专利名称：线阵光学降水降雪测量系统中图像二值化方法
技术领域：
本发明涉及一种线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法及相关电路，尤其涉及高速线阵图像采集过程中的二值化的实时实现及自适应阈值设置方案。
背景技术：
光电技术的发展为降水降雪现象的自动化和精细化测量提供了必要基础，基于线阵图像传感器的降水降雪粒子成像技术能够提供单个降水粒子的形状和振荡特性，进一步可提取降水瞬时强度、降水粒子谱和速度谱等信息。目前，国外基于图像采集技术的降水测量仪器以二维视频降水测量仪(Two-Dimensional Video Disdrometer,2-DVD)和气象粒子测量系统(MeteorologicalparticleSensor, MPS)为代表。国内方面未有此类成熟仪器。在实际应用时，传统的线阵光学降水降雪测量系统通过设置固定成像阈值获取降水粒子的二值化图像，由于线阵图像传感器像元响应的非均匀性以及实际工作环境的复杂，长期使用同一个成像阈值会影响测量精度和数据的一致性。此外，线阵降水系统实时采集数据量大，且需要连续运行，需设计相应的高速二值化方案和相关处理算法。

发明内容
本发明目的是针对现有线阵光学降水降雪测量系统中实时采集数据量大和成像阈值设置的不足，提供一种能够适应实际工作环境的线阵降水降雪粒子图像二值化方法，从而保证测量的精度和长期测量结果的一致性。为实现上述目的，本发明的技术方案是，线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，采用可编程逻辑芯片FPGA和数字信号处理器DSP为核心控制模块。其中FPGA控制线阵时序完成图像数据的采集，DSP通过总线方式实时获取FPGA采集的图像数据，DSP完成数据的预处理和阈值计算及设置，同时控制整个系统的工作流程。首先，由DSP定时(每半小时)控制成像系统镜头关闭，阻隔平行光源发出的平行光，同时控制线阵图像传感器采集当前背景光强值以获取当前环境(对应相应的温度和湿度)线阵图像传感器的底噪，统计计算每个像素点的平均噪声值。然后，开启镜头开关，以总线(传送)方式获取一个时间间隔内线阵图像传感器采集的数据，对采集的数据统计得到每一个线阵图像传感器像元对光强响应的平均值，将每个像元的光强响应的统计值减去对应平均噪声值后乘以一比例系数得到每个像元的成像阈值，将每个像元的阈值通过总线写入到FPGA内的存储模块，供实时二值化模块调用。FPGA模块中二值化模块在同步时钟的触发控制下将每一帧数据的像元光强响应值和对应的存储器中的阈值数据进行比较，当相应像素光强响应值低于预先设置的成像阈值时，则认为该像元像素被完全遮挡，置为1，否则置为0，得到线阵图像传感器采集的每一帧线阵数据的二值化曲线(数据流)。所述的实时线阵图像数据二值化方法，利用FPGA内的逻辑运算资源和高速并行运行的特点，将实时采集的线阵像元光强响应值和预先设置的阈值进行比较，得到相应的二值化曲线，能够解决线阵高速扫描、实时数据量大的关键技术需求。所述的自适应阈值设置方案，充分利用数字信号处理器DSP的强大的实时运算能力，首先考虑到传感器的温漂特性，通过控制镜头开关，获取当前温湿度条件下的噪声平均值；然后，综合考虑线阵图像传感器像元光强响应的非均匀性、光源性能漂移的影响，设计了基于定时统计光强响应平均值的自适应阈值设置方案，每次开机自检时或者定时进行线阵像元光强响应能力的统计，结合定标系数，确定线阵每一个像元的成像阈值，解决了野外环境测量精度和数据一致性的难点。所述自适应阈值设置方案中的定标系数，由预先的实验室定标确定，设置不同的阈值系数，如在50%、55%、60%、65%、80%等不同动态阈值条件下，采用不同直径玻璃棒(其材料和雨滴折射指数相近的)；在不同采样位置时测量结果的平均相对误差确定最终的阈值系数。在不同采样位置，当动态阈值比例系数设定为55%时，仪器测量结果的平均相对误差最小。本发明的有益效果在于1、充分利用FPGA高速并行和逻辑控制的特点，实现高速线阵图像数据的实时二值化处理，与传统的比较器模块相比，电路及参数设计更加灵活、简洁和可靠，同时减少了数据传输量及后期的处理量。2、充分利用DSP数字信号处理能力，采用DSP和FPGA进行数据传输交换，完成相应的系统工作流程控制，能够利用DSP强大的运算能力完成图像传感器的底噪平均值统计、光强响应值统计及阈值计算等功能。3、充分发挥FPGA和DSP各自的优势，采用实时二值化及定时阈值设置的方案，可以减少数据传输量及最大限度解决光源和传感器性能漂移等影响成像阈值进而影响测量精度的问题。克服现有线阵光学降水降雪测量系统中实时采集数据量大和成像阈值设置的不足，保证测量的精度和长期测量结果的一致性。


图1是本发明的所涉及系统硬件组成2是本发明的数据采集处理框3阈值设置算法流程图4是本发明的自适应阈值设置示意图
具体实施例方式以下结合附图，详细说明本发明的实施方式。如附图1所示线阵光学降水降雪测量系统的功能示意图，所述光学系统包括平行光管和成像系统，平行光源提供均匀、稳定的平行光，为线阵图像传感器提供参考光强值。成像系统将平行光按一定的倍率投射在线阵传感器上，传感器以一定的曝光频率对平行光的光强变化进行采集。当降水粒子通过有效采样区时，降水粒子遮挡光路，被测粒子被均匀照明后，经光学成像系统按一定倍率成像于线阵传感器上，线阵图像传感器像元响应值降低，根据预先设定的成像阈值，可以得到某一时刻降水粒子的投影切片。其中，所述的数据采集传输模块以数字信号处理器DSP为核心，统一协调系统的工作流程。利用其总线接口、定时器及数字信号计算能力完成从FPGA缓冲区中读取数据、控制镜头前遮挡光路的开关、定时采集并统计线阵图像传感器的光强响应值、计算应像元的成像阈值。其中，所述数据采集传输模块中阈二值化功能由可编程逻辑器件FPGA片内逻辑单元实现，利用FPGA片内逻辑资源进行实时采集线阵像元数据和存放在FPGA片存储器中对应像元阈值的进行比较，当相应像素光强响应值低于预先设置的阈值强度时，则认为该像元像素被完全遮挡，置为1，否则置为0，得到每一帧线阵数据的二值化数据流。其中，所述核心模块中编码压缩功能根据得到的二值化数据流，仅仅记录二值化曲线的变化位置和结束位置，在保留原始信息的同时，可进一步减少数据传输量，便于后期拼图处理。如附图2所示，采集控制模块以DSP为核心，完成底噪统计，光强响应值统计和阈值计算等功能，DSP利用总线实现和FPGA内FIFO的无缝连接，FPGA完成线阵图像传感器的时序驱动、高速数据的采集与缓存、二值化处理等功能。所述自适应设置方案利用DSP定时(每半小时)对实时采集的数据进行统计(统计时间为I秒)，计算每一个线阵像元感应光强信号的平均值，然后将光强信号的平均值减去底噪平均值后每个像元点的统计值乘以一比例系数得到每个像素的成像阈值。定标系数由预先的实验室定标确定，设置不同的阈值系数，如在50%、55%、60%、65%、80%等不同动态阈值条件下，采用不同直径玻璃棒(其材料和雨滴折射指数相近的)；在不同采样位置时测量结果的平均相对误差确定最终的阈值系数。在不同采样位置，当动态阈值比例系数设定为55%时，仪器测量结果的平均相对误差最小。每个点的阈值和统计得到的像元对光强的平均像元能力及设置的阈值系数共同决定，得到各个像元的成像阈值后将其写入FPGA内部存储器中供阈值比较编码模块调用。充分运用FPGA的可编程和并行运行的特点，突破了线阵降水测量系统中线阵高速扫描、实时数据量大的关键技术需求，解决了光源和传感器性能漂移等影响成像阈值进而影响测量精度的问题。如附图3所示，自适应阈值设置算法以微处理器软核MicroBlaze为核心，利用其总线接口资源、定时器及微处理器的计算能力完成实时像素数据的读取、统计计算得到每个像素点的阈值及将每个点的阈值写入双口 RAM中。如附图4所示，在系统开机自检或者定时阈值统计时，可得到线阵像元平均响应曲线，如图中绿色曲线，减去对应的线阵图像传感器的底噪平均值，结合每个像元的定标系数，可得到相应的阈值曲线，如图中兰色曲线。根据统计后数据进行阈值设置，在阈值系数一定的情况下，可得到不同光强条件下每个像素点的阈值。若因为光源或者传感器性能变化使得响应曲线发生变化，利用DSP定时进行阈值统计和设置，可使阈值能够适应光强及传感器性能的变化。
权利要求
1.线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，其特征是采用可编程逻辑芯片FPGA和数字信号处理器DSP为核心控制模块，FPGA控制线阵时序完成图像数据的采集， DSP通过总线方式实时获取FPGA采集的图像数据，DSP完成数据的预处理和阈值计算及设置，同时控制整个系统的工作流程；首先，由DSP每半小时控制成像系统镜头关闭，阻隔平行光源发出的平行光，同时控制线阵图像传感器采集当前背景光强值以获取当前环境即相应的温度和湿度线阵图像传感器的底噪，统计计算每个像素点的平均噪声值；然后，开启镜头开关，以总线方式获取一个时间间隔内线阵图像传感器采集的数据，对采集的数据统计得到每一个线阵图像传感器像元对光强响应的平均值，将每个像元的光强响应的统计值减去对应平均噪声值后乘以一比例系数得到每个像元的成像阈值，将每个像元的阈值通过总线写入到FPGA内的存储模块，供实时二值化模块调用；FPGA模块中二值化模块在同步时钟的触发控制下将每一帧数据的像元光强响应值和对应的存储器中的阈值数据进行比较，当相应像素光强响应值低于预先设置的成像阈值时，则认为该像元像素被完全遮挡，置为1， 否则置为0，得到线阵图像传感器采集的每一帧线阵数据的二值化曲线即数据流。
2.根据权利要求1所述的线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，其特征是所述的实时线阵图像数据二值化方法，利用FPGA内的逻辑运算资源和高速并行运行的特点，将实时采集的线阵像元光强响应值和预先设置的阈值进行比较，得到相应的二值化曲线。
3.根据权利要求1所述的线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，其特征是所述的自适应阈值设置方案，利用数字信号处理器DSP的实时运算能力，首先考虑到传感器的温漂特性，通过控制镜头开关，获取当前温湿度条件下的噪声平均值；然后，综合考虑线阵图像传感器像元光强响应的非均匀性、光源性能漂移的影响，设计了基于定时统计光强响应平均值的自适应阈值设置方案。
4.根据权利要求3所述的线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，其特征是每次开机自检时或者定时进行线阵像元光强响应能力的统计，结合定标系数，确定线阵每一个像元的成像阈值，解决了野外环境测量精度和数据一致性的难点。
5.根据权利要求3所述的线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，其特征是所述自适应阈值设置方案中的定标系数，由预先的实验室定标确定，设置不同的阈值系数，如在50%、55%、60%、65%、80%等不同动态阈值条件下，采用不同直径玻璃棒，玻璃棒材料和雨滴折射指数相近的；在不同采样位置时测量结果的平均相对误差确定最终的阈值系数。
6.根据权利要求5所述的线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，其特征是在不同采样位置，当动态阈值比例系数设定为55%时，仪器测量结果的平均相对误差最小。
全文摘要
线阵光学降水降雪测量系统中粒子图像的二值化方法，采用可编程逻辑芯片FPGA和数字信号处理器DSP为核心控制模块，FPGA控制线阵时序完成图像数据的采集，DSP通过总线方式实时获取FPGA采集的图像数据，DSP完成数据的预处理和阈值计算及设置，同时控制整个系统的工作流程；首先，由DSP每半小时控制成像系统镜头关闭，阻隔平行光源发出的平行光，同时控制线阵图像传感器采集当前背景光强值以获取当前环境即相应的温度和湿度线阵图像传感器的底噪，统计计算每个像素点的平均噪声值；然后，开启镜头开关，以总线方式获取一个时间间隔内线阵图像传感器采集的数据,将每个像元的统计值乘以一比例系数得到每个像元的成像阈值。
文档编号G01W1/14GK103020622SQ20121057471
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者江志东, 高太长, 刘西川, 刘磊, 赵世军, 苏小勇, 翟东力 申请人:中国人民解放军理工大学