基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法，所述DSPI相位滤波方法包括以下步骤：对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量,即调频调幅成分；计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信息的主分量，并对主分量进行重构；分别计算重构后的主分量的正余弦图，采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理；利用反正切法对平滑后的正余弦图进行处理，获得滤波后的散斑相位图。本发明专利技术在散斑相位图中包含的大量噪声前提下避免EMD分解过程中存在的模态混叠现象，采用变分模态分解的方法对图片进行滤波处理，去除噪声干扰，获得精确的相位测量信息。

【技术实现步骤摘要】
基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法
本专利技术涉及激光无损检测和光学图像处理领域，尤其涉及一种基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法。
技术介绍
数字散斑干涉技术(DigitalSpecklePatternInterferometry,DSPI)是一种全场光测量技术，它具有非接触、实时测量、高精度以及高灵敏度等特点，因此在无损检测、生物医学检测、精密机械制造、振动测量和变形测量等领域获得广泛应用。采集的散斑相位图由于大量噪声干扰，导致散斑相位图信噪比低、相位测量灵敏度低，无法获得测量物体的精确信息。因此，有必要对散斑相位图进行处理，提高图像的信噪比，去除噪声干扰。传统的中值和均值滤波方法简单但效果不佳，Gabor滤波和小波阈值降噪法都是通过人工设定阈值的方法滤除干扰噪声，不具有自适应性，无法获取精确的相位信息；由于经验模态分解过程中完全基于信号本身特性，无需人为选择基函数，因此获得广泛应用，但该方法也存在一些缺点，例如：模态混叠、缺乏理论支撑等，不能有效的对噪声进行处理。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法，本专利技术在包含大量噪声散斑相位图前提下避免EMD(经验模态)分解过程中存在的模态混叠现象，采用VMD(变分模态分解)对散斑相位图进行处理，去除噪声干扰，获得精确的测量信息，详见下文描述：一种基于变分模态的DSPI相位滤波方法，所述DSPI相位滤波方法包括以下步骤：对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量,即调频调幅成分；计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信息的主分量,去除噪声分量，并对主分量进行重构；分别计算重构后的主分量的正余弦图，采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理；利用反正切法对平滑后的正余弦图进行处理，获得滤波后的散斑相位图。所述对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量的步骤具体为：首先将模态分量定义为具有不同中心频率的有限带宽；根据不同模态的带宽之和最小原则构造约束变分方程；针对约束变分方程，引入增广Lagrange函数将约束变分方程转化为非约束变分方程；根据为了解决最优解这一问题，采用乘法算子交替方向法计算增广Lagrange函数的鞍点，即约束变分方程的最优解；不断更新中心频率及模态分量，当模态分量满足迭代停止条件时，停止更新，输出分解后的模态分量。所述计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信息的主分量，去除噪声分量的步骤具体为：计算原图片、与分解后调频调幅分量之间的互信息；通过互信息，定义图片的调频调幅分量的敏感因子；按照敏感因子从小到大的顺序将所有调频调幅分量进行重新排序；获取相邻两个调频调幅分量敏感因子之差，通过最小差值获取主分量，去除噪声分量；对主分量进行重构获得降噪后的重构图。所述通过最小差值获取主分量，去除噪声分量的步骤具体为：利用最小差值找出排序后的敏感因子，由排序后的敏感因子对应的序列获取原序列fk(t)，从第fk+1(t)分量开始以后的分量都为背景或噪声分量，前n个分量为主要变形信息的分量。所述采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理的步骤具体为：采用正余弦法对重构后的相位图分别进行正余弦变换，获得正余弦图；利用均值法对正余弦图进行平滑处理，得到平滑后的正余弦图。所述利用反正切法对平滑后的正余弦图进行处理，获得滤波后的散斑相位图具体为：将正弦图和余弦图相除得到一个函数值，对函数值进行反正切计算获得滤波后的散斑相位图，实现DSPI相位滤波。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术采用VMD算法，它是在变分框架内对散斑相位图进行处理，既可以有效的避免EMD分解过程中模态混叠问题，同时也保留了EMD处理非平稳信号的优势，提取出固有模态分量；2、针对采集的散斑相位图中包含噪声分量，本专利技术提出基于VMD的互信息自适应法，对分解后的分量进行处理，获取包含测量信息的重构散斑相位图；采用正余弦法对重构图进行处理，剔除噪声分量，提高信噪比，获取精确相位信息。3、本专利技术提出的基于VMD及正余弦滤波算法能够自适应的对散斑相位图片进行降噪，避免传统滤波法繁琐的参数设置。附图说明图1为基于变分模态分解相位滤波方法的流程图；图2为数字散斑干涉测量系统的结构示意图；图3为采集的包含噪声的DSPI相位图；图4为基于VMD滤波后的散斑相位图；图5为基于EMD滤波后的散斑相位图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1一种基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法，参见图1，该DSPI相位滤波方法包括以下步骤：101：对采集的DSPI相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量，即调频调幅成分；102：计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信息的主分量,去除噪声分量，并对主分量进行重构；103：分别计算重构后的主分量的正余弦图，采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理；104：利用反正切法对平滑后的正余弦图进行处理，获得滤波后的散斑相位图。其中，步骤101中的对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量的步骤具体为：首先将分解后的模态分量定义为具有不同中心频率的有限带宽；根据不同模态的带宽之和最小原则构造约束变分方程；针对约束变分方程，引入增广Lagrange函数将约束变分方程转化为非约束变分方程；根据为了解决最优解这一问题，采用乘法算子交替方向法(AlternateDirectionMethodofMultipliers，ADMM)计算增广Lagrange函数的鞍点，即约束变分方程的最优解；不断更新中心频率及模态分量，当模态分量满足迭代停止条件时，停止更新，输出分解后的模态分量。其中，步骤102中的计算调频调幅成分和原散斑图之间的互信息值，根据互信息值提取包含变形信息的主分量的步骤具体为：计算原图片、与分解后调频调幅分量之间的互信息；通过互信息，定义图片的调频调幅分量的敏感因子；按照敏感因子从小到大的顺序将所有调频调幅分量进行重新排序；获取相邻两个调频调幅分量敏感因子之差，通过最小差值获取主分量，去除噪声分量。其中，步骤103中的分别计算重构后的主分量的正余弦图，采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理的步骤具体为：采用正余弦法对重构后的相位图分别进行正余弦变换，获得正余弦图；利用均值法对正余弦图进行平滑处理，得到平滑后的正余弦图。综上所述，本专利技术实施例通过上述步骤101-步骤104实现了在包含噪声的相位图前提下避免EMD分解过程中存在的模态混叠现象，采用VMD对散斑相位图进行降噪处理，提高信噪比，获得精确的测量信息。实施例2下面结合具体的计算公式、实例、图2-图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：201：结合图2搭建数字散斑干涉测量系统，利用系统内的CCD相机采集被测圆盘变形前后的DSPI相位图；该步骤的详细操作为：搭建数字散斑干涉测量系统，该测量系统由CCD相机、成像透镜、激光器等组成；其中，该测量系统的光路如图2所示，激光器出射的激光经过分光镜分成两束光，一束光照射被测物表面，另一束光经过耦合透镜沿着光纤传输作为物光，被测物的漫反射光依次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于变分模态的DSPI相位滤波方法，其特征在于，所述DSPI相位滤波方法包括以下步骤：对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量,即调频调幅成分；计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信息的主分量,去除噪声分量，并对主分量进行重构；分别计算重构后的主分量的正余弦图，采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理；利用反正切法对平滑后的正余弦图进行处理，获得滤波后的散斑相位图。

【技术特征摘要】
1.一种基于变分模态的DSPI相位滤波方法，其特征在于，所述DSPI相位滤波方法包括以下步骤：对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量,即调频调幅成分；计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信息的主分量,去除噪声分量，并对主分量进行重构；分别计算重构后的主分量的正余弦图，采用均值的方法对正余弦图进行平滑处理；利用反正切法对平滑后的正余弦图进行处理，获得滤波后的散斑相位图。2.根据权利要求1所述的一种基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法，其特征在于，所述对数字散斑相位图进行变分模态分解，获得一系列的模态函数分量的步骤具体为：首先将模态分量定义为具有不同中心频率的有限带宽；根据不同模态的带宽之和最小原则构造约束变分方程；针对约束变分方程，引入增广Lagrange函数将约束变分方程转化为非约束变分方程；根据为了解决最优解这一问题，采用乘法算子交替方向法计算增广Lagrange函数的鞍点，即约束变分方程的最优解；不断更新中心频率及模态分量，当模态分量满足迭代停止条件时，停止更新，输出分解后的模态分量。3.根据权利要求1所述的一种基于变分模态分解的DSPI相位滤波方法，其特征在于，所述计算调频调幅成分和原散斑相位图之间的互信息值，根据互信息值提取包含测量信...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖启阳，李健，曾周末，吴思进，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12