1、基于頻譜濾波擬合的標尺自動判讀算法研究    1、引言標尺是測量系統(tǒng)中一種重要的信息載體工具。通過對遠距離標尺圖像的判讀，可以獲取待測目標的位置或高度信息。目前在測量系統(tǒng)中廣泛使用的是條碼標尺，就是用不同寬度的條碼組合來表征標尺面的不同高度位置，其編碼規(guī)則和讀數(shù)原理有：非周期性偽隨機二進制碼的相關(guān)讀數(shù)法、雙相位碼的幾何位置讀數(shù)法、RAB碼的相位讀數(shù)法等12。但是這些編碼規(guī)則及讀數(shù)方法存在碼元過細，自相關(guān)性和互相關(guān)性要求苛刻、刻劃工藝要求高、軟硬1、引言標尺是測量系統(tǒng)中一種重要的信息載體工具。通過對遠距離標尺圖像的判讀，可以獲取待測目標的位置或高度信息。目

2、前在測量系統(tǒng)中廣泛使用的是條碼標尺，就是用不同寬度的條碼組合來表征標尺面的不同高度位置，其編碼規(guī)則和讀數(shù)原理有：非周期性偽隨機二進制碼的相關(guān)讀數(shù)法、雙相位碼的幾何位置讀數(shù)法、RAB碼的相位讀數(shù)法等12。但是這些編碼規(guī)則及讀數(shù)方法存在碼元過細，自相關(guān)性和互相關(guān)性要求苛刻、刻劃工藝要求高、軟硬件互換性差等問題。目前國內(nèi)外常用的條碼識別方法是對條碼的信息進行邊緣檢測3，但當視距較大時，經(jīng)過光學系統(tǒng)點擴散函數(shù)的卷積作用后不僅條碼信號的邊緣模糊不清而且相鄰邊緣的相互疊加將使得條碼信號的邊緣出現(xiàn)偏移現(xiàn)象4，導致直接利用邊緣檢測法進行條碼識別時會出現(xiàn)很大的誤差甚至失效5，另外由于測距遠還將增加干擾噪聲的強度

3、，所以不宜采用復雜標尺設(shè)計和相應(yīng)的復雜處理方法。本文設(shè)計了一種遠距離（>200m）測量均碼標尺方案，提出基于該標尺方案的頻譜濾波擬合判讀算法，并將該標尺及判讀算法應(yīng)用在非接觸潮位測量系統(tǒng)中。實驗表明，該方法測量精度高，抗干擾性強。2、非接觸潮位測量原理非接觸潮位測量系統(tǒng)采用相對高度測量法，其工作原理如圖1所示。將已知高度為Ha的標尺固定安置在近海巖層中，以標尺頂部作為相對測量基準并定標，通過成像系統(tǒng)測量標尺頂部到待測海平面之間的標尺距離Hb，從而計算求得待測海平面的絕對高度。系統(tǒng)主要由均碼標尺、長焦成像單元、CCD線陣圖像采集單元、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示等部分組成。均碼標尺上刻劃有黑白相間的

4、條紋碼，除在標尺的頂部設(shè)置碼寬為2b的一對黑白碼作為測量基準標志外，其他黑白條紋碼的寬度均為b。測量系統(tǒng)工作時，標尺下部被海水遮擋，未被遮擋的部分經(jīng)長焦鏡頭成像于CCD器件面上，設(shè)CCD像面上的黑白窄條紋數(shù)為n ，可知海面與基準的相對距離，易得海面潮位的實際高度，又Ha和b為已知值，因此只需通過數(shù)據(jù)處理判讀出CCD面上黑白條碼數(shù)n，就可得潮位實際高度Hc值。3、標尺圖像的濾波擬合3.1 CCD輸出的標尺圖像信號分析線陣CCD的輸出信號滿足關(guān)系式：，是線陣CCD的第x像元輸出的電壓，是線陣CCD的第x像元的曝光量，是比例系數(shù)6。由于環(huán)境雜散光、大氣擾動、灰塵散射等諸多因素影響，潮位標尺上光強分布

5、具有一定的不均勻性，而且遠距離長焦距光學成像系統(tǒng)中存在像差，將嚴重影響條紋碼在CCD像面上的成像質(zhì)量，使得線陣CCD像元的曝光量產(chǎn)生變異；又關(guān)系式中比例系數(shù)的大小與位置x和x處的曝光量有關(guān)，所以線陣CCD器件光電響應(yīng)信號有不均勻性和非線性；此外，測量系統(tǒng)中還存在一些不可消除的電源和電路等隨機噪聲，所有這些因素綜合作用致使CCD的實際輸出信號與理想信號有較大的差異7。圖2是線陣CCD輸出波形圖 。由圖可見，波峰波谷值起伏不定，且在一周期內(nèi)有雙峰或雙谷等畸變現(xiàn)象出現(xiàn)，采用設(shè)定閾值比較和直接取極值來計算條紋數(shù) 會產(chǎn)生很大的誤差，甚至可能會失效。3.2 標尺信號的頻譜濾波CCD傳感器輸出的原始信號存在

6、較大的畸變和噪聲，從該原始空閾輸出信號來判讀標尺碼元數(shù)難度大，誤差也大。由于標尺是按照均碼規(guī)則刻劃，黑白條紋碼在空間上等間隔分布，具有明顯的周期特征，因此可將原始圖像信號轉(zhuǎn)換到頻域進行分析處理。通過快速傅立葉變換可實現(xiàn)信號從空域到頻域的轉(zhuǎn)換8。變換后的頻譜如圖3所示，中央主極大對應(yīng)信號中的直流分量，主極大周圍是背景等低頻分量，虛線框內(nèi)的次極大區(qū)域為基頻分量，即為標尺黑白條紋碼圖像的頻率成分，其他區(qū)域的細小紋波為干擾及白噪聲分量，可采用頻譜濾波法提取基頻分量。頻譜中的主極大同樣也需要提取保留，因為主極大反映CCD信號的電壓均值，濾除主極大，會造成平均值以下的CCD信號的翻轉(zhuǎn)畸變。對提取出的頻譜進

7、行快速反傅立葉變換，得到經(jīng)過濾波后的CCD信號。圖4是CCD信號濾波前和濾波后的波形對比圖。由圖4（a）知，就CCD整幀信號而言，背景低頻信息被濾除，可將標尺條紋信號從背景中有效分離出來。對濾波前和濾波后的標尺前后沿信號做進一步比較發(fā)現(xiàn)，濾波后前沿信號振幅在標尺條紋計數(shù)起點處明顯增大；濾波后的后沿信號振幅在條紋終點處明顯減小，分別如圖4（b）（c）所示。可見對標尺信號進行頻譜濾波，可有效分離出標尺信號，且使信號前后沿界限明顯，容易判讀。3.3 信號的擬合頻譜濾波后，標尺信號段信號振幅A要遠大于背景的殘留噪聲紋波振幅（參見圖4（a），以信號段正常信號振幅的A值的一半作為閾值，易判讀出標尺條碼的起

8、點和終點，起點至終點區(qū)間內(nèi)的波峰波谷數(shù)即為標尺上的黑白條碼數(shù)。然而，頻譜濾波后的信號依然存在少量的雙峰雙谷及周期畸變，如圖5所示。這些畸變會造成判讀時的重復計數(shù)或漏計。本文采用擬合的方法來去除雙波峰或雙波谷偽信號。以雙波峰偽信號為例，在標尺信號段取極大極小值，并記下各極大極小值的橫縱坐標，每個極大值與其后緊鄰的極小值橫坐標作差記為t，縱坐標作差記為a，對該周期信號進行振幅擬合和周期擬合，即若t值小于標尺信號的平均周期值的一半T/2，且a值小于標尺正常信號的振幅值2A，則判斷該周期為雙波峰偽信號。實際上，即便是正常信號，如果發(fā)生一些小的幅值或者周期異動，也可能被判讀為雙峰偽信號，因此在振幅和周期

9、擬合時，采用T/3和A作為閾值會更真實準確。雙波谷偽信號可用同樣的幅度周期擬合法去除。振幅和周期擬合的方法還能增補丟失的周期信號，若該峰谷橫坐標差t>T/2，該波峰與下一波峰橫坐標差t>3T/2，且a>A，則可判斷在這兩個波峰之間缺失了一個波峰信息，應(yīng)對該位置增補計數(shù)。后續(xù)實驗證明，幅值周期擬合法能針對性的去偽補漏。4、實驗結(jié)果與討論在白天日光照明條件下，用圖1測量系統(tǒng)對標定碼寬分別為10mm、5mm、4mm、3mm，總長1000mm，距離200m處的標尺進行多次實測實驗，并用本文所述的頻譜濾波擬合方法對標尺信號進行判讀，測量結(jié)果歸納如表1所示。由表1知，在照明條件良好的情況

10、下，頻譜濾波擬合法可準確判讀出碼元數(shù)，與標定碼元數(shù)相比較，誤差小于一個條紋周期。研究表明，本文基于均碼測量標尺而提出的頻譜濾波擬合的標尺判讀方法，判讀精度高，受噪聲干擾小。另外，該頻譜濾波擬合的判讀方法還可應(yīng)用到類似的周期性圖像檢測判讀中。參考文獻1 XIAO Jin-li, LI Song, HU Ke-wei. Analysis And Comparison of Several Digital Levels in Coding Regulation and Reading Principle J, Bulletin of Surveying and Mapping (測繪通報) , 20

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