圖像處理技術(shù)在物理實(shí)驗中的應用探究*

*基金項目：遼寧省創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練項目，項目編號：s202210146049

打點(diǎn)計時(shí)器是現階段高中常用的物理實(shí)驗儀器，廣泛應用于許多力學(xué)實(shí)驗，尤其是對于打點(diǎn)計時(shí)器紙帶的選擇和數據的處理與科學(xué)分析是目前高考實(shí)驗的考察重點(diǎn)。是學(xué)生實(shí)驗分析能力考察的重要體現。

在“探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”學(xué)生實(shí)驗中，運用打點(diǎn)計時(shí)器紙帶研究物體運動(dòng)的加速度得到了具體的應用。在該實(shí)驗中學(xué)生通過(guò)打點(diǎn)計時(shí)器紙帶可以測出不同質(zhì)量物體受相同力的加速度和相同質(zhì)量物體受不同力的加速度，進(jìn)行圖像分析，得出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系^[1]。

計算機技術(shù)的普及，圖像處理越來(lái)越多應用于教學(xué)實(shí)驗中來(lái)。傳統的人為數據讀取與測量帶有一定的主觀(guān)性，并且精度也難以保障，處理實(shí)驗數據的方法產(chǎn)生的誤差較大，而且實(shí)驗過(guò)程耗力耗時(shí)，對學(xué)生來(lái)講也很容易引起視覺(jué)疲勞進(jìn)而影響對實(shí)驗的積極性^[2]。該方法便是將現代科學(xué)技術(shù)與傳統物理實(shí)驗做到了有效融合，發(fā)揮了圖像處理技術(shù)在物理實(shí)驗中的積極作用。該系統便可對實(shí)驗結果進(jìn)行計算，將得到的準確值與學(xué)生的實(shí)驗值進(jìn)行對比，便于老師的評判與教學(xué)。

1 物理實(shí)驗案例分析

通過(guò)“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗，探究圖像處理技術(shù)在物理實(shí)驗中的應用。

“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗模型如圖1 所示：

圖1 實(shí)驗模型

學(xué)生應按照高中物理教材必修1 第4 章第2 節的實(shí)驗流程進(jìn)行。經(jīng)過(guò)學(xué)生實(shí)驗，會(huì )得到多條帶點(diǎn)紙帶，首先由學(xué)生進(jìn)行計算，再由教師進(jìn)行圖像識別，計算加速度，分析如下：

系統對紙帶進(jìn)行加速度分析，會(huì )用到公式：

Δx=aT²

如圖2紙帶所示：

圖2 紙帶圖示

設上圖兩點(diǎn)之間的時(shí)間為Δt，由打點(diǎn)計時(shí)器可知，一般：

Δt=0.02s   (1)

現該系統用“逐差法”求加速度^[3]，并且從紙帶中選擇點(diǎn)跡清晰部分中的某個(gè)點(diǎn)作為第1 個(gè)計數點(diǎn)，識別前，該點(diǎn)之前的點(diǎn)由教師人為去除，不進(jìn)行圖像識別，利用式(1) 的推導公式得( 以識別到7 個(gè)點(diǎn)為例)：

x_n?x_m=(n?m)aΔt²   (2)

均分兩端，用后一段的末段減去前一段的末段，后一半的中段減去前一半的中段，并以此類(lèi)推進(jìn)行逐差：

2 實(shí)驗系統

2.1 硬件組成

一端附有滑輪的長(cháng)木板、一個(gè)能載物的小車(chē)、細線(xiàn)、重物、天秤、砝碼、打點(diǎn)計時(shí)器、學(xué)生電源、紙帶、刻度尺、攝像頭、千兆寬帶、電腦。圖像處理中，攝像頭的選取尤為重要，是保證圖像清晰度和后期計算準確度的根本。本系統采用COGNEX工業(yè)攝像機，因為該相機可用于區域掃描和線(xiàn)掃描，與本系統的需求相符。

千兆寬帶選擇光纖千兆寬帶，選擇它的原因是它可以提供更高的速度和更穩定連接，在同時(shí)連接多個(gè)考試系統時(shí)也能保證圖像處理的準確性，做到多點(diǎn)檢測、精準檢測。

PC端選擇使用電腦進(jìn)行數據處理以及結果的采集，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗裝置圖

2.2 軟件組成

軟件方面選擇使用LabVIEW實(shí)現系統功能。采用LabVIEW的原因首先是LabVIEW 支持Windows、MacOS X、Linux等多種計算機操作系統，這種跨平臺特性在當今的網(wǎng)絡(luò )化時(shí)代是非常重要的。即使國內外學(xué)校資源與電腦具有差異，依舊可以進(jìn)行系統的應用，保證了該系統的普適性。并且LabVIEW 的軟件界面設計與功能設計相獨立，對人機界面進(jìn)行修改無(wú)須調整整個(gè)程序。LabVIEW利用數據流框圖接收指令，使程序簡(jiǎn)單明了，充分發(fā)揮了G 語(yǔ)言（圖形化編程語(yǔ)言）的優(yōu)點(diǎn)，使虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期大大縮短，保證了該系統的簡(jiǎn)便性、高效性。

整體系統分析如圖4 所示：

圖4 整體系統分析圖

3 圖像識別方法

圖像處理是整個(gè)實(shí)驗檢測的關(guān)鍵部分，將紙條信息處理的好壞決定了實(shí)驗的準確性，為提高檢測結果的精度，本系統綜合考量了多種圖像處理的方法，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，將多種高效方法相互結合，有效的提高了系統檢測紙條的效率及準確度。圖像處理部分包括以下幾個(gè)內容：轉化為灰度圖像、圖像二值化、圖像濾波、目標點(diǎn)的檢測、距離分析。具體流程如圖5 所示：

圖5 圖像處理流程

3.1 圖像灰度處理

本系統主要用于紙條上點(diǎn)的檢測，則需要將紙條上的明暗區域區分出來(lái)，所以選擇抽取HSL-Lu-minance Plane，即抽取亮度平面^[4]。其中的L(lightness) 是關(guān)于色彩明度的分量，用于控制圖像中色彩的明暗變化。取值范圍為0%~100%，色彩越亮越接近于白色，反之則越接近于黑色，可以用于把圖像中的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行明暗度分析，轉化為自己想要的黑白圖像。

3.2 圖像二值化

由于在信息的直接提取方面，灰度圖像依舊比較困難，該系統會(huì )將圖片進(jìn)行二值化處理^[5]。圖像二值化處理指的是將得到的灰度圖像變化成0，1 取值的二值圖像過(guò)程, 閾值為T(mén)，即：

對紙條進(jìn)行二值化處理后，打點(diǎn)計時(shí)器所打點(diǎn)處為黑色，其余部分為白色。

3.3 圖像濾波

由于噪聲對后期線(xiàn)剖面圖的處理會(huì )有較大的影響，因此在進(jìn)行點(diǎn)位識別前進(jìn)行濾波降噪處理尤為重要。本系統采用高斯濾波進(jìn)行降噪處理。

3.4 目標點(diǎn)的檢測與距離分析

目標點(diǎn)的檢測采取Line Profi le 線(xiàn)剖面圖進(jìn)行點(diǎn)位采集，線(xiàn)剖面圖會(huì )顯示圖像中的一條線(xiàn)上的像素點(diǎn)對應的灰度值，其信息類(lèi)似于一個(gè)函數的直方圖。

由于圖像經(jīng)過(guò)了灰度化、二值化、濾波處理，當線(xiàn)經(jīng)過(guò)打點(diǎn)計時(shí)器打過(guò)的點(diǎn)時(shí)，函數的直方圖會(huì )出現陡然變化。系統將突變的坐標點(diǎn)(x, y)以及其灰度值進(jìn)行記錄，并將數據導出，把得到的坐標點(diǎn)相互之間進(jìn)行計算，最后進(jìn)行比例式計算，將得到的值轉化為實(shí)際紙帶兩點(diǎn)間的長(cháng)度值L₁ ，設紙帶圖像兩點(diǎn)間像素點(diǎn)為L₂ ，以下為公式推導，以?xún)蓚€(gè)坐標點(diǎn)為例：

為得到紙條真實(shí)長(cháng)度，應計算圖像所占像素數與現實(shí)長(cháng)度間的比例關(guān)系。在拍照時(shí)，將紙條與一個(gè)刻度尺并排平行拍攝，具體推導如下：

識別出刻度尺0 cm~1 cm處在圖像中所占像素數為L₃ ，方法同點(diǎn)間距測量方式

   (15)

L₂、L₃為數據分析結果，經(jīng)過(guò)計算即可得出兩點(diǎn)間現實(shí)長(cháng)度L₁，便可得到實(shí)驗計算結果：

   (16)

目標點(diǎn)的檢測圖結果如圖6 所示：

圖6 目標點(diǎn)檢測示意圖

由圖可以直觀(guān)看出，當經(jīng)過(guò)目標點(diǎn)，波形圖會(huì )陡然下降，從而實(shí)現檢測出數據目標點(diǎn)的準確位置，如圖7所示：

圖7 線(xiàn)剖圖檢測

4 結束語(yǔ)

圖8所示為導出數據圖示。

圖8 導出數據圖示(部分)

由圖8 可知，根據Value 值的變化確定目標點(diǎn)的位置，得到(x, y)值。系統計算所得 1 cm 所占像素點(diǎn)為169 個(gè)，經(jīng)過(guò)系統分析紙帶各點(diǎn)間距離，通過(guò)比例 計算式所得加速度與現實(shí)測量后計算所得加速度偏差為0.96%，在誤差允許范圍之內。

由此可知，圖像處理技術(shù)能夠順利完成對物理實(shí)驗正確性的判斷。對于老師保證了檢測的高效性，節約了考試時(shí)間。對于學(xué)生提高了實(shí)驗的積極性，保證了成績(jì)的準確性。

該項技術(shù)今后可以開(kāi)發(fā)更多種算法，可以應用于其它實(shí)驗，具有較好的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1] 魏明.打點(diǎn)計時(shí)器紙帶在高中物理實(shí)驗中的應用及其分析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2018,47(11):33-36.

[2] 陸雪媚,周厚兵,王云亮,等.計算機圖像處理技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)和科研中的應用[J].廣西物理,2019,40(1):48-51.

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[5] 趙苓,姚靜.基于圖像分析的多參數物料檢測系統研究[J].機電工程,2014,31(3):295-300.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）