CN115809968B - 一种激光拉曼散射成像去噪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光拉曼散射成像去噪方法及系统，具体步骤为：将高速相机获得的连续时间序列图像转换为数字信号后，对图像集中射流区域外超过时均值一定阈值的图像的激光拉曼散射信号强度值沿x方向进行整体向下平移处理，再逐帧将各像素的强度值与其周围紧密相接的像素块强度值进行比较，对较高的异常值进行甄别，判断为噪点后进行赋值处理。计算此像素块强度值与该位置在时域上强度值中值的偏差，若偏差过大，则将此像素块再赋值为前后n帧图像的中值，实现激光拉曼信号的去噪。本发明能够实现对低温气体射流区域外高强度噪点的消除，提高了激光拉曼散射图像的清晰度和数据可靠度，能够有效的分析低温气体射流的瞬时特征和波动特性。

Description

一种激光拉曼散射成像去噪方法及系统

技术领域

本发明属于氢安全测试领域，尤其涉及一种激光拉曼散射成像去噪方法及系统。

背景技术

激光拉曼散射成像技术可用于观测低温气体射流(如低温氢气射流)，从而进行相关安全研究。该技术由激光发射器产生时间短能量高的激光，并使激光穿过气体射流，在光路径向一侧架设一个增强的CCD高速相机和未增强的CCD高速相机来收集来自射流的散射光，生成原始强度图像。但激光拉曼散射技术获得的信号较弱，使得相机获得的原始图像通常具有许多噪声。由于气体射流的浓度数据和温度数据由原始强度换算导出，所以噪声将对处理结果产生影响。当对图像集的原始强度图像在时域上进行取均值处理时，噪声对结果的影响并不显著。但对某帧图像的瞬时特征或波动性进行分析时，噪声对结果的影响就较为明显。因此有效地对激光拉曼散射原始图像进行降噪对低温射流观测具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种激光拉曼散射成像去噪方法及系统，将高速相机获得的连续时间序列图像转换为数字信号(即原始强度值)后，对图像集中所有图像的激光拉曼散射信号时均值超过一定阈值的强度值进行向下平移处理，再逐帧将各像素的强度值与其周围紧密相接的像素块强度值进行比较，对较高的异常值进行甄别，判断为噪点后进行赋值处理。赋值后计算此像素块强度值与该位置在时域上强度值中值的偏差，若偏差过大，则将此像素块再赋值为前后n帧图像的中值。经此三个过程，即可实现激光拉曼信号的去噪。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光拉曼散射成像去噪方法，包括以下步骤：

通过激光拉曼散射成像技术获取原始强度图像集；

通过对于射流区域外的纯空气区域的时均强度值进行计算，并与所设定的阈值进行对比；

对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外时均值超过阈值的强度值整体向下平移；

逐帧计算向下平移后的各像素块强度值和周围像素块强度值的偏差，判断像素块强度值是否为噪点；

若判断为噪点，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值；

逐帧计算赋值后的像素块强度值与对应位置在图像集时域上中值的偏差；

若偏差过大，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值，实现激光拉曼信号的去噪。

优选的，对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外时均值超过一定阈值的强度值整体向下平移的方法为：

式中，I_shift指降低强度后的强度值，I_R为原始强度值，

为在时域上的中值，式中x₁、x₂为平移处理的限定适用范围，根据实验工况进行调整。

优选的，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值的方法为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；I_i,j,k,dedust为噪点被赋值后的强度值；I_i,j,k,shift为经信号平移处理后的强度值；n为在每像素周围紧密相接的像素数量，最高为8，最小为3；l为周围不同的像素块编号；σ₁为系数。

优选的，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值的方法为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；n为待处理像素块判断为噪点后进行赋值时选定的时间序列框选范围，根据图像集大小确定；

为经时域去噪处理后的强度值；I_i,j,k,dedust为经空间去噪处理后的强度值；I_:,j,k,dedust为第j行、第k列像素在图像集时域上的强度值集合；Median为取集合的中间值；σ₂为系数。

本发明还提供一种激光拉曼散射成像去噪系统，包括：

获取模块、平移模块、噪点判别模块、第一赋值模块、偏差判别模块、第二赋值模块；

所述获取模块，用于通过激光拉曼散射成像技术获取原始强度图像集；

所述平移模块，用于对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外时均值超过一定阈值的强度值整体向下平移；

所述噪点判别模块，用于逐帧计算向下平移后的各像素块强度值和周围像素块强度值的偏差，判断像素块强度值是否为噪点；

所述第一赋值模块，用于若判断为噪点，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值；

所述偏差判别模块，用于逐帧计算赋值后的像素块强度值与对应位置在图像集时域上中值的偏差；

所述第二赋值模块，用于若偏差过大，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值，实现激光拉曼信号的去噪。

优选的，所述平移模块中，对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外的强度值整体向下平移的过程为：

式中，I_shift指降低强度后的强度值，I_R为原始强度值，

为在时域上的中值，式中x₁、x₂为平移处理的限定适用范围，根据实验工况进行调整。

优选的，所述第一赋值模块中，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值的过程为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；I_i,j,k,dedust为噪点被赋值后的强度值；I_i,j,k,shift为经信号平移处理后的强度值；n为在每像素周围紧密相接的像素数量，最高为8，最小为3；l为周围不同的像素块编号；σ₁为系数。

优选的，所述第二赋值模块中，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值的过程为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；n为待处理像素块判断为噪点后进行赋值时选定的时间序列框选范围，根据图像集大小确定；

为经时域去噪处理后的强度值；I_i,j,k,dedust为经空间去噪处理后的强度值；I_:,j,k,dedust为第j行、第k列像素在图像集时域上的强度值集合；Median为取集合的中间值；σ₂为系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1、本发明能够实现对低温气体射流区域外高强度噪点的消除，提高了激光拉曼散射图像的清晰度和数据可靠度，能够有效的分析低温气体射流的瞬时特征和波动特性。

2、本发明能够避免对大范围高强度值区域(低温气体射流区)进行干预，只对零散的高强度噪点进行去噪，有效地实现了射流区和噪点区的区分。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种激光拉曼散射成像去噪方法流程图；

图2为本发明的射流区域示意图；

图3为本发明的高速相机拍摄的一帧原始强度图；

图4为本发明的一帧原始强度图像中射流区域外部的原始强度图；

图5为本发明的经信号平移处理后的射流区域外部的强度图；

图6为本发明的经空间、时域去噪处理后的射流区域外部的强度图；

图7为本发明的一帧图像中间行像素强度值对比示意图，其中，(a)为本发明的原始强度与经信号平移处理后的强度值对比示意图；(b)为本发明的经信号平移处理后与经两步去噪处理后的强度值对比示意图；

图8为本发明的未处理的与经过两步去噪处理后的摩尔分数云图，其中，(a)为本发明的一帧原始强度下未经处理的低温氢射流摩尔分数图；(b)为本发明的一帧原始强度下经两步去噪处理后的低温氢射流摩尔分数图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种激光拉曼信号去噪方法，分为信号平移处理、基于空间的去噪处理和基于时域的去噪处理三个过程，具体包括以下步骤：

通过激光拉曼散射成像技术获取原始强度图像集；

对原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外的时均值大于一定阈值的强度值整体向下平移；

逐帧计算向下平移后的各像素块强度值和周围像素块强度值的偏差，判断像素块强度值是否为噪点；

若判断为噪点，对噪点赋值为周围像素块强度值的均值；

逐帧计算赋值后的像素块强度值与对应位置在图像集时域上中值的偏差；

若偏差过大，将偏差过大的像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值，实现激光拉曼信号的去噪。

在本实施例中，信号平移处理：并非所有原始图像都有噪声，噪声主要出现在射流的特定高度上。造成可见噪声的一个可能原因是激光的功率波动。在一定高度的视野范围内，大多数噪声具有异常较高的强度。如图2所示，对于朝垂直方向喷射的低温射流而言，在喷射区域以外的水平方向的强度剖面其强度值应该在零附近，因此当这些像素块的强度值较高时就必须降低，降低过程如式所示。在本步处理中，首先对射流区域外的纯空气部分设置一个阈值，当图像集在此处的各像素时均值大于阈值后，用图像集每帧图像对应像素位置的原始强度值减去对应像素位置在图像集时域上的中间值来降低整体强度。

但此时对强度的降低是整体性的，并不能改变噪声的性质。

式中，I_shift指降低强度后的强度值，I_R为原始强度值，

为在时域上的中值，式中x₁、x₂为平移处理的限定适用范围，可根据实验工况进行调整。

在本实施例中，基于空间的去噪处理：拉曼散射信号的波动是由于射流的浓度变化，浓度越低信号强度值越小。因此在射流区域外，强度的波动值与时均值都应较小，因此距离射流轴越远，瞬时的强度值也应该越小。但异常的噪点具有较高的强度值，且在分布上较为稀疏，与周围像素块的强度值有较大差异。因此，在每像素周围进行取点，将周围像素点的拉曼散射信号强度值进行求和后再取均值处理。再将待处理的像素块强度值与此均值与系数的乘积进行比较，来判断是否为噪点，当判断为噪点时，将均值赋给待处理的像素块，从而实现噪点消除的效果，如式所示。

在式(2)中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；I_i,j,k,dedust为噪点被赋值后的强度值；I_i,j,k,shift为经信号平移处理后的强度值；n为在每像素周围紧密相接的像素数量，最高为8，最小为3；l为周围不同的像素块编号；σ₁为系数。

在本实施例中，基于时域的去噪处理：经基于空间的去噪处理后，图像集中每帧图像的噪点可实现基本消除。但由于激光拉曼散射信号较弱，基于空间的去噪处理对存在大量噪点的某些帧并不能实现有效降噪。在图像集的时域序列内，将每帧图像每像素块与其对应位置在图像集时域上的中值进行比较，大于时域中值σ₂倍时将中值赋给该点。

如式所示。

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；n为待处理像素块判断为噪点后进行赋值时选定的时间序列框选范围，可根据图像集大小确定；

为经时域去噪处理后的强度值；I_i,j,k,dedust为经空间去噪处理后的强度值；I_:,j,k,dedust为第j行、第k列像素在图像集时域上的强度值集合；Median为取集合的中间值；σ₂为系数。

本实施例的工作过程为：

通过激光拉曼散射成像技术对低温射流进行高速连续拍摄，得到原始强度图像集，再将高速相机获得的连续时间序列图像转换为数字信号(表征原始强度值)。图3为从连续拍摄的原始强度图像中抽取的一帧。通过对图3原始强度图像分析可知，在射流区域外存在大量高强度异常值，如图4所示。射流区域外的强度值应保持在零值附近，但此时有部分像素块的强度值异常过高。

此时进行第一步信号平移处理，以降低整体强度值。对射流区域以外区域的纯空气部分设置一个阈值，当图像集在此处像素的时均值大于阈值时，用其原始强度值减去对应像素在图像集时域上的中间值，即可实现如图5和图7(a)所示的效果，效果显示射流区域外的强度值整体变小，但依然没有改变其为具有高强度噪点值的性质。

此时进行第二、三步去噪处理。对于激光拉曼散射信号原始强度图像中的各帧各像素块的强度值，采取“先判断噪点、再进行赋值”的思路进行降噪。在射流区域外，激光拉曼散射信号强度值应该保持在较低水平，但由于功率波动等原因造成了射流外部区域存在零星分布、强度值较高的异常值。因此将每个像素周围紧密相接的几个像素块的强度值进行求和、均值处理。当中心像素的拉曼散射信号强度值大于得到的均值与系数的乘积时，判定为噪点。此时将此均值赋值给噪点，从而实现第一步去噪。当本帧图像存在大量噪点，基于空间的去噪不能取得理想效果，再将像素块强度值与其在图像集时域序列上对应像素位置的中值进行比较，大于中值σ₂倍时，将本帧图像前后的五帧(可调整帧数数量)图像在该像素位置的中值赋值给此像素块。经这两步去噪处理后，效果如图6所示，在射流区域外的异常高强度值被消除。如图7(b)所示射流区域外围有大量的像素被判定为噪点，赋值为周围像素块强度值的均值，使射流区域外的强度值向零值靠近。

因激光束高度有限，因此只能拍摄固定的视野范围，需要上下调整气体射流喷嘴的高度来调整相机所拍摄的视野范围。在进行强度分析时，需将不同高度的原始强度图像按照高度顺序进行上下链接，然后按照换算关系导出摩尔分数原始图像和温度原始图像。如图8(a)、图8(b)所示，展示了未经处理的原始强度图与经过两步去噪处理后的强度图导出的低温氢气射流摩尔分数图，噪点消除效果明显。

实施例二

本发明还提供了一种激光拉曼散射成像去噪系统，分为信号平移处理、基于空间的去噪处理和基于时域的去噪处理三个过程，具体包括：

获取模块、平移模块、噪点判别模块、第一赋值模块、偏差判别模块、第二赋值模块；

获取模块，用于通过激光拉曼散射成像技术获取原始强度图像集；

平移模块，用于对图像集中射流区域外超过时均值一定阈值的图像的激光拉曼散射信号强度值沿x方向进行整体向下平移处理；

噪点判别模块，用于逐帧计算向下平移后的各像素块强度值和周围像素块强度值的偏差，判断像素块强度值是否为噪点；

第一赋值模块，用于若判断为噪点，对噪点赋值为周围像素块强度值的均值；

偏差判别模块，用于逐帧计算赋值后的像素块强度值与对应位置在图像集时域上中值的偏差；

第二赋值模块，用于若偏差过大，将偏差过大的像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值，实现激光拉曼信号的去噪。

在本实施例中，平移模块进行信号平移处理：并非所有原始图像都有噪声，噪声主要出现在射流的特定高度上。造成可见噪声的一个可能原因是激光的功率波动。在一定高度的视野范围内，大多数噪声具有异常较高的强度。对于朝垂直方向喷射的低温射流而言，在喷射区域以外的水平方向的强度剖面其强度值应该在零附近，因此当这些像素块的强度值较高时就必须降低，降低过程如式所示。在本步处理中，对图像集中射流区域外超过时均值一定阈值的图像的激光拉曼散射信号强度值沿x方向进行整体向下平移处理。但此时对强度的降低是整体性的，并不能改变噪声的性质。

式中，I_shift指降低强度后的强度值，I_R为原始强度值，

为在时域上的中值，式中x₁、x₂为平移处理的限定适用范围，可根据实验工况进行调整。

在本实施例中，噪点判别模块和第一赋值模块基于空间的去噪处理：拉曼散射信号的波动是由于射流的浓度变化，浓度越低信号强度值越小。因此在射流区域外，强度的波动值与时均值都应较小，因此距离射流轴越远，瞬时的强度值也应该越小。但异常的噪点具有较高的强度值，且在分布上较为稀疏，与周围像素块的强度值有较大差异。因此，在每像素周围进行取点，将周围像素点的拉曼散射信号强度值进行求和后再取均值处理。再将待处理的像素块强度值与此均值与系数的乘积进行比较，来判断是否为噪点，当判断为噪点时，将均值赋给待处理的像素块，从而实现噪点消除的效果，如式所示。

在式(2)中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；I_i,j,k,dedust为噪点被赋值后的强度值；I_i,j,k,shift为经信号平移处理后的强度值；n为在每像素周围紧密相接的像素数量，最高为8，最小为3；l为周围不同的像素块编号；σ₁为系数。

在本实施例中，偏差判别模块和第二赋值模块基于时域的去噪处理：经基于空间的去噪处理后，图像集中每帧图像的噪点可实现基本消除。但由于激光拉曼散射信号较弱，基于空间的去噪处理对存在大量噪点的某些帧并不能实现有效降噪。在图像集的时域序列内，将每帧图像每像素块与其对应位置在图像集时域上的中值进行比较，大于时域中值σ₂倍时将中值赋给该点。如式所示。

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；n为待处理像素块判断为噪点后进行赋值时选定的时间序列框选范围，可根据图像集大小确定；

为经时域去噪处理后的强度值；I_i,j,k,dedust为经空间去噪处理后的强度值；I_:,j,k,dedust为第j行、第k列像素在图像集时域上的强度值集合；Median为取集合的中间值；σ₂为系数。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光拉曼散射成像去噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过激光拉曼散射成像技术获取原始强度图像集；

通过对射流区域外纯空气区域的时均强度值进行计算，并与所设定的阈值进行对比；

对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外时均强度值超过阈值的强度值整体向下平移；

逐帧计算向下平移后的各像素块强度值和周围像素块强度值的偏差，判断像素块强度值是否为噪点；

若判断为噪点，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值；

逐帧计算赋值后的像素块强度值与对应位置在图像集时域上中值的偏差；

若偏差过大，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值，实现激光拉曼信号的去噪。

2.根据权利要求1所述的激光拉曼散射成像去噪方法，其特征在于，对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外的强度值整体向下平移的方法为：

式中，I_shift指降低强度后的强度值，I_R为原始强度值，

为在时域上的中值，式中x₁、x₂为平移处理的限定适用范围，根据实验工况进行调整。

3.根据权利要求1所述的激光拉曼散射成像去噪方法，其特征在于，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值的方法为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；I_i,j,k,dedust为噪点被赋值后的强度值；I_i,j,k,shift为经信号平移处理后的强度值；n为在每像素周围紧密相接的像素数量，最高为8，最小为3；l为周围不同的像素块编号；σ₁为系数。

4.根据权利要求1所述的激光拉曼散射成像去噪方法，其特征在于，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值的方法为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；n为待处理像素块判断为噪点后进行赋值时选定的时间序列框选范围，根据图像集大小确定；

为经时域去噪处理后的强度值；I_i,j,k,dedust为经空间去噪处理后的强度值；I_:,j,k,dedust为第j行、第k列像素在图像集时域上的强度值集合；Median为取集合的中间值；σ₂为系数。

5.一种激光拉曼散射成像去噪系统，其特征在于，包括：

获取模块、平移模块、噪点判别模块、第一赋值模块、偏差判别模块、第二赋值模块；

所述获取模块，用于通过激光拉曼散射成像技术获取原始强度图像集；

所述平移模块，用于对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外的时均强度值超过一定阈值的强度值整体向下平移；

所述噪点判别模块，用于逐帧计算向下平移后的各像素块强度值和周围像素块强度值的偏差，判断像素块强度值是否为噪点；

所述第一赋值模块，用于若判断为噪点，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值；

所述偏差判别模块，用于逐帧计算赋值后的像素块强度值与对应位置在图像集时域上中值的偏差；

所述第二赋值模块，用于若偏差过大，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值，实现激光拉曼信号的去噪；

所述平移模块中，对所述原始强度图像集的每帧原始图像中射流区域外时均强度值超过一定阈值的强度值整体向下平移的过程为：

式中，I_shift指降低强度后的强度值，I_R为原始强度值，

为在时域上的中值，式中x₁、x₂为平移处理的限定适用范围，根据实验工况进行调整。

6.根据权利要求5所述的激光拉曼散射成像去噪系统，其特征在于，所述第一赋值模块中，对所述噪点赋值为周围像素块强度值的均值的过程为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；I_i,j,k,dedust为噪点被赋值后的强度值；I_i,j,k,shift为经信号平移处理后的强度值；n为在每像素周围紧密相接的像素数量，最高为8，最小为3；l为周围不同的像素块编号；σ₁为系数。

7.根据权利要求5所述的激光拉曼散射成像去噪系统，其特征在于，所述第二赋值模块中，将偏差过大的所述像素块强度值赋值为前后相邻连续的n帧图像在对应像素位置的中值的过程为：

式中，i为图像集某帧图像的时间序列；j为第i帧图像中像素的行序列；k为第i帧图像中像素的列序列；n为待处理像素块判断为噪点后进行赋值时选定的时间序列框选范围，根据图像集大小确定；

为经时域去噪处理后的强度值；I_i,j,k,dedust为经空间去噪处理后的强度值；I_:,j,k,dedust为第j行、第k列像素在图像集时域上的强度值集合；Median为取集合的中间值；

σ₂为系数。

Images