?；反a垛倉(cāng)儲(chǔ)的定位數(shù)據(jù)中值濾波去噪算法

劉學(xué)君，盧 浩,2，江 帆,2，李 京,2，戴 波

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

0 引言

隨著?；废嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)危化品倉(cāng)儲(chǔ)存在的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。為避免安全隱患，需要對(duì)危化品倉(cāng)儲(chǔ)儲(chǔ)存時(shí)的堆垛情況進(jìn)行監(jiān)管。針對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)堆垛品的堆距、墻距、頂距、柱距、通道距五距原則，設(shè)計(jì)了?；范讯鈾z測(cè)的激光掃描定位裝置[1-2]。根據(jù)五距要求，確定5個(gè)報(bào)警檢測(cè)面。各掃描裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)檢測(cè)平面的掃描，進(jìn)而得到各檢測(cè)面的二維數(shù)據(jù)[3]。

數(shù)據(jù)采集為掃描初始數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有無(wú)障礙物遮擋、遮擋物尺寸還原等工作奠定基礎(chǔ)。所采集的數(shù)據(jù)直接影響后續(xù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算精度。由于激光掃描測(cè)量所測(cè)得的數(shù)據(jù)受到被測(cè)物體材質(zhì)、儀器測(cè)量角度、測(cè)量精度、邊緣效應(yīng)及外界環(huán)境的多重影響[4]，因而需要對(duì)掃描所獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1 掃描數(shù)據(jù)特點(diǎn)

所用激光測(cè)距儀為FTM-50A，測(cè)量裝置被固定于可旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)上。采用由步進(jìn)電機(jī)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)及螺旋蝸桿組成的伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)選定監(jiān)測(cè)面的旋轉(zhuǎn)掃描并返回掃描點(diǎn)距離數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)激光測(cè)距儀及編碼器返回?cái)?shù)據(jù)的處理，可以得到監(jiān)測(cè)面各個(gè)采樣點(diǎn)的角度及距離數(shù)據(jù)。采樣點(diǎn)坐標(biāo)如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)坐標(biāo)圖

掃描點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)可通過(guò)下式求得：

(1)

式中：x、y分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中單個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)；D為該坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光測(cè)距儀所返回的距離數(shù)值；α為測(cè)得的坐標(biāo)點(diǎn)角度。

?；穫}(cāng)儲(chǔ)激光掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有以下特征。

(1)排布相對(duì)規(guī)則。由于掃描的是倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部環(huán)境，掃描面多為墻面或化學(xué)品堆垛的某一邊，所以數(shù)據(jù)點(diǎn)連線多為規(guī)則折線。

(2)存在“逸出值”?！耙莩鲋怠本唧w可表現(xiàn)為測(cè)得的距離值與真實(shí)值存在顯著的差別，也被稱為距離反常噪聲。激光探頭端的噪聲或掃描環(huán)境背景噪聲的峰值超出了實(shí)際掃描點(diǎn)的激光回波的峰值，出現(xiàn)了“逸出值”。“逸出值”主要由以下2種原因產(chǎn)生。

①物體表面粗糙，激光照射時(shí)產(chǎn)生散斑，使得光路與實(shí)際距離差異較大。

②接收回波時(shí)，可能受散粒噪聲的影響。散粒噪聲和散斑噪聲的干擾導(dǎo)致距離測(cè)量值與真實(shí)值間存在巨大偏差。

(3)存在“失落信息點(diǎn)”?！笆湫畔Ⅻc(diǎn)”具體表現(xiàn)為設(shè)備測(cè)得的采樣點(diǎn)距離值為空白信息，產(chǎn)生的原因?yàn)椋杭す鉁y(cè)距儀沒(méi)有得到回波，脈沖發(fā)射通道上不存在反射表面(如天空等)，或者回波未能反射到測(cè)距儀上(如當(dāng)掃描至窗戶玻璃上時(shí))。

(4)具有“邊緣效應(yīng)”[5]。激光測(cè)距儀在掃描時(shí)所發(fā)出的激光會(huì)在掃描點(diǎn)處投射光斑。當(dāng)在不同目標(biāo)的交界處時(shí)，可能光斑的一部分在目標(biāo)內(nèi)部，另一部分在相鄰目標(biāo)處。來(lái)自這2個(gè)不同光斑點(diǎn)的反射能量最終都被系統(tǒng)接收，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。

2 激光掃描數(shù)據(jù)處理算法

對(duì)激光掃描返回點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要集中在對(duì)“逸出值”及“失落信息點(diǎn)”的處理。掃描線數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn)去除的方法,主要有直觀檢查法、曲線檢查法、弦高差方法、孤立點(diǎn)統(tǒng)計(jì)排異法、代數(shù)法等。此外，還可以借鑒數(shù)字圖像去噪的處理方法，將數(shù)據(jù)點(diǎn)視為灰度值來(lái)對(duì)待。常用的方法有均值濾波法、中值濾波法、自適應(yīng)濾波法等[6]。均值濾波雖簡(jiǎn)單、常用，但相同的權(quán)值處理造成邊緣模糊，且沒(méi)有很好地利用被測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性和位置信息。中值濾波具有較好的適用性，能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)。

本文結(jié)合中值濾波和線性濾波的優(yōu)點(diǎn)，首先對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，濾除孤立的噪聲點(diǎn)；然后對(duì)存在大量噪聲點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線型性去噪并預(yù)測(cè)消失值，從而完成奇異點(diǎn)的處理[7]。

算法數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 算法數(shù)據(jù)處理流程圖

3 中值濾波處理“逸出值”數(shù)據(jù)

中值濾波是基于非線性濾波的一種濾波方法。根據(jù)排序和統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，中值濾波方法能夠很好地抑制噪聲，得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。中值濾波可以應(yīng)用于圖像和數(shù)據(jù)。根據(jù)圖像的像素進(jìn)行排序和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)值進(jìn)行排序和分析。

標(biāo)準(zhǔn)中值濾波(standard median filter,SMF)的基本原理是對(duì)數(shù)字圖像或1組數(shù)據(jù)中的各點(diǎn)進(jìn)行排序，找出排序后的中間值，最后用中間數(shù)值代替這個(gè)點(diǎn)的實(shí)際值。根據(jù)這種方法，對(duì)這個(gè)數(shù)字圖像或者數(shù)據(jù)組進(jìn)行排序并代替[8]。數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下。

設(shè)一組數(shù)據(jù)(數(shù)字圖像或者數(shù)字序列組)是{x1,x2,…,xn}，將n個(gè)數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小排序，排序后數(shù)組為{y1,y2,…,yn}，則：

(2)

式中：y為中間值。

中值濾波原理如圖3所示。

圖3 中值濾波原理圖

運(yùn)用中值濾波對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)濾波。濾波前，從圖像中能觀察到偏離真實(shí)值的“逸出值”的存在；經(jīng)中值濾波處理后，去除了“逸出值”，保證了原有數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

4 擬合“失落信息點(diǎn)”數(shù)據(jù)

在?；穫}(cāng)庫(kù)的掃描監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，存在大量失落信息點(diǎn)，如果使用中值濾波，則必須增大濾波的閾值，這樣就造成對(duì)孤立的噪聲點(diǎn)的過(guò)濾效果不佳。針對(duì)大量失落信息點(diǎn)的情況，采用最小二乘擬合法，通過(guò)對(duì)失落信息點(diǎn)前后點(diǎn)的情況進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)失落信息點(diǎn)的值。

綜合?；穫}(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選用直線擬合進(jìn)行失落信息點(diǎn)數(shù)據(jù)補(bǔ)足。設(shè)x和y的函數(shù)關(guān)系為：

y=a0+a1x

(3)

式中：a0為截距；a1為斜率。

對(duì)于等精度測(cè)量所得到的N組數(shù)據(jù)(xi,yi),i=1,2,…,N。采用最小二乘法將觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合為直線，進(jìn)而補(bǔ)足失落點(diǎn)數(shù)據(jù)。采用最小二乘法估計(jì)參數(shù)時(shí)，要求觀測(cè)值yi的加權(quán)平方和為最小。

(4)

(5)

利用所得的a0、a1，對(duì)失落信息點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)足[9]。

掃描面可能是由多個(gè)直線段所組成的折線，這需要進(jìn)行基于最小二乘法的分段擬合[9]。

最小二乘法的分段擬合思路是給定一個(gè)角度閾值。假設(shè)擬合出的線段起點(diǎn)為S(XS，YS)，終點(diǎn)為E(XE，YE)，下一個(gè)要擬合的點(diǎn)為N(XN,YN)，則S、E、N這3點(diǎn)間的距離可以通過(guò)計(jì)算求得。根據(jù)余弦定理，NE連線與SE直線的延長(zhǎng)線夾角α可通過(guò)下式求得：

(6)

若α小于給定角度閾值，則認(rèn)為N在SE的延長(zhǎng)線上。將其作為新的E點(diǎn)重新進(jìn)行線性擬合，直到計(jì)算結(jié)果大于給定閾值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[10-11]。

最小二乘法處理前后對(duì)比如圖4所示。

圖4(a)所示為擬合前掃描數(shù)據(jù)，圖中的空白區(qū)域表示激光掃描設(shè)備由于掃描到玻璃而無(wú)返回?cái)?shù)值的區(qū)域；圖4(b)為最小二乘法處理的數(shù)據(jù)，玻璃無(wú)返回值處的數(shù)據(jù)被擬合線段補(bǔ)齊且保留了兩端的輪廓線，與試驗(yàn)室實(shí)際測(cè)量的玻璃處位置相符，避免了無(wú)返回值區(qū)域的“失落信息點(diǎn)”對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

圖4 最小二乘法處理前后對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)碼垛五距定位監(jiān)控設(shè)備，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確度對(duì)設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)重要。本文提出了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境下定位點(diǎn)云數(shù)據(jù)的中值濾波和最小二乘法聯(lián)合去噪算法。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效地去除掃描數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的逸出和消失等奇異點(diǎn)，既保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又保證了監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確度與可靠性。

[1] 戴波,呂昕,劉學(xué)君,等.基于改進(jìn)的UWB?；范讯鈧}(cāng)儲(chǔ)定位技術(shù)的研究[C]//第25屆中國(guó)過(guò)程控制會(huì)議,2014.

[2] 劉學(xué)君,江帆,戴波,等,基于激光測(cè)距儀的危化品倉(cāng)庫(kù)堆垛安全距離的網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)方案[C]//中國(guó)自動(dòng)化大會(huì),2015.

[3] 陳曉清,馬君國(guó),付強(qiáng),等.相干激光雷達(dá)距離像距離反常抑制方法[J].中國(guó)激光,2010(1):181-185.

[4] LU X,LIU X J，DAI B.Research on UWB-based location technology applied for hazardous chemicals stacking storage[C]//In Proceeding of The 26th Chinese Control and Decision Conference，2014.

[5] 劉俊焱,云挺,周宇,等.基于最小二乘的點(diǎn)云葉面擬合算法研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2014(5):70-77.

[6] 羅德安,廖麗瓊.地面激光掃描儀的精度影響因素分析[J].鐵道勘察,2007(4):5-8.

[7] 未永飛,杜正春,姚振強(qiáng).中值濾波在激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用[J].激光技術(shù),2009(2):213-216

[8] 李熙,湯儒峰,李祝蓮,等.基于二值圖像的衛(wèi)星激光測(cè)距數(shù)據(jù)處理[J].中國(guó)激光,2014(12):188-195.

[9] 路達(dá),滕奇志,卿粼波,等.基于激光測(cè)距的中小型貨物三維體積掃描[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,23(2):83-86.

[10]田垅,劉宗田.最小二乘法分段直線擬合[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2012(S1):482-484.

[11]謝友寶.最小二乘法分段直線擬合[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1992(1):19-25.