基于CCD的回波信號(hào)圖預(yù)處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張彥斌

摘 要：隨著光散射法測(cè)量PM2.5顆粒物濃度技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)成為測(cè)量大氣PM2.5濃度的主要手段之一。散射激光雷達(dá)接收到的信號(hào)為回波信號(hào)圖，通過建立回波信號(hào)圖灰度值與PM2.5濃度的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物濃度的測(cè)量。該技術(shù)需要對(duì)回波信號(hào)圖進(jìn)行預(yù)處理并提取散射信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)一種高性能、可實(shí)時(shí)測(cè)量的回波信號(hào)圖預(yù)處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一款基于Delphi7語(yǔ)言的實(shí)時(shí)圖像處理軟件。該軟件通過對(duì)內(nèi)存分配雙緩沖區(qū)域、設(shè)置采集頻率以及圖像裁剪等方法，提高圖片的采集與處理速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定且可擴(kuò)展性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：PM2.5;激光散射雷達(dá);Delphi;圖像處理

DOI：10. 11907/rjdk. 201283????????????????????????????????????????????????????????????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）011-0146-04

Design and Implementation of Echo Signal Image Preprocessing Software

Based on CCD

ZHANG Yan-bin

（College of Communication Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310016，China）

Abstract：With the development of light scattering method which measures the concentration of PM2.5 particles， this technology has become the main PM2.5 measurement method. The signal received by the scattering lidar is an echo signal map. By establishing a model of the relationship between the gray value of the echo signal map and the PM2.5 concentration， the particle concentration measurement can be achieved. This technique requires pre-processing of the echo signal map and extraction of the scattered signal for subsequent research. So in order to achieve a high-performance， real-time measurement of the echo signal pre-processing system， this paper designs a real-time image processing software based on Delphi7 language. Through the use of double buffer area， acquisition frequency setting and effective image cropping， real-time image acquisition and processing are achieved， and the acquisition display frequency reaches 2 seconds. Experimental results show that the software is easy to operate， stable in operation， good in data storage， and highly scalable.

Key Words： PM2.5;laser scattering radar;Delphi;image processing

0 引言

21世紀(jì)，隨著激光技術(shù)、光學(xué)儀器加工技術(shù)、回波信號(hào)采集及信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，新的光散射探測(cè)方法不斷出現(xiàn)，采用激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)測(cè)量PM2.5濃度成為可能[1]。截至目前，大多數(shù)國(guó)家測(cè)量大氣顆粒物濃度使用的主要技術(shù)是激光散射雷達(dá)技術(shù)，該技術(shù)被廣泛運(yùn)用于氣溶膠探測(cè)領(lǐng)域。激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)主要分為3種：后向散射、側(cè)向散射和前向散射。后向散射技術(shù)主要應(yīng)用于高空探測(cè)，其在近地面區(qū)域存在一定盲區(qū)，因此限制了該技術(shù)應(yīng)用范圍[2];側(cè)向散射技術(shù)是目前應(yīng)用的主流技術(shù)，其不受幾何因子影響，比較適合于近地面大氣顆粒物探測(cè)[3];前向散射技術(shù)主要應(yīng)用于能見度測(cè)量，由于受到混合粒子中粒徑較大的粒子影響，粒子散射光強(qiáng)主要分布于前向散射區(qū)域，前向散射區(qū)域包含有效信息較多[4]。激光散射雷達(dá)采集到的回波信號(hào)圖包含大量有用信息，初始圖像中可能包含信號(hào)噪聲、路燈等光學(xué)污染源導(dǎo)致的噪聲，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。孟祥謙等[5]通過對(duì)20幀圖像進(jìn)行疊加以提高信噪比;麻曉敏等[6]通過將包含散射光的CCD圖像與缺少激光散射光束的CCD圖像中對(duì)應(yīng)的像元信號(hào)相減，可在一定程度上減少噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。但如果采用人工方式進(jìn)行圖像去噪，會(huì)存在工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)等問題。所以本文基于Delphi7語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)時(shí)圖像處理軟件，并設(shè)計(jì)了兩種模式：手動(dòng)操作模式和自動(dòng)采集模式，可較好地滿足對(duì)大氣PM2.5濃度的測(cè)量需求。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PM2.5質(zhì)量濃度測(cè)量軟件在獲取CCD（Charge Couple Device）回波信號(hào)圖數(shù)據(jù)后，通過判斷軟件顯示的圖像是否滿足采集要求，實(shí)時(shí)捕捉圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前PM2.5質(zhì)量濃度的特征讀取、數(shù)據(jù)處理以及質(zhì)量濃度值反演[7-8]。

圖1為該軟件示意圖，主要包括左側(cè)的CCD回波信號(hào)圖采集窗口與右側(cè)的數(shù)據(jù)處理顯示窗口，以及圖像播放、停止播放、采集圖像、獲取PM2.5、設(shè)置時(shí)間、自動(dòng)開始采集以及自動(dòng)停止采集按鈕。

2 軟件需求分析

該軟件主要處理的數(shù)據(jù)為CCD回波信號(hào)數(shù)據(jù)，需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有：數(shù)據(jù)讀取、去噪處理、圖像自動(dòng)化采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)保存等。

數(shù)據(jù)讀取主要用來判斷初始實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否符合要求，從而為之后的自動(dòng)化測(cè)量提供保障[9]。該模塊主要由CCD聯(lián)合Delphi7.0的TPanal、TlmageList控件實(shí)現(xiàn)，其中CCD可實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)人員能夠?qū)崟r(shí)觀察激光雷達(dá)散射情況。TPanal控件為TlmageList控件提供了顯示區(qū)域，CCD采集的圖像大小為768*576（Pixels*Pixels），TPanal尺寸在不損害圖像清晰度的前提下可成比例縮小，TlmageList控件可實(shí)現(xiàn)CCD圖像采集前緩沖數(shù)據(jù)流的功能。通過圖像采集卡讀取回波信號(hào)圖，獲取需要處理的數(shù)據(jù)圖，然后進(jìn)行灰度值計(jì)算[10]。

本軟件主要利用背景相減法及平均值法減小誤差[11]，背景相減法是指在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，采集一張無(wú)散射激光的圖像并提取出對(duì)應(yīng)矩陣灰度值，再采集一張有散射光的圖像并提取出對(duì)應(yīng)矩陣灰度值，通過相減，去除由于路燈、車燈、太陽(yáng)光等外界因素導(dǎo)致的噪聲。同時(shí)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，盡管采集時(shí)間間隔很短，但由于大氣粒子受運(yùn)動(dòng)、氣象條件的影響，大氣顆粒會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。由于每次采集到的6張回波信號(hào)圖之間會(huì)存在一定差異，導(dǎo)致灰度值矩陣不同，所以可通過平均值法減小誤差。該方法的原理是：把每組圖片中對(duì)應(yīng)灰度值矩陣的所有有效數(shù)值進(jìn)行求和處理，求平均后得到一個(gè)平均值的灰度值矩陣，作為最終參與PM2.5計(jì)算的灰度值矩陣。

本軟件需要實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)采集處理以及顯示功能，對(duì)軟件的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性要求較高。為防止出現(xiàn)采集失真的問題，使用雙緩沖區(qū)保證采集軟件的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[12-14]。主要思路是：在內(nèi)存中開辟兩個(gè)緩沖區(qū)Buffer1和Buffer2。首先第一次采集圖像到Buffer1，并對(duì)緩沖一區(qū)的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)處理的同時(shí)采集第二次圖像到緩沖二區(qū)中，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，從而保證了圖像采集的并發(fā)性與實(shí)時(shí)性。圖2為雙緩沖區(qū)Buffer采集流程。

本軟件提供兩種操作模式：人工采集處理模式以及自動(dòng)化采集處理模式。其中，自動(dòng)化采集處理模式使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置采集頻率參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)。

為了保證數(shù)據(jù)處理的高效性，一張回波信號(hào)圖的分辨率為768*576，每次采集6張，同時(shí)進(jìn)行灰度值矩陣的提取，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)處理速度慢、圖像失真等問題。本文提取回波信號(hào)圖中的有效信息，對(duì)無(wú)效信息進(jìn)行過濾拒絕處理，以減少需要執(zhí)行的循環(huán)次數(shù)，降低灰度值計(jì)算次數(shù)，從而達(dá)到降低采集頻率、提高運(yùn)行效率的目的。

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)軟件功能需求，設(shè)置數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)輸入、模式選擇、數(shù)據(jù)處理、顯示窗口等功能模塊[15]，如圖3所示。

其中，參數(shù)輸入需要輸入4個(gè)相關(guān)參數(shù)：反演模型設(shè)置、幀率設(shè)置、圖像存儲(chǔ)位置設(shè)置以及采集頻率設(shè)置[16]。反演PM2.5濃度計(jì)算公式為：N=（S（i）-b）/k，其中N為質(zhì)量濃度，S（i）為特征灰度值，k和b根據(jù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。幀率設(shè)置是指根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)置采集卡每秒獲取40張圖片，用于取灰度平均值，消除環(huán)境隨機(jī)噪聲。圖像存儲(chǔ)位置設(shè)置是為了方便起見，直接將采集的圖像存儲(chǔ)在軟件安裝目錄，并按照采集的先后順序進(jìn)行命名，例如0.bmp，同時(shí)方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

模式選擇提供了兩種軟件工作模式：手動(dòng)操作模式以及自動(dòng)采集處理模式。手動(dòng)操作模式可用于在某些特定條件下進(jìn)行信號(hào)采集與處理的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。例如：測(cè)量風(fēng)速對(duì)顆粒物濃度的影響，當(dāng)風(fēng)速不為0時(shí)，才需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。主要通過以下幾個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)：播放圖像、暫停圖像、采集圖像、計(jì)算PM2.5濃度。自動(dòng)采集處理模式通過使用Delphi7.0中的Timer定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。Timer是一個(gè)非可視化的組件，能夠通過設(shè)定時(shí)間觸發(fā)Ontimer事件，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：設(shè)計(jì)時(shí)鐘、延時(shí)處理、倒計(jì)時(shí)秒表等。Timer主要屬性包括：①Enabled屬性，默認(rèn)Enabled的值為True，當(dāng)值為True時(shí)，定時(shí)器運(yùn)行，否則關(guān)閉定時(shí)器;②Interval屬性，用來設(shè)定定時(shí)任務(wù)的事件執(zhí)行頻率，單位為ms。如果需要關(guān)閉定時(shí)器，將屬性值設(shè)置成0即可，默認(rèn)值大小為1 000ms。

因此，Delphi7.0中定時(shí)器執(zhí)行流程為：當(dāng)Enabled屬性值為True時(shí)，執(zhí)行間隔為Interval設(shè)置的屬性值大小，Timer組件會(huì)觸發(fā)OnTimer功能模塊，執(zhí)行模塊中的代碼。

數(shù)據(jù)讀取主要是大量讀取激光散射雷達(dá)的CCD回波信號(hào)圖數(shù)據(jù)，CCD在視場(chǎng)角范圍內(nèi)拍攝到激光散射光后，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。CCD將電信號(hào)轉(zhuǎn)移至PC端后，由PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。數(shù)據(jù)讀取流程如圖4所示。首先CCD相機(jī)采集散射光強(qiáng)將電信號(hào)傳送給PC端，PC端對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行判斷，然后分配采集緩存區(qū)，將采集后的信號(hào)傳遞給TPanal控件進(jìn)行圖像顯示，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理模塊包括3部分：背景相減法去除噪聲、圖像裁剪以及自動(dòng)緩存釋放。由于CCD采集到的回波信號(hào)圖中包含噪聲干擾信息，為了減少背景光的影響，在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，將含有激光散射回波信號(hào)圖的灰度值矩陣與不含有激光散射信號(hào)回波圖的灰度值矩陣相減，可得到去除背景噪聲后的回波信號(hào)圖。圖像裁剪主要是為了減少計(jì)算次數(shù)、降低采集頻率，由于圖片分辨率為768*576，每一次采集需要進(jìn)行768*576*6次計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致軟件運(yùn)行速率過慢，可能出現(xiàn)緩沖區(qū)內(nèi)存未釋放的情況，造成圖片失真。本軟件所實(shí)現(xiàn)的需求是圖像實(shí)時(shí)采集處理以及顯示功能，對(duì)軟件的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性要求較高，為了防止出現(xiàn)采集失真的情況，使用雙緩沖區(qū)采集以保證軟件的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。主要思路是：在內(nèi)存中開辟兩個(gè)緩沖區(qū)Buffer1和Buffer2;首先第一次采集圖像到Buffer1，同時(shí)對(duì)緩沖一區(qū)的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在處理的同時(shí)繼續(xù)采集圖像信息;每次采集完成后，立刻釋放緩存，以保證圖像采集的并發(fā)性與實(shí)時(shí)性。

圖5的3幅圖分別為含有噪聲的回波信號(hào)、不含激光散射光的回波信號(hào)以及去除噪聲后的回波信號(hào)。

圖6為軟件運(yùn)行示意圖，橫軸為圖像采集時(shí)間，通過Windows下的timer控件獲取時(shí)間信息;縱軸為PM2.5濃度大小，通過處理回波信號(hào)圖得到灰度值矩陣，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。圖中曲線為PM2.5實(shí)時(shí)變化曲線，可觀測(cè)PM2.5變化趨勢(shì)。窗口大小為528*270，最多容納16個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一款基于Delphi7語(yǔ)言的實(shí)時(shí)圖像處理軟件，根據(jù)激光散射雷達(dá)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了CCD回波信號(hào)圖采集、背景噪聲去除、光強(qiáng)信號(hào)提取以及PM2.5濃度計(jì)算等功能。同時(shí)增加了顯示窗口，可實(shí)時(shí)觀測(cè)PM2.5濃度變化趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)了兩種模式：自動(dòng)采集模式和手動(dòng)采集模式。軟件操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可較好地滿足對(duì)大氣PM2.5濃度的測(cè)量需求。但是也存在不足之處，由于可能出現(xiàn)測(cè)量環(huán)境驟變的情況，可引入深度學(xué)習(xí)自學(xué)習(xí)特征針對(duì)自然環(huán)境的變化進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，以提升測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)由于在一些特殊場(chǎng)景下對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此需要進(jìn)一步提高圖像處理速率。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>