基于形態(tài)學(xué)及邊緣檢測的雷達圖像特征提取

劉金龍，袁小軍，蔡新未，張必勝，王金璽

（江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210028）

0 引言

雷達法是近年來迅速發(fā)展起來的一種無損檢測技術(shù)，具有快速、無損、連續(xù)檢測、檢測結(jié)果直觀等特點，該方法已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用于建設(shè)工程的各個領(lǐng)域。隨著雷達技術(shù)應(yīng)用的日益頻繁，對雷達的整體性能要求越來越高，然而對于圖像的解釋仍停留在依靠人工判讀的階段。雷達圖像的解釋成了工程應(yīng)用中的一個難題，其不定性及對人的經(jīng)驗的依賴性嚴重影響了檢測的效率和質(zhì)量。

數(shù)字圖像處理技術(shù)在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、資源環(huán)境、氣象及交通監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造了極大的社會價值，然而在雷達圖像處理中應(yīng)用的并不多。本文將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于雷達圖像處理中，采用具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)元素來提取圖像中對應(yīng)的特征曲線，以此對圖像特征進行分析判別。同時對雷達圖像進行邊緣檢測，可以快速而準確地得到圖像邊緣骨架曲線。數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于雷達圖像處理中，必將改善雷達圖像的判讀成功率，提高雷達檢測的效率和質(zhì)量［1，2］。

1 雷達探測原理

雷達發(fā)射天線向結(jié)構(gòu)表面發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，電磁波在結(jié)構(gòu)中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性和幾何形態(tài)的變化而變化，主機將對此部分的反射波進行適時接收，對接收到的數(shù)據(jù)進行一系列處理后得到雷達圖像，根據(jù)得到的雷達圖像可確定結(jié)構(gòu)特性（缺陷）等［3］，成像過程如圖 1 所示。

圖1 雷達測試原理圖

2 試驗研究

2.1 試件制作

此次研究的混凝土試件內(nèi)部缺陷有空洞、裂縫、不密實等，空洞缺陷采用在試件中埋設(shè) PVC 管進行模擬；不密實缺陷采用在試件中埋設(shè)泡沫進行模擬；試件澆筑時在模板的對應(yīng)位置埋設(shè)薄鋼板，待混凝土初凝后取出薄鋼板從而形成裂縫缺陷。試驗室采用 C20 混凝土澆筑試件，試件澆筑前，首先在模板上對應(yīng)于缺陷位置處鉆孔，使模板上對應(yīng)位置處的 PVC 管、薄鋼板伸出試件外，以準確固定空洞、裂縫缺陷位置，以便與雷達測試結(jié)果進行對比。缺陷模擬材料如圖 2 所示，缺陷布置如圖 3 所示，試件成型后實況如圖 4 所示。

圖2 缺陷模擬材料

2.2 雷達圖像分析

此次對混凝土構(gòu)件表面沿平行長邊方向布置測線進行測試，對混凝土板表面中部測線所采集的雷達數(shù)據(jù)進行處理。處理后的混凝土試件的雷達圖像如圖 5 所示，圖中左側(cè) 4 個方框中為空洞缺陷的典型雷達圖像，右側(cè) 2 個方框中為不密實缺陷的典型雷達圖像，水平向虛線為混凝土板與空氣分界面位置。

從圖 5 混凝土試件雷達圖像中得到：空洞、不密實缺陷圖像表現(xiàn)為典型雙曲線特征，這類缺陷測試效果較好。裂縫位置處未見典型雷達圖像特征，裂縫不易探測。本次試件設(shè)計的裂縫寬度為 2.0 mm，裂縫寬度較小，且裂縫內(nèi)空氣與混凝土的相對介電常數(shù)相差不大，這些都是裂縫不能被探測的原因。

3 基于形態(tài)學(xué)的雷達圖像特征提取

3.1 形態(tài)學(xué)基本理論

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以隨機集論、積分幾何、拓撲學(xué)、近代代數(shù)為基礎(chǔ)的用于數(shù)字圖像處理和識別的學(xué)科［4］，其圖像基本處理方法如圖 6 所示。

圖3 凝土試件缺陷布置

圖4 試件成型后實況

圖5 混凝土試件雷達灰度剖面圖

圖6 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本方法

大部分形態(tài)學(xué)運算都定義在腐蝕和膨脹的基本運算的基礎(chǔ)上，通過運算處理達到改善圖像質(zhì)量、描述和定義圖像的各種幾何參數(shù)和特征如面積、周長、連通性、顆粒度、骨架和方向性等目的［4］，常見的形態(tài)學(xué)運算有腐蝕和膨脹兩種。

3.2 圖像特征提取的基本思路

為了找到方便快捷的特征提取方法，主要用到的方法與步驟如下：①適當(dāng)去除噪聲；②應(yīng)用圖形處理中的腐蝕功能，對圖像進行處理，去掉次要部分，保留我們需要的主要特征；③利用膨脹處理，對腐蝕數(shù)據(jù)進行處理，把主要特征復(fù)原，次要特征在腐蝕過程中得到去除；④對圖像進行邊緣檢測，首先檢測圖像中的邊緣特征點，再將圖像中的邊緣特征點按照一定的方法連接起來，形成圖像邊緣的分界線；⑤利用前面幾步得到的圖形再進行計算機處理，提取出特征，如圖 7 所示。

圖7 信號特征提取流程

本文采用對雷達回波信號剖面按照圖像的特點進行特征提取，主要通過提取雙曲線輪廓特征對雷達回波信號剖面特征進行提取。

3.3 形態(tài)學(xué)應(yīng)用于雷達數(shù)據(jù)處理

本文采用不同的結(jié)構(gòu)元素系數(shù)腐蝕、膨脹處理圖形，目的在于去掉細節(jié)，保留主體，同時找到適合的結(jié)構(gòu)元素，以更好地凸顯圖像特征。圖 8 給出了不同系數(shù)的腐蝕膨脹結(jié)果。

從圖 8 可以看出：通過腐蝕、膨脹處理后圖像的主要特征得到體現(xiàn)，次要因素得以忽略（去除），從而為雷達圖像的判讀、解釋起到良好的區(qū)分作用，這是我們進行雷達圖像分析的基礎(chǔ)，按照處理的要求，可以選擇相應(yīng)的系數(shù)進行處理，以滿足不同的處理要求。

4 基于圖像邊緣檢測的雷達圖像特征提取

本文通過邊緣檢測來提取雷達圖像的特征曲線，對圖像進行邊緣檢測的基本步驟如下：首先檢測圖像中的邊緣特征點，再將圖像中的邊緣特征點按照一定的方法連接起來，形成圖像邊緣的分界線，此邊緣分界線可以將目標圖像與背景圖像區(qū)分開來，從而得到雷達圖像的特征曲線。雷達圖像中某對象的邊界上的像素點，其領(lǐng)域?qū)⑹且粋€灰度級變化帶。根據(jù)圖像中灰度變化的特征，可將灰度變化特征分為屋頂型、凸緣型、階梯型等 3 個基本類型，具體如圖 9 所示。對形態(tài)學(xué)處理后的雷達圖像進行邊緣檢測，邊緣檢測結(jié)果如圖 10 所示。

圖8 雷達圖像腐蝕膨脹結(jié)果

圖9 圖像邊緣的典型變化特征

從圖 10 圖像邊緣檢測處理的結(jié)果可以看出：邊緣檢測結(jié)合腐蝕、膨脹能快速而準確地得到圖像邊緣曲線，且邊界線連續(xù)平滑。

圖10 圖像邊緣檢測結(jié)果

5 結(jié)語

1）本節(jié)提出了基于形態(tài)學(xué)的圖像特征提取的一般思路。

2）通過形態(tài)學(xué)腐蝕、膨脹處理后圖像的主要特征得到體現(xiàn)，次要因素得以忽略（去除），從而為雷達圖像的判讀、解釋起到良好的區(qū)分作用，這是我們進行雷達圖像分析的基礎(chǔ)。

3）邊緣檢測結(jié)合腐蝕、膨脹能快速而準確地得到圖像邊緣骨架曲線，且邊界線連續(xù)平滑。