[发明专利]电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法

说明书

技术领域

本发明属于光学检测和光信息处理技术领域，涉及一种电子散斑干涉条纹图像骨架线提取方法。

背景技术

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（partial differential equation）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（Gradient Vector Field）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].Chen Tang,Lin Han,Hongwei Ren,Dongjian Zhou,Yiming Chang,Xiaohang Wang,and Xiaolong Cui.Second-order oriented partial-differential equations for denoising in electronic-speckle-pattern interferometry fringes.vol.33,no.19,Optics Letters,pp.2179-2181,2008.

[2].Chen Tang,Wenjing Lu,Yuanxue Cai,Lin Han,and Gao Wang.Nearly preprocessing-free method for skeletonization of gray-scale electronic speckle pattern interferometry fringe patterns via partial differential equations.Optics Letters,vol.33,no.2,pp.183-185,2008.