电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法技术

本发明专利技术公开了一种电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法，包括：（1）输入获得的电子散斑干涉条纹图像I；（2）计算该图像I(i,j)的梯度场；（3）设定离散时间tn=n△t，△t是离散时间步长，n是迭代次数，及偏微分方程沿条纹法线方向的扩散系数C；（4）构造偏微分方程，通过该方程调整图像I(i,j)的梯度场，并得出图像调整后的梯度场(u,v)的一阶和二阶导数；（5）求梯度场F=(u,v)的散度A；（6）根据散度A的正负源确定干涉条纹图像的骨架线。本发明专利技术直接在灰度图基础上提取条纹的骨架线，无需滤波、二值化等操作，步骤简单。考虑到条纹方向性和噪声干扰影响，本发明专利技术构造了各向异性方向扩散模型，在调整梯度场时保持条纹图的拓扑结构，即使在高密度区域也不会出现骨架线断裂和粘连。

【技术实现步骤摘要】
电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法
本专利技术属于光学检测和光信息处理
，涉及一种电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法。
技术介绍
电子散斑干涉术（ESPI）是一项重要的无损检测技术，它利用光学干涉的方式记录携带物体信息的干涉图像，通过对其进行处理和分析，就可得到被测物体的微小位移、形变和缺陷等信息。由于该技术具有结构简单、非接触、高精度和高灵敏度（微米级甚至几十纳米）、快速实时并可在线检测等优点，在复合材料、集成电路、压力容器和焊接物体表面或内部缺陷检测方面具有重要应用，是大型及特殊零部件成形及加工技术和通用部件设计制造技术的必要补充。在光学干涉测量中，直接获取的光干涉图是一种载波图像，信号表现为条纹的形式，由于待测物理量被隐藏在条纹图中，如何从条纹图中提取出被测物理量，是现代光学测量中需要解决的一个十分重要的问题。干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹，因而可以根据干涉条纹的方向、形状、疏密和条纹移动的情况，获得与光程差有关的被测量信息。若要获得待测物体信息，需要求出条纹图的全场相位。条纹中心线法是一种重要的相位提取方法，其主要步骤可归结为：（1）条纹中心检测得到条纹图骨架线。（2）自动或人机交互地对条纹定级，确定2kπ包裹过程的k值。（3）对条纹级数插值，得到全场的相位值。基于条纹中心线法的理论思路，求取ESPI图像的骨架线至关重要。初始采集的条纹图像中存在着很强的噪声，使条纹的分辨率和可见性受到很大程度的限制，极大地降低了条纹的对比度。而传统的细化算法对图像质量要求较高，需要对初始图形进行滤波、增强、二值化等预处理。这些预处理过程必然会损失图像信息，使测量误差增大。基于偏微分方程（partialdifferentialequation）的图像处理方法产生于上世纪末，在最近十几年得到了迅速发展。该方法把图像处理变换看作偏微分方程的算子，利用偏微分方程把初始图像变形，通过求解偏微分方程实现各种图像处理功能。与传统的图像处理技术相比，偏微分方程图像处理方法具有以下优点：（1）基于偏微分方程的图像处理过程是一个逐渐演化的过程，能够方便地选择图像处理的中间状态，获得最佳的处理结果。（2）利用数值计算方法可以获得偏微分方程高精度和稳定性好的数值解，所以基于偏微分方程的图像处理方法具有很高的精度和稳定性。（3）该方法非常灵活，结合条纹图的方向信息，通过坐标系旋转的方式可以方便地控制方程的扩散方向，避免传统图像处理方法中的像素追踪等过程，容易执行。（4）基于偏微分方程的骨架线提取方法可以直接作用在灰度图像上，提取图像的骨架，无需经过滤波、二值化、细化等常规的、繁琐的图像处理步骤，过程简单，易于实现。由于条纹图具有明显的方向信息，天津大学唐晨教授提出了基于方向的扩散模型[1]，该方程利用条纹图的方向性，使方程仅沿着条纹方向进行扩散。在此基础上，唐晨教授提出建立耦合偏微分方程模型对图像梯度矢量场（GradientVectorField）进行扩散调整[2-3]，根据调整后GVF场的拓扑性质，通过求取GVF场的雅可比矩阵，并利用一个设定的阈值确定电子散斑干涉条纹的骨架线。但是该方法在骨架线确定过程中对阈值的选取较为困难，且提取的骨架线容易断裂。参考文献：[1].ChenTang,LinHan,HongweiRen,DongjianZhou,YimingChang,XiaohangWang,andXiaolongCui.Second-orderorientedpartial-differentialequationsfordenoisinginelectronic-speckle-patterninterferometryfringes.vol.33,no.19,OpticsLetters,pp.2179-2181,2008.[2].ChenTang,WenjingLu,YuanxueCai,LinHan,andGaoWang.Nearlypreprocessing-freemethodforskeletonizationofgray-scaleelectronicspecklepatterninterferometryfringepatternsviapartialdifferentialequations.OpticsLetters,vol.33,no.2,pp.183-185,2008.[3].ChenTang,HongweiRen,Ren,LinlinWang,ZhifangWang,LinHan,andTaoGao.Orientedcouplegradientvectorfieldsforskeletonizationofgray-scaleopticalfringepatternswithhighdensity.AppliedOptics,vol.49,no.16,pp.2979-2984,2010.
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供一种电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法，利用一个各向异性偏微分方程调整图像的梯度矢量场，通过分析梯度矢量场的散度性质提取出条纹图的骨架线。该方法可直接用于灰度图像，无需任何预处理，在使用时无需设定阈值，且提取的骨架线无断裂和粘连。为了解决上述技术问题，本专利技术一种电子散斑干涉无损检测条纹图像骨架线提取方法，包括下列步骤：步骤1：获得一幅电子散斑干涉无损检测条纹图像I；步骤2：令Ii,j代表像素(i,j)的灰度值I(i,j)，计算得到该电子散斑干涉无损检测条纹图像I(i,j)的梯度场为F(i,j)=(u(i,j),v(i,j))，其中：步骤3：设定离散时间tn=n△t，△t是离散时间步长，n是迭代次数，及偏微分方程沿条纹图像法线方向的滤波系数C；步骤4：根据步骤3设定的参数构造偏微分方程，由该偏微分方程调整电子散斑干涉无损检测条纹图像I(i,j)的梯度场，并得出电子散斑干涉无损检测调整后的梯度场(u,v)的一阶导数及二阶导数；步骤5：根据步骤4求出的电子散斑干涉无损检测调整后的梯度场(u,v)的一阶导数及二阶导数，求取矢量场F=(u,v)的散度A；步骤6：根据散度A的正负源确定电子散斑干涉无损检测条纹图像的骨架线，包括：于某一点(i,j)，若divA(i,j)>0，则该点为正源点，该点对应电子散斑干涉无损检测条纹图像中的暗条纹图像骨架点；若divA(i,j)<0，则该点为负源点，该点对应电子散斑干涉无损检测条纹图像中的亮条纹图像骨架点；若divA(i,j)=0，该点为无源点，该点为非骨架点；以此类推，得出电子散斑干涉无损检测条纹图像中的所有骨架点，从而提取电子散斑干涉无损检测条纹图像骨架线。本专利技术方法中引入物理理论中的散度概念，首先对电子散斑干涉条纹图像求取初始梯度场；再按照空间导数离散格式，求出图像梯度场中各点的一阶偏导数和二阶偏导数，根据设定的时间步长△t和迭代次数n利用偏微分方程对图像初始梯度场进行扩散调整，得到调整后的新梯度场；最后对调整后的梯度场进行散度分析，判断得出电子散斑干涉条纹的骨架线。本专利技术实际是在对电子散斑干涉条纹图像的梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子散斑干涉无损检测条纹图像骨架线提取方法，包括下列步骤：步骤1：获得并输入一幅电子散斑干涉无损检测条纹图像I；步骤2：令Ii,j代表像素(i,j)的灰度值I(i,j)，计算得到该电子散斑干涉无损检测条纹图像I(i,j)的梯度场为F(i,j)=(u(i,j),v(i,j))，其中：u(i,j)=I(i+1,j)-I(i,j)v(i,j)=I(i,j+1)-I(i,j)步骤3：设定离散时间tn=n△t，△t是离散时间步长，n是迭代次数，及偏微分方程沿条纹图像法线方向的滤波系数C；步骤4：根据步骤3设定的参数构造偏微分方程，由该偏微分方程调整电子散斑干涉无损检测条纹图像I(i,j)的梯度场，并得出电子散斑干涉无损检测调整后的梯度场(u,v)的一阶导数及二阶导数；步骤5：根据步骤4求出的电子散斑干涉无损检测调整后的梯度场(u,v)的一阶导数及二阶导数，求取梯度场F=(u,v)的散度A；步骤6：根据散度A的正负源确定电子散斑干涉无损检测条纹图像的骨架线，包括：于某一点(i,j)，若divA(i,j)>0，则该点为正源点，该点对应电子散斑干涉无损检测条纹图像中的暗条纹图像骨架点；若divA(i,j)<0，则该点为负源点，该点对应电子散斑干涉无损检测条纹图像中的亮条纹图像骨架点；若divA(i,j)=0，该点为无源点，该点为非骨架点；以此类推，得出电子散斑干涉无损检测条纹图像中的所有骨架点，从而提取电子散斑干涉无损检测条纹图像骨架线。...

【技术特征摘要】
1.一种电子散斑干涉无损检测条纹图像骨架线提取方法，包括下列步骤：步骤1：获得并输入一幅电子散斑干涉无损检测条纹图像I；步骤2：令Ii,j代表像素(i,j)的灰度值I(i,j)，计算得到该电子散斑干涉无损检测条纹图像I(i,j)的梯度场为F(i,j)＝(u(i,j),v(i,j))，其中：步骤3：设定离散时间tn＝n△t，△t是离散时间步长，n是迭代次数，及偏微分方程沿条纹图像法线方向的滤波系数C；步骤4：根据步骤3设定的参数构造偏微分方程，其中：是图像梯度方向即条纹法线方向的单位矢量，η是与图像梯度方向垂直即条纹切线方向的单位矢量；Iηη和Iξξ分别是I在η方向和ξ方向上的二阶偏导数，以方向角θi,j表示像素(i,j)的条纹方向与X轴的夹角，则：Iηη＝Ixxcos2θ+Iyysin2θ+2IxysinθcosθIξξ＝Iyycos2θ+Ixxsin2θ-2Ixysinθcosθ步骤5：由该偏微分方程调整电子散斑干涉无损检测条纹图像I(i,j)的梯度场，即：

【专利技术属性】
技术研发人员：肖志涛，张芳，徐振北，耿磊，吴俊，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：