CN106054038A - 一种连通域标记的紫外单光子计数的方法 - Google Patents

一种连通域标记的紫外单光子计数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种连通域标记的紫外单光子计数的方法，对于每一帧图像，进行以下操作：通过比较得到暗环境输出图像像素灰度的最大值，并在此基础上设定阈值；基于阈值对有光照情况下日盲紫外图像像素的灰度进行二值化处理；对二值化图像进行第一次标记并储存；对二值化图像进行第二次反方向标记并储存；通过依次读取标记值进行连通域的统计。本方法可以基于FPGA开发平台上实时实现，且占用较少的资源、易于硬件实现、实时性强、计数准确。

Description

一种连通域标记的紫外单光子计数的方法
技术领域
本发明涉及一种紫外日盲电晕检测技术，特别是一种连通域标记的紫外单光子计数的方法。
背景技术
随着电网规模的不断扩大、电力负荷要求的不断提高，电力系统中使用的各种类型的高压设备的损坏、故障也不断增加，相应地，对预防性维护的要求也不断提高。输电线路和变电站电气设备在大气环境下工作，在某些情况下，随着绝缘性能的降低、结构缺陷的出现，会产生电晕放电和表面局部放电现象。电气设备放电过程中，电晕和局部放电部位将向外辐射大量紫外线，这样，便可以利用电晕放电和局部放电的产生和增强来间接评估运行设备的绝缘状况，及时发现绝缘设备的缺陷。
另一方面，由于大气对日盲紫外波段衰减强烈，信号微弱，要进行有效的信号探测，紫外成像器件增益必须较高，因此紫外相机有独特的噪声特点，且紫外相机有时会工作在光子计数模式，因此在紫外相机中需要专门研制针对紫外相机的算法模块。本发明就是在紫外相机的基础上设计了一种连通域标记的紫外单光子计数方法。因为在单光子情况下，光子极其微弱，荧光屏上显示的的已不是连续的图像，而是一个个的单光子点，每个亮点记作一个光子事件，统计连通域的数量，就可以实现光子的计数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连通域标记的紫外单光子计数的方法，该方法可以基于FPGA开发平台上实时实现，且占用较少的资源、易于硬件实现、实时性强、计数准确。
一种连通域标记的紫外单光子计数的方法，包括以下步骤：
步骤1，通过比较得到暗环境输出图像像素灰度的最大值，并在此基础上设定阈值；
步骤2，基于阈值对有光照情况下日盲紫外图像像素的灰度进行二值化处理；
步骤3，对二值化图像进行第一次标记并储存；
步骤4，对输出的二值化图像进行第二次反方向标记并储存；
步骤5，通过依次读取标记值进行连通域的统计；
步骤6，进行下一帧图像的更新。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)可以实时的统计视频中每一帧中连通域的数量，适用于日盲紫外相机光子计数；(2)所用的硬件资源少，只用到了一片外部存储芯片SRAM，算法简单，易于FPGA硬件实现。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明10×10像素阵列上显示的光子示意图。
图3为本发明步骤2的示意图。
图4为本发明步骤3的示意图。
图5为本发明步骤4的示意图。
具体实施方式
步骤1，通过比较得到暗环境输出图像像素灰度的最大值，并在此基础上设定阈值athr；
步骤2，基于第一步得到的阈值athr对有光照情况下日盲紫外图像像素的灰度进行二值化处理；
步骤3，对二值化图像进行第一次标记，并输入外部存储芯片中；
步骤4，对二值化图像进行第二次反方向标记，并存储进外部存储器；
步骤5，通过依次读出外部存储器中的标记值进行连通域的统计；
步骤6，进行下一帧图像的更新。
具体地
对于步骤1，通过逐个比较暗环境中输出像素灰度值，得到灰度的最大值amax，并在此基础上设定阈值athr。设图像像素灰度值为a0,a1,...aN-1,N为一帧图像总的像素数，则所有像素灰度值数据的最大值为：
amax＝{a0,a1,...aN-1}
设定的阈值为：
athr＝amax+10。
对于步骤2，依据在暗环境中得到的阈值athr对当前输入的像素灰度值进行二值化处理，大于阈值athr的像素灰度值为255，小于阈值athr的像素灰度值设定为0：
a b i n = 255 a &GreaterEqual; a t h r 0 a < a t h r .
对于步骤3，记lable(c,r)是坐标为第c列、第r行对应的像素灰度值第一次标记所得的标记值，记lable为当前标记的最大值，标记方式如下：
(1)若的二值化像素灰度值为0，则标记为0；
(2)若二值化像素灰度值为255，则对于标记过的lable(c-1,r)，lable(c,r-1)，存在
A、lable(c-1,r)和lable(c,r-1)都为0时，lable(c,r)＝lable+1，
B、lable(c-1,r)＞0且lable(c,r-1)＝0时，lable(c,r)＝lable(c-1,r)，
C、lable(c-1,r)＝0且lable(c,r-1)＞0时，lable(c,r)＝lable(c,r-1)，
D、lable(c-1,r)＞0且lable(c,r-1)＞0时，
若lable(c-1,r)＞lable(c,r-1)时，lable(c,r)＝lable(c,r-1)，
若lable(c-1,r)＜lable(c,r-1)时，lable(c,r)＝lable(c-1,r)。
l a b l e ( c , r ) = 0 a b i n ( c , r ) = 0 l a b l e + 1 l a b l e ( c - 1 , r ) = 0 , l a b l e ( c , r - 1 ) = 0 l a b l e ( c , r - 1 ) l a b l e ( c - 1 , r ) = 0 , l a b l e ( c , r - 1 ) > 0 l a b l e ( c - 1 , r ) l a b l e ( c - 1 , r ) > 0 , l a b l e ( c , r - 1 ) = 0 a b i n ( c , r ) > 0 l a b l e ( c , r - 1 ) l a b l e ( c - 1 , r ) l a b l e ( c - 1 , r ) > l a b l e ( c , r - 1 ) l a b l e ( c - 1 , r ) &le; l a b l e ( c , r - 1 ) l a b l e ( c - 1 , r ) > 0 , l a b l e ( c , r - 1 ) > 0
对于步骤4，记lable2(c,r)为坐标为第c列、第r行对应的像素灰度值第二次反方向标记的灰度值，标记方式如下：
(1)若二值化像素灰度值为0，则标记为0；
(2)若二值化像素灰度值为255，则对于标记过的lable2(c+1,r)，lable2(c,r-1)，存在
E、lable2(c+1,r)和lable2(c,r-1)都为0时，lable2(c,r)＝lable(c,r)，
F、lable2(c+1,r)＝0且lable2(c,r-1)＞0时，lable2(c,r)＝lable(c,r-1)，
G、lable2(c+1,r)＞0且lable2(c,r-1)＝0时，lable2(c,r)＝lable2(c+1,r)，
H、lable2(c+1,r)＞0且lable2(c,r-1)＞0时，
若lable2(c+1,r)＞lable2(c,r-1)时，lable2(c,r)＝lable2(c,r-1)，
若lable2(c+1,r)＜lable2(c,r-1)时，lable2(c,r)＝lable2(c+1,r)。
l a b l e 2 ( c , r ) = 0 l a b l e ( c , r ) = 0 l a b l e ( c , r ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) = 0 , l a b l e 2 ( c , r - 1 ) = 0 l a b l e 2 ( c , r - 1 ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) = 0 , l a b l e 2 ( c , r - 1 ) > 0 l a b l e 2 ( c + 1 , r ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) > 0 , l a b l e 2 ( c , r - 1 ) = 0 l a b l e ( c , r ) > 0 l a b l e 2 ( c , r - 1 ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) > l a b l e 2 ( c , r - 1 ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) &le; l a b l e 2 ( c , r - 1 ) l a b l e 2 ( c + 1 , r ) > 0 , l a b l e 2 ( c , r - 1 ) > 0
对于步骤3和步骤4，两次标记的不同点如下：
(1)第一次标记是基于二值化后，上一行和本行第一标记标记后的数据进行标记此点；第二次标记是基于第一次标记，上一行和本行第二次标记值标记此点，显示在公式上就是a(c,r)＞0和lable1(c,r)＞0的不同，其中，a(c,r)是二值化后的数据，只能取0和255，而lable1(c,r)可以取大于或等于的零的任意整数
(2)第一次和第二次标记取坐标的顺序不同，第一次是从左向右，从上到下；第二次是从右向左，从上到下，反映在公示中时第一次标记坐标(c,r)，要基于(c-1.r)，(c.r-1)坐标的标记值，第二次标记坐标(c,r)，要基于(c+1.r)，(c.r-1)坐标的标记值。
对于步骤5，从外部存储器顺序读出标记后的值，统计其中不为零的个数。
lablemax(n)＝max{lable2(1),lable2(2),...lable2(n)}
a c o u n t ( n + 1 ) = a c o u n t ( n ) + 1 l a b l e 2 ( n + 1 ) > a c o u n t ( n ) a c o u n t ( n ) l a b l e 2 ( n + 1 ) &le; a c o u n t ( n )
经过俩次标记后，在统计的过程中，要找出其中不等于0的标记值的不同数值的个数，标记的值和SRAM存储地址呈正相关。按顺序读出SRAM中的数据，如果当前SRAM的读出地址为n，其标记值大于前面所有点的最大值时，即可以表示成lablemax(n)，则连通区域a(cout)加1。其中lable2(n)为第二次标记后，储存在地址为n的标记的值，lablemax(n)为前n个标记的值的最大值。acount(n+1)为统计到地址为n时连通域的个数。
对于步骤6，更新外部存储器中图像的像素值。为了提高实行性，对算法进行优化，在存储的同时进行二值化处理以及第一次的的像素灰度值的标记。
实施例
在本实施例中，首先在暗环境中比较像素灰度值，从而得到一帧图像的最大值，在此基础上得到二值化图像的阈值。比如一帧图像的分辨率是720×576，遮挡紫外像增强器镜头，逐个比较得到一帧图像中像素最大的灰度值amax，再次基础上设定二值化图像的阈值为
athr＝amax+10
其次，如图3所示，对输出日盲单光子紫外图像进行二值化处理，如图2所示，大于其阈值的灰度值记为255，小于阈值的灰度值记作0，与此同时存储进入外部存储器SRAM中，其中圆点表示亮点，其他为黑点。。
接着，如图4所示，进行第一次标记。因为显示的PAL制图像分辨率为720×576，从外部存储器SRAM中按地址顺序为0,1,2,3,..,414719不断的顺序读出，设要标记的像素位置坐标为(r,c)，即c行r列时，当此点经二值化处理后的值为255时，要和(r-1,c)，(r,c-1)标记过的值进行比较，若两标记的值都为0，标记值加一赋给此点，若要比较的两个标记值中一个等于0，一个大于0，那么把大于零的标记值赋予此点；若二者的标记值都大于0，那么对二者进行比较，把较小的一个标记值赋给此点；若此点经二值化处理后的值等于0是，那么此点的标记值仍为零。
然后，如图5所示，进行第二次标记，标记顺序为每行从右向左，本发明显示的图像分辨率为720×576即外部存储器SRAM地址的读出顺序为；
719,718,...,0；1439,1438,...,720；...；414719,414718,...,414000
设要标记的像素位置坐标为(r,c)，即c行r列时，当此点经第一次标记后的标记值大于0时，要和(r+1,c)，(r,c-1)二次标记过的值进行比较，若两标记的值都等于0，把第一次的标记值赋给此点，若要比较的两个标记值中一个为等于0，一个大于0，那么把大于零的标记值赋予此点；若二者的标记值都大于0，那么对二者进行比较，把较小的一个标记值赋给此点；当此点经第一次标记后的标记值大于0时，那么此点第二次标记值仍为零。
随后，对第二次标记后的阵列进行统计，统计出其中不为零的标记值的种类的个数，即为单光子的数量。
最后，更新外部存储器中图像的像素值。为了提高实行性，对算法进行优化，在存储的同时进行二值化处理以及第一次的的像素灰度值的标记。
最终统计了{1,2,3,5,6,9,10,11,12,13,14,15,16,18,19,20}共17个连通域。

Claims (6)

1.一种连通域标记的紫外单光子计数的方法，其特征在于，对于每一帧图像，进行以下操作：
步骤1，通过比较得到暗环境输出图像像素灰度的最大值，并在此基础上设定阈值；
步骤2，基于阈值对有光照情况下日盲紫外图像像素的灰度进行二值化处理；
步骤3，对二值化图像进行第一次标记并储存；
步骤4，对二值化图像进行第二次反方向标记并储存；
步骤5，通过依次读取标记值进行连通域的统计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的阈值athr＝amax+10，其中amax为通过逐个比较暗环境中输出像素灰度值，得到灰度的最大值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中大于阈值athr的像素灰度值为255，小于阈值athr的像素灰度值设定为0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3中记lable(c,r)是坐标为第c列、第r行对应的像素灰度值第一次标记所得的标记值，具体标记过程如下：
(1)若的二值化像素灰度值为0，则标记为0；
(2)若二值化像素灰度值为255，则对于标记过的lable(c-1,r)，lable(c,r-1)，存在
A、lable(c-1,r)和lable(c,r-1)都为0时，lable(c,r)＝lable+1，
B、lable(c-1,r)＞0且lable(c,r-1)＝0时，lable(c,r)＝lable(c-1,r)，
C、lable(c-1,r)＝0且lable(c,r-1)＞0时，lable(c,r)＝lable(c,r-1)，
D、lable(c-1,r)＞0且lable(c,r-1)＞0时，
若lable(c-1,r)＞lable(c,r-1)时，lable(c,r)＝lable(c,r-1)，
若lable(c-1,r)＜lable(c,r-1)时，lable(c,r)＝lable(c-1,r)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中记lable2(c,r)为坐标为第c列、第r行对应的像素灰度值第二次反方向标记的灰度值，具体标记过程如下：
(1)若二值化像素灰度值为0，则标记为0；
(2)若二值化像素灰度值为255，则对于标记过的lable2(c+1,r)，lable2(c,r-1)，存在
E、lable2(c+1,r)和lable2(c,r-1)都为0时，lable2(c,r)＝lable(c,r)，
F、lable2(c+1,r)＝0且lable2(c,r-1)＞0时，lable2(c,r)＝lable(c,r-1)，
G、lable2(c+1,r)＞0且lable2(c,r-1)＝0时，lable2(c,r)＝lable2(c+1,r)，
H、lable2(c+1,r)＞0且lable2(c,r-1)＞0时，
若lable2(c+1,r)＞lable2(c,r-1)时，lable2(c,r)＝lable2(c,r-1)，
若lable2(c+1,r)＜lable2(c,r-1)时，lable2(c,r)＝lable2(c+1,r)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5通过统计两次标记值中不为0的个数acount(n+1)，
lablemax(n)＝max{lable2(1),lable2(2),...lable2(n)}
a c o u n t ( n + 1 ) = a c o u n t ( n ) + 1 l a b l e 2 ( n + 1 ) > a c o u n t ( n ) a c o u n t ( n ) l a b l e 2 ( n + 1 ) &le; a c o u n t ( n )
其中，lable2(n)为第二次标记后，储存在外部存储器SRAM地址为n的标记值，lablemax(n)为前n个标记的值的最大值。
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