线阵CCD图像处理算法研究duCCD原理及图像算法.pdf

1、第28卷 第5期2 0 0 2年9月光 学 技 术OPTICAL TECHNI UEVol .28 No.5Sep!t . 2002文 章 编 号 ：1002-1582（2002）05-0475-03线 阵CCD图 像 处 理 算 法 研 究“雷 志 勇 ， 刘 群 华 ， 姜 寿 山 ， 黄 万 景（ 西 安 工 业 学 院 光 电 测 试 技 术 研 究 所 ， 西 安710032）摘 要 ： 研 究 了 线 阵CCD在 动 态 测 量 中 的 整 体 图 像 处 理 方 法 ， 包 括 杂 散 点 剔 除 、 图 像 平 滑 、 边 缘 识 别 等 方 法 。 提 出的 整 体 图 像

2、的 样 条 插 值 方 法 使 得 边 缘 识 别 精 度 比 较 高 ， 实 现 起 来 较 容 易 ， 该 方 法 特 别 对 复 杂 环 境 下 的 动 态CCD图 像 处理 有 效 。关 键 词 ： 线 阵CCD； 图 像 处 理 ； 动 态 测 量 ； 样 条 插 值中 图 分 类 号 ：TJ410 .6文 献 标 识 码 ：AIntegrative i mageprocessingalgorithmfor linear CCDLel zhi-yOn9，Ll U oun-hua，Jl ANG shOu-shan，HUANG Wan-ji n9（Dept of Optoelectron

3、ics，Xian Institute of Technology，Xian 710032，China）Abstract：Anewintegrative i mage processing algorithmfor linear CCD used in dynamic measuring systemis presented .The algorithmconsists of noise pixels eli mination，i mage smoothing and boundary recognition . By usingthe cubic splineinter-polation，th

4、e boundary recognition algorithmis not only precise but also si mple .Key words：linear CCD；i mage processing；dynamic measure；splineinterpolation1概 述随 着CCD技 术 的 快 速 发 展 ，CCD在 测 量 中 的 应用 越 来 越 广 泛 。 基 于CCD的 测 量 系 统 的 一 般 结 构 如图1所 示 ， 测 量 精 度 主 要 与 光 学 成 像 系 统 、 图 像 处 理 系图1基 于CCD的 测 量 系 统统 有 关 。 除 硬 件

5、因 素 外 ， 提 高 测 量 精 度 的 最 有 效 手 段是 提 高 图 像 边 缘 识 别 精 度 。 从 软 件 处 理 角 度 来 看 ， 主要 包 括 图 像 噪 音 剔 除 、 像 素 细 分 、 边 缘 识 别 等 内 容 。 在文 献 16 中 都 对 这 方 面 的 内 容 有 比 较 详 细 的 介 绍 。对 于 面 阵CCD来 说 ， 应 用 面 较 广 ， 如 面 积 、 形 状 、 尺 寸 、位 置 ， 甚 至 温 度 等 的 测 量 。 面 阵CCD的 优 点 是 可 以 获取 二 维 图 像 信 息 ， 测 量 图 像 直 观 。 缺 点 是 像 元 总 数 多

6、 ，而 每 行 的 像 元 数 一 般 较 线 阵 少 ， 帧 幅 率 受 到 限 制 ， 而 线阵CCD的 优 点 是 一 维 像 元 数 可 以 做 得 很 多 ， 而 总 像 元数 角 较 面 阵CCD相 机 少 ， 而 且 像 元 尺 寸 比 较 灵 活 ， 帧幅 数 高 ， 特 别 适 用 于 一 维 动 态 目 标 的 测 量 。 以 线 阵CCD在 线 测 量 线 径 为 例 ， 就 在 不 少 论 文 中 有 所 介 绍 ，但 在 涉 及 到 图 像 处 理 时 都 是 基 于 理 想 的 条 件 下 ， 而 从实 际 工 程 应 用 的 角 度 来 讲 ， 线 阵CCD图 像

7、 处 理 算 法 还是 相 当 复 杂 的 。图2是 弹 丸 姿 态 测 量 系 统1在 实 弹 测 量 中 获 得 的两 幅 图 像 ， 其 中 图2（a） 是 在 没 有 目 标 信 号 通 过 时 的 背景 图 像 ， 图2（b） 为 目 标 通 过 时 的 一 幅 图 像 。图2基 于 线 阵CCD的 弹 丸 姿 态 测 量 系 统 获 得 的 两 帧 图 像可 以 明 显 看 出 ， 线 阵CCD的 图 像 有 三 个 明 显 的特 点 ：（1） 背 景 图 像 是 起 伏 变 化 的 ， 与 背 景 光 强 度 有关 ；（2） 背 景 中 有 许 多 噪 音 （ 杂 散 点 ） ，

8、 并 非 大 部 分 文 献中 介 绍 的 那 种 理 想 状 况 ， 特 别 是 在 动 态 复 杂 环 境 下 的测 量 中 ， 噪 音 的 出 现 是 随 机 的 ；（3） 目 标 的 边 缘 是 曲 线形 状 ， 并 不 明 显 ， 且 不 对 称 ， 是 要 通 过 算 法 搜 寻 的 。本 文 主 要 研 究 对 以 上 线 阵CCD图 像 的 系 统 处 理算 法 ， 包 括 噪 音 剔 除 、 平 滑 处 理 和 边 缘 识 别 算 法 三 部 分内 容 。在 噪 音 剔 除 与 平 滑 处 理 中 ， 认 真 分 析 了 噪 音 出 现的 一 般 规 律 和 本 身 的 特

9、点 ， 有 效 剔 除 了 杂 散 点 ， 同 时 采574“收 稿 日 期 ：2002-06-10作 者 简 介 ： 雷 志 勇 （1962-） ， 男 ， 陕 西 人 ， 西 安 工 业 学 院 副 教 授 ， 从 事 光 电 测 试 及 计 算 机 应 用 研 究 。用 帧 相 减 方 法 （ 去 除 背 景 影 响 ） 使 得 平 滑 方 法 非 常 有效 。 在 边 缘 识 别 的 方 法 中 ， 采 用 了 整 体 三 次 样 条 插 值方 法 ， 使 得 边 缘 检 测 有 很 高 的 精 度 。 从 实 际 应 用 效 果来 看 ， 本 文 提 出 的 线 阵CCD图 像 处

10、理 方 法 具 有 简 单 、稳 定 、 可 靠 和 精 度 高 的 优 点 。!平 滑 处 理 的 复 合 算 法!.“帧 相 减在 面 阵CCD图 像 中 经 常 用 到 帧 相 减 技 术 以 突 出图3背 景 图 像 和 目 标图 像 的 相 关 图 像目 标 ， 消 除 噪 音6。从 图2可 看 出 ， 线 阵CCD图 像 具 有 曲 线 的特 征 ， 我 们 可 以 借 助 于帧 相 减 技 术 突 出 目 标 特 性 ， 线 阵CCD图 像 不 同 于 面 阵CCD图 像 之 处 在 于 对 线 阵 图 像 来 说 ， 经 过 帧 相 减 后（ 目 标 图 像 减 去 背 景 图

11、 像 ） ， 尽 管 噪 音 不 会 有 明 显 改 观 ，但 整 幅 图 像 近 似 一 条 直 线 ， 目 标 特 征 更 加 突 出 ， 图3所示 。!.!剔 除 噪 音噪 音 主 要 由 图 像 采 集 ， 传 输 电 路 、 存 储 电 路 产 生的 ， 其 幅 度 和 出 现 的 位 置 一 般 是 随 机 的 ， 基 本 上 是 孤 立点 。 为 了 剔 除 这 些 杂 散 点 ， 采 用 以 下 比 较 方 法 ： 以 主 图像 （ 近 似 直 线 ） 为 基 线 ， 给 定 两 个 阈 值 ：d和N， 令（i）表 示 第i个 像 素 的 灰 度 值 ， 不 失 一 般 性 ，

12、 假 定 在 第l个像 素 处 没 有 噪 音 ， 即（l） 是 正 常 的 灰 度 值 。 假 定 像 元素 数 为M（ 对 于l024像 元 的 线 阵CCD来 说 ，M =l024） ， 对 于 像 素i从l到M -l， 如 果 有I （i + l）- （i）I !d（l）证 明 灰 度 值 是 连 续 变 化 的 ，（i + l） 不 属 于 应 该 剔 除的 噪 音 点 。 如 果I （i + l）- （i）I “d（2）图4有 杂 散 点 的 图 像说 明 在 第i + l个 像 元 的 灰 度值 变 化 太 大 ， 有可 能 是 杂 散 点 ，但 也 存 在 着 是目 标 信 号

13、 的 可 能 性 。 在 这 种 情 况 下 ， 要 计 算 从 第i + l个 像 素 开 始 有 多 少 个 连 续 的 像 元 的 灰 度 值 满 足I （i+ 7）- （i）I “d， 如 果 连 续 的 像 元 数 小 于 阈 值N，则 说 明 这 些 连 续 的 像 素 是 杂 散 点 。 否 则 可 能 是 由 于 目标 信 号 产 生 的 。 对 于 杂 散 点 ， 我 们 采 用 直 接 剔 除 ， 而 以两 边 相 邻 的 正 常 的 像 素 灰 度 值 的 线 性 插 值 来 代 替 。 如第i个 点 是 杂 散 点 ， 则 以 第i -l和i +l的 灰 度 值 的 平

14、均 值 来 代 替 （ 前 提 条 件 是i -l，i + l像 素 点 不 是 杂 散点 ） 。 若i点 到i + 7点 不 是 杂 散 点 ， 而 其 之 间 的i +li + 7 -l点 是 杂 散 点 ， 则 第a个 杂 散 点（i + a）= （i）+（i + 7）- （i） ） 7a，a = l，2， ，7 -l。关 于 两 个 阈 值 的 选 取 ， 一 般 要 根 据 实 际 的 应 用 情况 来 选 取 ， 特 别 是N的 选 取 ， 要 根 据 目 标 信 号 在 图 像中 点 所 占 宽 度 范 围 来 确 定 ， 否 则 容 易 将 目 标 信 号 当 作噪 音 而 剔

15、 除 掉 。经 过 噪 音 滤 除 算 法 后 ， 可 使 线 阵 图 像 整 齐 起 来 ， 为下 一 步 的 平 滑 处 理 创 造 条 件 ， 保 证 图 像 不 失 真 ， 换 句 话说 ， 保 证 了 目 标 信 号 的 基 本 特 征 不 变 。!.#平 滑 处 理滤 除 掉 杂 散 点 的 图 像 看 起 来 要 光 滑 多 了 ， 但 从 计算 目 标 特 性 来 看 ， 平 滑 度 还 远 远 不 够 。 第 三 步 ， 采 用 三次 平 滑 算 法 ， 使 得 图 像 足 够 平 滑 。 具 体 做 法 如 下 ： 对 于每 一 个 像 元 点 i，（i） ， 各 取 前

16、后 两 点 i - 2，（i -2） ， i -l，（i -l） ， i + l，（i + l） ，i + 2，（i + 2 ， 作 三 次 插 值y（O）= a3O3+ a2O2+ alO + a0（3）图5平 滑 后 的 图 像（ 用 五 点 平 滑 算 法 ）其 中 由ai通 过y（O）在 以 上 四 个 点 的 插 值条 件 求 解 ， 详 见 参 考 文献 7 。用 该 三 次 插 值 在O = i处 的yi代 替（i） ， 即（i）= a3O3i+ a2O2i+ alOi+ a0， （Oi= i） 。 通 过 实际 应 用 证 明 ， 五 点 三 次 平 滑 算 法 可 以 很 好

17、 的 起 到 平 滑作 用 ， 而 且 保 证 了 目 标 图 像 的 边 缘 特 性 。#边 缘 识 别 算 法前 边 我 们 讲 过 ， 目 标 在 图 像 中 的 位 置 可 以 反 映 出实 际 目 标 在 空 间 中 的 位 置 ， 而 目 标 本 身 的 尺 寸 则 反 映在 图 像 中 所 占 像 素 的 数 目 上 。 由 于 目 标 的 边 缘 在 图 像上 是 一 个 模 糊 的 概 念 ， 即 变 化 剧 烈 的 部 分 ， 所 以 准 确 的识 别 出 目 标 的 边 缘 直 接 关 系 到 测 量 精 度 。 边 缘 检 测 主要 是 要 求 准 确 。从 单 个 像

18、 素 的 观 点 来 看 ， 如 果 边 缘 “ 找 ” 准 了 ， 精度 是 按 像 素 来 衡 量 的 ， 要 么 是 像 素， 要 么 是 像 素+l， 那 么 对 于 一 对 对 应 的 边 缘 来 说 ， 最 大 误 差 可 以 达 到两 个 像 素 。 而 且 根 据 离 散 像 素 确 定 边 缘 位 置 时 ， 由 于 灰度 值 也 不 是 连 续 的 ， 精 度 还 有 可 能 降 低 。 例 如 ， 理 想 边缘 应 该 在 第i个 和i +l个 像 素 之 间 ， 按 离 散 算 法 ， 确 定下 来 不 是i， 就 是 第i + l个 像 素 。 显 然 这 种 方 法

19、 将 影响 测 量 的 精 度 。 更 精 确 的 确 定 边 缘 ， 一 般 需 要 对 像 素进 行 细 分 。 对 于 面 阵 来 说 ， 像 元 细 分 方 法 较 多3， 而对 于 线 阵CCD图 像 来 说 ， 详 细 介 绍 资 料 不 多 ， 特 别 从系 统 角 度 上 介 绍 的 更 少 。 本 文 提 出 了 选 用 三 次 样 条 插674光 学 技 术第28卷值 整 个 图 像 曲 线 ， 再 通 过 选 取 目 标 图 像 区 域 ， 计 算 插 值曲 线 的 拐 点 ， 可 比 较 精 确 的 求 出 目 标 图 像 的 边 缘 。 这种 算 法 的 优 点 是

20、图 像 曲 线 充 分 光 滑 ， 达 到 整 体 二 阶 连续 ， 计 算 出 的 边 缘 可 以 达 到0 .1个 像 素 以 上 。 比 起 其它 的 细 分 方 法 ， 本 算 法 容 易 实 现 ， 精 度 高 。!.“整 体 插 值在 第i到 第i + 1个 像 素 之 间 定 义 三 次 曲 线Ri（O）= ai3O3+ ai2O2+ ai1O + ai0O !Oi，Oi +1 （4）曲 线Ri（O） 满 足Ri（i）= （i） ，Ri（i +1）= （i +1） ， 且Ri（O） 与Ri +1（O） 在O = i + 1处 有 相 同 的 一阶 导 数 和 二 阶 导 数 ，

21、即 达 到C2连 续 （ 曲 率 连 续 ） 。 通 过一 阶 导 数 和 二 阶 导 数 的 连 续 条 件 ， 同 时 补 充 两 个 边 界图6整 体 三 次 插 值处 理 后 的 图 像条 件 ， 就 可 准 确 得 出分 段 三 次 函 数Ri（O） ，详 见 参 考 文 献 7 ， 图6是 经 过 整 体 插 值 后的 图 像 。!.#确 定 目 标 图 像 曲 线由 于 在 计 算 边 缘 时 ， 需 要 对 每 段 曲 线 求 二 阶 导 数 ，并 求 二 阶 导 数 的 零 点 ， 如 果 对 整 条 曲 线 计 算 ， 计 算 量 非常 大 。 为 了 简 化 计 算 ，

22、在 实 际 处 理 图 像 时 ， 可 以 通 过 光标 选 取 目 标 图 像 的 区 域 ， 在 区 域 内 计 算 二 阶 导 数 的 零点 。 经 对 这 样 的 处 理 后 ， 图 像 就 成 为 图7的 样 子 。（a） 选 定 目 标 区 域 （b） 寻 找 边 缘 点图7!.!计 算 边 缘 点假 设 ， 在 图7（b） 中 涉 及 到 的 曲 线 段 有Rj，Rj +1， ，Rj +n， 则 分 别 计 算 各 曲 线 段 在 定 义 区 间 的 二 阶 导数 为 零 的 点Ri（O）= 6ai3O + 2ai2i = j，j + 1， ，j + n（5）令Ri（O）= 0得

23、!S= - ai2 （3ai3） 。 如 果i “OS“i+ 1， 则 说 明!“是 边 缘 点 ， 由 于 图 像 本 身 的 特 点 （ 目 标的 边 缘 是 对 称 的 ） ， 必 能 找 到 另 一 边 缘 点 ， 在Rj，Ra中（Ra为 另 一 边 缘 所 在 曲 线 段 ） ， 图7（b） 是 经 过 以 上 平滑 算 法 后 所 求 得 的 边 缘 点 。$结 论随 着CCD器 件 本 身 的 快 速 发 展 ， 其 在 测 试 领 域 越来 越 广 泛 的 被 应 用 ， 图 像 处 理 技 术 越 来 越 受 到 重 视 ， 特别 在 兵 器 测 试 中 ， 由 于 使 用

24、环 境 十 分 复 杂 ， 所 获 取 的 图像 质 量 有 所 下 降 ， 而 从 要 求 来 说 又 需 要 实 时 处 理 ， 精 度要 求 更 高 。 所 以 对 图 像 处 理 技 术 提 出 更 高 的 要 求 。 以线 阵CCD图 像 处 理 技 术 为 例 ， 许 多 文 献 介 绍 时 都 是 假设 了 许 多 良 好 的 条 件 ， 而 在 实 际 处 理 中 ， 这 些 算 法 要 受到 很 多 限 制 ， 本 文 是 从 实 用 性 和 系 统 性 方 面 出 发 ， 提 出了 线 阵 图 像 处 理 方 法 。 经 实 用 系 统 验 证 ， 具 有 快 速 、 稳定

25、 、 可 靠 和 精 度 高 的 特 点 。参 考 文 献 ：1 姜 寿 山 ， 雷 志 勇 ， 倪 晋 平.多 镜 头CCD弹 丸 姿 态 测 量 系 统 J.西 安工 业 学 院 学 报 ，1997，18（2） ：162 高 雁 飞.几 种CCD图 像 边 缘 的 高 精 度 规 则 方 法 分 析 J.西 安 工业 学 院 学 报 ，1997，18（2） ：92983 达 争 尚 ， 施 沅 芳.线 阵CCD尺 寸 测 量 信 号 的 提 取 J.西 安 工 业 学院 学 报 ，2000，21（1） ：35384 施 浣 芳 ， 雷 志 勇 ， 高 宏 尧 等.高 速 运 动 物 体 飞

26、 行 参 数 的CCD测 量 方法 研 究 J.西 安 工 业 学 院 学 报 ，2000，20（4） ：2592635 蔡 文 贵.线 阵CCD摄 像 机 及 其 应 用 J.应 用 光 学 ，1992，13（3） ：46496 熊 仁 生 ， 吴 圣 雄 ， 程 忠 民. GD-341终 点 弹 道 炸 点 测 量 系 统 J.光子 学 报1993，22（1） ：5127 孙 家 广.计 算 机 图 形 学 M.清 华 大 学 出 版 社 ，1995：2623058 王 弘 铠.立 靶 坐 标 定 位 测 量 系 统 研 究 J.长 春 邮 电 学 院 学 报1997，15（3） ：646

27、8（ 上 接 第474页 ）光 谱 段 积 分 辐 射 计 作 为 一 种 测 量 仪 器 ， 应 当 具 有较 好 的 稳 定 性 、 重 复 性 和 较 高 的 精 确 性 。 通 过 光 、 机 、电 、 算 各 方 面 的 精 心 改 造 ， 并 经 过 长 时 间 的 考 核 ， 其 测试 结 果 表 明 该 光 谱 段 积 分 辐 射 计 的 稳 定 性 、 重 复 性 和精 确 性 都 达 到 了 较 高 的 水 平 ， 完 全 符 合 设 计 要 求 ， 因 此本 文 所 介 绍 的 光 谱 段 积 分 辐 射 计 研 制 是 一 种 成 功 的 方案 。参 考 文 献 ：1

28、张 敬 贤 ， 李 玉 丹 ， 金 伟 其.微 光 与 红 外 成 像 技 术 M.北 京 理 工 大 学出 版 社 ，19942 刘 敬 海 ， 等.红 外 光 谱 辐 射 计 的 研 制 J.红 外 与 激 光 工 程 ，1999，28（2）3 张 正 华 等.PC机 和AT89C51单 片 机 的 主 从 式 多 机 数 据 通 信 J.现代 电 子 技 术 ，2000（7）4 何 立 民. MCS-51系 列 单 片 机 应 用 系 统 设 计 M.北 京 航 空 航 天 大学 出 版 社 ，19855 高 稚 允 ， 高 岳.光 电 检 测 技 术 M.北 京 ： 国 防 工 业 出 版 社 ，1995774第5期 雷 志 勇 ， 等 ： 线 阵CCD图 像 处 理 算 法 研 究