【正文】 計（論文） 在充分考慮條紋圖像處理內(nèi)容要求和硬件性能限制的前提下，進行了條紋圖像數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計，將條紋圖像處理任務(wù)劃分為三個不同的階段和層次，并且對各階段的主要目的、輸入和輸出進行了簡要闡述。 第二個對目標特征像帶來誤差的是由于條紋管的制作工藝引起的，首先目前的條紋管對于較弱的回波信號反應(yīng)不是十分靈敏，因此對于有些較弱的信號不能夠分辨出來，增加了目標距離像和強度像重構(gòu)處理的難度。這充分證明了條紋管在激光成像應(yīng)用過的可行性，為以后的實際應(yīng)用大些了很好的基礎(chǔ)。 目標強度像重構(gòu) 在上文特種數(shù)據(jù)提取一節(jié)中已經(jīng)提到將灰度值最大值進行提取，每一列的最大值就可以最為目標強度像重構(gòu)的依據(jù)。接下來就將對這三者的關(guān)系進行闡述，最終得到目標的重構(gòu)算法。 經(jīng)過降噪處理之后，利用最大值法對圖像的特征數(shù)據(jù)進行提取，得到的特征數(shù)據(jù)標記圖如圖 35所示： 圖 35 特征數(shù)據(jù)標記圖 如圖 35所示，利用最大值法很好的對目標圖像的距離像與灰度值進行了提取，目標不同過的距離特征反映在 圖中就是每個灰度最大值的縱向位移是不同的，下一步只需要對灰度最大值的縱向偏移值進行提取。這種方法只是一個簡單的抑制方法，但它為我們?nèi)蘸筮M行距離噪聲抑制提供了一種思路。原始實驗條紋圖像中的大部分噪聲得到了有效抑制，信噪比進一步提高，為下一步條紋特征數(shù)據(jù)提取成功進行，目標距離像和強度像的重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。則圖像的總平均灰度為： u= 0w 0u + 1w 1u 。在此文中將使用最大類間方差法（ Otsu）法進行閾值分割。 背景噪聲抑制算法 KNN 平滑均值濾波器處理后的條紋圖像信噪比顯著提高，但是其中仍然存在比較明 顯的暗背景噪聲。 for i=4:m3 for q=4:n3 temp1=I(i3:i+3,q3:q+3)。如果待處理像素為非噪聲點，則通過選擇像素值 與之相近的鄰點，可以保證在進行平滑處理時，基本上是同一個區(qū)域的像素值的計算，這樣就可以保證圖像的清晰度。 降噪算法研究 由于對條紋管圖像處理的目的是為后續(xù)的特征圖像提取做鋪墊，因此不但要有好的效果處理速度也是必須要兼顧的。可以根據(jù)圖像的退化機制使用軟件對圖像進行復(fù)原。但是由于熒光屏分辨率很高，因此熒光屏顆粒噪聲對圖像的影響不大。主要有光電陰極噪聲、內(nèi)增強噪聲、熒光屏顆粒噪聲等。 MATLAB 可以進行 矩陣 運算、繪制函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實現(xiàn) 算法 、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表原始圖像 預(yù)處理 濾噪處理 圖像增強 特征數(shù)據(jù)提取 距離像強度像重構(gòu) 條紋管圖像處理平臺構(gòu)建 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點，使 MATLAB 成為一個強大的 數(shù)學(xué)軟件 。其中，噪聲處理與圖像增強為后續(xù)的圖像處理打下了基礎(chǔ)，可以說降噪的好壞直接影響到最終成像的效果。 （二）高精度 圖像采集與處理結(jié)果要能夠準確、有效地反映目標特征信息，才能為后續(xù)目標特征識別及控制策略制定提供可靠依據(jù)，使處理結(jié)果真實可信。由于電子束在在運動時的慣性幾乎可哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 以忽略不計，而且沒有阻能共享，因此利用超快速開關(guān)可以很容易的產(chǎn)生瞬時變化的電場所需要的波形，所以條紋管技術(shù)具有很高的時間分辨率。通過幾幀圖像的組合則可以給出目標的三維圖像。 第四章介紹 Visual Basic VB 和 MATLAB混編的方法。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 主要研究內(nèi)容 論 文的主要研究內(nèi)容是設(shè)計一個圖像構(gòu)建處理平臺，通過對此平臺的研究，及對條紋管噪聲處理算法的研究，可以減少在實驗中噪聲對圖像構(gòu)建所帶來的影響。 而條紋管圖像構(gòu)造與處理是條紋管激光雷達能夠合理、高速成像的關(guān)鍵技術(shù)，主要體現(xiàn)在下面幾個方面： 首先，圖像構(gòu)建算法的好壞影響成像的速度。但目前國內(nèi)該方向上還處在起步階段，其關(guān)鍵部件 —— 條紋相機的生產(chǎn)廠家屈指可數(shù)，而且條紋相機的性能還不完善，可以說，我國的條紋相機的生產(chǎn)技術(shù)還處于探索階段，還有許多問題有待探索和解決。尤其是在美國、德國、日本等很早就展開條紋管激光雷達研究的國家，條紋管激光成像雷達已經(jīng)在軍事中有非常大的應(yīng)用。 我們也應(yīng)該看到目前在我國雖然近幾年出現(xiàn)了許多對條紋管的探索性試驗，但是條紋管激光雷達成像技術(shù)發(fā)展尚處于起步階段，甚至連高質(zhì)量的條紋管都無法實現(xiàn)國產(chǎn)化。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人 或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。論 文對條紋管圖像構(gòu)造 與處理進行了詳細的研究。 最后，通過實驗找出在處理過程中算法的不足之處及改進措施，并分析處理過程中存在的誤差及誤差存在的原因。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標 明。特別是條紋管激光成像雷達在軍事中有著重要的地位。目前，美國、俄羅斯、日本等國在這方面的研究工作居于領(lǐng)先水平。條紋管激光成像雷達即能夠給出高分辨率的強度像，還能給出高精度的三維幾何像，同時獲取四維信息（三維空間距離 +一維強度），這正是激光成像技術(shù)的優(yōu)勢所在。成像激光雷達由于具有極高的角度分辨率和距離分辨率，可以同時成目標的強度像和距離像，還可以成高分辨率的三維圖像，所以很適合于在軍事上發(fā)展智能武器。能夠 形成目標的三維距離像，并且很好的反映出目標的特征是條紋管激光成像技術(shù)的基本要求。 第三章闡明各模塊的功能和實現(xiàn)可能性。后面提到的降噪、特征數(shù)據(jù)提取、圖像構(gòu)建都是在此基礎(chǔ)上完成的。電子脈沖經(jīng)偏轉(zhuǎn)體統(tǒng)（ D），由于偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上加有隨時間線性變化的斜坡電壓，不同時刻將到達熒光評上的不同位置，因此在熒光屏上將沿垂 直于狹縫方向展開。要快速精確的對目標成像，需要條紋管激光雷達 成像系統(tǒng)有更高的要求。 本章小結(jié) 本章主要介紹了條紋管激光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，描述了條紋管激光成像系統(tǒng)的工作過程，并對條紋管激光成像系統(tǒng)的基本要求進行了闡述。它將數(shù)值分析、 矩陣計算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動態(tài)系統(tǒng)的 建模 和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué) 領(lǐng)域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度擺 脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學(xué)計算軟件的先進 水平。因此分析噪聲的來源與種類并進行降噪是十分有必要的，也是為后續(xù)的圖像處理、圖像構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。 微通道板（ Microchannel Plate， MCP）是一種大面陣的高空間分辨的電子倍增探測器，并具備非常高的時間分辨率。暗 電流噪聲是由于器件的特性決定的，根本解決措施改進CCD 工藝?；蛘呤鞘艿礁鞣N磁場的影響，而產(chǎn)生各種無用的信號，對最終的圖像產(chǎn)生影響。 典型的邊界保持類平滑濾波 器主要有灰度最小方差均值濾波器、 K 近鄰（ KNN： K Nearest Neighbor）、平滑均值 /中值濾波器、對稱近鄰（ SNN：Symmetric Nearest Neighbor）均值濾波器和西戈瑪（Σ）平滑濾波器等。 根據(jù)此算法可以編寫 MATLAB 程序： I=rgb2gray(I)。表明在這一維目標處，有兩個凹陷的地方。因此這種方法并不完全使用。 最大類間方差法（ Otsu）的原理 是 閾值將原圖象分成前景 、 背景兩個圖象 ： ① 前景：用 n1, csum, m1 來表示在當前閾值下的前景的點數(shù)，質(zhì) 量矩，平均灰度 ； ② 后景：用 n2, sumcsum, m2 來表示在當前閾值下的背景的點數(shù)，質(zhì)量矩，平均灰度 。接下來進行閾值分割。 幾種條紋管特征數(shù)據(jù) 提取方法 平均值法 這種方法是用每一列 的 所 有像素點的平均值所在的縱坐標作為特征數(shù)值。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，這種處理方式是這幾種方法中最為簡單的一種方法，只進行一次哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 掃描就可以同時獲得 距離信息和強度信息。圖像構(gòu)建的原理還是來自于條紋管的工作原理，下 面將介紹對目標圖像進行重的算法。 同時，電壓與距離的擬合公式如下式，其中， U為條紋上某點對應(yīng)的條紋管掃描電壓值， D為相應(yīng)目標距離值： 根據(jù)這個公式，就可以利用式（ 32）、（ 33） ,通過相 對位移求先求對應(yīng)激光回波信號到達時刻的條紋管掃描電壓值，進而求出目標的距離像。并能夠看出目標凹陷的部位，可以比較清楚的的看出目標的距離特征?，F(xiàn)實中條紋管是工作在飛行器或者其他移動的交通工具中，而在實驗室中只能用手對目標的每一行進行橫向掃描，來模擬推掃成像，這種手動的方式會不可避免的帶來誤差。 上面提到的誤差可以通過多次測量取平均值來減小，或者可以通過不斷的優(yōu)化處理算法。 首先，從多目標距離分辨實驗所獲得 的目標條紋圖像出發(fā)，通過比較不同邊界保持類平滑濾噪算法的實際處理效果，得出 KNN 均值濾波器對條紋圖像具有最好的噪聲抑制效果。② MATLAB程序不能脫離其環(huán)境運行，因此它不能被用于開發(fā)商用軟件 。 Visual Basic的出現(xiàn)打破了 Windows應(yīng)用程序的開發(fā)由專業(yè)的 C程序員一統(tǒng)天下的局面，即使非專業(yè)人員也能在較短的時間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量、界面好的 Visual Basic應(yīng)用程序。 VB調(diào)用 MATLAB編程的實現(xiàn)幾種方法 利用 VB MATLAB程序的方法有很多種，其中有三種比較方便、常用的實現(xiàn) VB和 MATLAB混合編程的方法技術(shù)。 在 Windows 注冊表中 ,MATLAB 的 ActiveX 對象名為“ ”。 文件格式是 ASCII碼形式保存的 ,修改其內(nèi)容是很容易的。 ActiveX部件保留了一些普通 VB控件的屬性、事件和方法。 （ 1） MATLAB的動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)功能 動態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)是在 Windows環(huán)境下支持客戶 /服務(wù)器計算模式的重要技術(shù) ,兩個 Windows應(yīng)用程序之間可以通過交換數(shù)據(jù)來相互連接 ,由于VB支持 DDE客戶端功能 ,MATLAB提供了 DDE服務(wù)功能 ,因此利用 VB和MATLAB的動態(tài)數(shù)據(jù)交換能力 ,可以實現(xiàn)在 VB應(yīng)用程序中調(diào)用 MATLAB。 Visual Basic 語言的特點 Visual Basic是可視化的程序設(shè)計語言，開發(fā)人員只需要按照設(shè)計要求對屏幕進行布局，用集成開發(fā)環(huán)境來直接拖和畫出各個菜單、按鈕、滾動條、窗口等不同類型的對象。④不能實現(xiàn)端口操作和實時控制。 接下來，通過階梯目標模擬推掃成像實驗獲得了同一目標場景的多幀條紋圖像，利用目標距離像和強度像重構(gòu)算法獲得了目標距離像和強度像，并對計算結(jié)果與實測值進行了對比。 本章小結(jié) 本章在上一章已建立的條紋圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，詳細分析了條紋管激光成像系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理硬件對條紋圖像數(shù)據(jù)處理提出的要求，并對條紋圖像數(shù)據(jù)處理內(nèi)容進行了深入討論。影響回波信號的方向和強度，必須對獲得的原始條紋圖像進行相應(yīng)的修正。從下圖的目標距離三維像中可以更好的觀察目標物的三維距離特征： 圖 36 目標三維距離像 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 由上面的分析可以看出目標的距離像和強度像可以基本如實反映出目標的三維距離信息 +強度信息。依次順序組合有條紋管接收的激光掃描圖像求出的距離像，就可以得到被測物體的最終距離特征像，在此基礎(chǔ)上進行偽色彩處理，是顯示的結(jié)果更加明顯。條紋管圖像重構(gòu)就是利用條紋數(shù)據(jù)點在條紋圖像中的縱向偏移量、條紋管掃描電壓值、目標距離三者之間存在著對應(yīng)關(guān)系，來計算得到最終的距離。 處理過程及結(jié)果 通過上文的介紹將采用最大值法對條紋圖像進行處理，下面用 MATLAB 來實現(xiàn)這種算法。再者，有些數(shù)據(jù)由于某些回波信號比較微弱，所以使平均值的方法得到的不是非常準確。絕大部分背景噪聲已經(jīng)濾除，圖像主要由占絕大多數(shù)的暗背景和占相對少數(shù)的亮條紋組成。 最大類間方差法（ Otsu）的公式推導(dǎo)： ① 記 t 為前景與背景的分割閾值，前景點數(shù)占圖像比例為 w0， 平均灰度 為u0；背景點數(shù)占圖像比例為 w1，平均灰度為 u1。但是這種方法誤差比較大，容易將噪聲歸到目標中。證明條紋管激光成像系統(tǒng)具有距離和強度的分辨能力，且能夠同時獲得目標的距離和反射強度信息。 [m,n]=size(I)。 K 近鄰（ KNN：