摘 要： 受到高空環(huán)境、地面目標(biāo)雜質(zhì)點(diǎn)以及信息傳遞偏差的干擾，機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)獲取的圖像存在較多的噪點(diǎn)和畸變，采用傳統(tǒng)的基于小波變換的圖像采集方法，在噪聲干擾的情況下，關(guān)鍵變換系數(shù)嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致重構(gòu)圖像丟失重要內(nèi)容、圖像質(zhì)量下降的問題。因此，提出基于混合搜索方法設(shè)計(jì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)抗干擾軟件，以機(jī)載為研究對(duì)象，采用模塊化方法，設(shè)計(jì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集軟件系統(tǒng)，分析軟件系統(tǒng)完成圖像采集的流程。依據(jù)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)采集的不同噪聲類型，選擇不同的濾波模塊，有針對(duì)性地過濾噪聲，增強(qiáng)圖像采集系統(tǒng)的抗噪性能。融合二值化分割算法、邊緣檢測(cè)算法以及動(dòng)態(tài)閾值算法，采用混合搜索方式提取機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的特征，獲取高質(zhì)量的目標(biāo)圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于中值濾波方法，所提方法獲取的目標(biāo)圖像更為清晰，并且具有較好的抗噪性能。

關(guān)鍵詞： 機(jī)載； 高空?qǐng)D像； 圖像采集； 抗干擾

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）16?0116?04

Abstract： Disturbed by high altitude environment， ground target impurities and information transmission deviation， the airborne high altitude image acquisition system exists much noise and distortion. The traditional image acquisition method based on wavelet transform may result in important contents missing of reconstruction image and image quality declining under the circumstances of noise interference due to the serious lack of key transform coefficient， so the anti?interference software of airborne high altitude image acquisition system is proposed， which was designed based on the hybrid search method. The airborne system is taken as the research object， and the modularized method is used to design the software system of airborne high altitude image acquisition. The software system is analyzed to accomplish the image acquisition process. According to different noise types acquired by the airborne high altitude image acquisition system， the corresponding filtering module is chosen to filter the relevant noise， and enhance the anti?noise performance of the image acquisition system. The binary segmentation algorithm， edge detection algorithm and dynamic threshold algorithm are integrated， and the hybrid search method is used to extract the characteristics of the airborne high altitude image acquisition system to obtain the target image with high quality. The experimental results show that， in comparison with the median filtering method， the proposed method can obtain clearer target image， and has higher anti?noise performance.

Keywords： airborne image； high altitude image； image acquisition； anti?interference software

0 引 言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的機(jī)載高空?qǐng)D像采集對(duì)于戰(zhàn)態(tài)分析具有重要作用[1?2]。受到高空環(huán)境、地面目標(biāo)雜質(zhì)點(diǎn)以及信息傳遞偏差的干擾，機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)獲取的圖像存在較多的噪點(diǎn)，存在陰影衰落，使圖像變得粗糙模糊[3?4]。采用傳統(tǒng)的基于小波變換的圖像采集方法，在噪聲干擾的情況下，關(guān)鍵變換系數(shù)嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致重構(gòu)圖像丟失重要內(nèi)容、降低圖像質(zhì)量。因此，提高圖像采集系統(tǒng)的抗干擾性能，對(duì)于確保圖像質(zhì)量具有重要意義[5?6]。

宋英麟提出基于閾值的圖像去噪方法，其分析圖像信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)中的圖像價(jià)值度值，該值越高，說明噪聲少，同時(shí)設(shè)置合理的閾值，可過濾圖像噪聲，但該方法分析過程較為繁瑣，效率較低[7]；丁君通過最優(yōu)小波基采集方法，過濾圖像中的噪聲，但該方法不適用于復(fù)雜的圖像采集環(huán)境，獲取的目標(biāo)圖像質(zhì)量較差[8]；黃楊明提出一種基于奇異性檢測(cè)的小波去噪方法獲取機(jī)載高空?qǐng)D像，該方法依據(jù)不同尺度中信號(hào)的模極大值，重構(gòu)獲取去噪信號(hào)，但在實(shí)際應(yīng)用中，該方法的圖像去噪效果較差[9]；趙代弟通過依據(jù)高低閾值函數(shù)的小范圍重疊干擾下通信濾波器抗噪聲手段，處理圖像中的噪聲，但是會(huì)導(dǎo)致圖像信號(hào)失真[10]。

為了獲取高質(zhì)量的機(jī)載高空?qǐng)D像，基于混合搜索方法，設(shè)計(jì)了機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)抗干擾軟件；采用面向機(jī)載對(duì)象的模塊化方法，設(shè)計(jì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集軟件系統(tǒng)；采用混合搜索方式依據(jù)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的特征，獲取高質(zhì)量的目標(biāo)圖像，增強(qiáng)圖像采集系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的抗干擾的實(shí)現(xiàn)

1.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合理的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的抗干擾的基礎(chǔ)。采用模塊化方法，設(shè)計(jì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集軟件系統(tǒng)，采用面向機(jī)載對(duì)象的模塊化方法，塑造機(jī)載高空?qǐng)D像采集軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常對(duì)選取對(duì)象進(jìn)行模塊化操作來改善創(chuàng)建途徑，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的較高利用、提高軟件的品質(zhì)。軟件內(nèi)部各模塊具有高內(nèi)聚和低耦合的特征，這些特征保證模塊能與外界的正常交流。設(shè)計(jì)的機(jī)載高空?qǐng)D像采集軟件系統(tǒng)通過攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)底層不同種類圖像采集設(shè)備獲取目標(biāo)圖像，用戶搜索模塊對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分析和傳遞；數(shù)據(jù)源管理模塊負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)反饋給上層應(yīng)用程序進(jìn)行決策分析。

1.2 軟件工作流程

在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過模塊化的策劃形式，將高空?qǐng)D像獲取程序的軟件運(yùn)行環(huán)境分為插件管理模塊、內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊、內(nèi)存管理模塊、圖像采集模塊、顯示管理模塊、色彩管理模塊等。每個(gè)作用模塊都是獨(dú)立的單元，各自發(fā)揮作用，耦合性低，通常只利用模塊的接口完成互相的聯(lián)絡(luò)。

機(jī)載高空?qǐng)D像采集軟件系統(tǒng)運(yùn)行步驟為：按照通信協(xié)議，系統(tǒng)軟件對(duì)來自地面操縱環(huán)境的操縱指令進(jìn)行分析，并且作出相應(yīng)的回復(fù)，與此同時(shí)，依據(jù)地面操縱指令轉(zhuǎn)換相機(jī)參數(shù)，設(shè)置相機(jī)攝像的開始和結(jié)束，完成機(jī)載目標(biāo)圖像采集任務(wù)，使用SD卡把采集圖像資料保存。圖像獲取軟件的工作流程如圖2所示。

1.3 單片機(jī)主控模塊電路設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)主控模塊對(duì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。采用MSP430F1611 單片機(jī)塑造單片機(jī)主控模塊，單片機(jī)主控模塊電路通過 JTAG 接口將主控程序下載到單片機(jī)中實(shí)施調(diào)控。主控模塊中的單片機(jī)采用其 USART0 模塊的 URXD0 引腳經(jīng)過20針插座同GPS 模塊相連接，采集波特率為 8 500 b/s的GPS數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)，而USART1模塊的 UTXD1 引腳采用反相器同調(diào)制解調(diào)模塊芯連接，并將單片機(jī)操作控制后的波特率為1 403 b/s的GPS數(shù)據(jù)信號(hào)反饋給調(diào)制解調(diào)模塊。

1.4 調(diào)制解調(diào)模塊電路設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)模塊設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)過程中，為增強(qiáng)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)圖像信號(hào)的強(qiáng)度，設(shè)置調(diào)制解調(diào)輸入/輸出信號(hào)波特率為 1 403 b/s，采用4 MHz的晶振提供給73M223芯片工作。73M223芯片在 TXD 端采集 MSP430F1611 單片機(jī)操作后的波特率為1 403 b/s的輸入GPS數(shù)字信號(hào)。 FSK對(duì)GPS數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，在TXA端輸出，調(diào)制后的正弦信號(hào)幅值是電源電壓的四分之一。從TXA端輸出的已調(diào)制信號(hào)，采用TLC272ACD 兩級(jí)運(yùn)算放大器調(diào)控調(diào)制信號(hào)，并輸出視頻號(hào)，該視頻號(hào)通過4芯插座反饋到無線視頻發(fā)生器，生成機(jī)載高空?qǐng)D像信號(hào)。

1.5 軟件抗干擾的實(shí)現(xiàn)

受高空環(huán)境、地面目標(biāo)雜質(zhì)點(diǎn)以及信息傳遞偏差的干擾，機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)獲取的圖像信息中存在較多的噪聲以及畸變。光線情況、地面雜質(zhì)點(diǎn)以及傳遞過程中的偏差，都會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低，使得飛機(jī)產(chǎn)生誤判等問題，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)載高空?qǐng)D像的準(zhǔn)確采集。設(shè)計(jì)的機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的抗干擾軟件、圖像濾波模塊以及抗干擾圖像采集方法，過濾系統(tǒng)噪聲，增強(qiáng)系統(tǒng)抗噪性能，獲取高質(zhì)量的目標(biāo)圖像。

1.5.1 圖像濾波模塊設(shè)計(jì)

軟件抗干擾實(shí)現(xiàn)的前提是設(shè)計(jì)優(yōu)良的圖像濾波模塊，設(shè)計(jì)的機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)通過圖像濾波模塊過濾噪聲，提高系統(tǒng)的抗噪性能，濾波模塊的結(jié)構(gòu)用如圖3所示。濾波窗口產(chǎn)生模塊根據(jù)濾波的要求，產(chǎn)生22×16 窗口，以滿足噪聲類型判斷模塊與中值濾波、均值濾波模塊的需求。針對(duì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)識(shí)別的不同類型的噪聲，選擇不同的濾波模塊，有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)噪聲的過濾，極大增強(qiáng)了圖像采集系統(tǒng)的抗噪性能。因?yàn)樾枰獙⑻峁┙o多級(jí)中值濾波或加權(quán)均值濾波模塊的數(shù)據(jù)與噪聲分辨模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，所以通過寄存器，臨時(shí)保留圖像數(shù)據(jù)，保留周期等于噪聲類型分辨模塊的耽擱時(shí)間。計(jì)數(shù)模塊可完成輸入數(shù)據(jù)的行、列的推算任務(wù)，檢驗(yàn)已產(chǎn)生的窗口是否正確，并需推算正確的窗口數(shù)據(jù)，以便顯示裝置確定發(fā)送數(shù)據(jù)在圖像中的位置。

1.5.2 圖像采集系統(tǒng)的抗干擾的實(shí)現(xiàn)

在圖像濾波模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，融合二值化分割算法、邊緣檢測(cè)算法以及動(dòng)態(tài)閾值算法，采用混合搜索方式提取機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)的特征，獲取高質(zhì)量的目標(biāo)圖像。具體步驟為：采用混合搜索方式與二值化分割方法結(jié)合采集機(jī)載目標(biāo)圖像信息，完成目標(biāo)圖像前端幾行數(shù)據(jù)的搜索，同時(shí)設(shè)置前端數(shù)據(jù)的閾值，通過與閾值的對(duì)比分析，來采集圖像外圍信息，如果通過二值化分割方法沒有得到合理的圖像外圍信息，則說明當(dāng)前的圖像無價(jià)值，圖像中存在干擾信息；通過邊緣定位法在采集的圖像外圍設(shè)置合理的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)后續(xù)定位，縮小圖像搜索區(qū)域，提高圖像采集精確度；通過合理的動(dòng)態(tài)方法設(shè)置邊緣定位方法的搜索區(qū)域，若前期采集的圖像外圍較清晰，則說明圖像中心坐標(biāo)偏差降低，對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)搜索過程中，需要縮小圖像搜索區(qū)域；否則擴(kuò)大搜索區(qū)域。以上步驟通過圖像采集系統(tǒng)的特征分別提出了相應(yīng)的采集策略，實(shí)現(xiàn)了圖像采集系統(tǒng)的抗干擾，混合搜索軟件程序流程如圖4所示。

1.6 圖像數(shù)據(jù)采集相關(guān)代碼設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集的主要程序段代碼如下：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)通過規(guī)范的liftingbody（512×512）圖像為例，融入噪聲強(qiáng)度為0.3 dB的脈沖噪聲，對(duì)本文方法和中值濾波方法去噪的效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示，兩種方法去噪圖像后的效果如表1所示。

從視覺角度分析圖像在不同方法下的效果圖可得，相對(duì)于中值濾波方法，本文方法獲取的目標(biāo)圖像更為清晰。通過對(duì)表1中的數(shù)據(jù)分析可知隨著噪聲強(qiáng)度的不斷增加，圖像的峰值信噪比不斷減小，說明本文方法可有效抵抗機(jī)載高空?qǐng)D像采集過程中干擾因素，具有較高的抗噪性能，能夠獲取高質(zhì)量的機(jī)載目標(biāo)圖像，具有一定的實(shí)際價(jià)值。

圖6給出了本文方法和中值濾波方法拍攝的地面圖像，能夠看出本文方法獲取的高空地面圖像更為清晰，能夠保留原始圖像中的大多數(shù)細(xì)節(jié)，而中值濾波方法獲取的圖像不僅丟失原始圖像中的細(xì)節(jié)特征，并且較為模糊，說明本文方法對(duì)圖像干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)性。

為了從客觀上評(píng)估不同方法采集圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)不同方法航拍圖像進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表2所示。

分析表2中的數(shù)據(jù)可得，本文方法采集航拍圖像的各項(xiàng)抗干擾指標(biāo)都優(yōu)于中值濾波方法，具有較高的抗干擾性能。

3 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集時(shí)，重構(gòu)圖像丟失重要內(nèi)容、圖像質(zhì)量下降的問題，構(gòu)建基于混合搜索方法設(shè)計(jì)機(jī)載高空?qǐng)D像采集系統(tǒng)抗干擾軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于中值濾波方法，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)獲取的目標(biāo)圖像更為清晰，并且具有較好的抗噪性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 樊越.航空相機(jī)光機(jī)熱分析與熱控技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013.

[2] 李朝輝，王肇勛，武克用.空間相機(jī)CCD焦平面的光學(xué)拼接[J].光學(xué)精密工程，2000，8（3）：213?216.

[3] 朱可漢.基于USB 2.0高分辨率圖像采集及實(shí)時(shí)圖像處理算法的研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2013.

[4] CHENG C H， WU T L. A novel common?mode filter for multiple differential pairs with low crosstalk and low mode conversion level [C]// Proceedings of 2013 IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems. San Jose： IEEE， 2013： 259?262.

[5] 黃興.采用 DM3730的高清視頻采集與處理系統(tǒng)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2013.

[6] 宋英麟，鮮斌，茹濱超，等.無人機(jī)微型姿態(tài)航向系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（z2）：89?93.

[7] 丁君.基于微慣性傳感器的姿態(tài)算法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[8] 黃楊明.高精度捷聯(lián)式航空重力儀誤差估計(jì)方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.

[9] 趙代弟，張曉明，賴正喜，等.基于MARG的無人機(jī)抗干擾系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（1）：231?233.