圖像處理技術在物理實驗中的應用探究*

*基金項目：遼寧省創新創業訓練項目，項目編號：s202210146049

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

在“探究物體的加速度與力、質量的關系”學生實驗中，運用打點計時器紙帶研究物體運動的加速度得到了具體的應用。在該實驗中學生通過打點計時器紙帶可以測出不同質量物體受相同力的加速度和相同質量物體受不同力的加速度，進行圖像分析，得出加速度與力、質量的關系^[1]。

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

1 物理實驗案例分析

通過“加速度與力、質量的關系”實驗，探究圖像處理技術在物理實驗中的應用。

“加速度與力、質量的關系”實驗模型如圖1 所示：

圖1 實驗模型

學生應按照高中物理教材必修1 第4 章第2 節的實驗流程進行。經過學生實驗，會得到多條帶點紙帶，首先由學生進行計算，再由教師進行圖像識別，計算加速度，分析如下：

系統對紙帶進行加速度分析，會用到公式：

Δx=aT²

如圖2紙帶所示：

圖2 紙帶圖示

設上圖兩點之間的時間為Δt，由打點計時器可知，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跡清晰部分中的某個點作為第1 個計數點，識別前，該點之前的點由教師人為去除，不進行圖像識別，利用式(1) 的推導公式得( 以識別到7 個點為例)：

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，并以此類推進行逐差：

2 實驗系統

2.1 硬件組成

一端附有滑輪的長木板、一個能載物的小車、細線、重物、天秤、砝碼、打點計時器、學生電源、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工業攝像機，因為該相機可用于區域掃描和線掃描，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，在同時連接多個考試系統時也能保證圖像處理的準確性，做到多點檢測、精準檢測。

PC端選擇使用電腦進行數據處理以及結果的采集，如圖3所示。

圖3 實驗裝置圖

2.2 軟件組成

軟件方面選擇使用LabVIEW實現系統功能。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絡化時代是非常重要的。即使國內外學校資源與電腦具有差異，依舊可以進行系統的應用，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，對人機界面進行修改無須調整整個程序。LabVIEW利用數據流框圖接收指令，使程序簡單明了，充分發揮了G 語言（圖形化編程語言）的優點，使虛擬儀器的開發周期大大縮短，保證了該系統的簡便性、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

圖像處理是整個實驗檢測的關鍵部分，將紙條信息處理的好壞決定了實驗的準確性，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，對其優缺點進行了比較，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內容：轉化為灰度圖像、圖像二值化、圖像濾波、目標點的檢測、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的檢測，則需要將紙條上的明暗區域區分出來，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點進行明暗度分析，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，該系統會將圖片進行二值化處理^[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：

對紙條進行二值化處理后，打點計時器所打點處為黑色，其余部分為白色。

3.3 圖像濾波

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

3.4 目標點的檢測與距離分析

目標點的檢測采取Line Profi le 線剖面圖進行點位采集，線剖面圖會顯示圖像中的一條線上的像素點對應的灰度值，其信息類似于一個函數的直方圖。

由于圖像經過了灰度化、二值化、濾波處理，當線經過打點計時器打過的點時，函數的直方圖會出現陡然變化。系統將突變的坐標點(x, y)以及其灰度值進行記錄，并將數據導出，把得到的坐標點相互之間進行計算，最后進行比例式計算，將得到的值轉化為實際紙帶兩點間的長度值L₁ ，設紙帶圖像兩點間像素點為L₂ ，以下為公式推導，以兩個坐標點為例：

為得到紙條真實長度，應計算圖像所占像素數與現實長度間的比例關系。在拍照時，將紙條與一個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 ，方法同點間距測量方式

   (15)

L₂、L₃為數據分析結果，經過計算即可得出兩點間現實長度L₁，便可得到實驗計算結果：

   (16)

目標點的檢測圖結果如圖6 所示：

圖6 目標點檢測示意圖

由圖可以直觀看出，當經過目標點，波形圖會陡然下降，從而實現檢測出數據目標點的準確位置，如圖7所示：

圖7 線剖圖檢測

4 結束語

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的位置，得到(x, y)值。系統計算所得 1 cm 所占像素點為169 個，經過系統分析紙帶各點間距離，通過比例 計算式所得加速度與現實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，圖像處理技術能夠順利完成對物理實驗正確性的判斷。對于老師保證了檢測的高效性，節約了考試時間。對于學生提高了實驗的積極性，保證了成績的準確性。

該項技術今后可以開發更多種算法，可以應用于其它實驗，具有較好的發展前景。

參考文獻：

[1] 魏明.打點計時器紙帶在高中物理實驗中的應用及其分析[J].中學物理教學參考,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在大學物理實驗教學和科研中的應用[J].廣西物理,2019,40(1):48-51.

[3] 岳華.打點計時器紙帶處理方法的總結[J].學苑教育,2012(11):70+83.

[4] 費浩雯,孫晨琳,何思銘.基于NI Vision的齒輪齒數和齒距的機器視覺測量系統設計[J].電腦知識與技術,2019,15(03):232-234.

[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.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年6月期）