第一篇：數(shù)字圖像處理_領(lǐng)域平均濾波_中值濾波
東華大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告
課程 數(shù)字圖像處理 名稱 數(shù)字圖像變換
實(shí)驗(yàn)名稱: 鄰域平均法(box模板)和中值濾波處理
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
圖像變換是數(shù)字圖像處理中的一種綜合變換，如直方圖變換、幾何變換等。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生掌握兩種變換的程序?qū)崿F(xiàn)方法。
二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)
請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)程序，分別用鄰域平均法，其模板為：
?111?
?1??11*1? 9??111?? ??和中值濾波法對(duì)testnoise圖像進(jìn)行去噪處理（中值濾波的模板的大小也設(shè)為3×3）。
三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境
本實(shí)驗(yàn)在Windows平臺(tái)上進(jìn)行，對(duì)內(nèi)存及cpu主頻無(wú)特別要求，使用VC或者M(jìn)INGW（gcc）編譯器均可。
四、設(shè)計(jì)思路
介紹代碼的框架結(jié)構(gòu)、所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、各個(gè)類(lèi)的介紹（類(lèi)的功能、類(lèi)中方法的功能、類(lèi)的成員變量的作用）、各方法間的關(guān)系
試驗(yàn)要求中以給出大致的編程思路和源代碼以及代碼注釋?zhuān)挥泻诳虿糠中枰约禾顚?xiě)。在此不進(jìn)行贅述。
五、具體實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路中定義的所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)每個(gè)操作給出實(shí)際算法。對(duì)主程序和其他模塊也都需要寫(xiě)出實(shí)際算法。
注意：源代碼中要加上注釋。代碼：(紅色為重點(diǎn)代碼)<鄰域平均法>(3*3)/*------利用第一次實(shí)驗(yàn)課提供的 dhc.h 和 dhc.c文件以獲取位圖的高 寬 以及從文件頭到實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位圖實(shí)際數(shù)據(jù)的操作。------*/ #include
unsigned char *bitmap,*count,*new_color;/*------main()函數(shù)編寫(xiě)------*/ int main(){ //定義整數(shù) i，j 用于函數(shù)循環(huán)時(shí)的，nr_pixels為圖像中像素的個(gè)數(shù)
int i, j ,nr_pixels,nr_w,nr_h;//定義兩個(gè)文件指針?lè)謩e用于提取原圖像的數(shù)據(jù)和生成直方圖均衡化后的圖像
FILE *fp, *fpnew;//定義主函數(shù)的參數(shù)包括：輸入的位圖文件名和輸出的位圖文件名,此處內(nèi)容可以不要，在DOS下執(zhí)行命令的時(shí)候再臨時(shí)輸入也可，為了方便演示，我這里直接把函數(shù)的參數(shù)確定了。
// argc=3;// argv[1]=“test.bmp”;// argv[2]=“testzf.bmp”;
//參數(shù)輸入出錯(cuò)顯示
/* if(argc!= 3){ printf(“please input the name of input and out bitmap filesn”);exit(1);}*/ // 獲取位圖文件相關(guān)信息
// hdr = get_header(argv[1]);hdr = get_header(“testnoise.bmp”);if(!hdr)exit(1);//以二進(jìn)制可讀方式打開(kāi)輸入位圖文件
fp = fopen(“testnoise.bmp”, “rb”);if(!fp){
printf(“File open error!n”);
exit(1);} // 文件指針指向數(shù)據(jù)區(qū)域
fseek(fp, hdr->offset, SEEK_SET);
//計(jì)算位圖像素的個(gè)數(shù) nr_pixels = hdr->width * hdr->height;nr_w = hdr->width;nr_h = hdr->height;bitmap = malloc(nr_pixels);new_color = malloc(nr_pixels);count = malloc((nr_w+2)*(+nr_h+2));//讀取位圖數(shù)據(jù)到bitmap中
fread(bitmap, nr_pixels, 1, fp);fclose(fp);
//因?yàn)閳D像邊緣無(wú)法使用鄰域平均，所以根據(jù)鄰近顏色填補(bǔ)圖像的周?chē)蝗Γ嫒隿ount[]數(shù)組中
//中心圖像存入count[] for(i=nr_w+3;i<(nr_w+2)*(+nr_h+2)-nr_w-3;i++){
j=i/(nr_w+2);
if(i%(nr_w+2)!=0&&(i+1)%(nr_w+2)!=0)count[i]=bitmap[i-nr_w-1-2*j];} //填補(bǔ)第一排
for(i=1;i count[i]=bitmap[i-1];} //填補(bǔ)最后一排 for(i=1;i count[(nr_w+2)*(nr_h+1)+i]=bitmap[nr_w*(nr_h-1)+i-1];} //填補(bǔ)左邊一排 for(i=0;i count[i*(nr_w+2)]=count[i*(nr_w+2)+1];} //填補(bǔ)右邊一排 for(i=0;i count[(i+1)*(nr_w+2)-1]=count[(i+1)*(nr_w+2)-2];} //鄰域平均3*3 for(j=nr_w+3,i=0;j<(nr_w+2)*(+nr_h+2)-nr_w-3;j++){ if(j%(nr_w+2)!=0&&(j+1)%(nr_w+2)!=0) new_color[i]=(count[j]+count[j-1]+count[j+1]+count[j-nr_w-2]+count[j-1-nr_w-2]+count[j+1-nr_w-2]+count[j+nr_w+2]+count[j-1+nr_w+2]+ count[j+1+nr_w+2])/9,i++;} //結(jié)果存入bitmap[]中 for(i = 0;i < nr_pixels;i++) bitmap[i]=new_color[i]; // 打開(kāi)一個(gè)以輸出文件名命名的文件,設(shè)為可寫(xiě)的二進(jìn)制形式 fpnew = fopen(“test_lynoise.bmp”, “wb+”); //由于位圖文件的頭部信息并沒(méi)有因直方圖均衡化而改變，因此輸出圖像的頭部信息從原位圖文件中拷貝即可： fwrite(hdr->signature, 2, 1, fpnew);fwrite(&hdr->size, 4, 1, fpnew);fwrite(hdr->reserved, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->offset, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->hdr_size, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->width, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->height, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->nr_planes, 2, 1, fpnew);fwrite(&hdr->bits_per_pixel, 2, 1, fpnew);fwrite(&hdr->compress_type, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->data_size, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->resol_hori, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->resol_vert, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->nr_colors, 4, 1, fpnew);fwrite(&hdr->important_color, 4, 1, fpnew);if(hdr->offset > 54) fwrite(hdr->info,(hdr->offset54), 1, fpnew); //直方圖均衡化的數(shù)據(jù)(bitmap)賦值 fwrite(bitmap, nr_pixels, 1, fpnew);//關(guān)閉 fclose(fpnew);//釋放內(nèi)存（優(yōu)化程序必需）free(hdr);free(bitmap);free(new_color);free(count);return 0; 得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像后，比較這兩種方法去噪的效果好壞，并分析具體原因。 通過(guò)比較，鄰域平均法在降低噪聲的同時(shí)，會(huì)使圖像產(chǎn)生模糊；中值濾波在降低噪聲的同時(shí)，能夠較好的保持圖像邊緣，不過(guò)我感覺(jué)有點(diǎn)水粉畫(huà)的效果，讓圖像有點(diǎn)失真。 完成上述工作后，使用程序進(jìn)行驗(yàn)證分析：使用鄰域平均法時(shí)，3×3和5×5模板大小對(duì)圖像進(jìn)行處理的效果有何差別？并分析原因。 程序及源代碼都放在文件夾中，不放進(jìn)報(bào)告了。上面是對(duì)比圖，顯然5×5模板比3×3模版模糊，因?yàn)槭褂绵徲蚱骄〞r(shí)，模版尺寸越大，則圖像模糊程度越大。 六、心得體會(huì) 這次實(shí)驗(yàn)是對(duì)兩種去噪方法的比較。而在書(shū)本中，我們已經(jīng)看過(guò)兩種去噪方法的效果了，通過(guò)上機(jī)驗(yàn)證，果然如此。 在編寫(xiě)代碼中，我把算法設(shè)計(jì)的比較繁瑣，因?yàn)閳D像每一個(gè)像素的信息是由一維數(shù)組bitmap記錄的，所以在算均值與中值時(shí)花了很大的力氣。主要是添補(bǔ)周?chē)蝗Φ膱D像比較繁瑣，還有就是在一維數(shù)組中找模版中心和模版中的其他點(diǎn)。雖然我覺(jué)得用二維數(shù)組會(huì)使算法比較簡(jiǎn)單，但是我忘了二維數(shù)組如何動(dòng)態(tài)分配空間，所以只能硬著頭皮用一維數(shù)組做。 淺談中值濾波 1.中值濾波的現(xiàn)狀 在數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理的早期研究中,線性濾波是主要的處理手段。線性濾波簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及某些理想特性使其很容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)信號(hào)中含有非疊加性噪聲時(shí),例如非線性引起的噪聲或非高斯噪聲等,線性濾波的處理效果就很難令人滿意。在處理圖像時(shí),線性濾波將破壞邊緣,而且不能有效濾除脈沖噪聲。為了克服線性濾波方法的局限性,研究非線性濾波的方法為數(shù)字信號(hào)處理重要課題之一。 非線性濾波基于對(duì)輸入信號(hào)序列的一種非線性映射關(guān)系,常可把某一特定的噪聲近似映射為零而保留信號(hào)的重要特征,因而可以在一定程度上克服線性濾波的不足。 1971年著名學(xué)者J.W.Tukey在他的開(kāi)拓性論文中提出了中值濾波的概念并用作時(shí)間序列平滑。中值濾波一出現(xiàn)就因其具有對(duì)尖脈沖的良好抑制能力，在平滑加性噪聲時(shí)能保持信號(hào)的邊緣特征等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目。 常用的中值濾波是非線性濾波的代表，由于經(jīng)典的中值濾波算法在濾除噪聲的同時(shí)會(huì)使信號(hào)中重要的細(xì)節(jié)信息受損,因此,許多改進(jìn)的中值濾波算法相繼被提出。2.中值濾波 在數(shù)據(jù)處理中我們經(jīng)常使用的是滑動(dòng)中值濾波，即取定中值濾波的跨度N(一般 N 為奇數(shù))，在數(shù)據(jù)序列中順次取得 N 個(gè)數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)列的中值作為中心位置的值輸出以形成新的數(shù)據(jù)序列，在濾波中應(yīng)將原數(shù)據(jù)序列的兩個(gè)邊界各補(bǔ)充(N-1)/2(N為奇數(shù)時(shí))個(gè)等于邊界的點(diǎn)以使濾波后的新數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度與原始的數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度一致。2.1一般中值濾波 2.1．1一般中值濾波的基本原理 設(shè)有一個(gè)序列：x1,x2,x3,x4,x5，將它們按照絕對(duì)值大小重新排列此序列 x3, x5,x2, x4,x1 重排以后的中值是x2，此值就作為濾波的輸出。顯然，x2不能表示成輸入數(shù)據(jù)和濾波系數(shù)的褶積的線性組合。其主要特點(diǎn)有：(1)一般中值濾波絕對(duì)阻止噪聲峰值，因?yàn)橹兄禐V波只取中位數(shù)，絕對(duì)不會(huì)取異常數(shù)。例如有一組數(shù)(x1,x2,x3,x4,x5)正常數(shù) ? a≤xn≤a，n=2,3,4,5 異常數(shù) x1 >>a a 表示一個(gè)數(shù)，將以上數(shù)組自小到大排列后為(x3, x5,x2, x4,x1)取中位數(shù)x2，決不會(huì)取異常數(shù)x1。 (2)一般中值濾波是低通濾波器，中值濾波取中值為序列的輸出，可以看作是對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行局部平滑，這種局部平滑實(shí)質(zhì)就是低通濾波。 (3)一般中值濾波不改變階越函數(shù)在空間、時(shí)間上的位置，這一性質(zhì)對(duì)于信號(hào)處理中的保護(hù)邊緣有著重要的作用。 (4)當(dāng)中值濾波的濾波窗口足夠長(zhǎng)時(shí)，有限寬度的三角波和矩形波可以被完全平滑。 (5)中值濾波由于沒(méi)有統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的小的振幅值有時(shí)不能完全平滑，所以通常信號(hào)在中值濾波處理以后需要再進(jìn)行帶通濾波。2.1.2一般中值濾波(MF)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 中值濾波對(duì)數(shù)字序列有平滑作用，平滑也就是數(shù)據(jù)逼近，這樣則存在誤差，如何利用誤差最小來(lái)確定平滑參數(shù)，一般常見(jiàn)的有兩種準(zhǔn)則：(1)使誤差的平方和達(dá)到最小；(2)使誤差的絕對(duì)值和達(dá)到最小。平均值平滑的數(shù)學(xué)原理應(yīng)用準(zhǔn)則(1)，即符合誤差的平方和最小。中值濾波則是利用準(zhǔn)則(2)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)序列的平滑。 設(shè)x是 n 個(gè)數(shù)據(jù)序列的中位數(shù)，xi 表示一組序列。x與xi之差的絕對(duì)值和為： Q??x?xi（3.1.1） i?1n要使Q最小，則 ?Q?0（3.1.2）?xnnx?xi?Q?n2即 ?(x?xi)????Sign(x?xi)?0 ??x?xi?1i?1x?xii?1式中：Sign——符號(hào)函數(shù)。 當(dāng)xi >x 時(shí)，Sign 為負(fù)； 當(dāng)xi 這樣在選擇x時(shí)，使得在 n 個(gè)數(shù)中，有 n/2 個(gè)xi大于x,同樣有 n/2 個(gè)xi小于x，中間的xi即為x；如果 n 為偶數(shù)，則取中間的兩個(gè)xi的平均值為x。2.2 加權(quán)中值濾波 2.2.1 加權(quán)中值濾波(WM)的基本原理 由上可以看出通過(guò)改變加權(quán)系數(shù)，完全可以改變中值濾波的性質(zhì)，來(lái)達(dá)到我們的要求。 2.3 一維中值濾波對(duì)信號(hào)作用的結(jié)果分析 由于中值濾波是一種特殊的非線性濾波手段，它對(duì)脈沖的響應(yīng)為零，（在一個(gè)輸入上施加一個(gè)脈沖函數(shù)引起的時(shí)間響應(yīng)。）所以在傅氏域沒(méi)有“真正的”振幅譜和相位譜。我們只能通過(guò)它對(duì)已知信號(hào)及其頻譜特征的響應(yīng)來(lái)分析其各種濾波特性。雖然中值濾波的理論比較完善，但是由于多數(shù)情況處理的信號(hào)是對(duì)稱信號(hào)，所以并沒(méi)有人注意到中值濾波對(duì)信號(hào)相位的影響。 2.3.1一般中值濾波對(duì)對(duì)稱信號(hào)相位的影響 （1）在頻譜圖中，一般中值濾波引入了假高頻成分，并且在子波的頻帶范圍內(nèi)，濾波后子波的主要頻帶向低頻方向移動(dòng)，此特點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)該著重注意，要根據(jù)數(shù)據(jù)處理時(shí)的具體要求來(lái)判斷，同時(shí)也成為選擇濾波長(zhǎng)度的一個(gè)條件。 （2）經(jīng)過(guò)一般中值濾波后對(duì)稱信號(hào)的相位不發(fā)生移動(dòng)，這使得我們?cè)谔幚碛蓪?duì)稱信號(hào)(例如雷克子波、奧姆斯比子波等)作為子波的合成地震記錄時(shí)，不需要考慮相移問(wèn)題。但由此就得出結(jié)論說(shuō)中值濾波處理后的所有類(lèi)型的信號(hào)的相位都不發(fā)生移動(dòng)則是片面甚至錯(cuò)誤的。2.3.2 一般中值濾波對(duì)非對(duì)稱信號(hào)相位的影響 一般中值濾波對(duì)非對(duì)稱信號(hào)的處理效果不同于處理對(duì)稱信號(hào)，如果 用處理對(duì)稱信號(hào)的規(guī)律來(lái)對(duì)待非對(duì)稱信號(hào)則往往不能達(dá)到預(yù)期的效果。對(duì)應(yīng)濾波后的頻譜同樣向低頻方向移動(dòng)，但假高頻現(xiàn)象卻并不如對(duì)稱信號(hào)濾波后明顯。處理非對(duì)稱信號(hào)的同時(shí)必須注意選擇的濾波點(diǎn)數(shù)是否使相位的改變?cè)谝蟮姆秶鷥?nèi)。從濾波后和濾波前的最大振幅平方比來(lái)看濾波前后的能量變化，發(fā)現(xiàn)在同等情況下，一般中值濾波對(duì)非對(duì)稱信號(hào)的衰減能力大于對(duì)對(duì)稱信號(hào)的衰減。2.3.3 加權(quán)中值濾波對(duì)對(duì)稱信號(hào)相位的影響 （1）在頻譜圖中，加權(quán)中值濾波也引入了假高頻成分；并且濾波后的子波的主要頻帶向低頻方向移動(dòng)，說(shuō)明了加權(quán)中值濾波的低通濾波特性。 (2)同樣加權(quán)中值濾波對(duì)對(duì)稱信號(hào)的相位不產(chǎn)生影響。2.3.4 加權(quán)中值濾波對(duì)非對(duì)稱信號(hào)相位的影響 當(dāng)濾波長(zhǎng)度大于一定的子波寬度時(shí)，波形已經(jīng)失去了原有的形態(tài)，但是在波形失去原有形態(tài)之前，經(jīng)過(guò)加權(quán)中值濾波后的子波表現(xiàn)出較好的分辨率特性；在頻譜上加權(quán)中值濾波仍然表現(xiàn)出低通特性；信號(hào)的相位也因?yàn)V波而產(chǎn)生了畸變。 2.3.5 一般、加權(quán)中值濾波對(duì)不同信號(hào)作用的比較 一般中值濾波和加權(quán)中值濾波對(duì)于同一種信號(hào)表現(xiàn)出相似的特性：二者在處理對(duì)稱信號(hào)時(shí)，都起到了衰減的作用，并且對(duì)信號(hào)的相位都不產(chǎn)生影響，同時(shí)使信號(hào)的頻譜中摻入了假高頻成分，還表現(xiàn)出了中值濾波的低通特性；在處理非對(duì)稱信號(hào)時(shí)，除了對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減作用外，還使信號(hào)的相位發(fā)生了畸變。 盡管一般和加權(quán)中值濾波有相似之處，但是它們還是存在著較大的差異： 在處理對(duì)稱信號(hào)時(shí)，一般和加權(quán)中值濾波分別對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行濾波以后，信號(hào)的峰值很接近，但是加權(quán)中值濾波比一般中值濾波更有利于提高信號(hào)的分辨率，在頻譜上加權(quán)中值濾波比一般中值濾波表現(xiàn)出更加嚴(yán)重的假高頻現(xiàn)象。 在處理非對(duì)稱信號(hào)時(shí)，加權(quán)中值濾波比一般中值濾波表現(xiàn)出的更好的提高分辨率的性質(zhì)。而在相位譜分析中，盡管加權(quán)和一般中值濾波都使信號(hào)的相位發(fā)生改變，但是在濾波長(zhǎng)度較小的情況下，經(jīng)過(guò)一般中值濾波得到的信號(hào)的相位曲線雖然已經(jīng)發(fā)生改變，但是仍然與原始信號(hào)的相位曲線有相同的趨勢(shì)，并沒(méi)有偏離太多；而此時(shí)即使在濾波長(zhǎng)度較小的情況下，經(jīng)過(guò)加權(quán)中值濾波得到的信號(hào)的相位曲線已經(jīng)變得不可辨認(rèn)了。 經(jīng)過(guò)以上的討論，我們可以認(rèn)識(shí)到在實(shí)際地震資料的處理中，應(yīng)用中值濾波除了應(yīng)該考慮信噪比和分辨率以外，更加不容忽視的就是信號(hào)的相移問(wèn)題，這對(duì)于資料的可信度起著至關(guān)重要的作用。由于在實(shí)際中，經(jīng)常用到的一維中值濾波是不加權(quán)的，所以常常把一維不加權(quán)中值濾波簡(jiǎn)說(shuō)成一般中值濾波，但是隨著對(duì)處理手段的進(jìn)一步要求，加權(quán)中值濾波的地位日益突出，并且畢竟不加權(quán)的情況只是一種特殊的加權(quán)中值濾波，所以一般中值濾波的概念也應(yīng)該擴(kuò)充為加權(quán)中值濾波。 通過(guò)對(duì)兩種不同加權(quán)中值濾波（一般、加實(shí)數(shù)權(quán)）的討論，總結(jié)出了一些關(guān)于一維中值濾波方面的經(jīng)驗(yàn)： (1)通過(guò)不同權(quán)系數(shù)的選取，中值濾波表現(xiàn)出不同的特性，我們可以根據(jù)對(duì)實(shí)際情況的分析來(lái)選取不同的權(quán)系數(shù)以適應(yīng)各自的需要。 (2)本次只是選取了兩種特殊的權(quán)系數(shù)來(lái)分析，而在實(shí)際中存在著更多的權(quán)系數(shù)的選取方法，但是不管權(quán)系數(shù)的形式如何，都可以仿照本文的方法加以研究。 (3)雖然中值濾波可以滿足一定的要求，但是我們同時(shí)也應(yīng)該注意到它們存在的問(wèn)題：①中值濾波會(huì)引起信號(hào)形態(tài)上的畸變，而且畸變程度和濾波長(zhǎng)度有關(guān)；②中值濾波會(huì)引入假高頻，因此信號(hào)在經(jīng)過(guò)中值濾波后可以根據(jù)情況做一次低通濾波；③中值濾波對(duì)非對(duì)稱信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)引起相位畸變，因此在使用中值濾波之前應(yīng)該試驗(yàn)相位畸變是否在處理的允許的范圍內(nèi)；④雖然選取適當(dāng)?shù)臋?quán)系數(shù)后，加權(quán)中值濾波可以使信號(hào)提高分辨率，但是同時(shí)帶來(lái)“小臺(tái)階”效應(yīng)，因此經(jīng)過(guò)加權(quán)中值濾波處理后的信號(hào)推薦做一次平滑處理。 由于中值濾波是一類(lèi)特殊的濾波方法，因此我們利用它進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)應(yīng)該格外注意。為了得到預(yù)期的效果，處理之前做一下試驗(yàn)以確定最佳的濾波長(zhǎng)度是非常必要的。3中值濾波在地震資料處理中的應(yīng)用 3.1中值濾波在井間地震資料處理中的應(yīng)用 中值濾波是一種簡(jiǎn)便有效且信號(hào)失真較小的信號(hào)處理方法。在不同的道集域下，井間地震資料中的直達(dá)波、一次反射波和多次反射波在相鄰道間的時(shí)差具有不同的表現(xiàn)形式，利用這一特點(diǎn)，應(yīng)用中值濾波在不同道集域內(nèi)對(duì)井間地震資料進(jìn)行濾波處理，可以得到很好的效果。 對(duì)于井間地震資料，我們所需要的有效反射波是來(lái)自于激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)下方的一次反射波(上行反射)和來(lái)自于激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)上方的一次反射波(下行反射)，其它波均視為相關(guān)干擾或無(wú)效信息。中值濾波是以正常時(shí)差不同為基礎(chǔ)的多道濾波技術(shù)，在井間地震特殊的觀測(cè)系統(tǒng)中，中值濾波可以發(fā)揮其自身的優(yōu)點(diǎn)。 通過(guò)對(duì)井間地震不同道集域下道間時(shí)差的分析可以知道，僅運(yùn)用中值濾波即可達(dá)到較好的波場(chǎng)分離效果。為了驗(yàn)證不同道集域下中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)處理的效果，進(jìn)行直達(dá)波與多次波的衰減、一次反射波的增強(qiáng)以及上下行波場(chǎng)的分離。3.1.1直達(dá)波和多次波的衰減 首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，消除有效頻帶之外的噪音干擾，將共炮點(diǎn)道集重排為共偏移距道集。在共偏移距道集下，根據(jù)(1)式和(3)式可知，直達(dá)波和多次波除了受速度影響外，其相鄰道間時(shí)差為0，通過(guò)共偏移距道集對(duì)初至?xí)r間拉平排齊，在一定程度上消除了速度的影響，然后選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)窗參數(shù)，采用中值濾波消除相鄰道時(shí)差為0的波組記錄，使直達(dá)波和多次反射波得到衰減。3.1.2反射波的增強(qiáng) 把衰減了直達(dá)波和多次波的數(shù)據(jù)體重新抽道組成共中心點(diǎn)道集，對(duì)于共中心點(diǎn)道集，由于△s=-△g，根據(jù)(2)式可知，一次反射波在不受速度影響的情況下其相鄰道間的時(shí)差為0，通過(guò)共中心點(diǎn)道集對(duì)反射波時(shí)間拉平排齊，消除速度的影響，再次做中值濾波處理，本次中值濾波是為了保留相鄰道時(shí)差為0的波組記錄，而相鄰道時(shí)差不為0的波組記錄將被減弱，因而一次反射波同相軸得以增強(qiáng)，而其它 波場(chǎng)(如直達(dá)波和多次波)再次得到衰減(圖4，虛線圈)。3.1.3上、下行波場(chǎng)的分離 首先對(duì)上行反射波進(jìn)行拉平(圖5中的②)，然后通過(guò)中值濾波使上行反射增強(qiáng)而下行反射減弱(圖5中的③)，最后返回原始時(shí)間剖面得到上行反射波場(chǎng)(圖5中的④)；反之，得到下行反射波場(chǎng)(圖5中的⑤)。圖6為通過(guò)中值濾波最終獲得的上行和下行反射波場(chǎng)。 在波場(chǎng)分離中，對(duì)于資料相對(duì)較好的地震數(shù)據(jù)，僅應(yīng)用中值濾波即可達(dá)到較好的波場(chǎng)分離效果；對(duì)于信噪比較低的資料，可以用中值濾波技術(shù)使資料的有效波場(chǎng)加強(qiáng)，并得到上、下行反射信息，然后再利用中值濾波進(jìn)行波場(chǎng)分離。 井間觀測(cè)系統(tǒng)所具有的特殊性，使得同一種地震波在不同道集域下的時(shí)差表現(xiàn)形式不同，因此可以在井間地震處理中利用中值濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)直達(dá)波和多次波的衰減，反射波的增強(qiáng)以及上、下行反射波的分離。同時(shí)，由于中值濾波處理對(duì)地震原始資料畸變程度較小，因此可以提高井間地震資料反射成像的質(zhì)量。3.2多道中值濾波在分離VSP波場(chǎng)中的應(yīng)用？ 多道中值濾波處理流程圖 4.中值濾波特點(diǎn) 中值濾波是一個(gè)非線性過(guò)程，最大優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單且去噪效果明顯。中值濾波具有 如下特點(diǎn):(1)中值濾波絕對(duì)阻止噪聲峰值。 (2)中值濾波不改變階躍函數(shù)在空間、時(shí)間上的位置。（3）消除尖峰波以及增強(qiáng)部分有效波； （4）對(duì)野外原始地震資料信息的畸變和負(fù)面影響較小等優(yōu)點(diǎn)。(5)中值濾波平滑三角波,其平滑作用隨著中值濾波長(zhǎng)度N的增加而增加,當(dāng)其達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí),可將三角波平滑為具有相等幅度的理想的直流分量。 (4)中值濾波平滑矩形波,若中值濾波足夠長(zhǎng)時(shí),矩形波被完全平滑。 (6)中值濾波由于沒(méi)有像計(jì)算均值那樣的統(tǒng)計(jì)效應(yīng),對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的小的振幅值有時(shí)不能完全平滑。中值濾波實(shí)際上是一個(gè)平滑濾波,經(jīng)過(guò)其處理之后,主頻向低頻移動(dòng),高頻成分受到損害,正是由于其平滑作用,使處理后的地震數(shù)據(jù)波形過(guò)于一致而顯呆板,有一些信息不可能客觀反映出來(lái)。 5.總結(jié) 中值濾波器是一種特殊的非線性濾波器，與線性濾波器不同。線性濾波器的振幅、相位譜完全決定了濾波器在頻率域和時(shí)間域的特征。與之相比，中值濾波器對(duì)脈沖的響應(yīng)是零，在頻率域沒(méi)有“真正”的振幅譜和相位譜。所以，盡管中值濾波器原理很簡(jiǎn)單，但了解其特性比了解線性濾波器特性要困難得多。 雖然中值濾波技術(shù)在信號(hào)處理領(lǐng)域得到很大的重視，特別在非平穩(wěn)信號(hào)的處理中取得了較大的成功，然而中值濾波的一個(gè)嚴(yán)重不足是引起相對(duì)濾波窗口而言較為“細(xì)小”的信號(hào)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的破壞和丟失，在圖象處理中，中值濾波的這一缺憾要比在一維信號(hào)的處理中更加顯著。原因主要來(lái)自兩個(gè)方面： 第一，二維信號(hào)幾乎沒(méi)有根信號(hào)，也就是說(shuō)幾乎所有的二維信號(hào)經(jīng)中值濾波以后都要受到不同程度的破壞； 第二，圖象中的某些諸如細(xì)線，拐角等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)往往包含重要的信息，這些結(jié)構(gòu)的破壞或丟失往往比噪聲本身更為不可接受。所以，保護(hù)細(xì)節(jié)的中值類(lèi)濾波器的研究成為非線性濾波器研究的一個(gè)重要方面。多級(jí)中值濾波則正是人們?cè)谂で蟮募嬗屑?xì)節(jié)保護(hù)和噪聲抑制的優(yōu)良特性的濾波器結(jié)構(gòu)。研究表明，長(zhǎng)度較小的窗口能夠較好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息，但卻不能有效地濾除隨機(jī)噪聲；而長(zhǎng)度較大的滑動(dòng)窗口能更好地抑制噪聲，同時(shí)卻嚴(yán)重地?fù)p失重要信息。根據(jù)噪聲性質(zhì)自動(dòng)改變?yōu)V波窗口長(zhǎng)度的滑動(dòng)加權(quán)中值濾波器，更好地適應(yīng)去噪的需求。 數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)二 15生醫(yī) 一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 產(chǎn)生教材104頁(yè)題圖4.18（右圖）所示的二值圖像（白為1，黑為0），編程實(shí)現(xiàn)習(xí)題4.18所要求的處理（3x3的平均濾波和中值濾波）功能（圖像四周邊界不考慮，處理結(jié)果按四舍五入仍取0或1），顯示處理前后的圖像，比較其異同。 二、運(yùn)行環(huán)境 MATLAB R2014a 三、運(yùn)行結(jié)果及分析 1.四種不同的窗的3x3平均濾波 4鄰域平均濾波后圖像8鄰域平均濾波后圖像4鄰域加權(quán)平均濾波后圖像8鄰域加權(quán)平均濾波后圖像 ①在MATLAB圖形窗界面進(jìn)行放大可以看出四者之間的差別： 4領(lǐng)域與8鄰域之間沒(méi)有明顯差別，但是加權(quán)與未加權(quán)之間的差別較為明顯，體現(xiàn)在：加權(quán)后每個(gè)矩形塊的四個(gè)尖角部分都被保留了下來(lái)（圖像四周邊界不考慮），而未加權(quán)的尖角處黑色變?yōu)榘咨＂谠蚍治觯?/p> 加權(quán)后尖角處原來(lái)白色的點(diǎn)（1）進(jìn)行計(jì)算3/5=0.6四舍五入后值為1，保持白色，原來(lái)黑色的點(diǎn)（0）進(jìn)行計(jì)算2/5=0.4四舍五入后值為0，保持黑色；而未加權(quán)尖角處無(wú)論原來(lái)是黑色還是白色，進(jìn)行計(jì)算2/4=0.5四舍五入后值為1，所以原先的黑色（0）也變成了白色（1）。③下圖為放大后的截圖： 2.中值濾波與原圖像的對(duì)比 原圖像中值濾波后圖像 ①在MATLAB圖形窗界面進(jìn)行放大后可觀察出： 使用3x3方形中值濾波模板的效果與4領(lǐng)域、8領(lǐng)域加權(quán)平均濾波的效果相同，每個(gè)矩形塊的四個(gè)尖角部分都被保留了下來(lái)（圖像四周邊界不考慮）。②原因分析： 套用3x3方形中值濾波模板后，尖角處原來(lái)白色的點(diǎn)（1）在窗內(nèi)1多于0，取中值后仍保持白色，原來(lái)黑色的點(diǎn)（0）在窗內(nèi)0多于1，取中值后仍保持白色。③下圖為放大后的截圖： 四、心得體會(huì) 通過(guò)MATLAB編程更加理解了課后題的計(jì)算結(jié)果，直觀地看出了黑白像素點(diǎn)灰度值變化前后的取值異同。同時(shí)，對(duì)MATLAB實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)灰度值的替換機(jī)理也有所掌握，比如后邊附的程序中會(huì)提到的“%”標(biāo)注的思考。 五、具體程序 % 生成黑白塊圖像 unit=zeros(64,64);f=zeros(256,256);for i=1:1:32 for j=1:1:32 unit(i,j)=1;% 1/4白塊 end end for i=33:1:64 for j=33:1:64 unit(i,j)=1;% 1/4白塊 end end for i=1:64:256 for j=1:64:256 f(i:i+63,j:j+63)=unit;end end % 對(duì)原圖像進(jìn)行3x3平均濾波 for i=2:1:255 for j=2:1:255 fave4(i,j)=(f(i-1,j)+f(i+1,j)+f(i,j-1)+f(i,j+1))/4; fave8(i,j)=(f(i-1,j-1)+f(i-1,j)+f(i-1,j+1)+f(i,j-1)+f(i,j+1)+f(i+1,j-1)+f(i+1,j)+f(i+1,j+1))/8; fave4_weighted(i,j)=(f(i-1,j)+f(i+1,j)+f(i,j-1)+f(i,j+1)+f(i,j))/5; fave8_weighted(i,j)=(f(i-1,j-1)+f(i-1,j)+f(i-1,j+1)+f(i,j-1)+f(i,j+1)+f(i+1,j-1)+f(i+1,j)+f(i+1,j+1)+f(i,j))/9;end end fave4=round(fave4);%平均后灰度值有可能是小數(shù)，要取整 fave8=round(fave8);fave4_weighted =round(fave4_weighted);fave8_weighted =round(fave8_weighted);subplot(2,2,1);imshow(fave4);title('4鄰域平均濾波后圖像');subplot(2,2,2);imshow(fave8);title('8鄰域平均濾波后圖像')subplot(2,2,3);imshow(fave4_weighted);title('4鄰域加權(quán)平均濾波后圖像')subplot(2,2,4);imshow(fave8_weighted);title('8鄰域加權(quán)平均濾波后圖像') 4鄰域平均濾波后圖像8鄰域平均濾波后圖像4鄰域加權(quán)平均濾波后圖像8鄰域加權(quán)平均濾波后圖像 % 對(duì)原圖像進(jìn)行3x3方形中值濾波 for i=2:1:255 for j=2:1:255 a=[f(i-1,j-1),f(i-1,j),f(i-1,j+1),f(i,j-1),f(i,j),f(i,j+1),f(i+1,j-1),f(i+1,j),f(i+1,j+1)];b=sort(a);% 排序函數(shù) fmid(i,j)=b(5);% 9個(gè)數(shù)排序的中值 end end subplot(1,2,1);imshow(f);title('原圖像');subplot(1,2,2);imshow(fmid);title('中值濾波后圖像') 原圖像中值濾波后圖像 有關(guān)EMI的一點(diǎn)常識(shí) 濾波技術(shù)是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對(duì)付開(kāi)關(guān)電源EMI信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號(hào)，均可用差模和共模干擾信號(hào)來(lái)表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對(duì)稱性干擾；共模干擾在導(dǎo)線與地(機(jī)殼)之間傳輸，屬于非對(duì)稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小，共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號(hào)控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下。 除抑制干擾源以外，最有效的方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。一般設(shè)備的工作頻率約為10～50 kHz。EMC很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10 kHz算起。對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號(hào)，只要選擇相應(yīng)的去耦電路或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的EMI濾波器，就不難滿足符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的濾波效果。 瞬態(tài)干擾 是指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成單片開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在整流濾波后的直流輸入電壓ＶＩ上，使ＶＩ超過(guò)內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管的漏－源擊穿電壓Ｖ（ＢＲ）ＤＳ時(shí)，還會(huì)損壞ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ芯片，因此必須采用抑制措施。 通常，靜電放電（ESD）和電快速瞬變脈沖群（EFT）對(duì)數(shù)字電路的危害甚于其對(duì)模擬電路的影響。靜電放電在5 — 200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)常出現(xiàn)在35MHz — 45MHz之間發(fā)生自激振蕩。許多I/O電纜的諧振頻率也通常在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，結(jié)果，電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。 當(dāng)電纜暴露在4 — 8kV靜電放電環(huán)境中時(shí)，I/O電纜終端負(fù)載上可以測(cè)量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V。這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字的門(mén)限電壓值0.4V。典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間大約為400納秒。將I/O電纜屏蔽起來(lái)，且將其兩端接地，使內(nèi)部信號(hào)引線全部處于屏蔽層內(nèi)，可以將干擾減小60 — 70dB，負(fù)載上的感應(yīng)電壓只有0.3V或更低。 電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機(jī)殼線路。電源線濾波器可以對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)。線 — 地之間的共模電容是抑制這種瞬態(tài)干擾的有效器件，它使干擾旁路到機(jī)殼，而遠(yuǎn)離內(nèi)部電路。當(dāng)這個(gè)電容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時(shí)，共模扼流圈必須提供更大的保護(hù)作用。這通常要求使用專(zhuān)門(mén)的帶中心抽頭的共模扼流圈，中心抽頭通過(guò)一只電容（容量由泄漏電流決定）連接到機(jī)殼。共模扼流圈通常繞在高導(dǎo)磁率鐵氧體芯上，其典型電感值為15 ～ 20mH。 傳導(dǎo)的抑制 往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護(hù)，因?yàn)樵O(shè)備或系統(tǒng)上的電纜才是最有效的干擾接收與發(fā)射天線。許多設(shè)備單臺(tái)做電磁兼容實(shí)驗(yàn)時(shí)都沒(méi)有問(wèn)題，但當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備連接起來(lái)以后，就不滿足電磁兼容的要求了，這就是電纜起了接收和輻射天線的作用。唯一的措施就是加濾波器，切斷電磁干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同夠成完善的電磁干擾防護(hù)，無(wú)論是抑制干擾源、消除耦合或提高接收電路的抗能力，都可以采用濾波技術(shù)。針對(duì)不同的干擾，應(yīng)采取不同的抑制技術(shù)，由簡(jiǎn)單的線路清理，至單個(gè)元件的干擾抑制器、濾波器和變壓器，再至比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器和凈化電源，以及價(jià)格昂貴而性能完善的不間斷電源，下面分別作簡(jiǎn)要敘述。 專(zhuān)用線路 只要通過(guò)對(duì)供電線路的簡(jiǎn)單清理就可以取得一定的干擾抑制效果。如在三相供電線路中認(rèn)定一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源；以另一相作為外部設(shè)備的供電電源；再以一相作為常用測(cè)試儀器或其他輔助設(shè)備的供電電源。這樣的處理可避免設(shè)備間的一些相互干擾，也有利于三相平衡。值得一提的是在現(xiàn)代電子設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而是疊加，因此過(guò)于纖細(xì)的中線會(huì)造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時(shí)過(guò)細(xì)的中線還會(huì)造成中線過(guò)熱。 瞬變干擾抑制器 屬瞬變干擾抑制器的有氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉(zhuǎn)移型干擾吸收器件（以氣體放電管為例，當(dāng)出現(xiàn)在放電管兩端的電壓超過(guò)放電管的著火電壓時(shí)，管內(nèi)的氣體發(fā)生電離，在兩電極間產(chǎn)生電弧。由于電弧的壓降很低，使大部分瞬變能量得以轉(zhuǎn)移，從而保護(hù)設(shè)備免遭瞬變電壓破壞）。瞬變干擾抑制器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。 氣體放電管 氣體放電管也稱避雷管，目前常用于程控交換機(jī)上。避雷管具有很強(qiáng)的浪涌吸收能力，很高的絕緣電阻和很小的寄生電容，對(duì)正常工作的設(shè)備不會(huì)帶來(lái)任何有害影響。但它對(duì)浪涌的起弧響應(yīng)，與對(duì)直流電壓的起弧響應(yīng)之間存在很大差異。例如90V氣體放電管對(duì)直流的起弧電壓就是90V，而對(duì)5kV/μs的浪涌起弧電壓最大值可能達(dá)到1000V。這表明氣體放電管對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)速度較低。故它比較適合作為線路和設(shè)備的一次保護(hù)。此外，氣體放電管的電壓檔次很少。 金屬氧化物壓敏電阻 由于價(jià)廉，壓敏電阻是目前廣泛應(yīng)用的瞬變干擾吸收器件。描述壓敏電阻性能的主要參數(shù)是壓敏電阻的標(biāo)稱電壓和通流容量即浪涌電流吸收能力。前者是使用者經(jīng)常易弄混淆的一個(gè)參數(shù)。壓敏電阻標(biāo)稱電壓是指在恒流條件下（外徑為7mm以下的壓敏電阻取0.1mA；7mm以上的取1mA）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓降。由于壓敏電阻有較大的動(dòng)態(tài)電阻，在規(guī)定形狀的沖擊電流下（通常是8/20μs的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓（亦稱是最大限制電壓）大約是壓敏電阻標(biāo)稱電壓的1.8～2倍（此值也稱殘壓比）。這就要求使用者在選擇壓敏電阻時(shí)事先有所估計(jì)，對(duì)確有可能遇到較大沖擊電流的場(chǎng)合，應(yīng)選擇使用外形尺寸較大的器件（壓敏電阻的電流吸收能力正比于器件的通流面積，耐受電壓正比于器件厚度，而吸收能量正比于器件體積）。使用壓敏電阻要注意它的固有電容。根據(jù)外形尺寸和標(biāo)稱電壓的不同，電容量在數(shù)千至數(shù)百pF之間，這意味著壓敏電阻不適宜在高頻場(chǎng)合下使用，比較適合于在工頻場(chǎng)合，如作為晶閘管和電源進(jìn)線處作保護(hù)用。特別要注意的是，壓敏電阻對(duì)瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能（達(dá)ns)級(jí)，故安裝壓敏電阻必須注意其引線的感抗作用，過(guò)長(zhǎng)的引線會(huì)引入由于引線電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓（在示波器上，感應(yīng)電壓呈尖刺狀）。引線越長(zhǎng)，感應(yīng)電壓也越大。為取得滿意的干擾抑制效果，應(yīng)盡量縮短其引線。關(guān)于壓敏電阻的電壓選擇，要考慮被保護(hù)線路可能有的電壓波動(dòng)（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流電路，還要注意電壓有效值與峰值之間的關(guān)系。所以對(duì)220V線路，所選壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)當(dāng)是220×1.4×1.4≈430V。此外，就壓敏電阻的電流吸收能力來(lái)說(shuō)，1kA（對(duì)8/20μs的電流波）用在晶閘管保護(hù)上，3kA用在電器設(shè)備的浪涌吸收上；5kA用在雷擊及電子設(shè)備的過(guò)壓吸收上；10kA用在雷擊保護(hù)上。壓敏電阻的電壓檔次較多，適合作設(shè)備的一次或二次保護(hù)。2.1.7硅瞬變電壓吸收二極管（TVS管）硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級(jí)）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。TVS管有單方向（單個(gè)二極管）和雙方向（兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管）兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。 TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)： １、對(duì)瞬變電壓的吸收功率（峰值）與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值），而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。 ２、對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。 ３、對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。 ４、作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問(wèn)題。 ５、特別要注意TVS管的引線長(zhǎng)短，以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。 ６、當(dāng)沒(méi)有合適電壓的TVS管供采用時(shí)，允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。 ７、TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。 ８、固體放電管 固體放電管是一種較新的瞬變干擾吸收器件，具有響應(yīng)速度較快（10～20ns級(jí)）、吸收電流較大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。固體放電管與氣體放電管同屬能量轉(zhuǎn)移型。當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，管子呈截止?fàn)睢Ｒ坏└蓴_超出觸發(fā)電壓時(shí)，伏安特性發(fā)生轉(zhuǎn)折，進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，此時(shí)電流極大，而導(dǎo)通電阻極小，使干擾能量得以轉(zhuǎn)移。隨著干擾減小，通過(guò)放電管電流的回落，當(dāng)放電管的通過(guò)電流低于維持電流時(shí)，放電管就迅速走出低阻區(qū)，而回到高阻態(tài)，完成一次放電過(guò)程。固體放電管的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的短路失效模式（器件失效時(shí)，兩電極間呈短路狀），為不少應(yīng)用場(chǎng)合所必須，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。固體放電管的電壓檔次較少，比較適合于作網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備，乃至部件一級(jí)的保護(hù)。 空間頻率濾波 空間頻率濾波是在光學(xué)系統(tǒng)的空間頻譜面上放置適當(dāng)?shù)臑V波器，去掉（或有選擇地通過(guò)）某些空間頻率或改變它們的振幅和位相，使物體的圖像按照人們的希望得到改善。它是信息光學(xué)中最基本、最典型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，是相干光學(xué)信息處理中的一種最簡(jiǎn)單的情況。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解傅里葉光學(xué)基本理論的物理意義，加深對(duì)光學(xué)空間頻率、空間頻譜和空間頻率濾波等概念的理解； 2.驗(yàn)證阿貝成像原理，理解成像過(guò)程的物理實(shí)質(zhì)——“分頻”與“合成”過(guò)程，了解透鏡孔徑對(duì)顯微鏡分辨率的影響； 二、實(shí)驗(yàn)原理 1.傅里葉光學(xué)變換 設(shè)有一個(gè)空間二維函數(shù)g(x,y)，其二維傅里葉變換為 G(?,?)??????g(x,y)exp[?i2?(?x??y)]dxdy(1)式中?,?分別為x,y方向的空間頻率，而g(x,y)則為G(?,?)的傅里葉逆變換，即 ?g(x,y)?????G(?,?)exp[i2?(?x??y)]d?d?(2) 式（2）表示，任意一個(gè)空間函數(shù)g(x,y)可表示為無(wú)窮多個(gè)基元函數(shù)exp[i2?(?x??y)]的線性迭加，G(?,?)是相應(yīng)于空間頻率為?,?的基元函數(shù)的權(quán)重，G(?,?)稱為g(x,y)的空間頻譜。 用光學(xué)的方法可以很方便地實(shí)現(xiàn)二維圖像的傅里葉變換，獲得它的空間頻譜。由透鏡的傅里葉變換性質(zhì)知，只要在傅里變換透鏡的前焦面上放置一透率為g(x,y)的圖像，并以相干平行光束垂直照明之，則在透鏡后焦面上的光場(chǎng)分布就是g(x,y)的傅里葉變換G(?,?)，即空間頻譜G(x?f,y??f)。其中?為光波波長(zhǎng)，f為透鏡的焦距，（x?,y?）為后焦面（即頻譜面）上任意一點(diǎn)的位置坐標(biāo)。 顯然，后焦面上任意一點(diǎn)（x?,y?）對(duì)應(yīng)的空間頻率為 ??x?/?f??y?/?f 2.阿貝成像原理 傅里葉變換光學(xué)在光學(xué)成像中的重要性，首先在顯微鏡的研究中顯示出來(lái)。阿貝在1873年提出了相干光照明下顯微鏡的成像原理。他認(rèn)為在相干平等光照明下，顯微鏡的成像過(guò)程可以分成二步。第一步是通過(guò)物的衍射光在透鏡的后焦面（即頻譜面）上形成空間頻譜，這是衍射所引起的“分頻”作用；第二步是代表不同空間頻率的各光束在像平面上相干迭加而 形成物體的像，這是干涉所引起的“合成”作用。圖1表示這下一成像光路和過(guò)程。 x? 象平面 圖1阿貝成像原理 成像的這二個(gè)過(guò)程，本質(zhì)上就是兩次傅里葉變換。第一個(gè)過(guò)程把物面光場(chǎng)的空間分布 g(x,y)變?yōu)轭l譜面上空間頻率分布G(?,?)，第二個(gè)過(guò)程則是將頻譜面上的空間頻譜分布 G(?,?)作傅里 葉逆變換還原為空間分布（即將各頻譜分量又復(fù)合為像）。因此，成像過(guò)程經(jīng)歷了從空間域到頻率域，又從頻率域到空間域的兩次變換過(guò)程。如果兩次變換完全是理想的，即信息沒(méi)有任何損失，則像和物應(yīng)完全相似（除了有放大或縮小外）。但一般說(shuō)來(lái)像和物不可能完全相似，這是由于透鏡的孔徑是有限的，總有一部分衍射角度大的高次成分（高頻信息）不有進(jìn)入到物鏡而被丟棄了，所以像的信息總是比物的信息要少一些，像和物不可能完全一樣。因?yàn)楦哳l信息主要反應(yīng)物的細(xì)節(jié)，所以，當(dāng)高頻信息受到孔徑的阻擋而不能到達(dá)像平面時(shí)，無(wú)論顯微鏡有多大放大倍數(shù)，也不可能在像平面上分辨這些細(xì)節(jié)，這是顯微鏡分辨率受到限制的根本原因。特別當(dāng)物的結(jié)構(gòu)非常精細(xì)（如很密的光柵）或物鏡孔徑非常小時(shí)，有可能只有0級(jí)衍射（空間頻率為0）能通過(guò)，則在像平面上雖有光照，卻完全不能形成圖像。 3.空間濾波 由以上討論知，成像過(guò)程本質(zhì)上是兩次傅里葉變換。即從空間復(fù)振幅分布函數(shù)g(x,y)變?yōu)轭l譜函數(shù)G(?,?)，然后再由頻譜函數(shù)G(?,?)變回到空間函數(shù)g(x,y)（忽略放大率）。顯然，如果我們?cè)陬l譜面（即透鏡后焦面）上人為地放一些模板（吸收板或相移板）以減弱 某些空間頻率成份或改變某些頻率成分的相位，便可使像面上的圖像發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣的圖像處理稱為空間濾波。頻譜面上這種模板稱為濾波器，最簡(jiǎn)單的濾波器是一些特殊形狀的光闌，如圖2所示。 (a)(b)(c)(d) 圖 2簡(jiǎn)單的空間濾波器 圖2中(a)為高通濾波器，它是一個(gè)中心部分不透光的光屏，它能濾去低頻成分而允許高頻成分通過(guò)，可用于突出像的邊沿部分或者實(shí)現(xiàn)像的襯度反轉(zhuǎn)；(b)為低通濾波器，其作 用是濾掉高頻成分，僅讓靠近零頻的低頻成分通過(guò)。它可用來(lái)濾掉高頻噪聲，例如濾去網(wǎng)板照片中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；(c)為帶通濾器，它可讓某些需要的頻譜分量通過(guò)，其余被濾掉，可用于消除噪音；(d)為方向?yàn)V波器，可用于去除某些方向的頻譜或僅讓某些方向的頻譜通過(guò)，用于突出圖像的某些特征。 三、實(shí)驗(yàn)光路 實(shí)驗(yàn)光路如圖3所示。其中L1，L2組成的倒裝望遠(yuǎn)系統(tǒng)將激光擴(kuò)展成具有較大截面的平行光束，透鏡L為成像透鏡。 圖3實(shí)驗(yàn)光路圖 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.光路調(diào)節(jié)，按圖3布置光路,并按以下步驟調(diào)節(jié)光路： (1)調(diào)節(jié)激光束與導(dǎo)軌平行（調(diào)節(jié)時(shí)，可在導(dǎo)軌上放置一與導(dǎo)軌同軸的小孔光闌，當(dāng)光闌在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)時(shí)，激光束始終能通過(guò)小孔即可）。 (2)將L1，L2放入光路并使它們與激光束共軸。調(diào)節(jié)L1與L2之間的距離使之等于它們的焦距之和以獲得截面較大的平行光。 (3)將物和成像透鏡L放入光路，調(diào)節(jié)L與物之間的距離使像面上得到一放大的實(shí)像。2.空間濾波 (1)在譜面上不放置任何濾光片，觀察后焦面上的頻譜分布及像面上的像。 (2)在頻譜面上放置不同的濾波器，觀察像變化情況并將觀察到的圖像記錄在表中，對(duì)圖像的變化作出適當(dāng)?shù)慕忉尅?/p> 3.選作 將透明圖案板作為物，觀察后焦面上的頻譜分布和像面上的像，然后在后焦面上放一高通濾波器擋住譜面中心，觀察像面上的圖像并解釋之。 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果 1.空間濾波 表空間濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2.選作部分 將透明圖案板作為物，觀察后焦面上的頻譜分布和像面上的像，然后在后焦面上放一高通濾波器擋住譜面中心，觀察像面上的圖像并解釋之。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:想面上出現(xiàn)圓圈圖像,高通濾波器是一個(gè)中心部分不透光的光屏,它能濾過(guò)低頻成分而能允許高頻成分通過(guò),本實(shí)驗(yàn)中突出像的邊沿部分,故觀察到頻率比中間高的圓圈.五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1.在單透鏡系統(tǒng)中加入簡(jiǎn)單濾波器進(jìn)行濾波之后，觀察到得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象各不相同，（1）低通濾波器，它只允許位于頻譜面中心及其附近的低通分量通過(guò)，去掉頻譜面上離光軸較遠(yuǎn)的高頻成份從而濾掉高頻噪音，由于僅保留了離軸較近的低頻成份，因而圖像細(xì)結(jié)構(gòu)消失，利用它可以消除圖像上周期性的網(wǎng)格； （2）高通濾波器，它阻擋低頻分量而允許高頻成份通過(guò)，可以實(shí)現(xiàn)圖像的襯度反轉(zhuǎn)或邊緣增強(qiáng)，所以圖像輪廓明顯。若把高通濾波器的擋光屏變小，僅濾去零頻成份，則可除去圖像中的背景，提高圖像質(zhì)量，進(jìn)行邊緣增強(qiáng)； （3）帶通濾波器，它只允許特定空間的頻譜通過(guò)，可以去除隨機(jī)噪聲，還可以對(duì)信號(hào)或缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分離各種有用信息； （4）方向?yàn)V波器，它僅通過(guò)（或阻擋）特定方向上的頻譜分量，可以突出某些方向特征。 2.實(shí)驗(yàn)證明了阿貝成像理論的正確性： 像的結(jié)構(gòu)直接依賴于頻譜的結(jié)構(gòu)，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像的結(jié)構(gòu)；像和物的相似程度完全取決于物體有多少頻率成分能被系統(tǒng)傳遞到像面。 3.實(shí)驗(yàn)充分證明了傅里葉分析和綜合的正確性： （1）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息；頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息； （2）零頻分量是直流分量，它只代表像的本底； （3）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像的襯度發(fā)生反轉(zhuǎn)； （4）僅允許低頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣銳度降低；僅允許高頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)； （5）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì) 六、思考題 1.當(dāng)光源換成白光光源時(shí)，仍用本實(shí)驗(yàn)所用的濾波器進(jìn)行空間濾波，其結(jié)果如何？ 答:會(huì)產(chǎn)生多個(gè)衍射斑，圖像中間是白色的，而圖像周邊是彩色的。 七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)踐和相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，我們了解到了空間濾波的基本原理，以及方向?yàn)V波、高通濾波、低通濾波等濾波技術(shù),對(duì)阿貝成像的物理現(xiàn)象有了更為直觀的了解,對(duì)光在頻譜方面的應(yīng)用有了一個(gè)初步的了解，阿貝成像的理論在實(shí)際光通信等領(lǐng)域具有很強(qiáng)大的指導(dǎo)意義，我們可以通過(guò)頻譜濾波器選擇我們需要的信息部分，通過(guò)先分頻再合成的方法傳輸信息。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)老師的指導(dǎo)，我們認(rèn)真預(yù)習(xí)，初步了解實(shí)驗(yàn)原理，查閱資料，并細(xì)心研究推導(dǎo)了有關(guān)實(shí)驗(yàn)公式，按老師的要求，做到心中有數(shù)，使實(shí)驗(yàn)有目的地，逐步地進(jìn)行。做物理實(shí)驗(yàn)需要過(guò)人的毅力和耐心。本實(shí)驗(yàn)在調(diào)節(jié)圖像時(shí)，我們遇到了不小的困難。我們發(fā)現(xiàn)，由于本實(shí)驗(yàn)光路很敏感以及對(duì)精度的高要求性，激光管以及光具座上的光學(xué)器件必須調(diào)水平，且光心在同一條直線上。經(jīng)過(guò)不懈的調(diào)試，我們終于得到了傅里葉頻譜，此后，我們按照書(shū)上的要求一步一步地進(jìn)行了測(cè)量和記錄，體會(huì)到了物理實(shí)驗(yàn)的邏輯性，感受到了實(shí)驗(yàn)與所學(xué)知識(shí)的結(jié)合。在今后的實(shí)驗(yàn)中，我們會(huì)吸取經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)不足、不斷前進(jìn)，努力使實(shí)驗(yàn)更加完美的。第二篇：淺談 中值濾波
第三篇：數(shù)字圖像處理_平均濾波與中值濾波(含MATLAB代碼)[小編推薦]
第四篇：濾波技術(shù)
第五篇：空間頻率濾波實(shí)驗(yàn)報(bào)告
點(diǎn)擊咨詢 