Ｃａｎｎｙ算法在光子晶體光纖端面圖像處理中的應用

摘要：通過對光子晶體光纖熔接前的端面圖像進行邊緣檢測和定位，達到識別待熔接光子晶體光纖類型和校正其位置的目的。首先從理論上比較多種經典邊緣檢測算法，然后以DSP為實驗平臺使用多種經典算子對光子晶體光纖的端面圖像進行邊緣檢測并比較，選擇Canny邊緣檢測算法，實驗結果表明使用該算法提取的邊緣比較豐富，同時又因抑制了噪聲而更加清晰。對識別待熔接光子晶體光纖的類型和校正其位置具有可行性。

關鍵詞：數字圖像處理；邊緣檢測；Canny算子；光子晶體光纖

中圖分類號：TN98

文獻標識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—134—03

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)，又稱多孔光纖或微結構光纖，自其問世就引起各國學者的廣泛關注，他具有很多普通光纖所沒有的奇異特性，如高非線性、色散可控特性、高雙折射率、無限單模特性、大單模模場等，能廣泛的應用于通信、成像、光譜學和生物醫學等。隨著對光子晶體光纖研究的深入，光子晶體光纖和標準單模光纖(SMF)之間的接續已經成為一個急需解決的技術問題，同時他能為更好的研究光子晶體光纖特性及應用服務。如圖1所示，這類光纖是由在纖芯周圍沿著軸向規則排列的微小空氣孔構成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現光的傳導。

本文通過對光子晶體光纖熔接前的端面圖像進行邊緣檢測和定位，識別待熔接光子晶體光纖的類型，以保證接下來的熔接工作得以順利完成。邊緣檢測是關鍵技術之一，圖像的邊緣表現為強度的突變，目前檢測邊界的各種局部算子都是基于這種灰度不連續性，一些經典算子如Robert，Sobel，Prewitt，LOG等都是對增強邊緣和抑制噪聲這一對矛盾進行折衷處理。有的方法在抑制無關細節和噪聲的同時使邊緣定位精度受到較大損失，有的方法對噪聲太敏感、計算量大。目前，在抗干擾和準確的提取邊緣以及減少運算量等問題上還沒有比較滿意的解決辦法。Canny在文獻中提出一種邊緣檢測最優準則，基于該準則導出了高斯函數的導數可以作為最優邊緣檢測算子，這就是著：名的Canny算子。本文將Canny算子應用到對光子晶體光纖端面圖像的檢測中，取得較滿意的效果。

1 幾種經典邊緣檢測算子的理論比較

圖像中提取反映灰度變化的邊緣特征是數字圖像處理的一個重要分支。在光子晶體光纖端面檢測中，經常需要將各幅圖像中感興趣的部分提取出來加以識別與分析。對圖像進行分割往往利用象素灰度值的2個性質：不連續性和相似性。非邊界區域一般具有灰度的相似性，而在邊界上一般具有灰度的不連續性。另外，根據在分割過程中處理策略不同，可將算法分為并行算法和串行算法。光子晶體光纖端面圖是一類特殊的圖像，圖像中所反映的對象往往是大量細小的區域。而感興趣的部分又常是這些區域中特征點的坐標，點與點之間的距離等參量。要獲取這些參量，前提是精確地進行邊緣檢測與分割處理，這就不僅要求處理后得到的圖像有比較細的邊界，而且要求邊界總是閉合。在常用的集中用于檢測的算子中Laplace算子常會產生雙邊界；其他一些算子如Sobel算子又往往會形成不閉合區域。而Canny算子在進行圖像分割檢測中具有邊界封閉的特性。各算子算法原理的具體比較如表1所示：

2 Canny算子在PCF端面邊緣檢測中的實現

根據Canny邊緣檢測原理，可以得到相應的邊緣檢測算法。

(1)用3×3高斯濾波器對PCF端面圖像G進行圖像濾波，取出圖像中的噪聲，得到圖像I(x，y)，其中高斯空間系數σ對處理結果影響較大。

(2)計算圖像I(x，Y)每個象素的梯度M和方向Q，采用2×2模板作為對x方向和y方向的偏微分的一階近似，即：

(3)對梯度圖像進行非極大值抑制。象素I(i，j)的梯度方向Q(i，J)可被定義為屬于如圖2所示的四個區之一，在每一點上，鄰域的中心象素I(i，j)與沿著梯度方向Q(i，J)的2個象素進行比較，如果在鄰域中心點處的梯度值M(i，j)不比沿梯度線方向上的兩個相鄰點幅值大，則把I(i，j)的灰度設為零。

3 實驗結果

為了驗證Canny邊緣檢測算子的效果，以DSP為實驗平臺(檢測系統的示意圖見圖3)，分別使用Robert，So—bel，Prewitt，LOG和Canny算子，結合采用模板及門限、平滑等手段，對光子晶體光纖的端面原始圖像進行邊緣檢測實驗，實驗結果如圖4所示。

Roberts算子提取的邊緣較粗，定位不準確；Sobel算子和Prewitt算子對邊緣的定位準確一些；而采用拉普拉斯高斯算子(LOG)進行邊緣提取的結果要明顯優于前3種算子，特別是邊緣比較完整，位置比較準確。相比而言，Canny算子提取的邊緣最為完整，而且邊緣的連續性很好，效果優于以上其他算子，這主要是因為他進行了“非極大值抑制”和形態學連接操作的結果。

4 結 語

本文首先從理論上比較Robert，Sobel，LOG，Canny幾種經典邊緣檢測算子；然后以DSP為平臺使用以上算法對光子晶體光纖端面圖像進行檢測并比較，實驗證明Canny算子提取的邊緣最為豐富且連續，同時又因抑制噪聲而更加清晰。對于光子晶體光纖熔接過程中的控制具有一定的指導作用。