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衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)中激光指向偏差測量的圖像處理方法研究

2012-09-15 04:29王媛媛劉艷紅胡元航張文娟王連明
關(guān)鍵詞:激光束坐標(biāo)值邊緣

王媛媛,劉艷紅,胡元航,張文娟,王連明

(東北師范大學(xué)應(yīng)用電子技術(shù)研究所,吉林 長春 130024)

衛(wèi)星激光測距的實質(zhì)是測量激光脈沖在地面觀測站和測距目標(biāo)之間的飛行時間.它是利用激光的單色性和相干性好、方向性強等特點,以實現(xiàn)高精度的計量和檢測,如測量長度、距離、速度、角度等等[1-3].近幾年,對激光圖像的研究主要是邊緣檢測階段.

邊緣是指周圍像素灰度的階躍變化或屋頂狀變化的那些像素的集合[4].傳統(tǒng)的邊緣檢測如Roberts,Sobel,Prewitt,Kirsch,Laplacian和Canny邊緣檢測算子等,對噪聲敏感,在實際圖像處理中效果并不理想.為了能更好地解決實際問題,很多學(xué)者改善了邊緣檢測算法[5-6],但仍不能滿足日益增長的需求.

由于衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)是全天24h工作,晚上背景與激光對比度很高,比較容易提取激光束的邊緣,但白天背景太亮,激光束幾乎不可見,即使晚上調(diào)整好光路,也可能因溫度濕度變化等原因造成激光束的偏移,需要一種在白天同樣也可以檢測出激光束邊緣的算法,基于CCD的白天激光光束監(jiān)測方法符合這種需求[7].

以上方法在一定條件下可以檢測出圖像的邊緣,但都不能得知圖像的方向性.本文提出的矢量邊界掃描法可彌補上述的不足.該方法不僅可以獲取圖像的邊緣,還能夠為后續(xù)處理提供數(shù)據(jù),并且能判斷激光束的方向.

1 圖像預(yù)處理

本文對圖像的處理步驟:(1)對圖像進行預(yù)處理,利用濾波去除噪聲;(2)用矢量邊界掃描法提取激光束的邊緣;(3)用直線擬合算法尋找激光束光尖坐標(biāo);(4)將光尖坐標(biāo)與給定的衛(wèi)星參考位置的偏差值返回給系統(tǒng).

本文預(yù)處理的圖像是白天獲取的衛(wèi)星激光圖像(見圖1).由于圖像背景光較強、噪聲大、圖像對比度低,難于提取有用信息,于是先對圖像進行預(yù)處理.首先,將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像,以簡化后續(xù)處理.其次,濾波處理[8].此時的圖像是灰度圖像,只需對圖像中灰度值進行處理,因此,選用線性濾波.線性濾波的概念源于頻域中信號處理的傅里葉變換.它是基于計算乘積之和操作的,即將鄰域中每一個像素與相應(yīng)的系數(shù)相乘,然后將乘積結(jié)果累加從而得到該點的響應(yīng).圖像經(jīng)過線性濾波相當(dāng)于經(jīng)過了一個二維的低通濾波器,雖然降低了噪聲,同時也模糊了圖像的邊緣和細(xì)節(jié).濾波過程中每次運算的范圍叫掩膜,掩膜技術(shù)在去除噪聲的同時還降低殘留噪聲的強度,圓形掩膜濾波能更好地保留圖像邊緣信息.線性空間的均值濾波對隨機噪聲的處理效果較好,圓形濾波窗口可以很好地保留激光束的邊緣信息.于是本文選用了圓形掩膜的線性均值濾波.其濾波效果見圖2和3,濾波后圖像雖有些模糊,但激光束的邊緣保留完整,模糊程度不影響后續(xù)處理.

圖1 白天獲取衛(wèi)星激光圖像

圖2 對衛(wèi)星激光圖像濾波后圖像

最后,用Otsu自適應(yīng)閾值選取方法計算出最佳閾值,并用該閾值將圖像二值化.經(jīng)二值化后圖像的效果如圖4所示.

圖3 圓形掩膜線性均值濾波后灰度3D圖

圖4 二值化后圖像

2 圖像邊緣檢測

2.1 矢量邊界掃描法

矢量邊界掃描法的基本思想:首先,從上下左右4個方向掃描圖像,在上下掃描時,先固定列,逐行從上向下(從下向上)掃描圖像,提取在每列上掃描時遇到的第一個灰度值為255的點的坐標(biāo)值;在左右掃描時,先固定行,逐列從左向右(從右向左)掃描圖像,提取在每行上掃描時遇到的第一個灰度值為255的點的坐標(biāo)值;其次,對每個方向上掃描獲取的坐標(biāo)值進行直線擬合,得到4條直線,計算邊緣數(shù)據(jù)與每條直線的誤差,保留誤差較小的2條直線為有效邊緣;再次,重新選取有效邊緣數(shù)據(jù),用新數(shù)據(jù)擬合直線,這2條直線的交點坐標(biāo)近似為激光束光尖坐標(biāo);最后,計算光尖與衛(wèi)星參考位置之間的偏差值.

由于激光束射入視場的方向不確定,激光束可能從a-h(huán)任意方向射入視場中,如圖5a所示.根據(jù)圖5b獲取圖像的坐標(biāo)系中激光束射入的8個方向,每次激光束射入視場中都會有2條亮邊,圖5b中標(biāo)注的1和2表示2條邊,若能將這2條邊的坐標(biāo)變化規(guī)律找到,就能推算出激光束的方向以及激光束光尖的坐標(biāo).8個方向上的激光束邊緣坐標(biāo)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律見表1所示.

圖5 矢量邊界掃描

表1中“↑”表示沿坐標(biāo)軸正方向坐標(biāo)值逐漸增大,“↓”表示沿坐標(biāo)軸正方向坐標(biāo)值逐漸減小.由表1可以看出a-d 4個方向射入的激光束的坐標(biāo)變化分別與其他4個方向射入的激光束的坐標(biāo)變化規(guī)律相同,因此,矢量邊界掃描法只需從4個方向掃描圖像.

表1 邊緣坐標(biāo)變化規(guī)律

本文研究圖像為BMP格式(規(guī)格203(像素)×248(像素))白天獲取的圖像,經(jīng)過矢量邊界掃描之后,描繪出圖像的邊緣見圖6.圖6中up掃描為從上向下掃描獲得的圖像邊緣,left掃描為從左向右掃描獲得的圖像邊緣,right掃描為從右向左掃描獲得的圖像邊緣,down掃描為從下向上掃描獲得的圖像邊緣.

2.2 直線擬合

獲得圖像邊緣后,用最小二乘法進行直線擬合,效果如圖7所示.由圖7可見,每個方向上可以擬合成一條直線.由于一些點離直線很遠(yuǎn),使擬合的直線誤差很大,因此,本文進行了直線擬合后處理.

圖6 矢量邊界掃描法的邊緣檢測

圖7 最小二乘法的直線擬合

為了進一步提高直線擬合的準(zhǔn)確性,需要對擬合后的直線進行處理,使擬合的直線更準(zhǔn)確的反應(yīng)激光束的邊緣信息.具體步驟為:

(1)計算每一條直線與對應(yīng)邊緣信息的均方差;

(2)保留均方差較小的2條直線;

(3)重新選取保留下來的2條直線的數(shù)據(jù);

(4)用重整后的數(shù)據(jù)擬合直線;

(5)計算2條直線交點,即光尖坐標(biāo).

誤差采用均方差的形式表示.在統(tǒng)計學(xué)中,均方差是對于無法觀察的參數(shù)的一個估計函數(shù),它是對誤差函數(shù)的期望.選用均方差能反應(yīng)直線擬合的準(zhǔn)確性,均方差公式為

其中:yi=bxi+a;xi為每條邊界坐標(biāo)的i方向上獲得的數(shù)值.一般的直線擬合的判斷標(biāo)準(zhǔn)是誤差越小越好,本文就是采用這一標(biāo)準(zhǔn),均方差越小,直線擬合的準(zhǔn)確性越高.

計算每個方向上擬合的直線的誤差為eup=3.2,edown=356.0,eleft=12.0,eright=167.5.由圖7可見,直線right和直線down的誤差較大,這2條直線不能反映激光束的邊緣,于是,刪除這2條直線,只保留直線up和直線left,見圖8.

在保留的2條直線上,激光束尖端和尾部的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確的反映激光束邊緣信息,激光束前端光束細(xì),圖像處理后丟失的信息較多;后端光線較暗,丟失的信息也較多;只有中間部分可以較真實的反映激光束邊緣信息.為更好地反映激光束邊緣信息,需要重新選取激光束的邊緣信息數(shù)據(jù).

用修改后的激光束邊緣數(shù)據(jù)重新擬合直線,效果見圖9,直線up0和直線left0是用重新選取的數(shù)據(jù)擬合的直線,直線up0方程為yup0=1.265x+13.282,直線left0方程是yleft0=0.29524x+71.986,可以看出后者能更準(zhǔn)確的反映數(shù)據(jù)表達(dá)的信息,直線誤差變?yōu)閑up=0.96,eleft=0.15.修改前后的誤差詳細(xì)對比見表2.可以明顯地看出,改進后的直線擬合方法準(zhǔn)確率提高了.由此可知,修改后得到的擬合直線能更準(zhǔn)確的反映圖像的信息.

圖8 保留的2條直線的擬合

圖9 修改后的擬合處理結(jié)果

表2 2種直線擬合方法結(jié)果對比表

激光束光尖的坐標(biāo)值即為直線up0和直線left0的交點位置,其交點坐標(biāo)為(x,y)=(62.0,89.9),即激光束光尖坐標(biāo)為(62.0,89.9).

2.3 偏差計算

圖像的坐標(biāo)和衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)要求的坐標(biāo)不同,圖10a為圖像的坐標(biāo)系,圖10b為衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)要求的坐標(biāo)系.

表2中的坐標(biāo)值是在獲取圖像的坐標(biāo)系計算得到的,而衛(wèi)星觀測站規(guī)定的坐標(biāo)系為圖10b所示,則可推出變換公式為:

其中(x,y)為已算出的坐標(biāo)值,圖像的大小i×j.用公式(2)計算光尖坐標(biāo)為)=(-62.0,11.6).即激光束光尖與衛(wèi)星參考位置的偏差值為(Δx,Δy)=(-62.0,11.6).

圖10 圖像和衛(wèi)星監(jiān)測的坐標(biāo)系

3 結(jié)論

利用本文提出的矢量邊界掃描法對衛(wèi)星激光圖像進行邊緣提取和計算光尖坐標(biāo),取得了較好的實驗結(jié)果.通過對激光束邊緣的準(zhǔn)確界定,可以計算出激光束光尖坐標(biāo),使激光束精確指向衛(wèi)星.這種方法應(yīng)用于實際系統(tǒng),取得了較好的結(jié)果.

[1]王媛媛.圖像處理在激光指向系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].長春:東北師范大學(xué),2010:1-35.

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[4]刑卓異.基于圖像的目標(biāo)識別與跟蹤方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007:1-130.

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