【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本文的研究主要內(nèi)容就是如何基于 MATLAB 對(duì)條紋管進(jìn)行處理，并組合得到需要的目標(biāo)圖像。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 主要研究?jī)?nèi)容 論 文的主要研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)圖像構(gòu)建處理平臺(tái)，通過對(duì)此平臺(tái)的研究，及對(duì)條紋管噪聲處理算法的研究，可以減少在實(shí)驗(yàn)中噪聲對(duì)圖像構(gòu)建所帶來的影響。盡量減少實(shí)驗(yàn)的誤差，提高條紋管在應(yīng)用中對(duì)成像距離、強(qiáng)度的精度，并通過實(shí)際處理檢測(cè)此平臺(tái)的應(yīng)用性能。 本文的主要研究 內(nèi)容分以下幾個(gè)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(shè)計(jì)圖像重構(gòu)算法，并通過仿真驗(yàn)證處理結(jié)果，提出改進(jìn)措施； （ 3）利用 Visual Basic 設(shè)計(jì)編寫圖像構(gòu)建處理平臺(tái)。 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(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展情況，指出本論文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章介紹條紋管的結(jié)構(gòu)、條紋管激光雷達(dá)成像的原理，通過分析條紋管激光 成像系統(tǒng)對(duì)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(gòu)建與處理的算法，為下面奠定理論基礎(chǔ)。 第三章闡明各模塊的功能和實(shí)現(xiàn)可能性。進(jìn)一步，設(shè)計(jì)條紋圖像處理算法。分析每個(gè)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(tái)。 并處理幾張實(shí)驗(yàn)圖片，對(duì)軟件穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。 最后是結(jié)論、致謝和參考文獻(xiàn) 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2. 條紋管激光成像 雷達(dá)原理 條紋管激光成像雷達(dá)的原理是進(jìn)行條紋管圖像構(gòu)建與處理的基礎(chǔ)。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。 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(shù)加載偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上的是電壓波形，而條紋管則是以電子束為訊號(hào)的載體。因此，普通的示波技術(shù)只能給出以為的時(shí)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(biāo)的一維時(shí)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(biāo)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(zhuǎn)系統(tǒng)（ D）和熒光屏（ PS）等部分組成。目標(biāo)反射回的光信號(hào)經(jīng)過經(jīng)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦到光電陰極，此時(shí)將目標(biāo)的一維空間信息提取出來。當(dāng)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(shí)刻這一點(diǎn)的光照脈沖強(qiáng)度。因此光電陰極發(fā)射的電子脈沖在時(shí)空結(jié)構(gòu)上是入射光脈沖的復(fù)制品。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(shí)間線性變化的斜坡電壓，不同時(shí)刻將到達(dá)熒光評(píng)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(duì)位置就可以得到目標(biāo)的距離信息。同時(shí)讀取條紋的灰度值可以得到目標(biāo)的強(qiáng)度信息。由于電子束在在運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性幾乎可哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 以忽略不計(jì)，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(shí)變化的電場(chǎng)所需要的波形，所以條紋管技術(shù)具有很高的時(shí)間分辨率。 圖 22 是條紋管對(duì)目標(biāo)成三維像的原理圖，激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換變?yōu)榫€光源照射到目標(biāo)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(duì)目標(biāo)的在選通方向上的一個(gè)剖面成輪廓像，如圖 22（ a）所示，不同距離上的目標(biāo)經(jīng)過反射、偏轉(zhuǎn)系 統(tǒng)后由于行走時(shí)間不同，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后形成的電子書所受到的偏轉(zhuǎn)電壓也不一樣，因此在熒光屏上會(huì)顯示不同位置的條紋，如圖 22（ b）。利用條紋的相對(duì)位置就可以通過計(jì)算得到目標(biāo)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(dá)的基本原理可以看到，利用條紋管探測(cè)器可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光四維成像，而且成像精度和成像幀頻可以達(dá)到很高。 條紋管激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的基本要求 條紋圖像包含目標(biāo)的條紋信息，是對(duì)目標(biāo)距離像和強(qiáng)度像進(jìn)行重構(gòu)的重要依據(jù)。要快速精確的對(duì)目標(biāo)成像，需要條紋管激光雷達(dá) 成像系統(tǒng)有更高的要求。 （一）高處理速度 激光成像雷達(dá)是一種閃爍式非掃描成像技術(shù)，因此想要得到目標(biāo)完整的距離像、強(qiáng)度像必須要處理多幀圖像。只有高的處理速度才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速的構(gòu)建，以便對(duì)目標(biāo)快速進(jìn)行應(yīng)對(duì)。 （二）高精度 圖像采集與處理結(jié)果要能夠準(zhǔn)確、有效地反映目標(biāo)特征信息，才能為后續(xù)目標(biāo)特征識(shí)別及控制策略制定提供可靠依據(jù)，使處理結(jié)果真實(shí)可信。 本文的研究是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）的圖像處理系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是： （一） 具有較快的處理速度和將強(qiáng)的處理能力，由于當(dāng)今世界的計(jì)算機(jī)哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 使用高速的通用的處理芯片，因此計(jì)算的的運(yùn)算能力強(qiáng)大，因此給予 PC 的圖像處理系統(tǒng)對(duì)條紋圖像的處理速度非?？?； （二）同時(shí) PC 機(jī)的可擴(kuò)展性好?？梢灾С值谌降奶幚碥浖?，如本文中就是利用了 MATLAB強(qiáng)大的處理能力由于其在矩陣運(yùn)算的高性能及豐富的圖像處理函數(shù)，對(duì)于圖像處理有非?？斓乃俣?； 但是，基于 PC 機(jī)的處理系統(tǒng)也有其自身的缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （一）首先基于 PC 機(jī)的圖像處理系統(tǒng)的圖像感知、圖像采集和圖像處理時(shí)分開的，處理時(shí)需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和圖像傳輸速率的制約； （二）其次，由于 PC 機(jī)的體積較大，維護(hù)不方便這種圖像處理系統(tǒng)主要用于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行科學(xué)研究 , 無法滿足室外應(yīng)用的穩(wěn)定性、可靠性等要求 , 構(gòu)建時(shí)間較長(zhǎng) , 調(diào)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(jī)、圖像采集卡和 PC 往往來自不同的制造商，可能會(huì)出現(xiàn)硬件兼容性、協(xié)調(diào)性、驅(qū)動(dòng)性和部分執(zhí)行等問題。 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(duì)條紋管激光成像系統(tǒng)的基本要求進(jìn)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(biāo)圖像構(gòu)建奠定了 理論基礎(chǔ)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3. 條紋管圖像處理與構(gòu)建算法研究 對(duì)于條紋管圖像的處理主要包括噪聲處理、圖像增強(qiáng)、特征數(shù)據(jù)提取、圖像構(gòu)建等幾個(gè)方面。其中，噪聲處理與圖像增強(qiáng)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。特征數(shù)據(jù)提取時(shí)進(jìn)行目標(biāo)重構(gòu)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(duì)目標(biāo)成像的正確性。圖 31 給出了本文進(jìn)行圖像處理的流程圖。 首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要是進(jìn)行降噪、特征數(shù)據(jù)提取，這些圖像的處理實(shí)在 MATLAB 的基礎(chǔ)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(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、 矩陣計(jì)算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的 建模 和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)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(jì)語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn) 水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大 數(shù)學(xué) 軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件在 數(shù)值計(jì)算 方面首屈一指。 MATLAB 可以進(jìn)行 矩陣 運(yùn)算、繪制函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實(shí)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(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、 圖像處理 、 信號(hào)檢測(cè) 、金融建模設(shè)計(jì)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(qiáng) 特征數(shù)據(jù)提取 距離像強(qiáng)度像重構(gòu) 條紋管圖像處理平臺(tái)構(gòu)建 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 達(dá)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(jiǎn)捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的 數(shù)學(xué)軟件 。在新的版本中也加入了對(duì) C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)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(jìn)行下載就可以用。 噪聲處理 主要噪聲來源 由于國內(nèi)的條紋管生產(chǎn)技術(shù)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(dá)圖像中有很多的噪聲。這些噪聲都對(duì)后續(xù)的處理與構(gòu)建工作產(chǎn)生影響。因此分析噪聲的來源與種類并進(jìn)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)。 （ 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(zhuǎn) 換和內(nèi)增強(qiáng)過程。主要有光電陰極噪聲、內(nèi)增強(qiáng)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(dāng)條紋管使用環(huán)境比較暗時(shí)，這種噪聲對(duì)圖像結(jié)果的影響更加明顯。 內(nèi)增強(qiáng)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(cè)器，并具備非常高的時(shí)間分辨率。主要用作高性能夜視像增強(qiáng)器，并廣泛應(yīng)用于各科研領(lǐng)域。 熒光屏顆粒噪聲主要來源于熒光屏感光材料的感光結(jié)構(gòu)。但是由于熒光屏分辨率很高，因此熒光屏顆粒噪聲對(duì)圖像的影響不大。 （ 2） CCD 相機(jī)帶來的噪聲 CCD 相機(jī)是用來獲取條紋管圖像的器件，其帶來的噪聲對(duì)待處理圖像有最直接的影響。由 CCD 相機(jī)帶來的噪聲主要有散粒噪聲、暗電流噪聲、轉(zhuǎn)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(jìn)行抑制或者消除。 暗電流噪聲的根本起因在于半導(dǎo)體的熱激發(fā)和 CCD硅體內(nèi)的復(fù)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(jìn)CCD 工藝。 轉(zhuǎn)移噪聲是 CCD 中前一電荷包的電荷未進(jìn)行完全轉(zhuǎn)移，一部分電荷殘哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 存在勢(shì)阱中，成為后來電荷包的噪聲干擾。 像移噪聲運(yùn)動(dòng)像移使不同目標(biāo)的像相互混疊，導(dǎo)致圖像退化，表現(xiàn)為圖像邊緣模糊，灰度失真，對(duì)比度和分辨率均下降。可以根據(jù)圖像的退化機(jī)制使用軟件對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原。 光子噪聲來源于光子發(fā)射的隨機(jī)性，由光子性質(zhì)決定，在低照度攝像時(shí)較嚴(yán)重。 （ 3）器件耦合噪聲 器件耦合噪聲與器件質(zhì)量和裝配關(guān)系有關(guān)。 （ 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(yīng)。 （ 5）背景噪聲 激光在傳播過程中受到大氣中物質(zhì)的折射、散射，或者受到陽光等大自然因素的影響而引進(jìn)的各種噪聲?；蛘呤鞘艿礁鞣N磁場(chǎng)的影響，而產(chǎn)生各種無用的信號(hào)，對(duì)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(jìn)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(jìn)行抑制。 降噪算法研究 由于對(duì)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(duì)于條紋管是不合適的，因?yàn)轭l域的處理算法一般都比較復(fù)雜，相對(duì)而言速度太慢。同時(shí)，由于條紋管圖像的主要特征在于條紋的位置與像素強(qiáng)度，因此對(duì)于需要保持條紋的邊界細(xì)節(jié)。相對(duì)而言順序統(tǒng)計(jì)濾波器在保留圖像細(xì)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(duì)條紋圖像噪音進(jìn)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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