基于旋滤波的散斑干涉图预处理方法

　　现有的干涉条纹处理方法基本上可以分为两类:一类是利用多幅干涉条纹进行处理,比较有代表性的是相移法[1-2];另一类是利用单幅干涉条纹进行处理,比较有代表性的是傅里叶变换法[3-4]。傅里叶变换法是干涉条纹分析中一种比较常用的方法,它只需分析单一的一幅干涉图,适于处理动态和静态波面,且精度高。在傅里叶变换法中,噪声是通过选择适当的滤波窗来去除的。使用越窄的带通滤波器,就可以获得越平滑的相位。然而窄带滤波器也会使信号相位失真,虽然可以通过精确设计滤波器来减少这种失真,但这降低了条纹处理的自动化程度。这是该方法面临的最大的问题———频率泄露。而且有些噪声的频谱比较宽,使得噪声频率和条纹频率重叠在一起,因此,在频域中无法彻底去除这些噪声。由于实际拍摄的干涉图经常有较严重的随机噪声,因此进行傅里叶变换分析之前必须对干涉图进行预处理。一般抑制相干的随机噪声有两种方法:(1)通过旋转漫射器削弱光源的空间相干性[5],使用非相干光源[6]或用其它设备移动光源[7]等方法;(2)干涉条纹预处理。本文将使用干涉条纹预处理中常用的旋滤波法对两种大小不同的散斑干涉图像进行处理,研究该方法的适用性,从而确定旋滤波法窗口选择的范围。

　　1　旋滤波法的基本原理

　　在条纹图的中间区域,条纹图的灰度值梯度分布有一定的规律:在条纹的切线方向梯度值最小,而在条纹的法线方向梯度值最大。在频域内分析此规律,图1(a)和图1(b)分别是条纹图中某一窗口内在条纹法线和切线方向的灰度分布;图1(c)和图1(d)分别是图1(a)和图1(b)的频谱分布图。在条纹法线方向,灰度变化较大,对应的频谱呈一条宽带,条纹信号和噪声的频谱是叠加在一起的,无法截然分开。在条纹切线方向,灰度变化很小,对应的频谱是在零频附近的一条窄带,而随机噪声仍然分布在高频带,因此可以用常规低通滤波器将条纹和噪声分开,从而滤掉噪声,同时不损失条纹信号的任何信息。旋滤波的基本思想是:首先找到条纹灰度值的等值线,然后在灰度值等值线上作低通滤波。

　　旋滤波的含义是:首先构造一个1维滤波窗口,将此1维滤波窗口绕当前像素旋转1周,然后确定出条纹的切线方向,并在此方向上用1维滤波窗口进行中值滤波或均值滤波。旋滤波的使用方法也就说明了旋滤波的概念。

　　旋滤波使用的基本步骤如下:(1)在以当前点为中心的n×n像素点的窗口内,定义多条等角度间隔的方向滤波线;(2)计算每条线上所有像素的方差,取出方差最小的方向作为滤波方向,也就是确定的切线方向;(3)当滤波方向确定以后,用1维中值滤波对这个方向的像素进行中值滤波处理;(4)对整个条纹图上的每一点重复上述过程。