线性CCD在二值图像检测中的应用研究开题报告

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1. 研究目的与意义

二值图像（如黑白线等）是工程应用当中常见的对象。

本课题采样STC高性能单片机为基础、配合线性CCD采集二值图像，通过处理实现黑/白检测（如黑白线），可为长距离图像识别、黑白线寻迹等提供技术支持和应用参考。

2. 国内外研究现状分析

CCD图像传感器研究背景CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件，它是20 世纪70 年代初发 展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔电话实验室的W.S.Boyle 和 G.E.Smith 于1970 年首先提出了CCD的概念，在经历了一段时间的研究之后， 建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论。近30 多年来，随着新 型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD器件及其应用技 术得到了较快的发展，取得了惊人的进步。 目前CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体 的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累， 方兴未艾。而CCD传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或 干扰成分，这极大地影响了CCD在高精度测量领域中的应用。因此降低噪声 成为改善成像系统的一个首要任务。相应的，如何精确地简便地测出CCD的噪 声也变得极为重要。 2CCD图像传感器的发展历史 自从60 年代末期，电荷耦合这一新概念和一维CCD 器件模型被提出以来， 人们就预言了CCD 器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。由于 美国在MOS 器件工艺及硅材料研究等方面的雄厚基础，在该领域一直处于领先地位。Bell 实验室是CCD 研究的发源地，并在CCD 像感器及电荷域信号处理研 究方面保持优势。麻省理工学院林肯研究室、宇航局喷气推进研究室、罗姆空间 发展中心及SRI Sarnoff 研究中心在CCD 及其应用方面具有雄厚的科技实力，并受到美国国防部计划部及空军部战略防御计划大力支持。另外通用电气公司 (GEC)、仙童公司(Fairchild)和无线电(RCA)等著名公司的研究机构在面向军、民 用应用及工艺研究等方面都已经达到相当先进的技术水平。日本是世界上的 CCD 主产大国，其产量位居世界之首。索尼(SONY)、NEC 等公司的CCD 研制 发展极快，已成为美国强大的竞争对手。在日本广播协会实施的高清晰度电视计划中，已把高分辨率CCD 摄像器件研究列为主攻方向之一。 近几年来，CCD 器件在军、民用领域都有了长足发展。民用领域主要用于视频摄录一体化(VTR)、保安监视报警、医疗、工业自动化、科研、新闻广播、 多媒体、办公自动化及其他许多领域，日益与现代社会的工作生活紧密相联。军事领域则更是CCD 的用武之地，广泛用于战斗机、舰船、坦克及单兵武器装备 的图像、探测部件。可见光CCD 图像传感器主要为侦察、制导、预警、瞄准等 武器系统提供高清晰度、高分辨率的图像，并通过高速实时监控及遥感技术，反 馈回精确的战斗信息，从而提高部队战术战略快速反应能力，已逐渐成为现代武器装备不可或缺的重要组成部分。 1974 年，美国RCA 公司的512320 像元面阵CCD 摄像机首先面世。随着大规模、超大规模集成电路工艺的不断发展和完善，其它一些国家如日本、英国、 荷兰、德国、俄罗斯等也迎头赶上，纷纷研制成功了CCD 器件。世界各科技强 国在CCD 研制、开发及应用领域都投入了大量的人力、物力和财力，展开了广 泛而深入的工作。随着线阵CCD 像元数的不断增加，性能也有了明显改善，正向着高灵敏度、 高速度和宽动态范围方向发展。如日本东芝公司的5000 位CCD，由于在工艺中 采用了埋沟道和加速电极结构，其工作频率可达 20MHz，像元及相邻像元中心 间距已减小到7m，实现了高分辨率和高速读出，其光谱响应峰值已经移至紫光 波段。美国希洛克(Xerox)公司的 5732 位 CCD，采用了两排光敏元结构和四排 CCD 读出方式，其工作频率可达 32MHz，这些 CCD 在人们的生产、生活中有 着十分广泛的应用前景。 与此同时，在面阵CCD 器件方面，美国Tektronix 公司于1985 年就已经推 出了20482048 像素的面阵CCD 图像传感器。众所周知，面阵CCD 是构成数 码相机的核心器件。目前，200 万以上像素的数码相机品种已很多，并己成为美国、日本等一些发达国家市场上的主流产品。与此同时，飞利浦公司己开发出了 像素边间距 2.4m、像素数达 6600 万的用于太空探测的世界顶尖级的 CCD。从 最近资料介绍来看，日本、美国、英国、荷兰、德国、俄罗斯、韩国、中国(包括台湾地区在内)等国家均投入大量的资金和人力从事 CCD 图像传感器研究以及 CCD 摄像机的研制和生产。其中日本、美国所生产的 CCD 传感器芯片和摄像机无论在质量上还是在数量上都处于领先地位。美国在军用、空间应用 CCD 技术方面处于世界领先地位，但在中、低档器件及整机方面，日本已雄霸世界市场。同时形成了一些在CCD 器件研究及应用方面具有雄厚实力、较大规模的实 验研究中心，例如Lincoln Labotalory MIT、NASA Jet Propulsion Laboratory、Rome Air Development Center 等。 彩色摄像方面，在 CCD 问世后不久，美国的 RCA 公司就用三片帧转移型 512320 像元的 CCD 研制成功了彩色 CCD 摄像机，被摄物照度需要数万勒克 斯，灵敏度很低。随后几家日本电气公司相继投入到彩色CCD 摄像机的研制与 生产中。CCD 摄像机技术是集成光学、光电子学和图像信号处理的技术密集型产物。CCD 彩色摄像机不但具有真空管摄像机无法比拟的体积小、重量轻、耗 电省、寿命长、可靠性高、成本低的优点，而且在性能上已经超过了真空管彩色摄像机。目前，市场上已有10241024 像素高清晰度彩色CCD 摄像机。日本把 彩色CCD 性能及批量生产成品率等问题作为重大课题进行攻关。各种新构思的高性能CCD 不断推出，必将推动彩色CCD 不断向前发展。 CCD 器件的迅速发展使数码相机在问世以来得到了相当快地发展，如Nikon COOLPIX 系列、Kodak DC 系列、Casio QV 系列相机都是针对家庭设计的、不 同档次的通用型(消费型)数码相机。消费级 CCD 数码相机的发展表现在分辨率 逐渐提高、功能多样化、信息存储多样化、操作简便等方面。它已不再是电子玩 具，真正进入了实用阶段。 3 CCD 传感器的国内外研究现状 目前， CCD 图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的Dalsa和美国的柯达等公司。当前各CCD 生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争, 实质是缩小像素面积的竞争。自1987年以来，CCD图像传感器的像素面积以每年20% 的速度缩小，目前像素面积已经小于错误!未找到引用源。 。从目 前CCD技术的发展趋势来看，CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、 紫外、X射线、红外等方向发展。近几年，数码相机和微型摄像机的发展过程中， CCD和CMOS图像传感器相互竞争。总的来看，在军用领域，CCD使用的较多; 在民用领域，CMOS图像传感器与CCD之间的竞争相当激烈，重点是制作工艺、功耗、集成度和成本。在竞争的过程中, CCD和CMOS图像传感器的研制和开发厂商不断推出新品。从CMOS与CCD目前的应用、技术发展以及未来的发展趋势看，CMOS图像传感器可能成为主流。CMOS 固体摄像器件与90%的半导体器件 都采用相同标准的芯片制造技术，而CCD 则需要一种特殊的制造工艺，故CCD 的制造成本高很多。 微光探测方面，市场上已推出了 9 10 lx，水平分辨率大于700TV 线，动态范围4000:1 的CCD 像机。德国BM光谱公司出售的制冷CCD 像机，在-15℃(液 氮制冷)下灵敏度达 11 10  lm，动态范围16000:1，是光谱分析、X 射线分析、遥感 摄像等极好的工具。 在图像传感方面，目前还是以低性能的CCD(即线阵CCD 和30 万像素以下 的面阵CCD)为主，多用于办公自动化方面的传真机、复印机、摄影机等;工业 方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等;社会生活方面的家庭摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等;军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光 电侦察、可视电话等。至于高性能的CCD 多用于医疗、高清晰度电视、电视摄 像以及天文学、卫星遥感等领域。 对于CCD来说，随着大规模、超大规模集成工艺的进展，CCD不仅研究水 平不断提高，阵列元素不断增加，CCD摄像机的性能越来越好，而且更重要的是 CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降，CCD摄像机的价格较之管式摄像机的价格平均要低20%~60%。又如俄罗斯机器人综合研究所推出的 一种CCD像机能在微光中拍摄并分辨出比人的头发丝还细的物体，其售价只有同 类管式摄像机的1/3。价格低廉使CCD摄像机的应用领域迅速扩大。现在不论是 信号处理，还是数字存储，不论是高精度摄影还是家用摄像，不论是民用还是军 用，可以说从太空到海底到处都有CCD的用武之地。 国内图像传感器水平和国外差距较大。电子44 所、西安光机所和13 所等开展CCD 研究。

3. 研究的基本内容与计划

线性ccd在图像检测中的应用研究1，做出系统的软件、硬件总体规划和功能要求； 2，用protel或 altium designer等工具画出硬件电路图并附在毕业论文中； 3，画出系统软件系统流程图并附在论文中； 4，论文中需要对程序的主干部分有解释和注释； 5，论文的最后附上主要程序的清单；

计划：1、2.22--2.27 完成开题报告的ppt；2、2.28--3.15 学习并深入了解基于stm32单片机的ccd信号采集的工作原理3、3.16--3.31 根据任务书进行总体方案的设计，画出硬件电路原理图；

4、4.1--4.15 编写程序，进行软件仿真调试，找出错误并修改；5、4.16--4.30 进行硬件电路的搭建工作，并运行调试，找出错误；6、5.1--5.7 整理、编写论文，准备答辩。

4. 研究创新点

对采集到的数据将进行详细的检测分析和合理的判断。