圖像處理技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探究*

*基金項(xiàng)目：遼寧省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：s202210146049

打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是現(xiàn)階段高中常用的物理實(shí)驗(yàn)儀器，廣泛應(yīng)用于許多力學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其是對(duì)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶的選擇和數(shù)據(jù)的處理與科學(xué)分析是目前高考實(shí)驗(yàn)的考察重點(diǎn)。是學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析能力考察的重要體現(xiàn)。

在“探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶研究物體運(yùn)動(dòng)的加速度得到了具體的應(yīng)用。在該實(shí)驗(yàn)中學(xué)生通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶可以測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，圖像處理越來越多應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中來。傳統(tǒng)的人為數(shù)據(jù)讀取與測(cè)量帶有一定的主觀性，并且精度也難以保障，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法產(chǎn)生的誤差較大，而且實(shí)驗(yàn)過程耗力耗時(shí)，對(duì)學(xué)生來講也很容易引起視覺疲勞進(jìn)而影響對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性^[2]。該方法便是將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)做到了有效融合，發(fā)揮了圖像處理技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的積極作用。該系統(tǒng)便可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，將得到的準(zhǔn)確值與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，便于老師的評(píng)判與教學(xué)。

1 物理實(shí)驗(yàn)案例分析

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

“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/em>

學(xué)生應(yīng)按照高中物理教材必修1 第4 章第2 節(jié)的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行。經(jīng)過學(xué)生實(shí)驗(yàn)，會(huì)得到多條帶點(diǎn)紙帶，首先由學(xué)生進(jìn)行計(jì)算，再由教師進(jìn)行圖像識(shí)別，計(jì)算加速度，分析如下：

系統(tǒng)對(duì)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(shè)上圖兩點(diǎn)之間的時(shí)間為Δt，由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可知，一般：

Δt=0.02s   (1)

現(xiàn)該系統(tǒng)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(jì)數(shù)點(diǎn)，識(shí)別前，該點(diǎn)之前的點(diǎn)由教師人為去除，不進(jìn)行圖像識(shí)別，利用式(1) 的推導(dǎo)公式得( 以識(shí)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，并以此類推進(jìn)行逐差：

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 硬件組成

一端附有滑輪的長(zhǎng)木板、一個(gè)能載物的小車、細(xì)線、重物、天秤、砝碼、打點(diǎn)計(jì)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(jì)算準(zhǔn)確度的根本。本系統(tǒng)采用COGNEX工業(yè)攝像機(jī)，因?yàn)樵撓鄼C(jī)可用于區(qū)域掃描和線掃描，與本系統(tǒng)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(wěn)定連接，在同時(shí)連接多個(gè)考試系統(tǒng)時(shí)也能保證圖像處理的準(zhǔn)確性，做到多點(diǎn)檢測(cè)、精準(zhǔn)檢測(cè)。

PC端選擇使用電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果的采集，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 軟件組成

軟件方面選擇使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。采用LabVIEW的原因首先是LabVIEW 支持Windows、MacOS X、Linux等多種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，這種跨平臺(tái)特性在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代是非常重要的。即使國(guó)內(nèi)外學(xué)校資源與電腦具有差異，依舊可以進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用，保證了該系統(tǒng)的普適性。并且LabVIEW 的軟件界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)相獨(dú)立，對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行修改無須調(diào)整整個(gè)程序。LabVIEW利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，使程序簡(jiǎn)單明了，充分發(fā)揮了G 語言（圖形化編程語言）的優(yōu)點(diǎn)，使虛擬儀器的開發(fā)周期大大縮短，保證了該系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性、高效性。

整體系統(tǒng)分析如圖4 所示：

圖4 整體系統(tǒng)分析圖

3 圖像識(shí)別方法

圖像處理是整個(gè)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的關(guān)鍵部分，將紙條信息處理的好壞決定了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，為提高檢測(cè)結(jié)果的精度，本系統(tǒng)綜合考量了多種圖像處理的方法，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，將多種高效方法相互結(jié)合，有效的提高了系統(tǒng)檢測(cè)紙條的效率及準(zhǔn)確度。圖像處理部分包括以下幾個(gè)內(nèi)容：轉(zhuǎn)化為灰度圖像、圖像二值化、圖像濾波、目標(biāo)點(diǎn)的檢測(cè)、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(tǒng)主要用于紙條上點(diǎn)的檢測(cè)，則需要將紙條上的明暗區(qū)域區(qū)分出來，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(zhuǎn)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(tǒng)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 取值的二值圖像過程, 閾值為T，即：

對(duì)紙條進(jìn)行二值化處理后，打點(diǎn)計(jì)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(duì)后期線剖面圖的處理會(huì)有較大的影響，因此在進(jìn)行點(diǎn)位識(shí)別前進(jìn)行濾波降噪處理尤為重要。本系統(tǒng)采用高斯濾波進(jìn)行降噪處理。

3.4 目標(biāo)點(diǎn)的檢測(cè)與距離分析

目標(biāo)點(diǎn)的檢測(cè)采取Line Profi le 線剖面圖進(jìn)行點(diǎn)位采集，線剖面圖會(huì)顯示圖像中的一條線上的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值，其信息類似于一個(gè)函數(shù)的直方圖。

由于圖像經(jīng)過了灰度化、二值化、濾波處理，當(dāng)線經(jīng)過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打過的點(diǎn)時(shí)，函數(shù)的直方圖會(huì)出現(xiàn)陡然變化。系統(tǒng)將突變的坐標(biāo)點(diǎn)(x, y)以及其灰度值進(jìn)行記錄，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，把得到的坐標(biāo)點(diǎn)相互之間進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行比例式計(jì)算，將得到的值轉(zhuǎn)化為實(shí)際紙帶兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度值L₁ ，設(shè)紙帶圖像兩點(diǎn)間像素點(diǎn)為L₂ ，以下為公式推導(dǎo)，以兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為例：

為得到紙條真實(shí)長(zhǎng)度，應(yīng)計(jì)算圖像所占像素?cái)?shù)與現(xiàn)實(shí)長(zhǎng)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(dǎo)如下：

識(shí)別出刻度尺0 cm~1 cm處在圖像中所占像素?cái)?shù)為L₃ ，方法同點(diǎn)間距測(cè)量方式

   (15)

L₂、L₃為數(shù)據(jù)分析結(jié)果，經(jīng)過計(jì)算即可得出兩點(diǎn)間現(xiàn)實(shí)長(zhǎng)度L₁，便可得到實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果：

   (16)

目標(biāo)點(diǎn)的檢測(cè)圖結(jié)果如圖6 所示：

圖6 目標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)示意圖

由圖可以直觀看出，當(dāng)經(jīng)過目標(biāo)點(diǎn)，波形圖會(huì)陡然下降，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)出數(shù)據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，如圖7所示：

圖7 線剖圖檢測(cè)

4 結(jié)束語

圖8所示為導(dǎo)出數(shù)據(jù)圖示。

圖8 導(dǎo)出數(shù)據(jù)圖示(部分)

由圖8 可知，根據(jù)Value 值的變化確定目標(biāo)點(diǎn)的位置，得到(x, y)值。系統(tǒng)計(jì)算所得 1 cm 所占像素點(diǎn)為169 個(gè)，經(jīng)過系統(tǒng)分析紙帶各點(diǎn)間距離，通過比例 計(jì)算式所得加速度與現(xiàn)實(shí)測(cè)量后計(jì)算所得加速度偏差為0.96%，在誤差允許范圍之內(nèi)。

由此可知，圖像處理技術(shù)能夠順利完成對(duì)物理實(shí)驗(yàn)正確性的判斷。對(duì)于老師保證了檢測(cè)的高效性，節(jié)約了考試時(shí)間。對(duì)于學(xué)生提高了實(shí)驗(yàn)的積極性，保證了成績(jī)的準(zhǔn)確性。

該項(xiàng)技術(shù)今后可以開發(fā)更多種算法，可以應(yīng)用于其它實(shí)驗(yàn)，具有較好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）