基于频谱滤波拟合的标尺自动判读算法研究

1、基于频谱滤波拟合的标尺自动判读算法研究    1、引言标尺是测量系统中一种重要的信息载体工具。通过对远距离标尺图像的判读，可以获取待测目标的位置或高度信息。目前在测量系统中广泛使用的是条码标尺，就是用不同宽度的条码组合来表征标尺面的不同高度位置，其编码规则和读数原理有：非周期性伪随机二进制码的相关读数法、双相位码的几何位置读数法、RAB码的相位读数法等12。但是这些编码规则及读数方法存在码元过细，自相关性和互相关性要求苛刻、刻划工艺要求高、软硬1、引言标尺是测量系统中一种重要的信息载体工具。通过对远距离标尺图像的判读，可以获取待测目标的位置或高度信息。目

2、前在测量系统中广泛使用的是条码标尺，就是用不同宽度的条码组合来表征标尺面的不同高度位置，其编码规则和读数原理有：非周期性伪随机二进制码的相关读数法、双相位码的几何位置读数法、RAB码的相位读数法等12。但是这些编码规则及读数方法存在码元过细，自相关性和互相关性要求苛刻、刻划工艺要求高、软硬件互换性差等问题。目前国内外常用的条码识别方法是对条码的信息进行边缘检测3，但当视距较大时，经过光学系统点扩散函数的卷积作用后不仅条码信号的边缘模糊不清而且相邻边缘的相互叠加将使得条码信号的边缘出现偏移现象4，导致直接利用边缘检测法进行条码识别时会出现很大的误差甚至失效5，另外由于测距远还将增加干扰噪声的强度

3、，所以不宜采用复杂标尺设计和相应的复杂处理方法。本文设计了一种远距离（>200m）测量均码标尺方案，提出基于该标尺方案的频谱滤波拟合判读算法，并将该标尺及判读算法应用在非接触潮位测量系统中。实验表明，该方法测量精度高，抗干扰性强。2、非接触潮位测量原理非接触潮位测量系统采用相对高度测量法，其工作原理如图1所示。将已知高度为Ha的标尺固定安置在近海岩层中，以标尺顶部作为相对测量基准并定标，通过成像系统测量标尺顶部到待测海平面之间的标尺距离Hb，从而计算求得待测海平面的绝对高度。系统主要由均码标尺、长焦成像单元、CCD线阵图像采集单元、数据处理和结果显示等部分组成。均码标尺上刻划有黑白相间的

4、条纹码，除在标尺的顶部设置码宽为2b的一对黑白码作为测量基准标志外，其他黑白条纹码的宽度均为b。测量系统工作时，标尺下部被海水遮挡，未被遮挡的部分经长焦镜头成像于CCD器件面上，设CCD像面上的黑白窄条纹数为n ，可知海面与基准的相对距离，易得海面潮位的实际高度，又Ha和b为已知值，因此只需通过数据处理判读出CCD面上黑白条码数n，就可得潮位实际高度Hc值。3、标尺图像的滤波拟合3.1 CCD输出的标尺图像信号分析线阵CCD的输出信号满足关系式：，是线阵CCD的第x像元输出的电压，是线阵CCD的第x像元的曝光量，是比例系数6。由于环境杂散光、大气扰动、灰尘散射等诸多因素影响，潮位标尺上光强分布

5、具有一定的不均匀性，而且远距离长焦距光学成像系统中存在像差，将严重影响条纹码在CCD像面上的成像质量，使得线阵CCD像元的曝光量产生变异；又关系式中比例系数的大小与位置x和x处的曝光量有关，所以线阵CCD器件光电响应信号有不均匀性和非线性；此外，测量系统中还存在一些不可消除的电源和电路等随机噪声，所有这些因素综合作用致使CCD的实际输出信号与理想信号有较大的差异7。图2是线阵CCD输出波形图 。由图可见，波峰波谷值起伏不定，且在一周期内有双峰或双谷等畸变现象出现，采用设定阈值比较和直接取极值来计算条纹数 会产生很大的误差，甚至可能会失效。3.2 标尺信号的频谱滤波CCD传感器输出的原始信号存在

6、较大的畸变和噪声，从该原始空阈输出信号来判读标尺码元数难度大，误差也大。由于标尺是按照均码规则刻划，黑白条纹码在空间上等间隔分布，具有明显的周期特征，因此可将原始图像信号转换到频域进行分析处理。通过快速傅立叶变换可实现信号从空域到频域的转换8。变换后的频谱如图3所示，中央主极大对应信号中的直流分量，主极大周围是背景等低频分量，虚线框内的次极大区域为基频分量，即为标尺黑白条纹码图像的频率成分，其他区域的细小纹波为干扰及白噪声分量，可采用频谱滤波法提取基频分量。频谱中的主极大同样也需要提取保留，因为主极大反映CCD信号的电压均值，滤除主极大，会造成平均值以下的CCD信号的翻转畸变。对提取出的频谱进

7、行快速反傅立叶变换，得到经过滤波后的CCD信号。图4是CCD信号滤波前和滤波后的波形对比图。由图4（a）知，就CCD整帧信号而言，背景低频信息被滤除，可将标尺条纹信号从背景中有效分离出来。对滤波前和滤波后的标尺前后沿信号做进一步比较发现，滤波后前沿信号振幅在标尺条纹计数起点处明显增大；滤波后的后沿信号振幅在条纹终点处明显减小，分别如图4（b）（c）所示。可见对标尺信号进行频谱滤波，可有效分离出标尺信号，且使信号前后沿界限明显，容易判读。3.3 信号的拟合频谱滤波后，标尺信号段信号振幅A要远大于背景的残留噪声纹波振幅（参见图4（a），以信号段正常信号振幅的A值的一半作为阈值，易判读出标尺条码的起

8、点和终点，起点至终点区间内的波峰波谷数即为标尺上的黑白条码数。然而，频谱滤波后的信号依然存在少量的双峰双谷及周期畸变，如图5所示。这些畸变会造成判读时的重复计数或漏计。本文采用拟合的方法来去除双波峰或双波谷伪信号。以双波峰伪信号为例，在标尺信号段取极大极小值，并记下各极大极小值的横纵坐标，每个极大值与其后紧邻的极小值横坐标作差记为t，纵坐标作差记为a，对该周期信号进行振幅拟合和周期拟合，即若t值小于标尺信号的平均周期值的一半T/2，且a值小于标尺正常信号的振幅值2A，则判断该周期为双波峰伪信号。实际上，即便是正常信号，如果发生一些小的幅值或者周期异动，也可能被判读为双峰伪信号，因此在振幅和周期

9、拟合时，采用T/3和A作为阈值会更真实准确。双波谷伪信号可用同样的幅度周期拟合法去除。振幅和周期拟合的方法还能增补丢失的周期信号，若该峰谷横坐标差t>T/2，该波峰与下一波峰横坐标差t>3T/2，且a>A，则可判断在这两个波峰之间缺失了一个波峰信息，应对该位置增补计数。后续实验证明，幅值周期拟合法能针对性的去伪补漏。4、实验结果与讨论在白天日光照明条件下，用图1测量系统对标定码宽分别为10mm、5mm、4mm、3mm，总长1000mm，距离200m处的标尺进行多次实测实验，并用本文所述的频谱滤波拟合方法对标尺信号进行判读，测量结果归纳如表1所示。由表1知，在照明条件良好的情况

10、下，频谱滤波拟合法可准确判读出码元数，与标定码元数相比较，误差小于一个条纹周期。研究表明，本文基于均码测量标尺而提出的频谱滤波拟合的标尺判读方法，判读精度高，受噪声干扰小。另外，该频谱滤波拟合的判读方法还可应用到类似的周期性图像检测判读中。参考文献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 (测绘通报) , 20

11、04, (10)：57-59.2 ZHANG Xiao , WANG Zhi-xing , LI Xiang- yin. Application of sinusoidal bar code in the distance and height positioning over long distance J, OPTICAL TECHNIQUE (光学技术) ,2005, 31(5): 736-738,741.3 Theo Pavlidis, Jerome Swartz, Ynjiun P.Wang. Fundamentals of bar code information theoryJ. Computer, 1990, 23(4): 74-86.4 Eugene Joseph, Theo Pavlidis. Deblurring of Bilevel WaveformsJ. IEEE Transaction on Image Processing, 1993, 2(2):223-235.5 王凤鹏，王志兴，张 晓. 条码信号复原技术在数字水准仪中的应用J. 光电工程, 2006, 9(33): 63-66.6 王庆有. CCD应用技术M. 天津：天津大学出版社，2000. 28.7 XU Xiu-zhen, LI Zi-tian, XUE Li-j