專利名稱：線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中圖像二值化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法及相關(guān)電路，尤其涉及高速線陣圖像采集過程中的二值化的實時實現(xiàn)及自適應(yīng)閾值設(shè)置方案。
背景技術(shù)：
光電技術(shù)的發(fā)展為降水降雪現(xiàn)象的自動化和精細(xì)化測量提供了必要基礎(chǔ)，基于線陣圖像傳感器的降水降雪粒子成像技術(shù)能夠提供單個降水粒子的形狀和振蕩特性，進(jìn)一步可提取降水瞬時強度、降水粒子譜和速度譜等信息。目前，國外基于圖像采集技術(shù)的降水測量儀器以二維視頻降水測量儀(Two-Dimensional Video Disdrometer,2-DVD)和氣象粒子測量系統(tǒng)(MeteorologicalparticleSensor, MPS)為代表。國內(nèi)方面未有此類成熟儀器。在實際應(yīng)用時，傳統(tǒng)的線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)通過設(shè)置固定成像閾值獲取降水粒子的二值化圖像，由于線陣圖像傳感器像元響應(yīng)的非均勻性以及實際工作環(huán)境的復(fù)雜，長期使用同一個成像閾值會影響測量精度和數(shù)據(jù)的一致性。此外，線陣降水系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)量大，且需要連續(xù)運行，需設(shè)計相應(yīng)的高速二值化方案和相關(guān)處理算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中實時采集數(shù)據(jù)量大和成像閾值設(shè)置的不足，提供一種能夠適應(yīng)實際工作環(huán)境的線陣降水降雪粒子圖像二值化方法，從而保證測量的精度和長期測量結(jié)果的一致性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，采用可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA和數(shù)字信號處理器DSP為核心控制模塊。其中FPGA控制線陣時序完成圖像數(shù)據(jù)的采集，DSP通過總線方式實時獲取FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)，DSP完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和閾值計算及設(shè)置，同時控制整個系統(tǒng)的工作流程。首先，由DSP定時(每半小時)控制成像系統(tǒng)鏡頭關(guān)閉，阻隔平行光源發(fā)出的平行光，同時控制線陣圖像傳感器采集當(dāng)前背景光強值以獲取當(dāng)前環(huán)境(對應(yīng)相應(yīng)的溫度和濕度)線陣圖像傳感器的底噪，統(tǒng)計計算每個像素點的平均噪聲值。然后，開啟鏡頭開關(guān)，以總線(傳送)方式獲取一個時間間隔內(nèi)線陣圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到每一個線陣圖像傳感器像元對光強響應(yīng)的平均值，將每個像元的光強響應(yīng)的統(tǒng)計值減去對應(yīng)平均噪聲值后乘以一比例系數(shù)得到每個像元的成像閾值，將每個像元的閾值通過總線寫入到FPGA內(nèi)的存儲模塊，供實時二值化模塊調(diào)用。FPGA模塊中二值化模塊在同步時鐘的觸發(fā)控制下將每一幀數(shù)據(jù)的像元光強響應(yīng)值和對應(yīng)的存儲器中的閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)相應(yīng)像素光強響應(yīng)值低于預(yù)先設(shè)置的成像閾值時，則認(rèn)為該像元像素被完全遮擋，置為1，否則置為0，得到線陣圖像傳感器采集的每一幀線陣數(shù)據(jù)的二值化曲線(數(shù)據(jù)流)。所述的實時線陣圖像數(shù)據(jù)二值化方法，利用FPGA內(nèi)的邏輯運算資源和高速并行運行的特點，將實時采集的線陣像元光強響應(yīng)值和預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，得到相應(yīng)的二值化曲線，能夠解決線陣高速掃描、實時數(shù)據(jù)量大的關(guān)鍵技術(shù)需求。所述的自適應(yīng)閾值設(shè)置方案，充分利用數(shù)字信號處理器DSP的強大的實時運算能力，首先考慮到傳感器的溫漂特性，通過控制鏡頭開關(guān)，獲取當(dāng)前溫濕度條件下的噪聲平均值；然后，綜合考慮線陣圖像傳感器像元光強響應(yīng)的非均勻性、光源性能漂移的影響，設(shè)計了基于定時統(tǒng)計光強響應(yīng)平均值的自適應(yīng)閾值設(shè)置方案，每次開機自檢時或者定時進(jìn)行線陣像元光強響應(yīng)能力的統(tǒng)計，結(jié)合定標(biāo)系數(shù)，確定線陣每一個像元的成像閾值，解決了野外環(huán)境測量精度和數(shù)據(jù)一致性的難點。所述自適應(yīng)閾值設(shè)置方案中的定標(biāo)系數(shù)，由預(yù)先的實驗室定標(biāo)確定，設(shè)置不同的閾值系數(shù)，如在50%、55%、60%、65%、80%等不同動態(tài)閾值條件下，采用不同直徑玻璃棒(其材料和雨滴折射指數(shù)相近的)；在不同采樣位置時測量結(jié)果的平均相對誤差確定最終的閾值系數(shù)。在不同采樣位置，當(dāng)動態(tài)閾值比例系數(shù)設(shè)定為55%時，儀器測量結(jié)果的平均相對誤差最小。本發(fā)明的有益效果在于1、充分利用FPGA高速并行和邏輯控制的特點，實現(xiàn)高速線陣圖像數(shù)據(jù)的實時二值化處理，與傳統(tǒng)的比較器模塊相比，電路及參數(shù)設(shè)計更加靈活、簡潔和可靠，同時減少了數(shù)據(jù)傳輸量及后期的處理量。2、充分利用DSP數(shù)字信號處理能力，采用DSP和FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，完成相應(yīng)的系統(tǒng)工作流程控制，能夠利用DSP強大的運算能力完成圖像傳感器的底噪平均值統(tǒng)計、光強響應(yīng)值統(tǒng)計及閾值計算等功能。3、充分發(fā)揮FPGA和DSP各自的優(yōu)勢，采用實時二值化及定時閾值設(shè)置的方案，可以減少數(shù)據(jù)傳輸量及最大限度解決光源和傳感器性能漂移等影響成像閾值進(jìn)而影響測量精度的問題?？朔F(xiàn)有線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中實時采集數(shù)據(jù)量大和成像閾值設(shè)置的不足，保證測量的精度和長期測量結(jié)果的一致性。


圖1是本發(fā)明的所涉及系統(tǒng)硬件組成2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集處理框3閾值設(shè)置算法流程圖4是本發(fā)明的自適應(yīng)閾值設(shè)置示意圖
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。如附圖1所示線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)的功能示意圖，所述光學(xué)系統(tǒng)包括平行光管和成像系統(tǒng)，平行光源提供均勻、穩(wěn)定的平行光，為線陣圖像傳感器提供參考光強值。成像系統(tǒng)將平行光按一定的倍率投射在線陣傳感器上，傳感器以一定的曝光頻率對平行光的光強變化進(jìn)行采集。當(dāng)降水粒子通過有效采樣區(qū)時，降水粒子遮擋光路，被測粒子被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣傳感器上，線陣圖像傳感器像元響應(yīng)值降低，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的成像閾值，可以得到某一時刻降水粒子的投影切片。其中，所述的數(shù)據(jù)采集傳輸模塊以數(shù)字信號處理器DSP為核心，統(tǒng)一協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作流程。利用其總線接口、定時器及數(shù)字信號計算能力完成從FPGA緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)、控制鏡頭前遮擋光路的開關(guān)、定時采集并統(tǒng)計線陣圖像傳感器的光強響應(yīng)值、計算應(yīng)像元的成像閾值。其中，所述數(shù)據(jù)采集傳輸模塊中閾二值化功能由可編程邏輯器件FPGA片內(nèi)邏輯單元實現(xiàn)，利用FPGA片內(nèi)邏輯資源進(jìn)行實時采集線陣像元數(shù)據(jù)和存放在FPGA片存儲器中對應(yīng)像元閾值的進(jìn)行比較，當(dāng)相應(yīng)像素光強響應(yīng)值低于預(yù)先設(shè)置的閾值強度時，則認(rèn)為該像元像素被完全遮擋，置為1，否則置為0，得到每一幀線陣數(shù)據(jù)的二值化數(shù)據(jù)流。其中，所述核心模塊中編碼壓縮功能根據(jù)得到的二值化數(shù)據(jù)流，僅僅記錄二值化曲線的變化位置和結(jié)束位置，在保留原始信息的同時，可進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)傳輸量，便于后期拼圖處理。如附圖2所示，采集控制模塊以DSP為核心，完成底噪統(tǒng)計，光強響應(yīng)值統(tǒng)計和閾值計算等功能，DSP利用總線實現(xiàn)和FPGA內(nèi)FIFO的無縫連接，F(xiàn)PGA完成線陣圖像傳感器的時序驅(qū)動、高速數(shù)據(jù)的采集與緩存、二值化處理等功能。所述自適應(yīng)設(shè)置方案利用DSP定時(每半小時)對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(統(tǒng)計時間為I秒)，計算每一個線陣像元感應(yīng)光強信號的平均值，然后將光強信號的平均值減去底噪平均值后每個像元點的統(tǒng)計值乘以一比例系數(shù)得到每個像素的成像閾值。定標(biāo)系數(shù)由預(yù)先的實驗室定標(biāo)確定，設(shè)置不同的閾值系數(shù)，如在50%、55%、60%、65%、80%等不同動態(tài)閾值條件下，采用不同直徑玻璃棒(其材料和雨滴折射指數(shù)相近的)；在不同采樣位置時測量結(jié)果的平均相對誤差確定最終的閾值系數(shù)。在不同采樣位置，當(dāng)動態(tài)閾值比例系數(shù)設(shè)定為55%時，儀器測量結(jié)果的平均相對誤差最小。每個點的閾值和統(tǒng)計得到的像元對光強的平均像元能力及設(shè)置的閾值系數(shù)共同決定，得到各個像元的成像閾值后將其寫入FPGA內(nèi)部存儲器中供閾值比較編碼模塊調(diào)用。充分運用FPGA的可編程和并行運行的特點，突破了線陣降水測量系統(tǒng)中線陣高速掃描、實時數(shù)據(jù)量大的關(guān)鍵技術(shù)需求，解決了光源和傳感器性能漂移等影響成像閾值進(jìn)而影響測量精度的問題。如附圖3所示，自適應(yīng)閾值設(shè)置算法以微處理器軟核MicroBlaze為核心，利用其總線接口資源、定時器及微處理器的計算能力完成實時像素數(shù)據(jù)的讀取、統(tǒng)計計算得到每個像素點的閾值及將每個點的閾值寫入雙口 RAM中。如附圖4所示，在系統(tǒng)開機自檢或者定時閾值統(tǒng)計時，可得到線陣像元平均響應(yīng)曲線，如圖中綠色曲線，減去對應(yīng)的線陣圖像傳感器的底噪平均值，結(jié)合每個像元的定標(biāo)系數(shù)，可得到相應(yīng)的閾值曲線，如圖中蘭色曲線。根據(jù)統(tǒng)計后數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值設(shè)置，在閾值系數(shù)一定的情況下，可得到不同光強條件下每個像素點的閾值。若因為光源或者傳感器性能變化使得響應(yīng)曲線發(fā)生變化，利用DSP定時進(jìn)行閾值統(tǒng)計和設(shè)置，可使閾值能夠適應(yīng)光強及傳感器性能的變化。
權(quán)利要求
1.線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，其特征是采用可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA和數(shù)字信號處理器DSP為核心控制模塊，F(xiàn)PGA控制線陣時序完成圖像數(shù)據(jù)的采集， DSP通過總線方式實時獲取FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)，DSP完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和閾值計算及設(shè)置，同時控制整個系統(tǒng)的工作流程；首先，由DSP每半小時控制成像系統(tǒng)鏡頭關(guān)閉，阻隔平行光源發(fā)出的平行光，同時控制線陣圖像傳感器采集當(dāng)前背景光強值以獲取當(dāng)前環(huán)境即相應(yīng)的溫度和濕度線陣圖像傳感器的底噪，統(tǒng)計計算每個像素點的平均噪聲值；然后，開啟鏡頭開關(guān)，以總線方式獲取一個時間間隔內(nèi)線陣圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到每一個線陣圖像傳感器像元對光強響應(yīng)的平均值，將每個像元的光強響應(yīng)的統(tǒng)計值減去對應(yīng)平均噪聲值后乘以一比例系數(shù)得到每個像元的成像閾值，將每個像元的閾值通過總線寫入到FPGA內(nèi)的存儲模塊，供實時二值化模塊調(diào)用；FPGA模塊中二值化模塊在同步時鐘的觸發(fā)控制下將每一幀數(shù)據(jù)的像元光強響應(yīng)值和對應(yīng)的存儲器中的閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)相應(yīng)像素光強響應(yīng)值低于預(yù)先設(shè)置的成像閾值時，則認(rèn)為該像元像素被完全遮擋，置為1， 否則置為0，得到線陣圖像傳感器采集的每一幀線陣數(shù)據(jù)的二值化曲線即數(shù)據(jù)流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，其特征是所述的實時線陣圖像數(shù)據(jù)二值化方法，利用FPGA內(nèi)的邏輯運算資源和高速并行運行的特點，將實時采集的線陣像元光強響應(yīng)值和預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，得到相應(yīng)的二值化曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，其特征是所述的自適應(yīng)閾值設(shè)置方案，利用數(shù)字信號處理器DSP的實時運算能力，首先考慮到傳感器的溫漂特性，通過控制鏡頭開關(guān)，獲取當(dāng)前溫濕度條件下的噪聲平均值；然后，綜合考慮線陣圖像傳感器像元光強響應(yīng)的非均勻性、光源性能漂移的影響，設(shè)計了基于定時統(tǒng)計光強響應(yīng)平均值的自適應(yīng)閾值設(shè)置方案。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，其特征是每次開機自檢時或者定時進(jìn)行線陣像元光強響應(yīng)能力的統(tǒng)計，結(jié)合定標(biāo)系數(shù)，確定線陣每一個像元的成像閾值，解決了野外環(huán)境測量精度和數(shù)據(jù)一致性的難點。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，其特征是所述自適應(yīng)閾值設(shè)置方案中的定標(biāo)系數(shù)，由預(yù)先的實驗室定標(biāo)確定，設(shè)置不同的閾值系數(shù)，如在50%、55%、60%、65%、80%等不同動態(tài)閾值條件下，采用不同直徑玻璃棒，玻璃棒材料和雨滴折射指數(shù)相近的；在不同采樣位置時測量結(jié)果的平均相對誤差確定最終的閾值系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，其特征是在不同采樣位置，當(dāng)動態(tài)閾值比例系數(shù)設(shè)定為55%時，儀器測量結(jié)果的平均相對誤差最小。
全文摘要
線陣光學(xué)降水降雪測量系統(tǒng)中粒子圖像的二值化方法，采用可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA和數(shù)字信號處理器DSP為核心控制模塊，F(xiàn)PGA控制線陣時序完成圖像數(shù)據(jù)的采集，DSP通過總線方式實時獲取FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)，DSP完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和閾值計算及設(shè)置，同時控制整個系統(tǒng)的工作流程；首先，由DSP每半小時控制成像系統(tǒng)鏡頭關(guān)閉，阻隔平行光源發(fā)出的平行光，同時控制線陣圖像傳感器采集當(dāng)前背景光強值以獲取當(dāng)前環(huán)境即相應(yīng)的溫度和濕度線陣圖像傳感器的底噪，統(tǒng)計計算每個像素點的平均噪聲值；然后，開啟鏡頭開關(guān)，以總線方式獲取一個時間間隔內(nèi)線陣圖像傳感器采集的數(shù)據(jù),將每個像元的統(tǒng)計值乘以一比例系數(shù)得到每個像元的成像閾值。
文檔編號G01W1/14GK103020622SQ20121057471
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者江志東, 高太長, 劉西川, 劉磊, 趙世軍, 蘇小勇, 翟東力 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)