论文部分内容阅读
【摘 要】传统的牛顿环测量方法用读数显微镜进行人工测量，该方法易造成眼睛疲劳且对手的操作精度要求较高，费时费力且误差大。设计的牛顿环检测系统达到了自动化检测牛顿环的目的。用CCD摄像头采集牛顿环，用LABVIEW编写程序读取牛顿环图像，用数字图像处理方法处理条纹并测量得出数据。该系统能检测和计算牛顿环条纹，数据误差小，操作难度低，省时省力，观察方便不易疲劳。
【关键词】LABVIEW；牛顿环；光电检测；
在做传统的牛顿环实验时需用读数显微镜进行人工观察和计数，因视差等原因导致观测的结果不准确，且人工计数效率低下，眼睛易疲劳并会造成误读。而用CCD 接收待测的干涉条纹图像信号，用LABVIEW软件代替眼睛进行测量可解决上面的问题。
一、图像采集系统的搭建
硬件主要有：读数显微镜装置、钠光灯、牛顿环仪、CCD摄像头、图像采集卡和电脑。先由读数显微镜、牛顿环仪、钠光灯组成牛顿环观察装置，调节牛顿环观察装置使得能在读数显微镜的目镜中观察到清晰的牛顿环图像。具体步骤：接通钠光源预热五分钟，待钠光灯发光稳定后调整读数显微镜的半反半透镜片，使得透过目镜观察到的视野最明亮。调整牛顿环仪的三个调节螺丝，在自然光的照射下能观察到牛顿环的干涉图样并将干涉条纹的中心移到牛顿环仪的中心附近，调节螺丝使牛顿环中心暗斑不要太大。调节读数显微镜同时观察目镜使得牛顿环图像处于目镜视野的中央，最后调焦得到清晰的牛顿环图像。在目镜端装上CCD摄像头，将CCD的视频输出插头插到电脑上的图像采集卡输入端。打开电脑，打开CCD电源开关，开始图像采集。
图像采集系统最终需得到清晰的牛顿环图像，在读数显微镜里观察到牛顿环的要求是：成像视场要求足够明亮；视场范围下尽量少出现杂点；能观察到的牛顿环环数要尽可能多。要保证牛顿环仪、读数显微镜和CCD摄像头的镜片没有污渍。要避免杂散光照射到牛顿环仪，最好在暗室里，只允许钠光灯发出的光照射到牛顿环仪上，同时调节半反半透镜的角度，得到明亮的图像。当能够观察到清晰的牛顿环后，在目镜端（目镜要去掉十字叉丝）安装CCD摄像头，将CCD摄像头与电脑中的图像采集卡相连；调节CCD摄像头与读数显微镜物镜之间的距离以得到具有更多环数的牛顿环图像。
二、LABVIEW编程与数据处理
在编程时会用到LABVIEW的NI视觉开发模块。它是一个图像处理模块可对图像用多种不同的图像处理方法进行处理，得到符合检测要求的图像。
（一）读取图像
用IMAQ Read File 函数可读取指定路径的图像，并显示在LABVIEW前面板上。在进行图像操作前，需为读取的图像在内存开辟一个区域存放，用IMAQ Create函数可为打开的图像提供缓存区。
（二）图像预处理
为满足后续图像检测的要求，需对读取到的图像做预处理。在该部分程序中，首先要提取灰度图。因采集到的原图像是32位的彩色图像，因此可用IMAQ Extract Single Color Plane函数提取其单个颜色面板的图像而得到8位的灰度图。接着用滤波的方法滤除图像噪声。经过用视觉助手实验后，证明用平滑滤波的方法效果较好。由IMAQ Get Kernel函数提供算子，然后经过IMAQ Convolute函数做卷积运算，达到了滤波的目的。为了进一步改善图片质量，突出图像中的目标物，可用图像增强的办法。其原理是改变图像的灰度级分布，从而增加图像的对比度。在NI的视觉模块中，可用函数IMAQ Math Lookup实现图像增强的目的。该函数提供了7个查找表：Linear（线性）、Log（对数）、Exp（指数）、Square（平方）、Square Root（平方根）、Power X（X次幂）和Power 1/X（1/X次幂）。实验证明：用Square（平方）增强方法效果最好。在图像预处理的最后一部分，使用了形态学的处理方法。通过IMAQ Gray Morphology函数对图像做开运算处理，取得了很好的效果。经过上述步骤的处理，图像质量得到了很好的改善，达到了图像检测的要求。
（三）图像检测
程序处理的最终目的是能够检测出牛顿环图像的圆环并测量其半径大小，因此首先需识别出图像中的每个圆。用函数IMAQ Detect Shapes可检测牛顿环图像中的圆。应用该函数可测量出每一个圆的半径大小，单位为像素。为了将以像素为单位的半径大小转换成实际长度，编写了一个定标程序。在相同的牛顿环采集设备下，对一张印有一定长度的线段的白纸成像，采集其照片，最后用定标程序检测出这条线段的长度所占的像素个数，从而求出实际长度与像素的对应关系。应用该关系可将以像素为单位的值转化成实际长度值。最后将相邻的两个圆的半径相加再除以2就得到了圆环的半径。
三、结论
该设计很好地完成了替代人工来测量牛顿环的工作，使得测量工作更加方便快捷，也很好地避免了人工测量时因手误和眼睛观察不准确等原因带来的误差。采集到的牛顿环可在电脑上显示，因此允许很多人一起观看研究和分析。因LABVIEW易操作、界面友好直观的特点，所以测量者可很轻松地更改相关参数，并能得到实时的分析数据。
参考文献：
[1]冈萨雷斯.数字图像处理（MATLAB版）[M].北京：电子工业出版社，2008：252-284.
[2]孙穗.基于LABVIEW的牛顿环实验改进[J].中国科技信息，2008（22）：288-290.
[3]刘崧，戚小平，钟双英.用CCD成像系统观测牛顿环[J].江西科学，2005，23（4）：405-407.
[4]朱宏娜，常相辉，吴晓立，等.CCD技术在大学物理实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2010，08（4）：6-7.
【关键词】LABVIEW；牛顿环；光电检测；
在做传统的牛顿环实验时需用读数显微镜进行人工观察和计数，因视差等原因导致观测的结果不准确，且人工计数效率低下，眼睛易疲劳并会造成误读。而用CCD 接收待测的干涉条纹图像信号，用LABVIEW软件代替眼睛进行测量可解决上面的问题。
一、图像采集系统的搭建
硬件主要有：读数显微镜装置、钠光灯、牛顿环仪、CCD摄像头、图像采集卡和电脑。先由读数显微镜、牛顿环仪、钠光灯组成牛顿环观察装置，调节牛顿环观察装置使得能在读数显微镜的目镜中观察到清晰的牛顿环图像。具体步骤：接通钠光源预热五分钟，待钠光灯发光稳定后调整读数显微镜的半反半透镜片，使得透过目镜观察到的视野最明亮。调整牛顿环仪的三个调节螺丝，在自然光的照射下能观察到牛顿环的干涉图样并将干涉条纹的中心移到牛顿环仪的中心附近，调节螺丝使牛顿环中心暗斑不要太大。调节读数显微镜同时观察目镜使得牛顿环图像处于目镜视野的中央，最后调焦得到清晰的牛顿环图像。在目镜端装上CCD摄像头，将CCD的视频输出插头插到电脑上的图像采集卡输入端。打开电脑，打开CCD电源开关，开始图像采集。
图像采集系统最终需得到清晰的牛顿环图像，在读数显微镜里观察到牛顿环的要求是：成像视场要求足够明亮；视场范围下尽量少出现杂点；能观察到的牛顿环环数要尽可能多。要保证牛顿环仪、读数显微镜和CCD摄像头的镜片没有污渍。要避免杂散光照射到牛顿环仪，最好在暗室里，只允许钠光灯发出的光照射到牛顿环仪上，同时调节半反半透镜的角度，得到明亮的图像。当能够观察到清晰的牛顿环后，在目镜端（目镜要去掉十字叉丝）安装CCD摄像头，将CCD摄像头与电脑中的图像采集卡相连；调节CCD摄像头与读数显微镜物镜之间的距离以得到具有更多环数的牛顿环图像。
二、LABVIEW编程与数据处理
在编程时会用到LABVIEW的NI视觉开发模块。它是一个图像处理模块可对图像用多种不同的图像处理方法进行处理，得到符合检测要求的图像。
（一）读取图像
用IMAQ Read File 函数可读取指定路径的图像，并显示在LABVIEW前面板上。在进行图像操作前，需为读取的图像在内存开辟一个区域存放，用IMAQ Create函数可为打开的图像提供缓存区。
（二）图像预处理
为满足后续图像检测的要求，需对读取到的图像做预处理。在该部分程序中，首先要提取灰度图。因采集到的原图像是32位的彩色图像，因此可用IMAQ Extract Single Color Plane函数提取其单个颜色面板的图像而得到8位的灰度图。接着用滤波的方法滤除图像噪声。经过用视觉助手实验后，证明用平滑滤波的方法效果较好。由IMAQ Get Kernel函数提供算子，然后经过IMAQ Convolute函数做卷积运算，达到了滤波的目的。为了进一步改善图片质量，突出图像中的目标物，可用图像增强的办法。其原理是改变图像的灰度级分布，从而增加图像的对比度。在NI的视觉模块中，可用函数IMAQ Math Lookup实现图像增强的目的。该函数提供了7个查找表：Linear（线性）、Log（对数）、Exp（指数）、Square（平方）、Square Root（平方根）、Power X（X次幂）和Power 1/X（1/X次幂）。实验证明：用Square（平方）增强方法效果最好。在图像预处理的最后一部分，使用了形态学的处理方法。通过IMAQ Gray Morphology函数对图像做开运算处理，取得了很好的效果。经过上述步骤的处理，图像质量得到了很好的改善，达到了图像检测的要求。
（三）图像检测
程序处理的最终目的是能够检测出牛顿环图像的圆环并测量其半径大小，因此首先需识别出图像中的每个圆。用函数IMAQ Detect Shapes可检测牛顿环图像中的圆。应用该函数可测量出每一个圆的半径大小，单位为像素。为了将以像素为单位的半径大小转换成实际长度，编写了一个定标程序。在相同的牛顿环采集设备下，对一张印有一定长度的线段的白纸成像，采集其照片，最后用定标程序检测出这条线段的长度所占的像素个数，从而求出实际长度与像素的对应关系。应用该关系可将以像素为单位的值转化成实际长度值。最后将相邻的两个圆的半径相加再除以2就得到了圆环的半径。
三、结论
该设计很好地完成了替代人工来测量牛顿环的工作，使得测量工作更加方便快捷，也很好地避免了人工测量时因手误和眼睛观察不准确等原因带来的误差。采集到的牛顿环可在电脑上显示，因此允许很多人一起观看研究和分析。因LABVIEW易操作、界面友好直观的特点，所以测量者可很轻松地更改相关参数，并能得到实时的分析数据。
参考文献：
[1]冈萨雷斯.数字图像处理（MATLAB版）[M].北京：电子工业出版社，2008：252-284.
[2]孙穗.基于LABVIEW的牛顿环实验改进[J].中国科技信息，2008（22）：288-290.
[3]刘崧，戚小平，钟双英.用CCD成像系统观测牛顿环[J].江西科学，2005，23（4）：405-407.
[4]朱宏娜，常相辉，吴晓立，等.CCD技术在大学物理实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2010，08（4）：6-7.