毕业设计（论文）基于图像处理方面的密立根油滴法测量电子.doc

摘要 数字图像处理技术以其通用性强、精度高、处理方法灵活、信息保存、可传送可靠的图像等特点已经应用到很多领域。 本文正是基于图像处理技术将经典的密立根油滴实验进行改进，使得该实验的测量更加准确化，实验操作过程及数据处理过程更加简单化。 本文首先介绍了经典密立根油滴实验原理及过程，实验系统，实验所得视频信号的采集及将其转化为图像信号，之后又着重介绍了对图像的处理过程。 图像处理过程中主要涉及到图像格式变换、图像去噪、图像增强、边缘检测、图像的分割算法。 最后从实验数据的处理结果中可以看出进行图像处理后的密立根油滴法测量的电子电量更为精确。 关键字 密立根油滴实验；图像处理；视频通信信号的转化Abstract Digital Image Processing has been applied to many domains as it has wide range of application, high precision, high precision, reliable performance and easy handling. And this paper is just to do the Millikans oil drop experiment based on digital Image processing, which make the data more correct and make the experiment easier. This paper first introduces the theory and process of Millikans oil drop experiment, experimental system, video signal collection, the transformation between video signal and image signal, then the paper narrates the progress of image progressing emphatically. The image processing progress mainly involves image formats transformation, image denoising, image enhancement, edge detection, image segmentation. Finally we can see the result of Millikans oil drop experiment based on digital Image processing is more exact. Key words Millikans oil drop experiment ；Digital Image Processing； Video signal transformation 摘要1Abstract2第一章 绪论- 1 -1.1论文的选题背景及意义- 1 -1.2 图像处理技术的发展- 1 -1.3 本论文研究的内容及创新点- 3 -1.4 论文章节安排- 3 -第二章 实验原理及步骤- 5 -2.1 经典密立根法测量电子电量- 5 -2.2 视频信号的采集- 7 -2.3 视频信号转化为数字图像- 8 -2.4 图像处理- 8 -2.5实验的操作过程- 9 -第三章 实验系统总体设计- 11 -3.1CCD显微密立根油滴仪- 11 -3.1.1油滴仪的结构- 11 -3.1.2 CCD图像传感器的介绍- 13 -3.2 采集卡- 17 -第四章 图像处理- 21 -4.1 图像格式变换- 21 -4.1.1 BMP文件格式- 21 -4.1.2 真彩图像变为索引图像- 23 -4.1.3 索引图像变为灰度图像- 24 -4.2 图像去噪- 25 -4.3 图像增强- 26 -4.3.1 直方图变换- 26 -4.3.2 直方图均衡化- 27 -4.3.3 直方图规定化- 28 -4.3.4 直接灰度变换- 28 -4.4 图像的边缘检测- 30 -4.4.1 经典边缘检测算子- 30 -4.4.2 常用边缘检测算法检测结果- 32 -4.5 图像的分割算法- 34 -第五章 实验结果的处理- 36 -5.1 实验的标定方法- 36 -5.2 实验结果分析- 37 -第六章 总结- 41 -参考文献- 42 -致谢- 43 - 第一章 绪论1.1论文的选题背景及意义密立根油滴实验是近代物理实验中一个著名的基础实验，它证明了电荷的不连续性，并精确地测定了电子电荷e，为人类研究物质结构奠定了基础。近几年随着计算机技术、微电子技术、通信等技术的发展，目前密立根油滴实验可采用CCD摄像机和监视器来代替原来的显微镜观察，可以清楚地看到油滴的运动过程，改善了观察条件。但随着计算机技术以及图像处理技术的进一步发展，我们可以利用图像处理技术使得该实验的测量更加准确化，实验操作过程及数据处理过程更加简单化，因此本论文基于图像处理技术进行了密立根油滴实验。1.2 图像处理技术的发展 数字图像处理（Digital Image Processing）即计算机图像处理，是指将图像信号转化为数字信号并利用计算机对数字信号进行处理的过程。数字图像处理技术始于20世纪50年代初期，当时计算机已发展到一定的水平，人们开始利用电子计算机处理图形和图像的信息。后来，于20世纪60年代初期数字图像处理发展成为一门学科。早期的图像处理目的在于改善图像的质量，改善人的视觉效果。图像处理是将输入的低质量的图像改善为高质量的图像后输出，图像处理方法有很多种，常用的有图像增强、编码、复原、压缩等。数字图像处理技术的应用首次获得实际成功的是1964年美国喷气推进实验室（JPL）对航天探测器徘徊者7号在当年发回的几千张月球照片进行了几何校正、灰度变换、去除噪声等处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图（如图1.2.1所示），获得了巨大的成功。 （图1.2.1） 之后又对探测飞船发回的几万张照片进行了更复杂的图像处理，从而获得了月球的地形图、彩色图以及全景镶嵌图，为人类登月奠定了坚实的技术基础，获得了非凡的成果，推动了数字图像处理这门学科的诞生。后来数字图像处理技术在宇航空间技术，如对火星、土星等星球的探测研究中，都发挥了巨大的作用。此外数字图像处理技术在医学也上获得的巨大成果。如1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，即我们通常所说的CT（Computer Tomograph）。CT是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像图像重建。1975年EMI公司又成功研制出可获得人体各个部位鲜明清晰的断层图像的全身用的CT装置。1979年，该项无损技术获得了诺贝尔奖，也说明了它对人类做出了划时代的贡献。同时，在许多其他应用领域，特别在通信领域、广播电视领域、以及计算机领域、因特网领域，图像处理技术受到了广泛重视并取得了重大的开拓性成就。随着其应用手段的越来越丰富，功能越来越强大，它的发展和应用已进入千家万户，如航空航天、工业检测、生物医学工程、军事制导、机器人视觉、公安司法、文化艺术等。图像处理发展成为了一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的进一步发展，自70年代中期开始，随着计算机技术、人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向着网络化、复杂化、处理速度高速化的方向发展。人们已开始研究用计算机系统解释图像，模拟人类视觉系统理解外部世界，因此被称为计算机视觉或图像理解。目前多数国家，尤其是发达国家投入了较多的人力、物力到这项研究，取得大量研究成果。代表性的成果如70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论，在其后十多年里这一理论成为了计算机视觉领域主导思想。图像理解虽然在理论研究上已取得很大进展，但因其本身是一个比较高难的研究领域，加之人类本身对自己的视觉过程也了解甚少，因此计算机视觉有着很大的发展空间，是一个有待人们进一步探索的新领域。1.3 本论文研究的内容及创新点本论文主要是基于图像处理技术对经典的密立根油滴实验进行改进。本论文首先从密立根油滴实验入手，介绍了密立根油滴实验，接着介绍了图像采集及处理技术，并将其与密立根油滴实验结合，将采集到的油滴下落的图片进行了图像处理，准确计算出油滴下落的时间及距离，再按密立根油滴实验的公式编程计算出电荷量，进而求得e。 本论文的创新点在于将图像处理技术应用于经典的密立根油滴实验中，通过图形处理后可使的测量结果更好的与理论值相符合，同时利用软件编出计算程序，可使实验数据处理更加简单化。1.4 论文章节安排本论文共分为六章，安排如下：第一章， 绪论主要介绍论文的选题背景及意义，目前国内外图像处理技术的发展，及简要介绍了本论文的研究内容及创新点，给出了论文的结构安排。第二章， 实验原理及实验步骤主要讲述了在经典密立根油滴实验的基础上，通过CCD对视频信号的采集及转化为数字图片的实验过程第三章， 本章主要对实验器材及数据处理过程中用到的软件介绍，包括密立根油滴试验仪，CCD图像传感器，采集卡，及matlab等。第四章， 本章主要介绍了对实验所得图像的处理过程，包括图像去噪、图像增强、图像的分割算法、边缘检测。第五章， 对实验结果内进行处理，并将所得的电子电领域理论值进行比较。第六章， 对实验做出总结。 第二章 实验原理及步骤2.1 经典密立根法测量电子电量密立根油滴实验是近代物理实验中一个著名的基础实验，它是由美国物理学家密立根设计并完成的，在近代物理学史上起过十分重要的作用。为了证明电荷的颗粒性，密立根用了11年的时间进行试验研究，经过了不懈努力，最终获得了成功。实验的结论证明了任何带电物体所点电荷都是基本电荷的整数倍，证明了电荷的不连续性，并测出了电子电荷e。【密立根油滴实验原理】密立根油滴实验测定电子电量的基本思想是：通过对带电的微小油滴的受力分析，把对油滴所带的微观电荷量q转化为对油滴宏观运动速度的测量。利用密立根油滴仪测量电子电量通常有两种方法：静态法和动态法。本实验所要采用的方法是静态法。质量为、带电量为的油滴，处在两块水平放置的带电平板之间，如图2.1.1所示。 （图2.1.1）此时油滴在平板之间同时受到两个力的作用，一个重力，一个静电力。调节板间的电压，可使两力达到平衡，则有 （2-1）从上式（1）可见，为了测出油滴所带的电量，除了测出和之外，还需测定油滴的质量，由于的质量很小，需用如下的特殊方法来测定。 平行板不加电压时，油滴在重力作用下加速下落，但由于空气的阻力的作用，油滴下降一段距离后达到某一速度后,阻力与重力达到平衡，油滴将匀速下降。由斯托克斯定律知 （2-2）式（2）中，是空气的黏度；是油滴的半径。设油滴的密度为，油滴的质量为可用下式表示 （2-3）由式（2）和（3）得油滴的半径大小为 （2-4）对于半径小到的小球，空气已不能看成连续介质，空气的黏度应修正为 （2-5）式中为修正常数，；为大气压，单位；为未修正过的油滴半径，由于它在修正项中，不必算得很准，由式（2-4）计算即可。试验中设油滴匀速下降距离为，测得下降的时间，则油滴匀速运动的速度为 （2-6）将式（3）（6）代入（1），整理后得 (2-7)上式是用静态平衡法测定油滴电荷的理论公式。由此可见，经典密立根实验只需测出油滴下降距离所需的时间，即可求出电荷，进而求出e。2.2 视频信号的采集通过上一小节可了解到密立根实验所要测量的数据及电荷的计算公式。但本次试验区别于经典密立根试验的是是要采集油滴下落过程中的多幅图片，并选取两张进行图像处理，并测出其下落的距离，从计算机中读出下落时间，由公式（7）算出电荷，并用最小公约数法算出e。为采集油滴下落过程中的图片，本次试验所用的是ZKY-MLG-5显微镜密立根试验仪（油滴实验仪的介绍参见第三章）带有CCD电视显微镜，CCD是电荷耦合器件的英文缩写（Charge Coupled Device）,它是固体图像传感器的核心器件，由它制成摄像机，可把光学图像转化为视频电信号，实现了对视频信号的采集，并将采集的视频信号由视频电缆输出。2.3 视频信号转化为数字图像本次实验中要对采集到的油滴的下落照片进行图像处理，实现这一目的不仅要有视觉传感器摄像机，同时还要有能实时地将摄像机产生的视频信号转化为可处理数字图像信息的实时图像采集卡。图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，其主要功能是对相机所输出的视频数据进行实时的采集，并提供与PC的高速接口。为此，本实验中还需用到视频采集卡（具体介绍见第三章），实验过程中需用视频电缆将油滴仪的视频输出与采集卡连接，再将采集卡与计算机连接。这样计算机中便可得到预处理的油滴图像。如图2-3-1所示。 图 2-3-12.4 图像处理 得到油滴的图像后，接着将要对得到的图像进行处理，这一过程是数据处理的关键，因其直接关系到油滴下降的距离，也就直接影响着油滴所带电量的多少。本次试验是用Matlab软件对油滴图像进行的处理，分为图像格式变换、图像去噪、图像增强、图像的分割算法、边缘检测等。处理后的图像，如图2-4-1所示。2.5实验的操作过程1. 油滴实验仪的调整（油滴实验仪的介绍参见第三章）（1） 水平调整调整试验仪底部的旋钮，通过水平仪将试验台调平。避免因平衡电场的方向与重力的方向不平行而引起油滴在下落或提升过程中发生前后、左右的漂移。（2）喷雾器调整 将少量钟表油缓慢的倒入喷雾器的储油腔内，使钟表油湮没提油管下方。将喷雾器竖起，用手挤压气囊，使得提油管内充满钟表油。（3）仪器硬件接口连接 用视频线将密立根油滴实验仪的视频输出和采集卡链接，再将采集卡输出与计算机相连。（4）CCD成像系统调整 从喷雾口喷入油雾，此时在计算机显示屏上应该出现大量运动油滴的像。若没看到，则调整“调焦”旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出，知道得到油滴清晰的图像。2. 实验仪的操作 （1）选择适当油滴 要做好油滴实验，选择的油滴要体积适中，大的油滴带的电荷多，下降或上升太快，不容易测量准确，而太小的油滴不够明亮，且过小受布朗运动的影响明显，测量时涨落太大，也不容易测量准确。 （2）确认平衡电压 仔细调整平衡电压旋钮使油滴平衡在某一格线上，等待一段时间，观察油滴是否飘离格线，若向同一方向飘动，则需重新调整；若其基本稳定或只在格线上下做布朗运动，怎可认为油滴基本平衡。油滴在实验中处于挥发状态，每次测量前都需从新调平衡电压，以免引起误差。（3）控制油滴运动并采集图片 选择适当的油滴，调整平衡电压，使油滴平衡在某一格线上，记下平衡电压。将工作状态切换至“0V”，绿色指示灯亮，电场力为0，油滴在重力、浮力及空气阻力作用下做下落运动，用采集卡所带软件采集油滴开始下落时的图片，待油滴下落一定距离时，再次采集一张油滴图片。3. 静态测量法 （1）开启电源，进入实验界面将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯亮，讲平衡、提升按键置于“平衡”。 （2）通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此时显示屏上出现大量运动的油滴，仔细调整平衡电压，选择适当的油滴，并使其平衡在某一位置。采集一张图片。 （3）将工作状态切换至“0V”，此时油滴开始下落，待下落一段时间后，记下运动时间，并采集一张图片。 （4）对采集到的图片进行处理，测出下落距离代入公式求出电荷。 （5）重复以上步骤，再测量至少5颗油滴，求平均电荷，并求出其最大公约数，即为e值。 第三章 实验系统总体设计本实验系统包括光学放大系统、CCD摄像头、视频采集卡及计算机等（系统结构如图3-1）。采集质量较好的油滴下落的像片是保证系统测试精度与测试效果的前提。而在图像采集的阶段，图像采集质量受系统硬件条件以及采集环境的影响较多，如光源的照明、CCD摄像头性能、视频采集卡特性以及取像环境。本章将对图像采集系统的主要硬件系统进行介绍。 图3-1 图3-1系统结构图3.1CCD显微密立根油滴仪 3.1.1油滴仪的结构油滴仪是完成密立根油滴实验的核心器件，带有CCD显微的油滴仪可同时完成对油滴下落视频的采集。油滴仪主要由主机、油滴盒、CCD电视显微镜、电路箱等组成。 图3-1-1 油滴盒剖面图其中油滴盒是一个关键部件，具体构成，如图3.1.1所示。上、下极板间通过胶木圆环支撑，三者之间的接触面经过机械精加工后可以将极板间的不平行度和间距误差控制在0.01mm以下；该结构可消除极板间“边缘效应”及“势垒效应”，从而保证了油滴室处在均匀电场中，减小了实验误差。胶木圆环上开有一个观察孔和两个进光孔，光源通过进光孔给油滴室提供照明，而成像系统通过观察孔捕捉油滴的像。用使用寿命长、不易损坏的带聚光的高亮发光二极管照明，油雾室可以暂存油雾，使油雾不至于过早的散逸；进油量开关可以控制落油量；防风罩可以避免外界空气流动对油滴的影响。油雾室用有机玻璃制成，其上有喷雾口和油雾孔，可以通过铝片开关来控制该孔。 图3-1-2 试验仪部件示意图 “平衡电压”旋钮可调节两极板之间的电压，用来控制油滴的平衡和下落。“0V、平衡、提升” 按键用来切换仪器的工作状态，及用来切换油滴平衡或提升状态。 3.1.2 CCD图像传感器的介绍 CCD是电荷耦合器件的英文缩写（Charge Coupled Device）, 是70年代初发展起来的新型半导体器件。它是固体图像传感器的核心器件，由它制成摄像机，可把光学图像转化为视频电信号。20多年来CCD取得了惊人的进展，特别是在图像传感方面，发展尤为迅速，已成为现代测量技术中最活跃、最富成果的新技术之一。 CCD不同于其他大多数以电流或者电压为信号的器件是以电荷作为信号。CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测，下面逐一进行介绍。图 3-1-3 正面照射式光注入示意图1、 光电荷的产生CCD的功能首要是完成光点的转换，即产生与入射的光谱辐射量度成线性关系的光电荷。当光入射到CCD的光敏面时，变产生光电荷。CCD在产生的光电荷是进行累加的，称为电荷积分。通过电荷积分所得到的光电荷量随入射光的增强而越大，获得同等光电荷所需的积分时间就越短。电荷的产生方法主要有光注入和电注入两类，在CCD相机中，多采用光注入方式。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。图3-1-3所示为正面照射式光注入的示意图。光电荷公式如下式表示： (3-1)其中：A为光敏单元的受光面积；TC为光注入时间；为材料的量子效率；q为电子电荷量；neo为入射光的光子流速度。由3-1式可以看出，当CCD确定以后，A、q均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的光子流速率NEO和注入时间TC成正比。而注入时间TC由CCD驱动器的转移脉冲的周期TSH所决定。当注入时间稳定不变，则注入到CCD势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率NEO成正比。 在单色入射辐射时，光注入的电荷量与入射的光谱辐射量成线性关系。这种线性关系是应用CCD检测光谱辐射强度的理论基础的。2、电荷的存储CCD的基本单元是电容器（由金属-氧化物-半导体组成），简称MOS结构。参见下图3-1-4 图 3-1-4 CCD 单元与线阵列结构的示意图a) CCD 单元 b) CCD 线阵列未在栅极施加正偏压时，p型半导体中多数载流子空穴的分布是均匀的。当在栅极施加小于p型半导体的阈值电压的正偏压后，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区将增大。当栅极的正偏压大于p型半导体的阈值电压时，半导体与绝缘体界面上的电势变得很高，将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反转层。反转层电荷的存在体现了MOS结构存储电荷的功能。 图 3-1-5 CCD“势阱”描述表面势与反转层电荷浓度具有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”概念描述。其中，单个像素所能存储的最大光电荷量（不向其邻近像素溢出），也称为“满阱容量”，如图3-1-5所示。3、电荷转移按一定的时序在电极上施加高低电平，可使光电荷在相邻的势阱间进行转移。通常把CCD的电极分为几组，每一组称为一相。按相数划分，CCD一般可分为二相CCD、三相CCD及四相CCD。下面以三相CCD为例，介绍光电荷的转移过程。 图 3-1-6三相CCD中光电荷的转移上图为三相CCD中的4个彼此靠得很近的电极。在初始时刻，光电荷存储在偏压为10V的第一个电极下面的势阱里，其它电极上均加大于阈值的较低电压(2V)，如图(a)所示；经过t1时刻后，第一个电极仍保持为10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，如图(b)所示，因这两个电极间隔只有几微米，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷迅速向第二电极转移，为两个电极势阱所共有，如图(c)所示；继续改变电极电压，当第一个电极电压变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图(d)、(e)。通过上述过程，光电荷及深势阱向右移动了一个位置。三相CCD的电荷转移必须在三相驱动脉冲的作用下才能完成，以一定的方向逐单元地转移。图(f)为三相驱动脉冲的波形图。4、光电荷的输出 光电荷的输出是指在光电荷转移通道的未端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出。目前CCD的输出方式主要有电流输出、浮置栅放大器输出和浮置扩散放大器输出，如图3-1-7所示。 CCD电流输出结构图 浮置扩散放大器的输出结构浮置栅放大器输出结构图3-1- 7三种CCD输出方式 CCD输出信号有两大特点：能输出与光像位置一一对应的时序列信号；能输出各个脉冲彼此独立相间的模拟信号。这些特点决定了CCD可与计算机结合，可以广泛地应用于自动控制和在线自动测量。尤其适用于图像识别技术。本实验中CCD模块及光学成像系统用来捕捉暗室中油滴的像，同时将图像信息传给主机的视频处理模块。实验过程中可以通过调焦旋钮来改变物距，使油滴的像清晰的呈现在计算机的显示屏上。3.2 采集卡采集卡又被称为视频捕捉卡，是机器视觉系统的重要组成部分，其功能是获取数字化视频信息将其存储和播放出来，并提供与PC的高速接口。多数视频采集卡能同时捕捉视频信息和音频信息，使视频部分和音频部分在数字化时同步保存、同步播放。 视频采集卡（Video Capture Card），可将视频信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上。视频采集卡是连接视频源和计算机的桥梁，所以在采集卡的板卡中都有两个连接设备，一个是连接视频源的视频接口，比如VGA接口、1394接口、DVI接口、USB接口等。连接计算机采用与主板相连，一般采用插槽系列或USB接口，而板卡扩展插槽主要有PCI插槽、PCI-E插槽、ISA插槽 、AGP插槽等。各接口之间通常是用视频线连接的。 图像采集卡信号采集流程一般是：从视频源得到的信号，经过视频接口送到视频采集卡，信号首先进过模数转换，然后送到数字解码器解码。模数转换器ADC实际上也是一个视频解码器，可以看出它对来自视频源的视频信号解码和数字化，另外，采用不同的颜以模拟信号的格式输出至图像采集卡色空间可选择不同的视频输入解码器芯片。 图3-2-1图像采集卡信号采集流程适用于机器视觉系统的图像采集卡与用于多媒体领域的图像采集卡不同，因其要实时完成高速、大数据量的图像数据采集，而需要具有完全不同的结构。在机器视觉系统中，图像采集卡必须与相机协调工作，才能完成特定的图像采集任务。除完成常规的A/D转换任务以外应用于机器视觉系统的图像采集卡还应具备以下功能：1、接收来自数字相机的高速数据流，并能通过计算机总线高速传输至机器视觉系统的存储器；2、为了提高数据率，许多相机具有多个输出通道，使几个像素可并行输出。此时，需要图像采集卡能对多通道输出的信号进行重新构造，恢复原始图像； 3、对相机及机器视觉系统中的其它模块(如光源等)进行功能控制。尽管图像采集卡的特性、尺寸及类型不同，但其结构基本相同。如图3-2-1为图像采集卡的基本模块。 图 3-2-2 图像采集卡基本模块本次密立根油滴实验所选用的采集卡是SDK2000 视频采集卡如图3-2-3所示。10MOONS SDK-2000是一款专门针对系统开发商的高品质PCI 视频卡。SDK-2000具备高速PCI总线，兼容即插即用(PNP)，支持一机多卡，具有高品质的视频采集性能，。图3-2-3 天敏SDK-2000采集卡SDK-2000提供了功能全面的二次开发包(简称SDK)。可以选择VC+、VisualBasic、Delphi等多种编程语言通过SDK进行开发，本系统采用的是VC+进行开发的。通过DS技术控制图像的输入端口，图像亮度，对比度，色度，灰度等输入信号，动态截取图像，以AVI格式进行录像侦测图像是否有移动目标等等。产品特性：PCI总线，兼容Windows即插即用(PNP)，安装简易显示分辨率可达640x480、24位真彩显示画面流畅不间断，每秒可达30帧动态捕捉影像以静态图像方式存盘，提供BMP，JPG，PCX，GIF，TIF，TGA等多种存盘格式影像窗口大小随意调整，可全屏显示提供动态AVI影像捕获，捕获存盘影像大小随意选择 兼容Windows VFW软件架构和WDM模式可连续动态捕捉影像以静态图像方式自动存盘系统需求：奔腾100MHz或以上处理器 16Mb或以上的系统内存 支持DirectX的VGA显示卡 Windows 95/Windows98或以上的视窗操作系统 通过以上叙述，我们就可以把摄像机拍摄的视频信号通过采集卡从摄像带上转存到计算机中,利用相关的视频编辑软件,对数字化的视频信号进行后期编辑处理,比如剪切画面,添加滤镱,字幕和音效,设置转场效果以及加入各种视频特效。3.3 图像处理软件 本论文图像处理部分所用的图像处理软件是Matlab 。Matlab不但提供了科学计算可视化系统仿真与数据分析等强大功能，还具有开放式的可扩展环境，及诸多的面向不同领域的工具箱，如通信工具箱、信号处理工具箱、系统辨识工具箱、图像处理工具箱、小波分析工具箱等。其中图像工具箱包括图像变换、图像增强、FIR滤波器、四叉树分解、滤波检测、二值化图像的操作等。本实验正是利用Matlab 中的图像处理工具箱的各种功能对油滴图像进行处理的。 第四章 图像处理在介绍了前面几章的内容后，接下来的图像处理这一章将主要介绍如何将采集到的图片进行处理。密立根油滴实验最终是要算出电荷质量，而由公式（2-7）我们知道其实验结果与油滴的下落距离有直接关系，这也决定着图像处理的好坏将直接影响实验的结果。 本章将依次介绍图像格式变换、图像去噪、图像的分割算法、边缘检测、图像增强等。4.1 图像格式变换4.1.1 BMP文件格式Bitmap简称BMP，BMP文件格式是有关图像数据的一种标准。它是一个像素点的矩阵。将这些像素点的颜色值保存到一个文件中，即为一个BMP文件。作为图像资源的BMP图像文件格式是非压缩的、系统可以直接针对图像中的各个像素进行处理等，其格式简单、适应性强。由于Windows3.0以后的BMP格式的图像与显示设备无关，称为DIB文件格式（设备无关位图）。BMP位图文件一般由四部分组成，如下表4-1所示。表4-1 BMP位图文件的组成位图文件的组成结构名称说明位图文件头BITMPFILEHE ADER数据结构长度为14B，主要表示位图类型和位图数据偏移位图信息头BITMAPINFOHE ADER位图信息头结构长度为40B，包含有位图文件的大小，压缩类型和颜色格式等彩色表RGBQUAD彩色表的表项数由位图信息头中的相应字段决定，每个表项是一个RGBQUAD结构，占4B位图数据阵列BYTE对于用到的彩色表的位图，图像数据就是该像素值在彩色表中的索引值1、位图文件头所有的DIB文件都含有一个共同的位图文件头，它包含有与设备无关的点阵位图文件的类型指示、数据偏移量、文件长度等信息。2、位图信息头位图信息位于位图文件头的后面，由位图信息头和彩色表组成。用BITMAPINFOHEADER结构定义，BITMAPINFOHEADER数据结构包含了图像的宽度、高度、压缩方法、颜色格式、颜色深度以及使用的颜色等信息。3、彩色表彩色表的大小一般为216或256个表项。位图数据阵列中每3个字节代表一个像素，这些字节直接定义了像素颜色中的红、绿、蓝的相对亮度。4、位图数据对于真彩色图，图像数据即为实际的,值；对于有彩色表的位图，图像数据即为该像素值在彩色表中对应的索引值。图像数据是由表示图像像素的连续的字节组成的，其字节数由图像的图像宽度和彩色数以及图像压缩方法决定。图像数据是按行存储的，存储时字节数是按照4的倍数的字节边界对齐的，不足的字节用0补，齐扫描行从最底一行开始存储。4.1.2 真彩图像变为索引图像索引图像是一种将像素值作为RGB调色板下标的图像。索引图像包括一个数据矩阵X，一个颜色映像矩阵Map（一个包含三列和若干行的数据矩阵），其每个元素值均为0,1之间的双精度浮点型数据。Map的每一行分别表示红色、绿色、和蓝色的颜色值。MATLAB中索引图像是从像素值到颜色映射表值的直接映射。像素颜色由数据矩阵X作为索引指向矩阵进行索引。 颜色映射表（调色板）通常与索引图像存储在一起，装载图像时，调色板将和图像一同自动装载。 索引模式的每个象素点有256种颜色容量，但它可以负载彩色。当图像转换成索引模式时，系统会会图像上的颜色自动归纳出能代表大多数的256种颜色，然后用这256种颜色来代替图像上所有的颜色信息。由于它最多只能有256种彩色，所以它所形成的文件相对其它彩色要小得多。索引模式还有另一个好处是它的每一个颜色都有其独立的索引标识。当这索引图像在网上发布时，只要根据它的索引标识就可将图像重新识别，其颜色就完全还原了。 将真彩图像转换为索引图像试验中所用的是MATLAB图像处理工具箱中的dither 函数，该函数通过颜色抖动（即改变像素边沿的颜色，使像素周围的颜色更近似于原始图像颜色，从而达到以空间分辨率换取颜色分辨率的目的）增加输出图像的颜色分辨率。进而实现图像转换。 该函数的调用格式为X=dither(RGB,map)表示将真彩图像RGB按指定的颜色映射表map抖动成索引图像X。通过dither函数变换前后的图像如下图所示。 a b (4-1-1 a为原图像 b为索引图像) 4.1.3 索引图像变为灰度图像灰度图像是指含亮度信息不含色彩信息的图像，如平时看到的黑白照片。如要表示灰度图像，就需要把亮度值进行量化，一般划分为0255个等级，0表示最暗，255表示最亮。灰度图像中图像的每个像素点的、值都一样；图像数据即为实际的的亮度值；因为是256色的调色板，所以图像数据中的一个字节代表一个像素。在MATLAB中，一幅灰度图像为一个数据矩阵I，I中的数据代表了一定范围内颜色灰度值。MATLAB中把灰度图像存储为一个数据矩阵，该矩阵中的元素分别代表图像中的像素。一般情况下，灰度图像和颜色映射表很少保存在一起。 用于显示的灰度图像通常用每个采样像素 8 位的非线性尺度来保存，这样可以有 256 级灰度。这种精度刚刚能够避免可见的条带失真，并且非常易于编程。在图像处理过程中灰度处理是进行其他处理的基础。将索引图像转化为灰度图像的调用函数为ind2gray。其调用格式为I=in2gray(X,map)。转化为的灰度图像如下图所示。 图4-1-2 灰度图像4.2 图像去噪数字图像在数字化和传输过程中，因受到成像设备和外部环境等各种噪声的干扰影响使图像质量下降而形成含噪图像，这对后面的图像处理将产生不利影响。影响图像质量的噪声源通常分为三类：电子噪声、光电子噪声、感光片颗粒噪声。减轻或去除数字图像中的噪声称为图像去噪，图像去噪抑制噪声，改善图像质量，便于高层次的处理。对图像的去噪处理通常分为空间域法和变换域法两类。空间域法是在原图像上直接进行各种处理；变换域法是在变换域上进行处理的，之后对变换后的系数进行处理，最后再进行反变换达到图像去噪的目的。为使所得图像更加清晰，在进行图像去噪之前可将图像反色处理。下图4-1-3为反色后再去除噪声后的图像。