EAST等離子體圖像邊界提取算法的改進(jìn)

余遠(yuǎn)春1，羅家融1，舒雙寶2，崔治學(xué)1，代路偉1

(1.東華大學(xué) 理學(xué)院，上海201620；

2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：本文采用快速CCD相機(jī)采集托卡馬克裝置的等離子體放電圖像，根據(jù)等離子體放電的位置特點(diǎn)，采用基于Otsu闕值改良的Canny算法對等離子體圖像進(jìn)行等離子體邊界位置的提取，并通過最小二乘法進(jìn)行邊界擬合，從而得到準(zhǔn)確的等離子體位置。

關(guān)鍵詞：EAST；Otsu；Canny；等離子體；最小二乘法

中圖分類號：TL659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-08-04;修回日期：2014-11-17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11105028)

作者簡介：余遠(yuǎn)春(1988—)，男，四川江油人，碩士研究生，光學(xué)工程專業(yè)

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2093

Improved Algorithm to Extraction EAST Plasma Image Boundary

YU Yuan-chun1, LUO Jia-rong1, SHU Shuang-bao2,

CUI Zhi-xue1, DAI Lu-wei1

(1.CollegeofScience,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China;

2.SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering,

HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:In this paper, a fast CCD camera was used to capture the Tokamak plasma discharge image. According to the characteristics of plasma image position during the plasma discharge, an improved Canny algorithm to extract the real plasma boundary position based on Otsu threshold was proposed in plasma boundary detection. By using least square method to fit the boundary of plasma image, the accurate position of plasma was obtained.

Key words：EAST; Otsu; Canny; plasma; least square method

由中國科學(xué)院等離子體物理研究所研制的世界上首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置(EAST)，自從2006年建成以來已取得大量實(shí)驗(yàn)成果[1-2]。托卡馬克中等離子體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)堆所必需的條件，在托卡馬克運(yùn)行控制中反饋控制信號主要來自電磁測量信號，但在托卡馬克啟動(dòng)階段，由于等離子體擊穿和形成電流過程的復(fù)雜性以及電流形成過程中真空室壁上的感應(yīng)渦流對磁測量產(chǎn)生的嚴(yán)重干擾，使測量信號很難真實(shí)反映等離子體電流的實(shí)際情況，因此，難以實(shí)現(xiàn)對等離子體電流和位置的可靠控制[3-4]。為解決此問題，中國科學(xué)院等離子體物理研究所在EAST裝置上，采用快速CCD相機(jī)采集并保存托卡馬克等離子體放電時(shí)的圖像，然后用改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型算法實(shí)時(shí)獲得等離子體的邊界位置[5]，并通過最小二乘法對其邊界進(jìn)行擬合處理和計(jì)算以得到等離子體的位置，以此為參數(shù)對等離子體進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)對等離子體的穩(wěn)定控制。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在處理高亮度的等離子體放電圖像時(shí)，用改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型算法[5]無法獲得準(zhǔn)確的等離子體邊界。為能準(zhǔn)確地識別等離子體的邊界，本文提出一種基于Otsu闕值改良的Canny邊緣檢測算法，來提取等離子體邊界的位置。

1基于Otsu闕值改良的Canny算法等離子體圖像邊緣識別

1.1等離子體圖像的初步處理

等離子體圖像采集出來的圖片可以采用多種顏色格式來表述。本文采用JPG格式的圖片，它是YUV顏色模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中Y表示亮度，U和V表示顏色，其與RGB色彩模式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

U=-0.169R-0.331 3G+0.5B

(2)

V=0.5R-0.418 7G-0.081 3B

(3)

其中，R、G、B為RGB色彩模式中的紅、綠、藍(lán)3個(gè)通道的顏色。

由式(2)、(3)可看出，U中B的權(quán)重較大，而V中R的權(quán)重較大。結(jié)合等離子體圖像發(fā)現(xiàn)，提取邊緣區(qū)域的R的權(quán)重最大，所以本文取第3個(gè)分量，即V。將等離子體圖像進(jìn)行初步的灰度化，從而更利于得到精確的等離子體邊緣。

1.2Otsu闕值改良

等離子體圖像經(jīng)初步的灰度化后，需對灰度圖像進(jìn)行闕值改良和闕值分割。闕值分割是一種圖像分割的典型算法，由于其簡單有效而被廣泛地運(yùn)用在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域[6]。常用的闕值分割方法包括Ostu法、梯度統(tǒng)計(jì)法、直方圖雙峰法等。在EAST上，用快速CCD采集出的圖像具有噪聲少和目標(biāo)背景像素?cái)?shù)目差別大的特點(diǎn)，所以采用分割效果較好的Otsu法來進(jìn)行闕值分割。Ostu法的原理如下。

(4)

(5)

(6)

(7)

?(T)=P0(T)P1(T)(μ0(T)-μ1(T))2

(8)

1.3Canny邊緣檢測

經(jīng)Ostu闕值改良后，選用Canny提取需要的邊界，Canny邊緣檢測的原理為：Canny算子既能濾去噪聲又保持邊緣特性的邊緣檢測濾波器，采用二維高斯函數(shù)的任意方向上的一階方向?qū)?shù)為噪聲濾波器，通過對圖像卷積進(jìn)行濾波，然后對濾波后的圖像尋找圖像梯度的局部最大值[7]，以此來確定圖像邊緣。Canny算子具有高靈敏度和高檢測速度的優(yōu)勢。其二維高斯函數(shù)的數(shù)學(xué)描述為：

(9)

其中，δ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

其可等效為用水平方向G(x)和豎直方向G(y)的兩個(gè)一維高斯濾波器。在某一方向n上G(x,y)的方向?qū)?shù)為：

(10)

經(jīng)平滑后的圖像可用式(11)得到：

(11)

梯度幅值可根據(jù)式(10)利用方向?qū)?shù)計(jì)算得到。

1.4邊界擬合

Canny提取出的邊界粗糙、有噪聲，不能直接用來擬合等離子體邊界，因此在擬合前，需將Canny提取出的邊界數(shù)據(jù)根據(jù)等離子體具體的位置進(jìn)行篩選，選取合適的邊界數(shù)據(jù)再進(jìn)行擬合，從而得到所需要的光滑的等離子體邊界[8]。邊界擬合的方法[5]如下。

設(shè)等離子體邊界上的點(diǎn)n(xi,yi)滿足圓的方程：

(12)

其中：(a，b)為圓心；r為半徑。但實(shí)際上，式(12)的兩邊并不完全相等，它有一殘差α，可表示為：

(13)

其均方根的和Q為：

(14)

(15)

令：

(16)

可得到：

(17)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用文獻(xiàn)[5]中改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型算法處理16 579炮某時(shí)刻等離子體放電圖像，結(jié)果如圖1所示。圖1a為圖像用改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型算法識別出的等離子體邊界，可看出，其結(jié)果完全不能正確反應(yīng)等離子體的真實(shí)位置，真實(shí)的等離子體位置如圖1b中圓圈的位置所示。

圖1　改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型算法識別的 等離子體邊界(a)與等離子體真實(shí)邊界(b) Fig.1　Plasma boundary of improved active contour model algorithm (a) and real plasma boundary (b)

圖2　16 579炮圖像檢測效果 Fig.2　16 579 result of image detection

運(yùn)用Matlab實(shí)現(xiàn)本文所提出的算法，處理16 579炮某時(shí)刻等離子體的放電圖像，其結(jié)果如圖2所示。其中，圖2a為該時(shí)刻等離子體放電圖像原圖，圖2b為運(yùn)用本文提出的方法進(jìn)行邊界提取，擬合后得到的等離子體的邊界圖像。將圖2b與圖1b作對比，可看到，該方法檢測出來的等離子體邊界與實(shí)際的等離子體邊界十分符合。

運(yùn)用本文所提出的邊界識別算法，不僅能識別改進(jìn)的主動(dòng)輪廓模型算法所適用的等離子體放電圖像，還能適用于其他亮度的等離子體放電圖像，且都能準(zhǔn)確地識別出等離子體的位置。圖3a、b、c分別為14 975炮、16 570炮、16 579炮放電過程中，不同時(shí)刻不同亮度的等離子體放電圖像用本文所提出的算法識別出的等離子體邊界。

圖3　圖像檢測效果 Fig.3　 Result of image detection

3結(jié)論

本文提出的等離子體邊緣檢測的算法，能準(zhǔn)確地識別出等離子體圖像的位置信息，且能適用于不同亮度的等離子體放電圖像，為實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行等離子體放電的反饋控制提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]WAN B N. Physical engineering test and first diverter plasma configuration in EAST[J]. Plasma Science and Technology, 2007, 9(2): 125-127.

[2]LIU Y, LUO J R, LI G M, et al. The EAST distributed data system[J]. Fusion Engineering and Design, 2007, 82(4): 339-343.

[3]LIU C Y, WU B, XIAO B J, et al. Modeling of first discharge in EAST Tokamak[J]. Plasma Science and Technology, 2008, 10(1): 8-12.

[4]夏凡，陳燎原，宋顯明，等. HL-2A等離子體平衡響應(yīng)建模和仿真研究[J]. 核聚變與等離子體物理，2009，29(2)：136-141.

XIA Fan, CHEN Liaoyuan, SONG Xianming, et al. Simulation on the HL-2A plasma equilibrium response[J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2009, 29(2): 136-141(in Chinese).

[5]舒雙寶，羅家融，薛二兵，等. EAST等離子體圖像采集與位置識別技術(shù)[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47(8)：1 439-1 444.

SHU Shuangbao, LUO Jiarong, XUE Erbing, et al. Plasma image acquisition and position detection in EAST[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(8): 1 439-1 444(in Chinese).

[6]許向陽，宋恩民，金良海. Otsu準(zhǔn)則的闕值性質(zhì)分析[J]. 電子學(xué)報(bào)，2009，37(12)：2 716-2 719.

XU Xiangyang, SONG Enmin, JIN Lianghai. Characteristic analysis of threshold based on Otsu criterion[J]. Acta Electronica Sinica, 2009, 37(12): 2 716-2 719(in Chinese).

[7]章毓晉. 圖像工程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[8]薛二兵. EAST超導(dǎo)托卡馬克等離子體放電上升段特性的研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2012.