CN110213509A - 一种ccd自适应积分时间与频谱可视化系统 - Google Patents

一种ccd自适应积分时间与频谱可视化系统 Download PDF

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Abstract

一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，包括频谱分布数据采集部分、参数估计部分、文件管理部分和频谱图绘制部分，利用WIFI，采用TCP协议与频谱分布数据采集装置交互，频谱分布数据的获取、处理、保存和可视化显示。在光源强度未知的条件下，给出的控制CCD曝光时间的自适应积分时间算法，既使得CCD具有充分的曝光时间，又不致其处于饱和状态；APP采用了双缓冲机制解决可视化过程中频谱图加载缓慢和卡顿的现象。本发明提供的自适应积分时间和双缓冲机制，不仅使得检测到的频谱数据更加合理，还显著提高了用户体验性。

Description

一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统
技术领域
本发明涉及一种能够进行与服务端实时通信、自适应设置CCD积分时间、进行数据传输处理与显示的频谱检测系统，属于频谱检测技术领域。
技术背景
随着现代电子技术和计算机技术的飞速发展，频谱分析技术得到了飞速发展，与常规检测方法相比，其优点是灵敏、迅速、高效、准确。目前，频谱分析技术广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等部门，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文勘察时必不可少的分析手段。
一套完整的频谱分析系统主要由两部分组成，一是采集频谱分布数据的装置，另一个是用专业处理软件按照某些算法对采集到的频谱信息进行处理。随着现代社会技术的不断发展，拥有智能、便携方便、友好用户交互的平台及设备已经成为未来科技发展的需求。随着“互联网+”的到来，移动智能终端设备也在高速发展，在移动智能终端设备上建立一套完整的频谱分析系统已经成为频谱分析技术发展的主流趋势。
经对现有文件的检索，查找到中国专利申请号CN201511031769，名称为“一种光谱检测系统及其采用无线数据连接的光谱检测仪”。该发明提供了一种采用无线技术连接的光谱检测仪。该光谱检测仪存在以下几种缺陷：一是未能实现自动设置CCD感光元件的曝光时间，这样如若曝光时间不合理，则得到的数据存在较大误差；二是未能实现频谱图的绘制，不利于数据的可视化分析；三是未能解决数据和频谱图显示过程中可能会出现的延迟卡顿线性，人机交互体验差。专利申请号为“CN200310124752.0”，名称为“线阵CCD光积分时间自适应控制方法及装置”。该设计提供了通过线性估算得到CCD光积分时间的自适应控制方法，该方法的最大不足之处是：CCD的输出与积分时间之间不是完全线性的，并且当积分时间不充分或者过饱和时，与理想线性值之间的相对误差非常大。如果在CCD感光元件的非线性区间采用线性方法会对频谱分布数据的测量带来较大误差，导致后续参数估算不可靠的问题。
发明内容
为了解决现有技术的上述不足，本发明要提供了一种基于WIFI无线数据传输的自适应调控积分时间、数据可视化的CCD频谱检测分析系统，实现了频谱分布数据的快速获取、处理和可视化显示的功能。智能手机APP软件根据频谱分布数据采集端返回的频谱分布数据自适应调整积分时间；基于Android开发的View类实现图形的绘制，采用不同离散波长下的RGB颜色分量对绘制的曲线进行填充，提高了数据的可视化分析；采用双缓冲机制解决了色品图展示过程中延迟卡顿现象，提高了人机交互的体验性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，所述的CCD自适应积分时间与频谱可视化系统包括频谱分布数据采集部分、参数估计部分、文件管理部分和频谱图绘制部分，所述频谱分布数据采集部分通过智能手机的WIFI连接频谱分布采集装置，从装置中获取频谱分布数据；参数估计部分通过频谱数据求出相应的参数，并将其展示在ListView中；所述频谱绘制部分基于Android开发的View类实现图形的绘制，并采用双缓冲机制加快色品图的展示，解决了可视化过程中频谱图加载缓慢和卡顿的问题；所述文件管理部分从服务端获得的频谱数据保存到SD卡中。
进一步，频谱可视化系统APP利用智能手机的WIFI，采样socket与频谱分布采集装置交互，设定装置上的IP地址为192.168.4.1，端口号为8001，当装置接收到APP下发的数据采集指令后，按照指令指定的积分时间进行频谱分布数据采集并回传数据。
再进一步，所述频谱分布采集装置CCD的积分时间是由频谱可视化系统APP软件自适应控制的，CCD的输出与积分时间之间不是完全线性的，当积分时间不充分或者过饱和时，与理想线性值之间的相对误差非常大，导致了后续参数估计不可靠的问题；APP对采集到的频谱分布数据进行分析，如果数据处于饱和状态，说明光源太强或者积分时间太长，需要降低积分时间；如果数据偏低，说明积分时间太短，需要增加积分时间。
优选的，记线阵CCD包含的光传感器像素点个数为N，第k个像素点对应的波长为λk，第k个像素点的零漂为Vd，k，像素点的最大饱和输出电压为Vsat，比例系数C1＝C2＝2，CCD积分时间自适应控制方法包括以下步骤：
1)令i＝0，给定一个较短的积分时间ti；
2)向采集装置发送命令，获得积分时间为ti、包含了零漂的每个像素点的输出电压
3)减去零漂Vd，k，得到仅与积分时间相关的频谱分布数据Vk(ti)，也即Vk(ti)包含了测量误差；
4)对Vk(ti)作归一化处理，得到相对电压值，也即RVk(ti)＝Vk(ti)/Vsat；
5)把归一化区间[0，1]划分为积分时间不充分区[0，1/8)、积分过饱和区(7/8，1]和线性区[1/8，7/8]，记RVi为第i次积分时间N个相对电压值中的最大值，也即RVi＝maxkRVk(ti)，根据RVi落在哪个区间，得到下一次测量的积分时间ti+1，也即
式中，在这里，假定了RVi＝1/2时的ti为最优的积分时间，因为它兼顾了积分时间和CCD的输出值；
6)当RVi∈[1/4，3/4]时，如果i≥1，并且RVi-1在非线性区间[0，1/8)，更新比例系数C1，
C1＝C1+μ(RVi-1/2)
如果RVi-1在非线性区间(7/8，1]，更新比例系数C2，
C2＝C2+μ(RVi-1/2)
式中，μ为学习速率，这里取μ＝0.1；
同时，积分时间为ti时获得的光谱分布数据在合理的范围内，跳出循环，结束；
7)当RVi∈[1/8，1/4)和RVi∈(3/4，7/8]时，虽然在线性区间内，但与最优积分时间相比，相差比较大，因此以最优积分时间为基准、线性增加或减少积分时间；当RVi∈[0，1/8)时，积分时间明显不足，以C1倍的线性比增加积分时间；当RVi∈(7/8，1]时，积分时间明显太长，以C2倍的线性比减少积分时间。跳到步骤2)继续下次测量。
更进一步，所述频谱分布采集装置是基于ESP32模块为核心、外接CCD模块、ADC芯片、充放一体化电源模块和锂电池组成的装置，ESP32设置成一个AP接入点，智能手机接入此AP，并与之交互；同时，ESP32作为微处理器，其GPIO管脚与CCD模块和ADC芯片相连接，生成时序信号来控制CCD的积分时间、频谱模拟信号的输出和模数转换，获得频谱分布的数据。
所述可视化系统APP软件是一个基于Android平台开发的手机APP，从频谱分布采集装置获取380nm至780nm之间N个离散波长的频谱分布数据，对数据进行解析、处理、保存，并绘制出频谱曲线图；频谱曲线图中相邻离散波长之间的频谱值，用直线连接；曲线图中用不同的RGB颜色填充，填充的颜色为该离散波长下的RGB颜色分量；通过频谱图直观地了解到不同波长下频谱的变化趋势。
将绘制的色品图以Bitmap形式保存到系统内存区域中，而后读取缓冲区中的内容，将其加载到自定义View中；采用双缓冲机制解决可视化过程中色品图加载缓慢和卡顿的现象，在程序运行之前，自定义一个缓冲区，将需要执行的耗时操作代码编写在自定义缓冲区中；软件启动时，自定义缓冲区中的耗时操作代码开始执行并将结果传输到显示缓冲区；如果显示器需要显示耗时代码的执行结果时，就可以直接从显示缓冲区中加载保存的结果；这样避免了边执行边显示的耗时步骤，大大节约了操作时间，解决了页面加载时的延迟卡顿现象。
本发明的主要有益效果表现有：
1、充分利用ESP32模块的微处理器功能和数据传输功能，避免使用额外微控制器，在达到简化系统同时也实现了节省成本的目的。
2、实现了CCD积分时间自适应调控的功能，在得到一个最优的积分时间的同时减少了该过程消耗的时间，提高了检测数据的合理性。
3、频谱分布采集装置通过TCP/IP协议与智能手机频谱可视化APP交互，下发采集数据指令、读取数据、保存数据并绘制频谱图，实现了数据的可视化功能。
4、采用双缓冲机制解决色品图展示过程中的延迟卡顿现象，提高了人机交互用户的体验性。
附图说明图1为总体架构示意图。
图2为频谱数据传输流程图。
图3为双缓冲机制示意图。
图4为积分时间与频谱数据关系坐标图。
图5为自动积分时间算法作流程图。
图6为系统软件操作流程图。
图7为相对频谱分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参照图1～图7，一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，包括频谱分布数据采集部分、参数估计部分、文件管理部分和频谱图绘制部分，所述频谱分布数据采集部分包括开启并连接采集装置、设置采集积分时间和采集频谱命令；所述参数估算部分对采集到的数据进行分析处理，计算出频谱参数，并显示在ListView中；所述文件管理部分将频谱分布数据以流的形式保存至SD卡内指定的文件夹中，保存的数据可实时被查看；所述频谱图绘制部分包括频谱图绘制，以380nm至780nm之间的N个离散波长为横坐标，以对应频谱分布数据为纵坐标绘制频谱曲线图，曲线图中用不同的RGB颜色填充，填充的颜色为该离散波长下的RGB颜色分量；通过频谱图直观地了解到不同波长下频谱的变化趋势。
如图2所示，频谱可视化系统APP(客户端)与频谱分布采集装置(服务端)之间是通过TCP协议交互的。打开采集装置的电源开关，开启WIFI热点，倾听客户端接入并启动ServerSocket，倾听Socke连接；服务端的IP地址为192.168.4.1，端口号为8001；频谱可视化系统APP通过扫描无线AP连接到频谱数据采集装置。当客户端连接成功后，启动ClientSocket，通过TCP/IP协议，实现与服务端的交互。客户端APP向服务端发送采集数据指令“<cmd>sample,integralTime</cmd>”(其中sample为命令，integralTime是单位为秒的积分时间参数)，服务端接收到指令后，对该指令进行解析、控制CCD模块和ADC芯片完成频谱数据的采集，然后把数据回传到客户端。
如图3所示，色品图展示功能采用了双缓冲机制来解决延迟卡顿现象，双缓冲机是软件启动的时候就在缓存中开始进行复杂的数据计算和绘图过程，并将绘制的图片以Bitmap形式保存。当软件运行实现色品图展示的功能时，直接从缓存中读取已绘制的图片，并将其加载到屏幕上，毋须再进行数据计算和绘制的过程。在Android中通过自定义View继承android.view.View，创建父类View中的构造方法，在构造方法中创建一个缓冲区图片cacheBitmap，该缓冲区图片大小与Android自定义View的图片大小相同，然后将缓冲区图片cacheBitmap设置为画布cacheCanvas，将需要绘制的色品图通过cacheCanvas绘制到缓冲区画布上。然后在自定义View的重写的onDraw()方法中通过drawBitmap()方法绘制cacheBitmap，这样就可以将缓冲区画布上的色品图加载到APP的屏幕上。采用双缓冲机制大大节俭了绘图时间，加快色品图展示时间，有效地解决了页面卡顿现象。
如图4为在照度为380lx下积分时间与频谱数据关系坐标图，从图中可以得到如下结论：
[1]CCD输出的相对电压值RV与参数积分时间ET在一定范围内成线性分布，即：
RV∝ET
[2]只有在CCD线性特性的范围区间内才可以采用线性算法估算积分时间，如若在非线性的范围中采用线性算法求积分时间，则会对光谱分布数据带来较大误差。
如图5所示，本实施例在光源强度未知的条件下，给出的积分时间，既使得CCD具有充分的曝光时间，又不致其处于饱和状态。该算法，毋须人工设置积分时间，避免了人工设置积分时间的耗时操作，又使得采集到的频谱分布数据更加合理。图5给出了该系统CCD积分时间自适应控制算法，具体实施步骤如下：
记线阵CCD包含的光传感器像素点个数为N，第k个像素点对应的波长为λk，第k个像素点的零漂为Vd，k，像素点的最大饱和输出电压为Vsat，比例系数C1＝C2＝2。CCD积分时间自适应控制方法，包括以下步骤：
1)令i＝0，给定一个较短的积分时间ti；
2)向采集装置发送命令，获得积分时间为ti、包含了零漂的每个像素点的输出电压
3)减去零漂Vd，k，得到仅与积分时间相关的频谱分布数据Vk(ti)，也即Vk(ti)包含了测量误差；
4)对Vk(ti)作归一化处理，得到相对电压值，也即RVk(ti)＝Vk(ti)/Vsat；
5)把归一化区间[0，1]划分为积分时间不充分区[0，1/8)、积分过饱和区(7/8，1]和线性区[1/8，7/8]，记RVi为第i次积分时间N个相对电压值中的最大值，也即RVi＝maxkRVk(ti)，根据RVi落在哪个区间，得到下一次测量的积分时间ti+1，也即
式中，在这里，假定了RVi＝1/2时的ti为最优的积分时间，因为它兼顾了积分时间(不长不短)和CCD的输出值(不大不小)；
6)当RVi∈[1/4，3/4]时，如果i≥1，并且RVi-1在非线性区间[0，1/8)，更新比例系数C1，
C1＝C1+μ(RVi-1/2)
如果RVi-1在非线性区间(7/8，1]，更新比例系数C2，
C2＝C2+μ(RVi-1/2)
式中，μ为学习速率，这里取μ＝0.1；
同时，积分时间为ti时获得的光谱分布数据在合理的范围内，跳出循环，结束；
7)当RVi∈[1/8，1/4)和RVi∈(3/4，7/8]时，虽然在线性区间内，但与最优积分时间相比，相差比较大，因此以最优积分时间为基准、线性增加或减少积分时间；当RVi∈[0，1/8)时，积分时间明显不足，以C1倍的线性比增加积分时间；当RVi∈(7/8，1]时，积分时间明显太长，以C2倍的线性比减少积分时间。跳到步骤9)继续下次测量。
如图6所示，频谱可视化系统App是基于Android平台开发的App，该App可以实现频谱分布数据分析处理、保存和参数估算，并绘制和填充色品图。当手机连接到频谱分布采集装置后，App作为客户端，点击“开始检测”按钮，可设置CCD感光元件的积分时间，也可以选择“自动积分”功能，以自适应积分时间算法给出的积分时间进行积分。点击“确定”按钮，即可将积分时间发送到装置(服务端)，装置根据积分时间进行频谱分布数据采集并将数据传输到App，App对数据进行处理，得到相对频谱分布数据，并对频谱分布数据进行分析。手机客户端将数据保存到SD卡中，并估算相关参数和绘制频谱图。在绘制频谱图时，以校正后的波长为横坐标，相对频谱强度为纵坐标，绘制出色品图并填充颜色。
如图7所示，频谱图的绘制是基于Android开发的View类实现的。以380nm至780nm之间的N个离散波长为横坐标，以对应频谱分布数据为纵坐标绘制频谱曲线图，曲线图中用不同的RGB颜色填充，填充的颜色为该离散波长下的RGB颜色分量。RGB颜色分量取值公式如下：

Claims (7)

1.一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：所述的CCD自适应积分时间与频谱可视化系统包括频谱分布数据采集部分、参数估计部分、文件管理部分和频谱图绘制部分，所述频谱分布数据采集部分通过智能手机的WIFI连接频谱分布采集装置，从装置中获取频谱分布数据；所述参数估计部分通过频谱数据求出相应的参数，并将其展示在ListView中；所述频谱绘制部分基于Android开发的View类实现图形的绘制，并采用双缓冲机制加快色品图的展示，解决了可视化过程中频谱图加载缓慢和卡顿的问题；所述文件管理部分从服务端获得的频谱数据保存到SD卡中。
2.如权利要求1所述的一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：频谱可视化系统APP软件通过TCP/IP协议与频谱采集装置交互，APP向装置发送给定CCD积分时间的频谱分布数据采集命令，装置接收到指令后，按照指令指定的积分时间进行频谱分布数据采集并向APP传送采集数据。
3.如权利要求1或2所述的一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：所述频谱分布采集装置中CCD的积分时间是由智能手机APP自适应控制的，APP对采集到的频谱分布数据进行分析，如果数据处于饱和状态，说明光源太强或者积分时间太长，需要降低积分时间；如果数据偏低，说明积分时间太短，需要增加积分时间。
4.如权利要求3所述的一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：记线阵CCD包含的光传感器像素点个数为N，第k个像素点对应的波长为λk，第k个像素点的零漂为Vd，k，像素点的最大饱和输出电压为Vsat，比例系数C1＝C2＝2，CCD积分时间自适应控制方法包括以下步骤：
1)令i＝0，给定一个较短的积分时间ti；
2)向采集装置发送命令，获得积分时间为ti、包含了零漂的每个像素点的输出电压
3)减去零漂Vd，k，得到仅与积分时间相关的频谱分布数据Vk(ti)，也即Vk(ti)包含了测量误差；
4)对Vk(ti)作归一化处理，得到相对电压值，也即RVk(ti)＝Vk(ti)/Vsat；
5)把归一化区间[0，1]划分为积分时间不充分区[0，1/8)、积分过饱和区(7/8，1]和线性区[1/8，7/8]，记RVi为第i次积分时间N个相对电压值中的最大值，也即RVi＝maxkRVk(ti)，根据RVi落在哪个区间，得到下一次测量的积分时间ti+1，也即
式中，在这里，假定了RVi＝1/2时的ti为最优的积分时间，因为它兼顾了积分时间和CCD的输出值；
6)当RVi∈[1/4，3/4]时，如果i≥1，并且RVi-1在非线性区间[0，1/8)，更新比例系数C1，
C1＝C1+μ(RVi-1/2)
如果RVi-1在非线性区间(7/8，1]，更新比例系数C2，
C2＝C2+μ(RVi-1/2)
式中，μ为学习速率，这里取μ＝0.1；
同时，积分时间为ti时获得的光谱分布数据在合理的范围内，跳出循环，结束；
7)当RVi∈[1/8，1/4)和RVi∈(3/4，7/8]时，虽然在线性区间内，但与最优积分时间相比，相差比较大，因此以最优积分时间为基准、线性增加或减少积分时间；当RVi∈[0，1/8)时，积分时间明显不足，以C1倍的线性比增加积分时间；当RVi∈(7/8，1]时，积分时间明显太长，以C2倍的线性比减少积分时间，跳到步骤2)继续下次测量。
5.如权利要求1或2所述的一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：所述频谱分布采集装置是基于ESP32模块为核心、外接CCD模块、ADC芯片、充放一体化电源模块和锂电池组成的装置，ESP32设置成一个AP接入点，智能手机接入此AP，并与之交互；同时，ESP32作为微处理器，其GPIO管脚与CCD模块和ADC芯片相连接，生成时序信号来控制CCD的积分时间、频谱模拟信号的输出和模数转换，获得频谱分布的数据。
6.如权利要求1或2所述的一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：所述可视化系统APP软件是一个基于Android平台开发的手机APP，通过WIFI从频谱采集装置获取380nm至780nm之间N个离散波长的频谱分布数据，对数据进行解析、处理、保存，并绘制出频谱曲线图，频谱曲线图中相邻离散波长之间的频谱值，用直线连接；曲线图中用不同的RGB颜色填充，填充的颜色为该离散波长下的RGB颜色分量，通过频谱图直观地了解到不同波长下频谱的变化趋势。
7.如权利要求1或2所述的一种CCD自适应积分时间与频谱可视化系统，其特征在于：将绘制的色品图以Bitmap形式保存到系统内存区域中，而后读取缓冲区中的内容，将其加载到自定义View中；采用双缓冲机制解决可视化过程中色品图加载缓慢和卡顿的现象，在程序运行之前，自定义一个缓冲区，将需要执行的耗时操作代码编写在自定义缓冲区中；软件启动时，自定义缓冲区中的耗时操作代码开始执行并将结果传输到显示缓冲区；如果显示器需要显示耗时代码的执行结果时，就可以直接从显示缓冲区中加载保存的结果。
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