【文章內容簡介】 本文的研究主要內容就是如何基于 MATLAB 對條紋管進行處理，并組合得到需要的目標圖像。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 主要研究內容 論 文的主要研究內容是設計一個圖像構建處理平臺，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建所帶來的影響。盡量減少實驗的誤差，提高條紋管在應用中對成像距離、強度的精度，并通過實際處理檢測此平臺的應用性能。 本文的主要研究 內容分以下幾個方面： （ 1）分析條紋管中噪聲來源，及幾種降噪方法，從中找出處理速度最快，處理效果最好的算法； （ 2）分析條紋管激光成像系統(tǒng)的原理，設計圖像重構算法，并通過仿真驗證處理結果，提出改進措施； （ 3）利用 Visual Basic 設計編寫圖像構建處理平臺。 本論文主要分四章： 第一章主要是介紹課題背景，說明課題研究的目的和意義，分析國內外相關研究進展情況，指出本論文的主要研究內容。 第二章介紹條紋管的結構、條紋管激光雷達成像的原理，通過分析條紋管激光 成像系統(tǒng)對其數(shù)據(jù)處理硬件的性能要求，提出可行的條紋管圖像構建與處理的算法，為下面奠定理論基礎。 第三章闡明各模塊的功能和實現(xiàn)可能性。進一步，設計條紋圖像處理算法。分析每個模塊的算法，并比較不同算法的誤差、速度，從中找出最優(yōu)算法。 第四章介紹 Visual Basic VB 和 MATLAB混編的方法。利用 Visual Basic 編寫條紋管成像系統(tǒng)軟件平臺。 并處理幾張實驗圖片，對軟件穩(wěn)定性進行測試。 最后是結論、致謝和參考文獻 。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 2. 條紋管激光成像 雷達原理 條紋管激光成像雷達的原理是進行條紋管圖像構建與處理的基礎。后面提到的降噪、特征數(shù)據(jù)提取、圖像構建都是在此基礎上完成的。 單狹縫條紋管的工作原理 圖 21 條紋管工作原理 通常的示波技術加載偏轉系統(tǒng)上的是電壓波形，而條紋管則是以電子束為訊號的載體。因此，普通的示波技術只能給出以為的時間信息而沒有空間分辨能力，條紋管激光成像系統(tǒng)則可以給出目標的一維時間信息和一維的空間信息。通過幾幀圖像的組合則可以給出目標的三維圖像。 如圖 21 所示，條紋管由光電陰極（ PC）、加速系統(tǒng)（ M）、聚焦系統(tǒng)（ Focus）、偏轉系統(tǒng)（ D）和熒光屏（ PS）等部分組成。目標反射回的光信號經(jīng)過經(jīng)聚焦光學系統(tǒng)聚焦到光電陰極，此時將目標的一維空間信息提取出來。當光電陰極上的狹縫部分被 A 所發(fā)出的光脈沖照亮是，這一部分將發(fā)射光電子，其瞬態(tài)發(fā)射密度等于此時刻這一點的光照脈沖強度。因此光電陰極發(fā)射的電子脈沖在時空結構上是入射光脈沖的復制品。電子脈沖經(jīng)偏轉體統(tǒng)（ D），由于偏轉系統(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。利用熒光屏上條紋的相對位置就可以得到目標的距離信息。同時讀取條紋的灰度值可以得到目標的強度信息。由于電子束在在運動時的慣性幾乎可哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（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，所以條紋管技術具有很高的時間分辨率。 圖 22 是條紋管對目標成三維像的原理圖，激光經(jīng)過光學系統(tǒng)變換變?yōu)榫€光源照射到目標上，經(jīng)過反射后被條紋管接收，單狹縫條紋管的一幀圖像只能對目標的在選通方向上的一個剖面成輪廓像，如圖 22（ a）所示，不同距離上的目標經(jīng)過反射、偏轉系 統(tǒng)后由于行走時間不同，經(jīng)過光電轉換后形成的電子書所受到的偏轉電壓也不一樣，因此在熒光屏上會顯示不同位置的條紋，如圖 22（ b）。利用條紋的相對位置就可以通過計算得到目標的距離像。 圖 22 條紋管成像系統(tǒng)工作原理 由條紋管激光成像雷達的基本原理可以看到，利用條紋管探測器可以對目標進行激光四維成像，而且成像精度和成像幀頻可以達到很高。 條紋管激光雷達成像系統(tǒng)的基本要求 條紋圖像包含目標的條紋信息，是對目標距離像和強度像進行重構的重要依據(jù)。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。 （一）高處理速度 激光成像雷達是一種閃爍式非掃描成像技術，因此想要得到目標完整的距離像、強度像必須要處理多幀圖像。只有高的處理速度才能對目標進行快速的構建，以便對目標快速進行應對。 （二）高精度 圖像采集與處理結果要能夠準確、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)，使處理結果真實可信。 本文的研究是基于個人計算機（ PC）的圖像處理系統(tǒng)。其優(yōu)點是： （一） 具有較快的處理速度和將強的處理能力，由于當今世界的計算機哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 使用高速的通用的處理芯片，因此計算的的運算能力強大，因此給予 PC 的圖像處理系統(tǒng)對條紋圖像的處理速度非常快； （二）同時 PC 機的可擴展性好?？梢灾С值谌降奶幚碥浖?，如本文中就是利用了 MATLAB強大的處理能力由于其在矩陣運算的高性能及豐富的圖像處理函數(shù)，對于圖像處理有非常快的速度； 但是，基于 PC 機的處理系統(tǒng)也有其自身的缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （一）首先基于 PC 機的圖像處理系統(tǒng)的圖像感知、圖像采集和圖像處理時分開的，處理時需要進行格式轉換和圖像傳輸速率的制約； （二）其次，由于 PC 機的體積較大，維護不方便這種圖像處理系統(tǒng)主要用于在實驗室中進行科學研究 , 無法滿足室外應用的穩(wěn)定性、可靠性等要求 , 構建時間較長 , 調試和開發(fā)難度較大。 （三）在基于 PC 的圖像處理系統(tǒng)中，相機、圖像采集卡和 PC 往往來自不同的制造商，可能會出現(xiàn)硬件兼容性、協(xié)調性、驅動性和部分執(zhí)行等問題。 本章小結 本章主要介紹了條紋管激光成像系統(tǒng)的結構和工作原理，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。為后面的圖像處理、條紋管特征數(shù)據(jù)提取、目標圖像構建奠定了 理論基礎。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3. 條紋管圖像處理與構建算法研究 對于條紋管圖像的處理主要包括噪聲處理、圖像增強、特征數(shù)據(jù)提取、圖像構建等幾個方面。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，可以說降噪的好壞直接影響到最終成像的效果。特征數(shù)據(jù)提取時進行目標重構很重要的一步，合理的卻分特征條紋與噪聲并正確提取直接影響對目標成像的正確性。圖 31 給出了本文進行圖像處理的流程圖。 首先對圖像進行預處理，主要是進行降噪、特征數(shù)據(jù)提取，這些圖像的處理實在 MATLAB 的基礎上 完成的。 圖 31 條紋管圖像處理流程圖 MATLAB 概述 MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、 矩陣計算 、科學數(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，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學 領域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度擺 脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進 水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大 數(shù)學 軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件在 數(shù)值計算 方面首屈一指。 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，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、金融建模設計與分析等領域 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表原始圖像 預處理 濾噪處理 圖像增強 特征數(shù)據(jù)提取 距離像強度像重構 條紋管圖像處理平臺構建 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 達式與數(shù)學、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)學軟件 。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 噪聲處理 主要噪聲來源 由于國內的條紋管生產(chǎn)技術不成熟及條紋管成像系統(tǒng)各部件耦合加上環(huán)境背景的影響，使得雷達圖像中有很多的噪聲。這些噪聲都對后續(xù)的處理與構建工作產(chǎn)生影響。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、圖像構建奠定基礎。 （ 1）來自條紋管自身的噪聲 條紋管是條紋管成像系統(tǒng)的核心器件，由于受到制造工藝的制約，由條紋管引入的噪聲是不可避免的。噪聲主要來源于光電轉 換和內增強過程。主要有光電陰極噪聲、內增強噪聲、熒光屏顆粒噪聲等。 光電陰極噪聲的主要來源是暗發(fā)射噪聲。暗發(fā)射是指在沒有光照也就是沒有光子入射的情況下，光電陰極發(fā)射電子的現(xiàn)象，當條紋管使用環(huán)境比較暗時，這種噪聲對圖像結果的影響更加明顯。 內增強噪聲主要包括背景噪聲、量子噪聲和增益噪聲組成。這些噪聲主要來源于微通道板。 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。主要用作高性能夜視像增強器，并廣泛應用于各科研領域。 熒光屏顆粒噪聲主要來源于熒光屏感光材料的感光結構。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。 （ 2） CCD 相機帶來的噪聲 CCD 相機是用來獲取條紋管圖像的器件，其帶來的噪聲對待處理圖像有最直接的影響。由 CCD 相機帶來的噪聲主要有散粒噪聲、暗電流噪聲、轉移噪聲、像移噪聲、光子噪聲等。 散粒噪聲是一種白噪聲，是 CCD 的固有噪聲，不能夠在后續(xù)的處理中通過算法進行抑制或者消除。 暗電流噪聲的根本起因在于半導體的熱激發(fā)和 CCD硅體內的復合產(chǎn)生中心不均勻性。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。 轉移噪聲是 CCD 中前一電荷包的電荷未進行完全轉移，一部分電荷殘哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 存在勢阱中，成為后來電荷包的噪聲干擾。 像移噪聲運動像移使不同目標的像相互混疊，導致圖像退化，表現(xiàn)為圖像邊緣模糊，灰度失真，對比度和分辨率均下降?？梢愿鶕?jù)圖像的退化機制使用軟件對圖像進行復原。 光子噪聲來源于光子發(fā)射的隨機性，由光子性質決定，在低照度攝像時較嚴重。 （ 3）器件耦合噪聲 器件耦合噪聲與器件質量和裝配關系有關。 （ 4）激光散斑噪聲 散斑噪聲來自于物體表面的“位相光柵”效應。 （ 5）背景噪聲 激光在傳播過程中受到大氣中物質的折射、散射，或者受到陽光等大自然因素的影響而引進的各種噪聲?；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。 經(jīng)過以上的分析可以看到，主要的噪聲來源主可以分為幾類，來自器件制造工藝或者耦合的噪聲、由光電的基本物理特性引進的噪聲、由于激光傳播也就是工作過程產(chǎn)生的噪聲等等。處了不可抗拒的因素如制造工藝、自然環(huán)境等帶來的噪聲，其他的噪聲可以通過軟件算法進行抑制。 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。因此頻域的處理算法對于條紋管是不合適的，因為頻域的處理算法一般都比較復雜，相對而言速度太慢。同時，由于條紋管圖像的主要特征在于條紋的位置與像素強度，因此對于需要保持條紋的邊界細節(jié)。相對而言順序統(tǒng)計濾波器在保留圖像細節(jié)方面有更出色的表現(xiàn) ,在相同尺寸下比起線性平滑濾波器引起的模糊較少基于以上考慮 ,采用邊界保持類平滑濾波方法對條紋圖像噪音進行處理。 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。經(jīng)過對實驗結果的分析，采用 KNN 均值濾波是最優(yōu)化的選擇。 K 近鄰（ KNN： K Nearest Neighbor）平滑濾波器的核