基于巴特沃思濾波基準提取的專利技術研究

申丁

（福建省計量科學研究院，福建 福州　350100）

基于巴特沃思濾波基準提取的專利技術研究

申丁

（福建省計量科學研究院，福建 福州350100）

高斯濾波器因其構造、設計簡單，且濾波特性具有零相移特性，目前已經是ISO 11562和ASME B46.1規定的基準提取方法，但由于其支撐域范圍過大，一定程度影響到其在三維基準提取中效率［1］。為此，結合相關專利與文獻，引入巴特沃思函數構建基于并行算法的高斯濾波算法，以提高其在實際工程應用中的效率。并將其運用到三維實例中，從中可以發現基于并行的算法所耗時間低于其他算法。

高斯濾波器；巴特沃思濾波器；并行算法

巴特沃思濾波器是利用巴特沃思函數所設計的高通、低通、帶通和帶阻濾波器的統稱，廣泛用于不同領域的研究和專利中。其最早由英國工程師Stephen Butterworth于上世紀三十年代提出。其主要特點在于通帶內的頻率響應曲線最平滑，但也存在截止頻率處其過渡區間較長的不足。雖然學者也將其進行串行運算來逼近高斯濾波，最終也實現了較為快速基準提取［1-2］。通過實際應用發現，將其進行并行改進，算法的耗時將會進一步減少。由于基準提取中的高斯濾波器為典型的低通濾波器，因此也選取巴特沃思低頻濾波器為研究對象。

其中，|H（jw）|為巴特沃思濾波器頻域響應的幅值函數，w和wc分別為頻率和截止頻率，n為低通濾波器的階次，為了簡化，將其設置為1。巴特沃思濾波器在二維復坐標系上滿足如下關系：

式（1-2）中的函數極點位于在實軸距離原點wc的位置，根據z變換和雙線性變化可得巴特沃斯濾波的傳遞函數滿足如下關系：

1　巴特沃思濾波擬合算法

實際濾波過程中，可以將一般的卷積運算化簡為如下的差分形式［4］：

式中ak、br、M、N為濾波器常數，g（·）和f（··）分別為信號函數。公式（1-4）得出其濾波過程實際是對采樣數據進行一系列的加法和乘法的運算。在計算機運算中，乘法計算的復雜程度明顯會高于加法，因此通過減少算法中所含乘法的數量即可提高算法效率。普通高斯濾波器是典型的有限沖擊響應濾波器（FIR），為了達到減少乘法的目的，可以通過使用無限沖擊濾波（IIR）來擬合高斯濾波器，其主要推導過程如下：

高斯函數s（x）一般寫成如下形式：

對其進行級數分解，形式如下：

當x 遠小于1時，可以將上式等價于如下形式：

此時，高斯濾波器已轉化為簡單的無限沖擊響應濾波器（IIR）。根據卷積定理，時域卷積的傅立葉變化等于頻域的點積。而頻域卷積的逆傅立葉變化等于時域的點積。這樣對于高斯函數來說，無論是傅立葉變化還是逆傅立葉變化，其所得到的函數均為高斯函數，且自卷積和自乘積都是高斯函數。根據中心極限定理，得到更加逼近高斯濾波的方法，其推導過程如下：

對于點乘來說，高斯函數滿足：

對于卷積來說，高斯函數同時滿足：

其中，×為卷積算子，m為運算次數。同時：

其中，Δδ為等式殘差。根據等式（1-7）可以得到：

當x→0、m→∞，根據中心極限定理，Δδ→0，近似得到如下關系

對等式（1-5）進行傅立葉變換，得到高斯函數的頻域響應函數。

其中，λ為波長參數。因此，根據ISO11562定義高斯濾波器，其傳輸特性為：

從上述等式可以看出，高斯函數是一種典型的低通濾波器。為了使用無限沖擊響應濾波器（IIR）來擬合高斯濾波器，通過使用等式（1-12）的1/（1+x2）來擬合等式（1-14），其定義如下函數：

按照ISO11562規定，當λ=λC時，濾波器的傳輸率為0.5（即Hβ（λCλ）=0.5），從而可以計算出不同級聯階次下β的取值，例如，當一級級聯時，則β=1，（n=1）。

將此種并聯擬合的思路引入巴特沃思濾波器（1-15）。可將級聯濾波器傳遞函數如下表述：

式中n為其級聯的階次，a、b根據其截止波長λc、采樣間隔Δx和n確定，對等式（1-16）進行并聯改進，則A（z）的等式如下：

其中1/（a-b）=0.5。下面將列出并行運算的具體計算公式。

上式中，由于函數w1（k）、w2（k）可在計算機中同時計算且互不干擾，這種簡單并行結構就大大減少了計算耗時，提高其在實際工程中的效率。

2　三維實例分析

用光學干涉儀對一實測研磨加工表面進行采集，如圖2（a）所示。其中截止波長為 λc=50μm，取樣間隔，Δx=1μm采樣數據的大小為256×256。同樣選擇八階級聯濾波器逼近標準高斯濾波器，根據公式（1-15）可知，α= 5.7865、b=3.7865和1/（α-b）=0.5，最后用不同算法進行了表面粗糙度評定。

表1 計算耗時對比表（單位：s）

從表1可以看出，高斯濾波所耗時間是最長，基于串聯擬合濾波所耗時間有所下降，但大于并聯擬合濾波所耗時間，而并聯形式耗時僅僅是0.0921s，說明改進的方法的高效性。

3　結語

通過提出基于并行巴特沃思濾波器快速擬合高斯濾波器的基準提取算法，大大提高了基準提取的效率。在三維實例中，改進算法所提取的三維表面基準，在保證粗糙度參數相差極小的基礎下，耗時遠遠小于高斯濾波器和級聯擬合濾波器，論證了并聯方法的有效性，在相關基準提取專利和研究領域中具有很好的應用前景。

［1］王大偉，賈榮叢，王劃一.基于Matlab的巴特沃斯濾波器設計［J］.現代電子技術，2012，35（21）：71-72.

［2］胡廣書.數字信號處理：理論，算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，2003.

The Technical Research of Reference Characterized Algorithm Based on Butterworth Filter

Shen Ding
（The Metrology Institute of Fujian Province，Fuzhou Fujian 350100）

Due to the convenience in design and zero phase- shift， the Gaussian Filter has been adopted in ISO 11562 and ASME B46.1 as a standard reference representation method. However， it always has bad performance and low efficiency in 3-D reference representation.Therefore，make use of the parallel Butterworth Filter to realized the traditional Gaussian Filter and increase its efficiency in reference representation based on related patents and theses.

gaussian filter；utterworth filter；parallel algorithm

TB921

A

1003-5168（2016）06-0074-02

2016-6-20

申丁（1988-），男，研究生，助理工程師，研究方向：振動和表面工程技術。