CN101105399B - 海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对海杂波图像执行脊波变换检测波浪参数的方法，通过预处理海杂波图像、对海杂波图像执行脊波变换、对海杂波非时间序列图像进行检测、对海杂波时栈图像执行脊波变换并进行检测，来获取波浪参数并输出。所输出的波浪参数为波向、波速、波长、周期、波高。本发明所涉及的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法可以对海杂波图像进行更便捷地数字图像处理，以检测更多的波浪参数。对于较复杂波浪纹理的海杂波图像，具有明显的应用效果。

Description

海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法
技术领域
本发明涉及海洋波浪参数检测方法，特别是涉及采用海杂波图像的脊波(Ridgelet)变换域中波浪参数检测的方法。
背景技术
海洋波浪是海洋中重要的物理现象之一，波浪参数检测对于海洋预报、海上运输、海洋工程和海岸工程设计、海岸环境保护以及海洋科学研究等都是非常重要的。
传统的海洋波浪参数检测方法是通过直接放入海水中的测波传感器，测量海水质点的运动和海面的水位变化来检测海洋波浪参数。传统的海洋波浪参数检测方法采用单点测量方式，测量范围小，即使多点布设测量仪器，其测量范围也是有限的，而且测量数据资料整体性也差。
随着海洋开发深入开展的需要，大范围检测海洋波浪参数的方法得到重视。利用海杂波图像提取海洋波浪参数的方法，作为大范围检测海洋波浪参数的方法具有测量范围广、整体性强的突出优点，进入应用研究和新的发展阶段。
目前，获取海杂波图像可以采用多种遥感和遥测方式，包括卫星遥感海面图像、摄像装置拍摄的视频海面图像、雷达回波海面图像等。在海杂波图像中，波浪的波峰与波谷的不同亮度构成了图像纹理结构，在波浪传播方向的垂直方向形成了波浪的线状纹理特征，研究海杂波图像能获得波浪过程参数。
现有技术的海杂波图像波浪参数检测方法的应用研究包括：通过傅立叶(Fourier)变换检测波浪频谱，来提取波浪参数的方法；通过检测波浪在图像中具有较高亮度值的波峰带，来提取波向参数的方法；通过小波(Wavelet)变换分离波浪运动中频谱各向异性，来获取波向参数的方法。上述的海杂波图像波浪参数检测方法，存在着计算复杂和测量参数少等问题。
另外，通过对视频波浪图像的Radon变换(拉东变换)，可以获取波向、波速、波长和波周期的波浪参数。该方法对于波浪线性纹理明显的图像，效果显著，具有简便、快速的优点。但是，对于较复杂的波浪纹理图像，应用效果具有局限性。
发明内容
针对上述现有的海杂波图像波浪参数检测方法所存在的问题，本发明推出对海杂波图像进行更便捷处理的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其目的在于通过对海杂波图像进行脊波变换和对海杂波时间序列图像堆叠时栈图像执行脊波变换，以检测波向、波速、波长和波周期的波浪参数，同时，还可以推算波浪高度。
本发明所涉及的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，是由计算机对海杂波图像进行处理并检测波向、波速、波长、波周期等波浪参数，并推算出波浪高度。所述的波浪参数检测方法包括以下步骤：
1、预处理海杂波图像
向计算机输入海杂波图像，选择图像区域，从原图像中截取出该区域，得到预处理图像。
2、对海杂波图像执行脊波变换
在预处理图像范围内剪切最大可用的海杂波圆形图像。
对剪切的海杂波圆形图像执行脊波变换，通过脊波变换，获得海杂波图像的脊波变换系数，计算脊波变换域内所有方向的系数能量，以其最大加权能量对应的方向确定为波浪传播取向。波浪传播取向是带有180°不确定性的海浪传播方向。
3、对海杂波非时间序列图像检测波浪参数
判断海杂波图像是否时间序列图像。对于非时间序列的单幅海杂波图像，沿波浪传播取向截取一线条状图像切片，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波长参数；沿波浪传播取向的线条状图像切片，计算图像能量，推算有效波高。有效波高＝A+B·能量1/2，式中的A、B分别为修正系数，经现场比测实验确定。
按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将以上提取的波浪参数换算到实际的大地坐标，输出波浪传播取向、波长和波高参数。
4、从海杂波时间序列图像中堆叠海杂波时栈图像并检测波浪参数
对于所判断的时间序列的海杂波时间序列图像，沿波浪传播取向截取线条状图像切片，再对连续相邻帧在相同位置处用同样方式截取线条状图像切片，并对连续相邻帧的线条状图像切片，按照原来图像帧的时间顺序，类似于计算机的进栈操作过程，沿纵向自下而上，逐个地把线条状图像切片堆叠起来，集成为海杂波时栈图像。
从海杂波时栈图像检测波长、波周期参数：沿海杂波时栈图像的横向，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波长参数；沿海杂波时栈图像的纵向，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波周期参数。
5、对海杂波时栈图像执行脊波变换并获取波浪参数
在海杂波时栈图像范围内剪切最大可用的圆形图像，再对海杂波圆形时栈图像执行脊波变换。
通过脊波变换，获得海杂波圆形时栈图像的脊波变换系数，计算脊波变换域内所有方向的系数能量，提取其最大加权能量对应的角度，依据该角度值计算斜率，得到传播时间与传播距离的比值，该斜率倒数即得波速。依据波速可以确定沿着波浪传播取向的波浪是向左或向右传播，去除海浪传播方向的180°不确定性，检测到波向。
沿波浪传播取向的线条状图像切片，计算图像能量，推算有效波高。有效波高＝A+B·能量1/2，式中的A、B分别为修正系数，经现场比测实验确定。
6、输出波浪参数
按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将以上各步提取的波浪参数换算到实际的大地坐标。对于时间序列的海杂波图像，输出的波浪参数为波向、波速、波长、周期、波高。
本发明所涉及的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法可以对海杂波图像进行更便捷地数字图像处理，以检测更多的波浪参数。而且，对于较复杂波浪纹理的海杂波图像，具有明显的应用效果。
附图说明
图1为本发明涉及的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法的流程图。
附图中标记说明：
S11、输入海杂波图像
S12、预处理图像
S21、剪切海杂波圆形图像
S22、对海杂波圆形图像执行脊波变换
S23、检测波浪传播取向
S30、判断海杂波图像是否时间序列图像
S31、检测波长
S32、推算波高
S33、输出波浪参数：波浪传播取向、波高、波长
S41、从海杂波时间序列图像中堆叠海杂波时栈图像
S42、检测波长、波周期
S51、剪切海杂波圆形时栈图像
S52、对海杂波圆形时栈图像执行脊波变换
S53、计算波速、检测波向
S54、推算波高
S61、输出波浪参数：波向、波高、波长、波周期、波速
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的阐述。
图1显示本发明涉及的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法的流程图。
如图所示，海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法包括以下步骤：
1、预处理海杂波图像
向计算机输入海杂波图像S11，选择图像区域，从原图像中截取出该区域，得到预处理图像S12。
2、对海杂波图像执行脊波变换
在预处理图像范围内剪切最大可用的海杂波圆形图像S21。
对剪切的海杂波圆形图像执行脊波变换S22，通过脊波变换，获得海杂波图像的脊波变换系数，计算脊波变换域内所有方向的系数能量，以其最大加权能量对应的方向确定为波浪传播取向S23。波浪传播取向是带有180°不确定性的海浪传播方向。
3、对海杂波非时间序列图像检测波浪参数
判断海杂波图像是否时间序列图像S30。对于非时间序列的单幅海杂波图像，沿波浪传播取向截取一线条状图像切片，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波长参数S31；沿波浪传播取向的线条状图像切片，计算图像能量，推算有效波高S32。有效波高＝A+B·能量1/2，式中的A、B分别为修正系数，经现场比测实验确定。
按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将以上提取的波浪参数换算到实际的大地坐标，输出波浪参数S33：波浪传播取向、波长和波高。
4、从海杂波时间序列图像中堆叠海杂波时栈图像并检测波浪参数
对于所判断的时间序列的海杂波时间序列图像，沿波浪传播取向截取线条状图像切片，再对连续相邻帧在相同位置处用同样方式截取线条状图像切片，并对连续相邻帧的线条状图像切片，按照原来图像帧的时间顺序，类似于计算机的进栈操作过程，沿纵向自下而上，逐个地把线条状图像切片堆叠起来，集成为海杂波时栈图像S41。
从海杂波时栈图像检测波长、波周期参数S42：沿海杂波时栈图像的横向，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波长参数；沿海杂波时栈图像的纵向，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波周期参数。
5、对海杂波时栈图像执行脊波变换并获取波浪参数
在海杂波时栈图像范围内剪切最大可用的圆形图像S51，再对海杂波圆形时栈图像执行脊波变换S52，再计算波速和检测波向S53。
通过脊波变换，获得海杂波圆形时栈图像的脊波变换系数，计算脊波变换域内所有方向的系数能量，提取其最大加权能量对应的角度，依据该角度值计算斜率，得到传播时间与传播距离的比值，该斜率倒数即得波速。依据波速可以确定沿着波浪传播取向的波浪是向左或向右传播，去除海浪传播方向的180°不确定性，检测到波向。
沿波浪传播取向的线条状图像切片，计算图像能量，推算有效波高S54。有效波高＝A+B·能量1/2，式中的A、B分别为修正系数，经现场比测实验确定。
6、输出波浪参数
按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将以上各步提取的波浪参数换算到实际的大地坐标。对于时间序列的海杂波图像，输出的波浪参数S61，波浪参数包括波向、波速、波长、波周期、波高。
对本领域技术人员来说，很明显，本发明可以做出各种改进和变化。因此，只要它们落入所附的权利要求书及其等同的范围内，本发明就涵盖本发明的这些改进及变化。

Claims (7)

1.一种海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于包括以下步骤：预处理海杂波图像，从向计算机输入的海杂波图像中选择并截取出所需图像区域；对海杂波图像执行脊波变换，在预处理图像范围内剪切最大可用的海杂波圆形图像执行脊波变换；判断海杂波图像是否为时间序列图像，若否，则对海杂波非时间序列图像检测波浪参数并输出波浪参数，若是，则从海杂波时间序列图像中堆叠海杂波时栈图像，对在海杂波时栈图像范围内剪切最大可用的圆形图像执行脊波变换并获取波浪参数和输出波浪参数。
2.根据权利要求1所述的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于，对海杂波图像执行脊波变换是在预处理图像范围内剪切最大可用的海杂波圆形图像执行脊波变换，通过获得的海杂波图像的脊波变换系数，计算脊波变换域内所有方向的系数能量，以其最大加权能量对应的方向确定为波浪传播取向。
3.根据权利要求2所述的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于，对海杂波非时间序列图像检测波浪参数包括：对非时间序列的单幅海杂波图像，沿波浪传播取向截取一线条状图像切片，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波长参数；沿波浪传播取向的线条状图像切片，计算图像能量，推算有效波高。
4.根据权利要求2所述的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于，从海杂波时间序列图像中堆叠海杂波时栈图像是沿波浪传播取向截取线条状图像切片，再对连续相邻帧在相同位置处用同样方式截取线条状图像切片，并对连续相邻帧的线条状图像切片，按照原来图像帧的时间顺序，类似于计算机的进栈操作过程，沿纵向自下而上，逐个地把线条状图像切片堆叠起来，集成为海杂波时栈图像。
5.根据权利要求1所述的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于，对海杂波时间序列图像检测波浪参数包括：沿海杂波时栈图像的横向，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波长参数；沿海杂波时栈图像的纵向，在图像中检测强度峰值或谷值，计算峰值间距或谷值间距以提取波周期参数。
6.根据权利要求2所述的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于，对海杂波时栈图像执行脊波变换获取波浪参数包括：通过脊波变换，获得海杂波圆形时栈图像的脊波变换系数，计算脊波变换域内所有方向的系数能量，提取其最大加权能量对应的角度，依据该角度值计算斜率，得到传播时间与传播距离的比值，该斜率倒数即得波速；依据波速确定沿着波浪传播取向的波浪是向左或向右传播，检测到波向；沿波浪传播取向的线条状图像切片，计算图像能量，推算有效波高。
7.根据权利要求1所述的海杂波图像的脊波变换域中波浪参数检测方法，其特征在于，输出的波浪参数是按照实际成像所对应的大地尺度和方向角度，将提取的波浪参数换算到实际的大地坐标，输出的波浪参数。
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