劉 劍， 李 彤， 孫 睿， 劉鴻儒(沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 沈陽 110168)

控制工程

基于混合濾波算法的太陽光斑圖像位置跟蹤*

劉 劍， 李 彤， 孫 睿， 劉鴻儒
(沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 沈陽 110168)

針對傳統(tǒng)濾波算法存在不能完全消除太陽光斑中孤立噪聲點(diǎn)、太陽光斑圖像邊緣模糊的缺陷，導(dǎo)致太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度低、穩(wěn)定性差等問題，提出一種基于改進(jìn)的維納濾波與極值檢測中值的濾波混合噪聲算法對太陽光斑消噪濾波.在不同情況下利用實(shí)測某地太陽高度角、方位角等進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該算法能夠適應(yīng)復(fù)雜天氣條件，在陰雨、霧霾天氣下仍能對太陽精準(zhǔn)跟蹤，達(dá)到提高太陽能利用率的預(yù)期效果.

圖像去噪； 均值濾波； 中值濾波； 維納濾波； 高斯濾波； 峰值信噪比； 高度角； 方位角； 跟蹤精度

在拍攝太陽光斑圖像時(shí)，會(huì)受到陰雨、霧霾天氣的影響，并且在圖像信息輸入傳輸過程中，均存在不同的噪聲干擾，使太陽光斑圖像的質(zhì)量產(chǎn)生退化失真[1]，影響太陽質(zhì)心位置檢測的準(zhǔn)確度.因而有必要在圖像預(yù)處理階段對太陽光斑進(jìn)行消噪濾波，使得太陽光斑圖像滿足后期處理要求[2].

傳統(tǒng)的圖像消噪濾波處理方法可分為空間域法和頻率域法兩類[3].空間域法直接處理圖像像素灰度值；頻率域法先將圖像信號變換到頻率域再進(jìn)行濾波處理，常見的有均值濾波、中值濾波、維納濾波及高斯濾波[4-8]等，雖然對圖像去噪濾波都有良好的效果，但仍存在一定不足.椒鹽噪聲和高斯噪聲在日常生活中最為常見[9-10]，在實(shí)際應(yīng)用中椒鹽噪聲和高斯噪聲會(huì)嚴(yán)重影響太陽光斑圖像質(zhì)量.本文介紹了幾種常見的圖像濾波方法原理及其缺點(diǎn)，研究基于改進(jìn)的維納濾波與極值檢測中值濾波的混合噪聲算法對椒鹽噪聲和高斯噪聲的良好抗擾效果，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對比了幾種常見濾波算法與本文濾波算法對噪聲濾波效果以及對太陽高度角和方位角跟蹤精度.

1 常見圖像濾波方法局限性

1.1 均值濾波

均值濾波的基本思想是將圖像中待處理像素點(diǎn)與其周圍領(lǐng)域點(diǎn)的像素構(gòu)成一個(gè)集合，求取該集合內(nèi)像素灰度的平均值，并將其像素灰度平均值作為該集合所有像素點(diǎn)的像素灰度值，故又稱為領(lǐng)域平均法.均值濾波操作實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)算迅速，但由于對整幅圖像所有像素點(diǎn)統(tǒng)一處理，在平滑噪聲信號的同時(shí)丟失大量圖像原有信號，使得太陽光斑圖像過于模糊，其模糊程度與領(lǐng)域大小成正比.

1.2 中值濾波

中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能夠有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù).中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或者數(shù)字序列中某點(diǎn)值用該點(diǎn)某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)其他點(diǎn)的中值所代替，使其周圍像素值與真實(shí)值更為接近，進(jìn)而消除相對孤立的噪聲點(diǎn).中值濾波對噪聲的處理效果良好，但由于取中值像素值的特性，在采用中值濾波進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)使光斑邊緣信息大量丟失，從而使得太陽光斑邊緣模糊.

1.3 維納濾波

維納濾波是使輸入含有噪聲信號與輸出恢復(fù)信號之間均方誤差最小的最優(yōu)線性估計(jì)算法.維納濾波抑制噪聲效果良好，在灰度差值較小時(shí)仍具有良好的平滑處理效果，從而降低太陽光斑圖像邊緣模糊程度，但由于實(shí)際應(yīng)用中含噪圖像的特性未知，使得維納濾波應(yīng)用具有局限性.

1.4 高斯濾波

高斯濾波是一種線性平滑濾波算法，其濾波過程就是對整幅圖像像素點(diǎn)加權(quán)平均，圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的值都由本身像素與其相領(lǐng)域內(nèi)像素值通過加權(quán)平均得到，可以有效地消除高斯噪聲.高斯濾波對去除符合正態(tài)分布的噪聲信號效果良好，但對于太陽光斑圖像中椒鹽噪聲處理效果并不理想.

2 本文濾波算法

實(shí)際拍攝獲取的太陽光斑圖像受到陰雨、霧霾天氣干擾，往往同時(shí)出現(xiàn)高斯噪聲和椒鹽噪聲.維納濾波對圖像中高斯噪聲處理效果良好，但難以滿足太陽光斑輸入圖像信號和干擾噪聲信號是平穩(wěn)隨機(jī)的要求；中值濾波能夠抑制椒鹽噪聲，但同時(shí)丟失大量圖像邊緣信息，使得太陽光斑邊緣模糊.本文提出一種基于改進(jìn)的自適應(yīng)維納濾波與極值檢測中值濾波的混合噪聲算法對太陽光斑圖像進(jìn)行消噪濾波.

自適應(yīng)維納濾波器應(yīng)用圖像的局部均值和方差獲得濾波后的圖像，以達(dá)到含噪圖像濾波的目的.設(shè)f(x，y)為飽和層太陽光斑圖像的像素點(diǎn)，太陽光斑原始圖像由HSV模型表示，其飽和層的局部均值μ(x，y)與方差σ2(x，y)為

(1)

(2)

(3)

對于圖像f(x，y)，使用自適應(yīng)維納濾波處理后的輸出圖像為

μ(x，y)

(4)

[f(x，y)-μ(x，y)]+μ(x，y)

(5)

設(shè)信號輸入序列為{Oi，i∈N}，則濾波器的信號輸出為

b= Med{Oi}=

Med{Oi-u，Oi-u+1，…，Oi，…，Oi+u-1，Oi+u}

(6)

式中：Med為中值函數(shù)；N為自然數(shù)集合；n為窗口長度.

Med{x(a+r)，(b+s)，(r，s)∈m，(a，b)∈N2}

(7)

式中：m為中值濾波器的濾波窗口；a、b為各像素點(diǎn)位置；xab為各像素點(diǎn)灰度值.對圖像中的點(diǎn)進(jìn)行窗口操作，若窗口大小為5×5，則可表示為

(8)

(9)

式中：Min(M(xab))為窗口M(xab)內(nèi)灰度值最小點(diǎn)；Max(M(xab))為窗口M(xab)內(nèi)灰度值最大點(diǎn).按照上述標(biāo)準(zhǔn)分類所有像素點(diǎn)，輸出圖像像素由yab表示，則基于極值檢測的中值濾波算法可表示為

(10)

基于極值檢測的中值濾波對于恒定區(qū)域的點(diǎn)有可能被誤判為噪聲點(diǎn)，但對于含有椒鹽噪聲的太陽光斑圖像處理效果較好，并更好地保留了太陽光斑圖像邊緣信息.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

本文利用MATLAB圖像仿真實(shí)現(xiàn)對太陽光斑圖像的消噪濾波、二值化處理及質(zhì)心提取.2015年9月18日在沈陽市渾河地區(qū)對太陽高度角和方位角進(jìn)行實(shí)測，地理坐標(biāo)為(E123.430，N41.743)；數(shù)據(jù)收集從9時(shí)至15時(shí)，測試結(jié)果記錄間隔為1h；太陽光斑不存在偏差時(shí)位于圖像正中心位置，即像素坐標(biāo)為(192，396).

3.1 消噪濾波結(jié)果

在仿真試驗(yàn)中將采集到的太陽光斑圖像作為實(shí)驗(yàn)對象，對采集到的太陽光斑圖像同時(shí)加入高斯噪聲和椒鹽噪聲.將本文提出的基于改進(jìn)的自適應(yīng)維納濾波與極值檢測中值濾波的混合濾波算法與均值濾波、中值濾波、維納濾波、高斯濾波進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同算法去噪效果Fig.1 Denoising effect with different algorithms

由圖1可以看出，采用幾種常見的濾波算法對噪聲信號處理效果不夠理想.采用維納濾波和中值濾波去除噪聲，對濾除高斯噪聲效果非常理想，而對椒鹽噪聲濾除效果不明顯；采用均值濾波和高斯濾波可以很好地去除椒鹽噪聲，但沒能理想地濾除高斯噪聲，并出現(xiàn)太陽光斑邊緣模糊現(xiàn)象；采用本文提出的基于改進(jìn)的自適應(yīng)維納濾波與極值檢測中值濾波的混合噪聲算法對高斯噪聲和椒鹽噪聲濾除更徹底，并很好地保留了太陽光斑邊緣信息.

3.2 去噪性能比較

噪聲對比實(shí)驗(yàn)選取圖1進(jìn)行測試，通過高斯濾波、均值濾波、維納濾波、中值濾波和本文混合濾波去噪方法進(jìn)行處理，處理后的PSNR值如表1所示，對比曲線如圖2所示.PSNR值代表去噪效果，PSNR值越大，去噪效果越好，其計(jì)算公式為

(11)

(12)

式中：MSE為兩幅m×n圖像I、K的均方差；MaxI為圖像顏色的最大數(shù)值.

表1 不同去噪算法的PSNR值Tab.1 PSNR values of denoising algorithms dB

圖2 PSNR值比較Fig.2 Comparison in PSNR values

通過表1及圖2可知，本文混合濾波去噪的PSNR值高于其他幾種濾波算法，說明本文混合濾波算法對含噪太陽光斑圖像去噪效果優(yōu)于其他幾種濾波算法.混合濾波算法降低了維納濾波和中值濾波的時(shí)間復(fù)雜度，其濾波時(shí)間與其傳統(tǒng)算法比較如圖3所示.通過濾波時(shí)間的比較說明混合濾波算法提高了濾波速度，增強(qiáng)了圖像處理的實(shí)時(shí)性.

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

以基于圖像處理的太陽能跟蹤方式對太陽進(jìn)行跟蹤，每次跟蹤完成后，啟動(dòng)攝像頭采集太陽光斑位置圖像，并對采集到的圖像進(jìn)行處理，得到太陽光斑質(zhì)心坐標(biāo)，計(jì)算跟蹤誤差.

圖3 去噪時(shí)間比較Fig.3 Comparison in denoising time

采用均值濾波、中值濾波、維納濾波、高斯濾波及混合濾波算法對太陽高度角及方位角進(jìn)行跟蹤，跟蹤誤差如圖4、5所示.

圖4 高度角跟蹤誤差對比Fig.4 Comparison in tracking error of altitude angle

圖5 方位角跟蹤誤差對比Fig.5 Comparison in tracking error of azimuth angle

采用不同濾波算法對太陽光斑圖像進(jìn)行去噪，跟蹤得到不同時(shí)間實(shí)測數(shù)據(jù)以及相應(yīng)計(jì)算得到的誤差如表2所示.

對表2實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以太陽光斑圖像跟蹤方式進(jìn)行跟蹤，避免了高度角和方位角累計(jì)誤差，同時(shí)比較穩(wěn)定.根據(jù)圖4、5可得，相對于幾種常見的濾波算法，采用混合噪聲算法對太陽高度角與方位角的跟蹤精度更高.

表2 基于圖像處理的太陽光斑位置跟蹤測試數(shù)據(jù)Tab.2 Location tracking test data of sun light spot based on image processing

表3 不同濾波處理的平均誤差Tab.3 Average error under different filtering processing (°)

4 結(jié) 論

對太陽光斑圖像處理過程中，圖像濾波除噪的效果將影響跟蹤精度，濾波器對太陽光斑圖像噪聲濾除越徹底，圖像分心定位越準(zhǔn)確.基于圖像處理的太陽光斑位置跟蹤系統(tǒng)克服了陰雨、霧霾天氣的影響，實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤；采用基于改進(jìn)的自適應(yīng)維納濾波與極值檢測中值濾波的混合噪聲算法改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度，提高了太陽能利用率的預(yù)期效果，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Image location tracking of sun light spot based on hybrid filtering algorithm

LIU Jian, LI Tong, SUN Rui, LIU Hong-ru
(Information & Control Engineering Faculty, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Aiming at the problem that the solar energy automatic tracking system has low tracking precision and poor stability in the traditional filtering algorithm because the isolated noise points in the sun light spot can not be completely eliminated and the image edge of sun light spot is fuzzy, a hybrid filtering noise algorithm based on the improved Wiener filtering and the detection mid-value of extreme value was proposed to carry out the denoising and filtering of sun light spot.Through measuring the solar altitude angle and azimuth angle at a certain place in different cases, the simulation experiments were performed.The results show that the proposed algorithm can adapt to the complex weather conditions, and can still conduct the accurate tracking of the sun under the rain and haze weather.Therefore, the proposed algorithm can reach the desired effect of improving the solar utilization ratio.

image denoising; average filtering; median filtering; Wiener filtering; Gaussian filtering; peak signal to noise ratio; altitude angle; azimuth angle; tracking accuracy

2016-03-29.

遼寧省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目(L20154431)； 遼寧省住建部資助項(xiàng)目(2015-K2-015)； 遼寧省科技廳資助項(xiàng)目(2014231001).

劉 劍(1962-)，女，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事機(jī)器視覺、智能控制和建筑智能化等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.15

TM 343

A

1000-1646(2017)04-0438-06

*本文已于2017-03-28 17∶09在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1709.032.html