EAST等離子體圖像邊界提取算法的改進

余遠春1，羅家融1，舒雙寶2，崔治學1，代路偉1

(1.東華大學 理學院，上海201620；

2.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥230009)

摘要：本文采用快速CCD相機采集托卡馬克裝置的等離子體放電圖像，根據(jù)等離子體放電的位置特點，采用基于Otsu闕值改良的Canny算法對等離子體圖像進行等離子體邊界位置的提取，并通過最小二乘法進行邊界擬合，從而得到準確的等離子體位置。

關鍵詞：EAST；Otsu；Canny；等離子體；最小二乘法

中圖分類號：TL659 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-08-04;修回日期：2014-11-17

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11105028)

作者簡介：余遠春(1988—)，男，四川江油人，碩士研究生，光學工程專業(yè)

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2093

Improved Algorithm to Extraction EAST Plasma Image Boundary

YU Yuan-chun1, LUO Jia-rong1, SHU Shuang-bao2,

CUI Zhi-xue1, DAI Lu-wei1

(1.CollegeofScience,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China;

2.SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering,

HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:In this paper, a fast CCD camera was used to capture the Tokamak plasma discharge image. According to the characteristics of plasma image position during the plasma discharge, an improved Canny algorithm to extract the real plasma boundary position based on Otsu threshold was proposed in plasma boundary detection. By using least square method to fit the boundary of plasma image, the accurate position of plasma was obtained.

Key words：EAST; Otsu; Canny; plasma; least square method

由中國科學院等離子體物理研究所研制的世界上首個非圓截面全超導托卡馬克裝置(EAST)，自從2006年建成以來已取得大量實驗成果[1-2]。托卡馬克中等離子體的穩(wěn)態(tài)運行是實現(xiàn)聚變反應堆所必需的條件，在托卡馬克運行控制中反饋控制信號主要來自電磁測量信號，但在托卡馬克啟動階段，由于等離子體擊穿和形成電流過程的復雜性以及電流形成過程中真空室壁上的感應渦流對磁測量產生的嚴重干擾，使測量信號很難真實反映等離子體電流的實際情況，因此，難以實現(xiàn)對等離子體電流和位置的可靠控制[3-4]。為解決此問題，中國科學院等離子體物理研究所在EAST裝置上，采用快速CCD相機采集并保存托卡馬克等離子體放電時的圖像，然后用改進的主動輪廓模型算法實時獲得等離子體的邊界位置[5]，并通過最小二乘法對其邊界進行擬合處理和計算以得到等離子體的位置，以此為參數(shù)對等離子體進行反饋控制，實現(xiàn)對等離子體的穩(wěn)定控制。但在實驗中發(fā)現(xiàn)，在處理高亮度的等離子體放電圖像時，用改進的主動輪廓模型算法[5]無法獲得準確的等離子體邊界。為能準確地識別等離子體的邊界，本文提出一種基于Otsu闕值改良的Canny邊緣檢測算法，來提取等離子體邊界的位置。

1基于Otsu闕值改良的Canny算法等離子體圖像邊緣識別

1.1等離子體圖像的初步處理

等離子體圖像采集出來的圖片可以采用多種顏色格式來表述。本文采用JPG格式的圖片，它是YUV顏色模式的數(shù)據(jù)結構，其中Y表示亮度，U和V表示顏色，其與RGB色彩模式的轉換關系為：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

U=-0.169R-0.331 3G+0.5B

(2)

V=0.5R-0.418 7G-0.081 3B

(3)

其中，R、G、B為RGB色彩模式中的紅、綠、藍3個通道的顏色。

由式(2)、(3)可看出，U中B的權重較大，而V中R的權重較大。結合等離子體圖像發(fā)現(xiàn)，提取邊緣區(qū)域的R的權重最大，所以本文取第3個分量，即V。將等離子體圖像進行初步的灰度化，從而更利于得到精確的等離子體邊緣。

1.2Otsu闕值改良

等離子體圖像經初步的灰度化后，需對灰度圖像進行闕值改良和闕值分割。闕值分割是一種圖像分割的典型算法，由于其簡單有效而被廣泛地運用在圖像處理和計算機視覺領域[6]。常用的闕值分割方法包括Ostu法、梯度統(tǒng)計法、直方圖雙峰法等。在EAST上，用快速CCD采集出的圖像具有噪聲少和目標背景像素數(shù)目差別大的特點，所以采用分割效果較好的Otsu法來進行闕值分割。Ostu法的原理如下。

(4)

(5)

(6)

(7)

?(T)=P0(T)P1(T)(μ0(T)-μ1(T))2

(8)

1.3Canny邊緣檢測

經Ostu闕值改良后，選用Canny提取需要的邊界，Canny邊緣檢測的原理為：Canny算子既能濾去噪聲又保持邊緣特性的邊緣檢測濾波器，采用二維高斯函數(shù)的任意方向上的一階方向導數(shù)為噪聲濾波器，通過對圖像卷積進行濾波，然后對濾波后的圖像尋找圖像梯度的局部最大值[7]，以此來確定圖像邊緣。Canny算子具有高靈敏度和高檢測速度的優(yōu)勢。其二維高斯函數(shù)的數(shù)學描述為：

(9)

其中，δ為高斯函數(shù)的標準差。

其可等效為用水平方向G(x)和豎直方向G(y)的兩個一維高斯濾波器。在某一方向n上G(x,y)的方向導數(shù)為：

(10)

經平滑后的圖像可用式(11)得到：

(11)

梯度幅值可根據(jù)式(10)利用方向導數(shù)計算得到。

1.4邊界擬合

Canny提取出的邊界粗糙、有噪聲，不能直接用來擬合等離子體邊界，因此在擬合前，需將Canny提取出的邊界數(shù)據(jù)根據(jù)等離子體具體的位置進行篩選，選取合適的邊界數(shù)據(jù)再進行擬合，從而得到所需要的光滑的等離子體邊界[8]。邊界擬合的方法[5]如下。

設等離子體邊界上的點n(xi,yi)滿足圓的方程：

(12)

其中：(a，b)為圓心；r為半徑。但實際上，式(12)的兩邊并不完全相等，它有一殘差α，可表示為：

(13)

其均方根的和Q為：

(14)

(15)

令：

(16)

可得到：

(17)

2實驗結果與分析

用文獻[5]中改進的主動輪廓模型算法處理16 579炮某時刻等離子體放電圖像，結果如圖1所示。圖1a為圖像用改進的主動輪廓模型算法識別出的等離子體邊界，可看出，其結果完全不能正確反應等離子體的真實位置，真實的等離子體位置如圖1b中圓圈的位置所示。

圖1　改進的主動輪廓模型算法識別的 等離子體邊界(a)與等離子體真實邊界(b) Fig.1　Plasma boundary of improved active contour model algorithm (a) and real plasma boundary (b)

圖2　16 579炮圖像檢測效果 Fig.2　16 579 result of image detection

運用Matlab實現(xiàn)本文所提出的算法，處理16 579炮某時刻等離子體的放電圖像，其結果如圖2所示。其中，圖2a為該時刻等離子體放電圖像原圖，圖2b為運用本文提出的方法進行邊界提取，擬合后得到的等離子體的邊界圖像。將圖2b與圖1b作對比，可看到，該方法檢測出來的等離子體邊界與實際的等離子體邊界十分符合。

運用本文所提出的邊界識別算法，不僅能識別改進的主動輪廓模型算法所適用的等離子體放電圖像，還能適用于其他亮度的等離子體放電圖像，且都能準確地識別出等離子體的位置。圖3a、b、c分別為14 975炮、16 570炮、16 579炮放電過程中，不同時刻不同亮度的等離子體放電圖像用本文所提出的算法識別出的等離子體邊界。

圖3　圖像檢測效果 Fig.3　 Result of image detection

3結論

本文提出的等離子體邊緣檢測的算法，能準確地識別出等離子體圖像的位置信息，且能適用于不同亮度的等離子體放電圖像，為實驗人員進行等離子體放電的反饋控制提供了可靠的實驗數(shù)據(jù)。

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SHU Shuangbao, LUO Jiarong, XUE Erbing, et al. Plasma image acquisition and position detection in EAST[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(8): 1 439-1 444(in Chinese).

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