振動對成像質量的影響及恢復研究

逄鵬

摘 要：為了降低相機平臺不規則振動造成的圖像退化，提出了一種應用圖像復原的減振補償方法來提高測量精度。分析了平臺振動造成視軸偏移靜態基準位置導致圖像降質的原因。并針對不同頻率下的振動模糊圖像，通過提取條紋模板的區域輪廓特征，恢復不同頻率下的振動模糊圖像。實驗結果表明：該算法適用不同頻率的振動模糊圖像的恢復，可靠性高，并可應用條紋模板實時補償相機平臺振動帶來的測量誤差，同時為相機平臺的穩定設計提供理論依據，具有很好的工程應用價值。

關鍵詞：振動模糊圖像；視軸偏移；圖像恢復；灰度均方差

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.268

0 引言

視覺測量在工業領域應用越來越廣泛，相機在使用過程中，由于位置調整及外部沖擊等隨機因素的影響，嚴重影響了成像質量及測量精度，降低了圖像的分辨率。即使通過一定的減振補償，也不能完全消除振動等不確定因素給圖像質量帶來的影響，而實際測量過程中，對視軸的靜態基準位置要求很高，其微小的偏移也會給圖像帶來不同程度的模糊，影響測量精度[1]。因此，研究振動對圖像造成的降質及恢復有很好的工程實際意義，同時，對相機平臺的設計也有一定的指導作用。

本文應用圖像處理減振補償的方法對相機平臺的穩像設計提供理論依據及振動補償，有效的將圖像采集過程中的振動因素造成的視軸偏移進行補償，消除了平臺振動對圖像分辨率造成的影響，具有很好的工程應用價值。

1 振動導致的降質分析

成像的感光單元與拍攝物體之間相對應，當目標和相機之間存在相對運動時，在一次曝光時間內，特定像素視場范圍內所對應的目標偏離原始位置，對相鄰幾個像素曝光，最終導致圖像模糊[2]。相機平臺的振動等不穩定因素造成圖像模糊，一般情況下，振動形式具有隨機性，隨進振動可視為若干正弦的疊加結果。正弦振動可分為低頻、高頻正弦振動，兩者根據曝光時間和振動周期進行區分，當為低頻正弦振動，振動的位移量是一個隨機變量，其大小取決于在整個周期內出現的位置及與的比值，低頻振動機理復雜，當在振動位移函數曲線的導數符號發生變化的點前后附近時，圖像的模糊程度最小，而可能發生在的任何一個位置處出現，這種隨機性，導致模糊參數很難準確求取。當為高頻正弦振動，目標的相對位移為峰谷之間的最大位移[3]；根據上述分析可知，振動條件下的像移復雜多變，變化參數隨機性強、計算量大，在實際計算中不容易實現。為了解決多變量作用下的振動模糊問題，應用圖像復原補償振動的方法解決振動條件下視軸偏移造成的圖像模糊問題，以此來降低振動因素對相機在測量過程中的測量誤差，提高測量精度[4]。

2 圖像復原的方法

2.1 圖像的獲取

應用Halcon軟件對圖像進行處理，算法包含閾值分割，高斯濾波，二維邊緣提取等。本文利用相機、激振器、計算機搭建了圖像采集實驗平臺，合理的調整攝像機的位姿和圖像的位置，通過read_image讀取攝像機拍攝的圖像。

2.2 提取圖像的區域特征

首先將RGB圖像轉化成灰度圖像，應用輸入圖像的灰度值和高斯濾波器進行灰度圖像的平滑處理，可以有效減小噪聲沖擊的影響[5]。為了有效檢測條紋區域的輪廓，應用threshold算子，選取合適的閾值范圍就能得到黑色條紋所在區域region。

2.3 提取圖像輪廓，分割輪廓

使用算子select_shape根據形狀選擇區域，從而進一步可將條紋的輪廓進行分割出來，從而消除了圖像的拖影[6]。

3 實驗結果及分析

基于上述的降質原因及算法分析，不僅對不同應用背景下的相機平臺的穩定設計提供理論依據，還可分析振動頻率對像質的影響，并可應用條紋模板來校正視軸抖動對成像質量的影響及測量過程的干擾程度，模糊程度不僅僅取決于頻率[7]，還受光照變化和環境因素的影響，光線的變化導致相機在采集圖像的亮度上有差別；當振動周期大于曝光時間，曝光時間內的目標運動發生在一個振動周期的某個地方，如果曝光時間的初始時刻不同那么像移量也是不相同的，從而造成低頻振動模糊程度的隨機性，應用本文算法克服了曝光時間初始時刻的確定，選擇合適的閾值即可把高頻、低頻振動模糊圖像的模糊區域去除，恢復原始圖像。還可實時反饋校正相機平臺振動造成的圖像模糊，對實際測量過程有著很好的應用價值，能有效提高測量精度。

4 結論

本文分析了不同振動頻率對圖像降質的影響，提出了應用圖像復原的方法，可實時補償相機測量過程中振動因素造成的測量誤差，為相機平臺的穩定設計提供了依據。分析了高頻振動和低頻振動視軸偏移靜態基準位置造成圖像降質的原因。應用機器視覺理論，通過Halcon軟件選擇合適的閾值提取圖像的輪廓特征，恢復振動模糊圖像。與傳統振動模糊圖像復原方法比較，簡化了低頻振動曝光時間初始時刻的確定，該方法可靈活、有效的補償振動造成的測量誤差，提高測量精度。

參考文獻：

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