機載高空圖像采集系統(tǒng)的抗干擾軟件設(shè)計

摘 要： 受到高空環(huán)境、地面目標雜質(zhì)點以及信息傳遞偏差的干擾，機載高空圖像采集系統(tǒng)獲取的圖像存在較多的噪點和畸變，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)計機載高空圖像采集系統(tǒng)抗干擾軟件，以機載為研究對象，采用模塊化方法，設(shè)計機載高空圖像采集軟件系統(tǒng)，分析軟件系統(tǒng)完成圖像采集的流程。依據(jù)機載高空圖像采集系統(tǒng)采集的不同噪聲類型，選擇不同的濾波模塊，有針對性地過濾噪聲，增強圖像采集系統(tǒng)的抗噪性能。融合二值化分割算法、邊緣檢測算法以及動態(tài)閾值算法，采用混合搜索方式提取機載高空圖像采集系統(tǒng)的特征，獲取高質(zhì)量的目標圖像。實驗結(jié)果表明，相對于中值濾波方法，所提方法獲取的目標圖像更為清晰，并且具有較好的抗噪性能。

關(guān)鍵詞： 機載； 高空圖像； 圖像采集； 抗干擾

中圖分類號： TN911.73?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 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)爭環(huán)境的機載高空圖像采集對于戰(zhàn)態(tài)分析具有重要作用[1?2]。受到高空環(huán)境、地面目標雜質(zhì)點以及信息傳遞偏差的干擾，機載高空圖像采集系統(tǒng)獲取的圖像存在較多的噪點，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，其分析圖像信號對應(yīng)的小波系數(shù)中的圖像價值度值，該值越高，說明噪聲少，同時設(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，獲取的目標圖像質(zhì)量較差[8]；黃楊明提出一種基于奇異性檢測的小波去噪方法獲取機載高空圖像，該方法依據(jù)不同尺度中信號的模極大值，重構(gòu)獲取去噪信號，但在實際應(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，但是會導(dǎo)致圖像信號失真[10]。

為了獲取高質(zhì)量的機載高空圖像，基于混合搜索方法，設(shè)計了機載高空圖像采集系統(tǒng)抗干擾軟件；采用面向機載對象的模塊化方法，設(shè)計機載高空圖像采集軟件系統(tǒng)；采用混合搜索方式依據(jù)機載高空圖像采集系統(tǒng)的特征，獲取高質(zhì)量的目標圖像，增強圖像采集系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 機載高空圖像采集系統(tǒng)的抗干擾的實現(xiàn)

1.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計

合理的軟件系統(tǒng)設(shè)計是機載高空圖像采集系統(tǒng)的抗干擾的基礎(chǔ)。采用模塊化方法，設(shè)計機載高空圖像采集軟件系統(tǒng)，采用面向機載對象的模塊化方法，塑造機載高空圖像采集軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。在軟件系統(tǒng)設(shè)計時，通常對選取對象進行模塊化操作來改善創(chuàng)建途徑，以便實現(xiàn)對模塊的較高利用、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)計的機載高空圖像采集軟件系統(tǒng)通過攝像機驅(qū)動底層不同種類圖像采集設(shè)備獲取目標圖像，用戶搜索模塊對目標圖像進行分析和傳遞；數(shù)據(jù)源管理模塊負責圖像數(shù)據(jù)的存儲，并將數(shù)據(jù)反饋給上層應(yīng)用程序進行決策分析。

1.2 軟件工作流程

在軟件系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過模塊化的策劃形式，將高空圖像獲取程序的軟件運行環(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。每個作用模塊都是獨立的單元，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)。

機載高空圖像采集軟件系統(tǒng)運行步驟為：按照通信協(xié)議，系統(tǒng)軟件對來自地面操縱環(huán)境的操縱指令進行分析，并且作出相應(yīng)的回復(fù)，與此同時，依據(jù)地面操縱指令轉(zhuǎn)換相機參數(shù)，設(shè)置相機攝像的開始和結(jié)束，完成機載目標圖像采集任務(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 單片機主控模塊電路設(shè)計

通過單片機主控模塊對機載高空圖像采集系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)傳遞進行協(xié)調(diào)控制。采用MSP430F1611 單片機塑造單片機主控模塊，單片機主控模塊電路通過 JTAG 接口將主控程序下載到單片機中實施調(diào)控。主控模塊中的單片機采用其 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，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，并將單片機操作控制后的波特率為1 403 b/s的GPS數(shù)據(jù)信號反饋給調(diào)制解調(diào)模塊。

1.4 調(diào)制解調(diào)模塊電路設(shè)計

調(diào)制解調(diào)模塊設(shè)計電路設(shè)計過程中，為增強機載高空圖像采集系統(tǒng)圖像信號的強度，設(shè)置調(diào)制解調(diào)輸入/輸出信號波特率為 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 單片機操作后的波特率為1 403 b/s的輸入GPS數(shù)字信號。 FSK對GPS數(shù)字信號進行調(diào)制，在TXA端輸出，調(diào)制后的正弦信號幅值是電源電壓的四分之一。從TXA端輸出的已調(diào)制信號，采用TLC272ACD 兩級運算放大器調(diào)控調(diào)制信號，并輸出視頻號，該視頻號通過4芯插座反饋到無線視頻發(fā)生器，生成機載高空圖像信號。

1.5 軟件抗干擾的實現(xiàn)

受高空環(huán)境、地面目標雜質(zhì)點以及信息傳遞偏差的干擾，機載高空圖像采集系統(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)點以及傳遞過程中的偏差，都會導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低，使得飛機產(chǎn)生誤判等問題，無法實現(xiàn)機載高空圖像的準確采集。設(shè)計的機載高空圖像采集系統(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，增強系統(tǒng)抗噪性能，獲取高質(zhì)量的目標圖像。

1.5.1 圖像濾波模塊設(shè)計

軟件抗干擾實現(xiàn)的前提是設(shè)計優(yōu)良的圖像濾波模塊，設(shè)計的機載高空圖像采集系統(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。針對機載高空圖像采集系統(tǒng)識別的不同類型的噪聲，選擇不同的濾波模塊，有針對性地實現(xiàn)噪聲的過濾，極大增強了圖像采集系統(tǒng)的抗噪性能。因為需要將提供給多級中值濾波或加權(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)進行統(tǒng)一，所以通過寄存器，臨時保留圖像數(shù)據(jù)，保留周期等于噪聲類型分辨模塊的耽擱時間。計數(shù)模塊可完成輸入數(shù)據(jù)的行、列的推算任務(wù)，檢驗已產(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)的抗干擾的實現(xiàn)

在圖像濾波模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，融合二值化分割算法、邊緣檢測算法以及動態(tài)閾值算法，采用混合搜索方式提取機載高空圖像采集系統(tǒng)的特征，獲取高質(zhì)量的目標圖像。具體步驟為：采用混合搜索方式與二值化分割方法結(jié)合采集機載目標圖像信息，完成目標圖像前端幾行數(shù)據(jù)的搜索，同時設(shè)置前端數(shù)據(jù)的閾值，通過與閾值的對比分析，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，則說明當前的圖像無價值，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偏差降低，對圖像進行后續(xù)搜索過程中，需要縮小圖像搜索區(qū)域；否則擴大搜索區(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

軟件實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集的主要程序段代碼如下：

2 實驗結(jié)果與分析

實驗通過規(guī)范的liftingbody（512×512）圖像為例，融入噪聲強度為0.3 dB的脈沖噪聲，對本文方法和中值濾波方法去噪的效果進行對比，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，相對于中值濾波方法，本文方法獲取的目標圖像更為清晰。通過對表1中的數(shù)據(jù)分析可知隨著噪聲強度的不斷增加，圖像的峰值信噪比不斷減小，說明本文方法可有效抵抗機載高空圖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)量的機載目標圖像，具有一定的實際價值。

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節(jié)特征，并且較為模糊，說明本文方法對圖像干擾信號具有很強的糾錯性。

為了從客觀上評估不同方法采集圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，對不同方法航拍圖像進行定量分析，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抗干擾指標都優(yōu)于中值濾波方法，具有較高的抗干擾性能。

3 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)進行圖像采集時，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)計機載高空圖像采集系統(tǒng)抗干擾軟件。實驗結(jié)果表明，相對于中值濾波方法，本文設(shè)計的系統(tǒng)獲取的目標圖像更為清晰，并且具有較好的抗噪性能。

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