基于改进粒子群算法的剪切散斑相位图去噪方法.pdf

书书书测控技术年 第卷 第期装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）收 稿 日 期：基 金 项 目：山 西 省 基 础 研 究 计 划 项 目（，）引 用 格 式：王 森 瑶，刘 吉，武 锦 辉，等基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 剪 切 散 斑 相 位 图 去 噪 方 法测 控 技 术，（）：，（）：基于改进粒子群算法的剪切散斑相位图去噪方法王 森 瑶，刘吉，武 锦 辉，刘 贵 香，凌 秀 兰，于 丽 霞（中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院，山 西 太 原）摘 要：空 间 相 移 剪 切 散 斑 干 涉 技 术 具 有 全 场、非 接 触、高 灵 敏 度 等 特 点，是 动 态 无 损 检 测 的 关 键 技 术。针对 瞬 态 剪 切 散 斑 干 涉 获 得 的 高 噪 声 相 位 条 纹 图 中 噪 声 强 度 大、条 纹 复 杂 等 情 况，常 规 粒 子 群 优 化 算 法 在高 噪 声 相 位 图 像 的 去 噪 处 理 中 存 在 处 理 不 完 整、无 法 较 好 保 持 条 纹 细 节 等 问 题，因 此 提 出 一 种 基 于 优 化粒 子 群 算 法 的 剪 切 散 斑 相 位 图 去 噪 方 法。该 方 法 在 常 规 粒 子 群 优 化 算 法 的 基 础 上，改 进 了 传 统 线 性 惯性 权 值 调 整 方 法，提 出 非 线 性 权 值 分 配 方 法，同 时 通 过 调 整 聚 集 度 系 数 提 高 了 算 法 局 部 搜 索 能 力。实 验结 果 表 明，该 方 法 能 够 有 效 地 保 护 条 纹 的 边 缘 纹 理 和 相 位 信 息，与 常 规 粒 子 群 优 化 算 法 相 比 速 度 提 高 了，相 位 奇 异 点 数 减 少 了，与 其 他 现 有 方 法 相 比，所 提 出 的 算 法 的 去 噪 效 果 更 好。关 键 词：粒 子 群 优 化 算 法；图 像 处 理；图 像 去 噪；光 学 测 量中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牘牶 牞 牞 牞 牗 牘 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 剪 切 散 斑 干 涉 技 术 是 一 种 新 型 的 无 损 检 测 技 术，它 具 有 全 场、非 接 触、高 灵 敏 度、稳 定 性 好 等 特 点，在 动 态 无 损 检 测 方 面 得 到 了 广 泛 的 应 用。空 间 载波 剪 切 干 涉 技 术 仅 需 一 幅 载 波 图，便 能 够 利 用 傅 里 叶变 换 法 求 解 出 全 场 位 相，因 此 能 够 实 现 瞬 态 高 精 度测 量。然 而 由 于 激 光 散 射 特 性、相 机 噪 声、系统 干 扰 等 因 素 的 影 响，实 时 动 态 测 量 的 空 间 相 移 技 术拍 摄 的 蝶 形 相 位 图 具 有 大 量 的 噪 声。相 位 图 去 噪是 还 原 相 位 信 息 的 一 个 关 键 过 程，而 条 纹 图 相 位 对 于确 定 目 标 的 应 变 和 损 伤 等 方 面 的 研 究 具 有 十 分 重 要 的作 用。为 此，必 须 对 相 位 图 进 行 降 噪 分 析，以 滤 除噪 声 干 扰，改 善 测 量 精 度。由 于 相 位 主 值 图 含 有 大 量 的 噪 声，且 噪 声 分 布 较为 集 中，线 性 及 非 线 性 滤 波 不 能 直 接 用 于 相 位 主 值 图的 降 噪，它 们 会 严 重 损 害 主 值 图 的 跳 变 信 息。中 值 滤波 会 使 条 纹 的 边 界 变 得 模 糊，而 均 值 滤 波 容 易 破 坏 相位 的 突 变 信 息，会 丢 失 条 纹 的 边 缘 细 节。高 低 通 滤 波存 在 截 止 频 率 选 择 问 题，当 条 纹 图 的 宽 度 变 化 较 大 时无 法 区 别 有 用 信 息 和 噪 声。空 域 滤 波 和 频 域 滤 波 对 噪声 干 扰 的 消 除 能 力 强，但 是 细 节 的 损 失 也 较 大。进 化算 法 去 噪 过 程 中 可 以 人 工 干 预，可 针 对 不 同 类 型 的 图像 进 行 参 数 调 整 以 适 应 图 像 特 点，从 而 可 获 得 较 好 的去 噪 效 果。因 此 本 文 引 入 进 化 算 法 中 的 粒 子 群 优 化 算法（，）来 提 高 相 位 图 去噪 过 程 的 适 应 性，同 时 对 去 噪 算 法 进 行 改 进 创 新 以 获取 更 好 的 去 噪 效 果。算 法 是 和 受 鸟 群 觅食 行 为 的 启 发，于年 提 出 的 一 种 新 的 随 机 优 化 方法。算 法 是 一 种 重 要 的 群 智 能 优 化 算 法，这 种方 法 的 初 始 状 态 是 随 机 解 的 集 合，每 个 粒 子 初 始 状 态是 空 间 中 的 随 机 位 置，它 具 有 随 机 初 速 度，并 经 多 次 迭代 后 求 取 最 优 的 解。算 法 因 其 简 单、参 数 少、计 算成 本 低、收 敛 快 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 于 图 像 处 理 领域。目 前，许 多 学 者 利 用方 法 在 图 像 分割、融 合、压 缩、配 准 等 方 面 进 行 了深 入 研 究。在 运 用算 法 进 行 图 像 去 噪 方 面，王 铖燕提 出 了 标 准优 化 的 双 边 滤 波 去 噪 方 法；张 爱玲 等提 出 了 基 于算 法 的 自 适 应 开 关 中 值 滤 波算 法；王 启 珊 等提 出 了 将算 法 和 二 维 静 态 离 散小 波 变 换 相 结 合 的 图 像 去 噪 方 法。上 述 方 法 都 仅 将算 法 应 用 于 常 规 图 像 的 去 噪，并 未 运 用 到 相 位 条纹 图 的 去 噪 中。为 更 好 地 保 持 条 纹 的 细 节 信 息，本 文 采 用 了 一 种优 化 惯 性 权 重 计 算 方 法 的 粒 子 群 去 噪 方 法，从 而 使 相位 条 纹 图 的 去 噪 达 到 更 好 的 效 果。该 算 法 中，考 虑 到常 规 惯 性 权 重 与 最 大 迭 代 次 数 相 关，不 具 有 普 遍 性，将常 规 线 性 计 算 公 式 更 新 为 非 线 性 计 算 公 式，动 态 调 整聚 集 度 系 数，平 衡 算 法 的 局 部 和 全 局 计 算 能 力。改 进算 法 去 噪 方 法 可 以 更 好 地 保 护 图 像 的 细 节 信 息，提 高 了 粒 子 群 滤 波 的 精 度。算 法 原 理设（，）为维 空 间 中个 粒 子构 成 的 集 合，其 中 第个 粒 子 的 一 个维 向 量 表 示 为，其 速 度 可 以 表 示 为，。在 迭 代 计 算 步 骤 中，自 身 最 优 解 表 示 为，每 个 粒 子 都 具 备 自 己 的 最 优 解时，就 是 全 局 最 优 解，表 示 为，。在 不 断 的 迭 代 操 作 下，粒 子 会 不 断 更 新 自 己 的 最 优 解和 整 体 最 优 解，从 而 求 得 目 标 函 数 的 解。粒 子 自 身 最 优 解表 示 为 （）式 中：和为个 非 负 常 数 加 速 因 子；和为个范 围 为，的 随 机 数。粒 子 基 于 自 身 最 优 解 和 全 局最 优 解 来 更 新 本 身 的 位 置 和 速 度 的 公 式 为，（）（），（），（）（）式 中：为 迭 代 次 数。令为 种 群 中 平 均 最 优 数 值：槡（）则 粒 子 群 算 法 的 进 化 公 式 为 （）（）（）式 中：，；，；为 扩 张 调 节 因 子；和为 取 值 范 围 为（，）的 随 机 数。图为 粒 子 群算 法 流 程 图。图 算 法 流 程 图基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 剪 切 散 斑 相 位 图 去 噪 方 法 算 法 伪 代 码 如 下。所 有 粒 子初 始 化 粒 子的 速 度和 位 置评 估 粒 子 不 满 足 结 束 条 件 更 新 粒 子的 速 度 和 位 置评 估 粒 子的 函 数 适 应 值 的 最 优 解 的 最 优 解 ；的 最 优 解 的 最 优 解 ；算 法 改 进 策 略在算 法 的 计 算 中，惯 性 权 重直 接 关 系 到 局部 寻 优 与 整 体 寻 优 的 平 衡 性。目 前，常 用 的 惯 性 权 重计 算 方 法 是 采 用 与 最 大 迭 代 次 数 相 关 的 线 性 权 值 策略，惯 性 权 重 表 达 式 为（）（）（）式 中：为 算 法 最 大 迭 代 次 数；为 初 始 惯 性 权 重；为 进 化 代 数 最 大 时 的 惯 性 权 值。由 于 最 大 迭 代 数量 很 难 控 制，所 以 其 线 性 递 减 权 值 策 略 不 具 有 普 遍 性。为 此，本 文 提 出 了 一 种 改 进 型 非 线 性 权 值 调 节 的 方 法。非 线 性 权 值 计 算 公 式 为 ，（）式 中：、为 常 数 且；为 粒 子 最 优 解 变 化率：（）（）（）（）则时 刻 聚 集 度 系 数为 （）槡（）在取 值 较 小 时，粒 子 群 体 的 总 体 差 异 很 小，很 可能 会 导 致 局 部 最 佳，但值 太 大 会 造 成 错 误 的 最 优 解，因 此 要 适 当 地 调 整 聚 集 度 系 数 的 大 小，以 提 高 局 部 搜索 能 力。在 相 位 图 去 噪 中，设 置 为时 可 以 使 算 法得 到 较 好 的 解。对 所 提 出 的 改 进 算 法 进 行 性 能 测 试 和 合 理 性 分 析时，通 常 选 用函 数（）对算 法 性 能 进 行 测 试，并 与 未 优 化 粒 子 群 算 法 进 行 对 比，结 果 如 图所 示。图 函 数 性 能 测 试 对 比由 图可 知，相 较 于 未 优 化 算 法，优 化 算 法 的 收 敛速 度 更 快，有 效 避 免 了 寻 优 过 程 中 的“早 熟”现 象，同时 保 证 了 局 部 搜 索 精 度 和 全 局 搜 索 范 围 上 的 均 衡 性。实 验 过 程 及 分 析图 像 传 感 器采 集 图 像 过 程 中，由 于 受 传 感 器材 料 属 性、工 作 环 境、电 子 元 器 件 和 电 路 结 构 等 影 响，会 引 入 各 种 噪 声。图 像 中 的 噪 声 可 以 分 为 脉 冲 噪 声、窄 带 噪 声 和 随 机 噪 声 等。脉 冲 噪 声 是 由 于 环 境 中 的 电磁 干 扰、传 感 器（）内 部 时 序 错 误 等 因 素 产 生 的，由 于 持 续 时 间 短，故 频 谱 较 宽，从 低 频 到 高 频 都 有 分布。窄 带 噪 声 只 存 在 于 特 定 频 率、特 定 时 间 和 特 定 位置，所 以 影 响 有 限。散 斑 干 涉 技 术 是 利 用 相 干 光 照 射在 粗 糙 的 物 体 表 面 所 形 成 的 散 斑 实 现 物 体 表 面 位 移 和变 形 检 测，具 有 对 环 境 要 求 低 的 特 点，故 随 机 噪 声 造 成的 影 响 较 小。因 此 剪 切 散 斑 干 涉 实 验 中 造 成 影 响 最 大的 噪 声 为 脉 冲 噪 声 即 椒 盐 噪 声，在 图 像 中 显 示 为 白 色或 黑 色 离 散 点。模 拟 图 像 实 验相 位 图 中 一 般 包 含 几 种 类 型 的 区 域，例 如 均 匀（如 光 滑）区 域 和 非 均 匀（如 边 缘、纹 理 等）区 域。相 位图 相 位 信 息 和 其 中 的 噪 声 均 为 高 频 信 息，而 传 统 滤 波技 术 在 滤 除 噪 声 的 同 时 会 把 相 位 信 息 也 一 起 滤 除，造成 散 斑 图 中 噪 声 残 留