機載高空圖像采集系統的抗干擾軟件設計

摘 要： 受到高空環境、地面目標雜質點以及信息傳遞偏差的干擾，機載高空圖像采集系統獲取的圖像存在較多的噪點和畸變，采用傳統的基于小波變換的圖像采集方法，在噪聲干擾的情況下，關鍵變換系數嚴重缺失，導致重構圖像丟失重要內容、圖像質量下降的問題。因此，提出基于混合搜索方法設計機載高空圖像采集系統抗干擾軟件，以機載為研究對象，采用模塊化方法，設計機載高空圖像采集軟件系統，分析軟件系統完成圖像采集的流程。依據機載高空圖像采集系統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，增強圖像采集系統的抗噪性能。融合二值化分割算法、邊緣檢測算法以及動態閾值算法，采用混合搜索方式提取機載高空圖像采集系統的特征，獲取高質量的目標圖像。實驗結果表明，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

隨著信息化技術的發展，信息化戰爭環境的機載高空圖像采集對于戰態分析具有重要作用[1?2]。受到高空環境、地面目標雜質點以及信息傳遞偏差的干擾，機載高空圖像采集系統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]。采用傳統的基于小波變換的圖像采集方法，在噪聲干擾的情況下，關鍵變換系數嚴重缺失，導致重構圖像丟失重要內容、降低圖像質量。因此，提高圖像采集系統的抗干擾性能，對于確保圖像質量具有重要意義[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的小波系數中的圖像價值度值，該值越高，說明噪聲少，同時設置合理的閾值，可過濾圖像噪聲，但該方法分析過程較為繁瑣，效率較低[7]；丁君通過最優小波基采集方法，過濾圖像中的噪聲，但該方法不適用于復雜的圖像采集環境，獲取的目標圖像質量較差[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，該方法依據不同尺度中信號的模極大值，重構獲取去噪信號，但在實際應用中，該方法的圖像去噪效果較差[9]；趙代弟通過依據高低閾值函數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，但是會導致圖像信號失真[10]。

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

1 機載高空圖像采集系統的抗干擾的實現

1.1 軟件系統設計

合理的軟件系統設計是機載高空圖像采集系統的抗干擾的基礎。采用模塊化方法，設計機載高空圖像采集軟件系統，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，系統設計圖如圖1所示。在軟件系統設計時，通常對選取對象進行模塊化操作來改善創建途徑，以便實現對模塊的較高利用、提高軟件的品質。軟件內部各模塊具有高內聚和低耦合的特征，這些特征保證模塊能與外界的正常交流。設計的機載高空圖像采集軟件系統通過攝像機驅動底層不同種類圖像采集設備獲取目標圖像，用戶搜索模塊對目標圖像進行分析和傳遞；數據源管理模塊負責圖像數據的存儲，并將數據反饋給上層應用程序進行決策分析。

1.2 軟件工作流程

在軟件系統設計的基礎上，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境分為插件管理模塊、內部數據管理模塊、內存管理模塊、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，各自發揮作用，耦合性低，通常只利用模塊的接口完成互相的聯絡。

機載高空圖像采集軟件系統運行步驟為：按照通信協議，系統軟件對來自地面操縱環境的操縱指令進行分析，并且作出相應的回復，與此同時，依據地面操縱指令轉換相機參數，設置相機攝像的開始和結束，完成機載目標圖像采集任務，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計

通過單片機主控模塊對機載高空圖像采集系統的圖像數據傳遞進行協調控制。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控。主控模塊中的單片機采用其 USART0 模塊的 URXD0 引腳經過20針插座同GPS 模塊相連接，采集波特率為 8 500 b/s的GPS數據數字信號，而USART1模塊的 UTXD1 引腳采用反相器同調制解調模塊芯連接，并將單片機操作控制后的波特率為1 403 b/s的GPS數據信號反饋給調制解調模塊。

1.4 調制解調模塊電路設計

調制解調模塊設計電路設計過程中，為增強機載高空圖像采集系統圖像信號的強度，設置調制解調輸入/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數字信號。 FSK對GPS數字信號進行調制，在TXA端輸出，調制后的正弦信號幅值是電源電壓的四分之一。從TXA端輸出的已調制信號，采用TLC272ACD 兩級運算放大器調控調制信號，并輸出視頻號，該視頻號通過4芯插座反饋到無線視頻發生器，生成機載高空圖像信號。

1.5 軟件抗干擾的實現

受高空環境、地面目標雜質點以及信息傳遞偏差的干擾，機載高空圖像采集系統獲取的圖像信息中存在較多的噪聲以及畸變。光線情況、地面雜質點以及傳遞過程中的偏差，都會導致圖像質量降低，使得飛機產生誤判等問題，無法實現機載高空圖像的準確采集。設計的機載高空圖像采集系統的抗干擾軟件、圖像濾波模塊以及抗干擾圖像采集方法，過濾系統噪聲，增強系統抗噪性能，獲取高質量的目標圖像。

1.5.1 圖像濾波模塊設計

軟件抗干擾實現的前提是設計優良的圖像濾波模塊，設計的機載高空圖像采集系統通過圖像濾波模塊過濾噪聲，提高系統的抗噪性能，濾波模塊的結構用如圖3所示。濾波窗口產生模塊根據濾波的要求，產生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，有針對性地實現噪聲的過濾，極大增強了圖像采集系統的抗噪性能。因為需要將提供給多級中值濾波或加權均值濾波模塊的數據與噪聲分辨模塊內的數據進行統一，所以通過寄存器，臨時保留圖像數據，保留周期等于噪聲類型分辨模塊的耽擱時間。計數模塊可完成輸入數據的行、列的推算任務，檢驗已產生的窗口是否正確，并需推算正確的窗口數據，以便顯示裝置確定發送數據在圖像中的位置。

1.5.2 圖像采集系統的抗干擾的實現

在圖像濾波模塊設計的基礎上，融合二值化分割算法、邊緣檢測算法以及動態閾值算法，采用混合搜索方式提取機載高空圖像采集系統的特征，獲取高質量的目標圖像。具體步驟為：采用混合搜索方式與二值化分割方法結合采集機載目標圖像信息，完成目標圖像前端幾行數據的搜索，同時設置前端數據的閾值，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置合理的區域實現后續定位，縮小圖像搜索區域，提高圖像采集精確度；通過合理的動態方法設置邊緣定位方法的搜索區域，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，對圖像進行后續搜索過程中，需要縮小圖像搜索區域；否則擴大搜索區域。以上步驟通過圖像采集系統的特征分別提出了相應的采集策略，實現了圖像采集系統的抗干擾，混合搜索軟件程序流程如圖4所示。

1.6 圖像數據采集相關代碼設計

軟件實現圖像數據采集的主要程序段代碼如下：

2 實驗結果與分析

實驗通過規范的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中的數據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細節，而中值濾波方法獲取的圖像不僅丟失原始圖像中的細節特征，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量的優劣，對不同方法航拍圖像進行定量分析，結果如表2所示。

分析表2中的數據可得，本文方法采集航拍圖像的各項抗干擾指標都優于中值濾波方法，具有較高的抗干擾性能。

3 結 論

針對傳統圖像采集系統進行圖像采集時，重構圖像丟失重要內容、圖像質量下降的問題，構建基于混合搜索方法設計機載高空圖像采集系統抗干擾軟件。實驗結果表明，相對于中值濾波方法，本文設計的系統獲取的目標圖像更為清晰，并且具有較好的抗噪性能。

參考文獻

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