设计与实现EAST汤姆逊散射系统光路自动准直系统的设计与实现报告内容论文研究目文研究目标论文研究进展情况存在的问题及后期改进计划报告内容论文研究目标论文研究目文研究目标设计和搭建准直系统的硬件系统研究和实现准直系统的软件功能和相关算法 1.激光光斑图像实时采集和保存功能 2.光斑图像预处理算法 3.光斑图像中心检测算法 4.反馈调节二维镜架控制功能 通过本系统的设计，在放电过程中调节光路时，可以通过CCD进行激光光斑图像实时采集和保存显示，根据相关算法计算光斑数据中心的偏移来达到实时反馈调整反射镜的位置的目的。保证激光光路通过每个反射镜的中心位置，完全从EAST下、上窗口中心通过，达到准直光路的目的。在EAST放电实验中对光斑数据进行进一步的处理和分析。论文研究目标设计和搭建准直系统的硬件系统报告内容论文研究目标论文研究文研究进展情况展情况存在的问题及后期改进计划报告内容论文研究目标激光激光传输光路光路：激光传输光路：准直系准直系统硬件硬件结构构设计：LaserLaser Beam7Camera 2TTL PulseXMotor ControllerXMotor ControllerreticleCamera 1CylinderfilterTTL Pulse准直系统硬件结构设计：LaserLaser Beam7Cam准直系准直系统软件件设计：光斑图像采集功能的研究和实现光斑图像采集功能的研究和实现 CCD需记录下每个完整激光脉冲图像。为确保采集到连续的、完整的脉冲光斑图像，应采用外触发的同步控制方式来控制CCD摄像机电子快门的开闭，来获取激光脉冲的图像。准直系统软件设计：光斑图像采集功能的研究和实现图像采集功能流程像采集功能流程图初始化CCD工作参数设置等待外部触发开始采集光斑信息采集时间信息采集图像显示和保存结束释放资源1.系统初始化2.开始采集数据3.保存数据并同时显示图像4.双缓冲方式保存5.释放资源图像采集功能流程图初始化CCD工作参数设置等待外部触发开始采图像像处理算法的研究和理算法的研究和实现 光斑图像噪声分析光斑图像噪声分析 由于激光光束传输过程及衰减系统、CCD摄像头的影响，CCD传送到计算机中的原始激光光斑图像存在着很多的噪声，这些噪声的存在会影响对光斑分析的正确性，因而需要对其进行滤波处理滤波处理，也就是对图像进行预处理。1.外界杂散光噪声2.CCD暗噪声3.CCD光子噪声4.CCD散粒噪声图像处理算法的研究和实现 光斑图像噪声分析图像预处理采用的滤波去噪算法选择主要是根据噪声图像预处理采用的滤波去噪算法选择主要是根据噪声的频率特征。因此以上噪声据其频率特征分为以下的频率特征。因此以上噪声据其频率特征分为以下2 2种种:(1)随机噪声随机噪声：在激光光斑数据分析中即为CCD的散粒噪声。在所有噪声中，随机噪声所占用的比例最大，而这种噪声在统计规律上服从高斯正态分布。其中产，分别是随机变量的均值和标准差。(2)加性噪声加性噪声 加性噪声是一种与图像信号不相关的噪声，在激光光斑图像中主要 CCD暗噪，假定含有这种噪声的图像为g(x,y)，无噪声图像为f(x,y)噪声为n(x,y)，则有：图像预处理采用的滤波去噪算法选择主要是根据噪声的频率特征。因预处理算法理算法设计 好的降噪方法好的降噪方法应该即可以消除图像中的噪声同时又不会使图像的有用信号减弱或去除。因此需根据系统的应用结果进行调试，降噪处理主要有以下几种方法：均值滤波法，中值滤波法。1）均值滤波）均值滤波 均值滤波法是一种典型的线性平滑滤波。基本思想是用几个邻域像素灰度的平均值来代替每个像素的灰度值。均值滤波方法可以有效地去除高斯型噪声；但线性方法在滤除噪声的同时也破坏图像中的快变信号，如边界及细节等，从而使图像变得模糊。2）中值滤波）中值滤波 中值滤波是非线性滤波法。在数字图像中是把以某点(i,j)为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列,将中间值替代(i,j)处的原灰度值(若窗口中有偶数个像素,则取两个中间值的平均).窗口在图象上从左到右,从上到下移动,便可对图象进行平滑处理。中值滤波的优势在于它能够保护图像的边界信息，而且可以除去图像中含有的无用的图像噪声。因而光斑图像的预处理选择用中值滤波算法。预处理算法设计 好的降噪方法应该即可以消除图像中的噪声同中中值滤波改波改进算法具体步算法具体步骤二维情况的中值滤波定义：二维情况的中值滤波定义：快速算法的基本思想基本思想是先统计窗口内象素的直方图,由直方图求得中值。假设窗口大小为m*n，从一个窗口的中值滤波输出,到获得下一个窗口的中值滤波的输出,窗口将移过一列。新窗口内的象素是将原窗口象素删去最左一列(n个象素),再在其右边加进一列(n个象素),其余的m*n-2n 个象素保持不变,然后再对原窗口直方图作修正,利用直方图求新窗口的中值。中值滤波改进算法具体步骤二维情况的中值滤波定义：1.首先统计实线所围窗口中25个象素的直方图(频数)如表12.然后在图象最小灰度级至最大灰度级范围内统计累计频数。3.当累计频数大于13(即(n*m+1)/2)时,对应的灰度级60即为输出图象相应点的灰度值。然后将窗口右移一列（虚线位置）4.实际处理时,先将原窗口最左一列象素值（55，60，62）为下标的直方图单元的频数分别减去1、3和1,再将原窗口中各列依次右移一列,读入新窗口最右一列位置的图象数据,增加到窗口数组的右边。同时,以新增加列象素值（61,64,65,66,67）为下标的直方图单元值加15.累计频数大于13(此例为16)对应的灰度值64即为输出图象对应点的输出值。1.首先统计实线所围窗口中25个象素的直方图(频数)如表1原始光斑和原始光斑和处理后光斑比理后光斑比较经过中值滤波后，剖面的灰度曲线尖峰减少、略为平滑，说明随机噪声已经得到了较好的抑制。原始光斑和处理后光斑比较经过中值滤波后，剖面的灰度曲线尖峰减二值化处理二值化处理:方法：方法：所有灰度大于或等于阀值的像素被判定为属于特定物体，其灰度值为255表示，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域。有两种方法进行二值化处理：手动指定一个阈值手动指定一个阈值，以此阈值来进行二值化处理。自适应阈值处理自适应阈值处理：经过改进的阈值技术，阈值本身是一个变量。自适应迭代闭值分割法是通过阈值迭代的方式，自动搜寻出比较合适的阈值。迭代法在初始条件中假设一个阂值，在对图像的迭代运算中不断更新这一假设阈值，以得到最佳阈值。初始阈值一般取灰度平均值，利用这个初始的开关函数把图像分割成为目标和背景两类区域，然后分别对其进行积分并将结果取平均以获取一新阈值。将此新阈值控制开关将图像分成目标和背景，并用作新的开关函数。如此反复迭代下去，直到开关函数不再发生变化，即迭代已经收敛于某个稳定的阈值时，迭代停止。此刻的阈值即作为最终的结果并用于图像的分割。二值化处理:以T0作为初始阈值的估计，则迭代中阈值的第k次估计为：式中L为灰度级的个数，hk为灰度值为k的象素点的个数，Tk就是得到的最佳阈值。以T0作为初始阈值的估计，则迭代中阈值的第k次估计为：针对激光光斑图像的特点，预处理流程为：针对激光光斑图像的特点，预处理流程为：打开激光光斑图像中值滤波自适应阈值选择图像分割是背景图像取均值否开始（a）（b）针对激光光斑图像的特点，预处理流程为：打开激光光斑图像中值滤光斑中心光斑中心检测算法的研究和算法的研究和实现1.重心法重心法 先对 CCD输出的每个离散信号求出其相对起始点的面矩,将每个离散信号的面矩累加起来。再求出整个 CCD 上所有信号的积分。前者与后者的商就是要求的光斑信号的重心位置。假设采集图像的大小为 XY像素，并设 Bi,j代表第 i 行第j列的像素灰度值，则重心计算公式为：0 （光斑）B（i,j）=1 （背景）该算法简单明了，对于光斑形状比较规则的情况，是一种好的算法。光斑中心检测算法的研究和实现重心法2.圆拟合法圆拟合法 拟合法是一种基于最小二乘准则的数学方法，通过对目标的坐标或灰度进拟合，可以得到目标的连续函数形式，从而可以确定描述物体的各个参数值。圆的方程为：在此取残差为：式中：，表示所有边界的集合，（xi,yi）表示图像边界点的坐标 残差平方和函数为：（1）根据最小二乘原理，应有 （2）2.圆拟合法将（1）式代入（2）式，简化后得到方程组：解方程组，最后可得出参数表达式为 根据最小二乘原理的圆拟合推断出的光斑中心检测算法虽然形式复杂，但仅对边界点循环一次就可计算出各参数，时间复杂度为O(n)，较为复杂的根方运算只是在计算出中心参数a,b后求半径时计算一次，因此整个算法的计算速度会很快。相比较后，我们选择用圆拟合算法进行光斑中心的检测计算将（1）式代入（2）式，简化后得到方程组：二二维调整整镜架控制功能的架控制功能的设计和研究和研究伺服电机伺服电机：伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，这样，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，选择交流伺服驱动系统，它的驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。反射镜架控制算法研究 BM1,BM2 为伺服电机x方向和y方向关联系数。通过转动 BM1 一定脉冲数 n，CCD 测量光斑图像中心的 x 轴偏移量(像素)x，即可得 BM1 方向系数 a=x/n。同样按此方法可标定y方向关联系数b=y/m。二维调整镜架控制功能的设计和研究伺服电机：伺服主要靠脉冲来定准直系准直系统的的软件界面件界面图准直系统的软件界面图报告内容论文研究目标论文研究进展情况存在的存在的问题及后期改及后期改进计划划报告内容论文研究目标1.最后一面反射镜的入射光斑不能在放电中实时监测。希望在下轮改造中重新设计相关结构。2.针对放电期间的不确定因素，光斑图像的处理功能需要进一步完善。3.同样光斑图像的中心检测算法需要经过进一步的验证和完善。4.在以后的改造中，会加入更多的可调二维镜架，反射镜多面联动调节算法将需进一步的研究。1.最后一面反射镜的入射光斑不能在放电中实时监测。希望在下轮 谢 谢！汤姆逊散射系统的光路自动准直系统的设计与实现课件