【doc】 低信噪比下扩展目标质心的高精度计算方法

【doc】 低信噪比下扩展目标质心的高精度计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 低信噪比下扩展目标质心的高精度计算方 法 第32卷第8期 2005年8月 光电工程 Opto-ElectronicEngineering Vo1.32,No.8 August,2005 文章编号:1003—501X(2005)08—0009—04 低信噪比下扩展目标质心的高精度计算方法 林辉轮,王春鸿,姜文汉 (1.中国科学院光电技术研究所,四川成都610209; 2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:分析了扩展目标在Shack.Hartmann传感器中的成像特点.针对成像特点,提出了一种提取 子光斑位置的质?22计算方法.该方法应用多闽值分割和多结构元形态学去噪预处理后再进行质?22 计算.在信噪比低,扩展度犬的情况下,能够有效地抑制噪声,减小噪声对质心计算精度的影响. 在不同信噪比和扩展度下,相对于一般质心方法,该方法能够显着地 提高探测精度.当信噪比为 0,5,扩展度达l3时,该方法的平均绝对误差不到1个像素. 关键词:质?22计算;形态学;低信噪比;扩展目标 中图分类号:V556文献标识码:A HighaccuracycentroidcalculationforextendedoHectwithlowSNR LINHui.1un一,WANGChun.hong,JIANGWen.han (1.TheInstituteofOpticsandElectronics,theChineseAcademyofSciences,Chengdu610209,China; 2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China) Abstract:Thecharacteristicsofasub—aperturespotimageformedbyextend edobjectinShack.Hartmann wavefrontsensorwereanalysed.Basedontheimagecharacteristics,anewcentroidcalculationmethod forextendedobjectwithlowSignaltoNoiseRatio(SNR)ispresented,Byusingmulti.threshold segmentationanddenoisingwithmathematicalmorphology,themethodisveryaccurateforcalculating extendedobjectwithlowSNR.Furthermore,simulationiSperformedandtheresultiSpresented,The meanabsoluteerrOriSlessthan1pixelwhentheextensiondegreeequals13andSNRiS0,5, Keywords:Centroidcalculation;Mathematicalmorphology;LowSNR;Ext endedobjects 己I言JI口 由于具有光能利用率高,采样速度快,无运动部件,可白光工作等优点,Shack.Hartmann波前传感器 (SH-WFS)在自适应光学中已经得到了广泛的应用.sH-WFS是通过探测各个子孔径的平均斜率来探测波前 信息,探测波前信息关键是探测子孔径光斑的位置.对于点光源,一些提高质心精度的算法’.’被提了出 来.当目标扩展(非点光源),低信噪比时,如何有效地提取子光斑位置,文中将提出一种合适的方法. 1理论 1.1SH.WFS成像特点 SH-WFS微透镜阵列中的单透镜口径非常小,衍射效应非常严重.图1是点源经过一个直径D=2mm, 焦距f_-20mm的透镜所成的像.从图中可以看出,单点成像后不只是一个点,而有明显的衍射作用.所以, 对于一个扩展目标,通过SH-WFS成像后,即使在没有像差的情况下也很难形成细节;如果考虑像差和噪 声影响,则从图像很难辨认出物体细节信息,而且形状也很难辨认,如图2. 另外,人造目标细节不明显,用sH-WFS探测人造扩展目标时,成像一 般为一个光斑.考虑噪声影响, 收稿日期:2004—04-26,收到修改稿日期:2005-04—15 作者简介:林辉轮(1980一),男(汉族),四川岳池人,博士生,从事光学和信号处理. E-mail:lflkhykecho@163.com 则SH—WFS子孑L径图像由亮的物体对象, 光电工程第32卷第8期 暗的背景及其各种噪声组成,如图3. 图1直径D=2mm,焦距f20mm的 透镜的点扩散 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数 Fig1PSFforalenswithD=2mmand/-201nm ? 图2扩展目标 Fig.2Extendedobjecl ?(a)理想成像 (a)Idealinmging (b)离焦成像 (b)Defocusedimaging 图3扩展目标成像 Fig3Imagingoftheextendedobject (c)带加性噪声的离焦戍像 (c)Defocusedimagingwithaddednoise 1.2图像分割阈值的选取 如果一幅图像f(x,,)由目标和背景组成,则可以把图像分成背景和目标两个集合.通过选取一阈值71, 使得f(x,),71的点为对象点,否则为背景.这样把目标对象和背景分离开.将经过闽值处理后的图像g(x,,) 记为 f(x,)>T f(x,)’)T 1)基于直方图的选取;2)基于全局统计特征的选取;3)最佳自适应闽值 1.3形态学去噪原理 数学形态学主要是基于集合理论来研究图像,它由一组形态学的代数运算组成,这些基本运算通常定 义于两个集合A和.A表示要研究的集合体,即要处理的图像,表示结构元素.用结构元素8对待处 理图像A进行不同处理就形成不同运算.在形态学中,基本形态学算子有腐蚀,膨胀,开,闭,可以用这 些算子及其组合来进行图像形状和结构的分析及处理,包括图像分割,特征抽取,边界提取,图像滤波等. 形态学去噪原理就是利用形态学进行滤波处理.根据噪声特点,选用一定结构元对图像进行腐蚀处理 可以虑掉噪声,然后用同一结构元进行膨胀,就可以恢复目标区域而去掉其它区域的噪声.这个操作过程 称为开运算,图像通过开运算可以滤去其它区域噪声而仅保留目标区域. 2扩展目标质心探测方法 由于人造扩展目标在SH—WFS上成像只是一个光斑,所以利用质心算法提取目标位置是一种合理的选 择.在有噪声情况下,一般质心方法产生较大的探测误差.图4是一种适合低信噪比和大扩展度的质心探 ? O ,????(??【= : 有 法 方 取 选 的 用 常 取 选 的 丁 筐 闽 于 对 2005年8月林辉轮等:低信噪比下扩展目标质心的高精计算方法 测方法. 图4 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 Fig.4Flowchart 其中Binarize代表对图像进行二值化;Open表示用结构元SEn=1,2,3,4)对二值化后的图像进行开 操作,产生窗口Winn=1,2,3,4),然后在窗口内计算质心.方法说明: 1)对输入图像进行4路(可以是JV路,方法一样)处理,每路处理方法一样,核心思想是通过处理,使 得计算质心的窗口和目标大小尽量一致,这样可以减小各种噪声对质心计算的影响; 2)各路的主要区别在于取不同阈值threshold和结构元SE; 3)阈值选取参考文献【4】介绍的一般阈值选取方法及其图像统计特性; 4)结构元的选取与阈值选取有关系,对于同一图像,阈值选取越大,结构元越小; 5)用结构元对图像进行开运算时可能会产生空窗口,对于空窗口,质心设为0,这样可以避免某路处 理中带来太大误差; 6)最后对非零质心求平均,可以进一步减小噪声对质心计算的影响. 3方法仿真 把扩展目标在SH—WFS子孔径成像作为输入图像(40像素X40像素);把物体径向长度与子孔径衍射极 限(1.5个像素)的比值定义为扩展度;把图像中目标均值与噪声方差比值定义为信噪比;门限thresholdl为 最佳全局阈值,门限threshold2为mean+std,门限threshold3为mean+1.5std,门限threshold4为mean+2std; SEI,SE2,SE3,SE4分别为 111l11010 ,,, ::11l111010 针对上述方法和一般质心方法进行了探测比较,结果见表l,可以看出,不同扩展度下和信噪比下, 文中方法都显着地优于一般质心方法的探测精度. 4结论 扩展目标在Shack—Hartmann传感器中成像具有细节少,成像表现 为光斑的特点.针对这种特点提出了 一 种有效提取子孔径光斑的方法.并对方法进行了仿真,结果表明,在不同扩展度和信噪比下,文中方法 较一般质心方法显着地提高了探测精度:(1)信噪比为0.5时,不同扩展度下,文中质心的平均误差不超过 0.8个像素.(3)当信噪比为1时,对于不同扩展度,平均误差只有0.2个像素左右;(4)当信噪比为2时, 不同扩展度的质心探测的平均误差不到0.1个像素. l2光电工程第32卷第8期 表1方法结果比较 Table1Resultcomparisonbetweenthecontextmethodandtraditionalmetho d ExtendedAxes(extendedSNRMeanerrorofthecontextmethodsMeanerror ofthegeneralmethod degreedegree)(pixel/frames)(pixel/frames) O500640.686 X l0.0340.493 (3) 2O.Ol70.385 3x5 O.5O.1Ol1.9l4 Y l0.056l229 (5) 20.0330754 O50.0880.994 X l004l0.596 (5) 2O.Ol8O_42l 5x9 O.5O.1673.133 Y l0.0902.O9l (9) 20.0441.334 O.502741.859 X lO.O951.256 (7) 20.055O.969 7xl3 O50.7983.198 Y lO.1852.104 (13) 20.0961.208 参考文献: 【l】沈峰,姜文汉.提高Hartmann波前传感器质心的阈值A’--;-L-[J]. 光电工程,1997,24(3):卜8. 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