EAST等离子体图像边界提取算法的改进

EAST等离子体图像边界提取算法的改进

余远春1，罗家融1，舒双宝2，崔治学1，代路伟1

(1.东华大学 理学院，上海201620；

2.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：本文采用快速CCD相机采集托卡马克装置的等离子体放电图像，根据等离子体放电的位置特点，采用基于Otsu阙值改良的Canny算法对等离子体图像进行等离子体边界位置的提取，并通过最小二乘法进行边界拟合，从而得到准确的等离子体位置。

关键词：EAST；Otsu；Canny；等离子体；最小二乘法

中图分类号：TL659 文献标志码：A

收稿日期：2014-08-04;修回日期：2014-11-17

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11105028)

作者简介：余远春(1988—)，男，四川江油人，硕士研究生，光学工程专业

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

由中国科学院等离子体物理研究所研制的世界上首个非圆截面全超导托卡马克装置(EAST)，自从2006年建成以来已取得大量实验成果[1-2]。托卡马克中等离子体的稳态运行是实现聚变反应堆所必需的条件，在托卡马克运行控制中反馈控制信号主要来自电磁测量信号，但在托卡马克启动阶段，由于等离子体击穿和形成电流过程的复杂性以及电流形成过程中真空室壁上的感应涡流对磁测量产生的严重干扰，使测量信号很难真实反映等离子体电流的实际情况，因此，难以实现对等离子体电流和位置的可靠控制[3-4]。为解决此问题，中国科学院等离子体物理研究所在EAST装置上，采用快速CCD相机采集并保存托卡马克等离子体放电时的图像，然后用改进的主动轮廓模型算法实时获得等离子体的边界位置[5]，并通过最小二乘法对其边界进行拟合处理和计算以得到等离子体的位置，以此为参数对等离子体进行反馈控制，实现对等离子体的稳定控制。但在实验中发现，在处理高亮度的等离子体放电图像时，用改进的主动轮廓模型算法[5]无法获得准确的等离子体边界。为能准确地识别等离子体的边界，本文提出一种基于Otsu阙值改良的Canny边缘检测算法，来提取等离子体边界的位置。

1基于Otsu阙值改良的Canny算法等离子体图像边缘识别

1.1等离子体图像的初步处理

等离子体图像采集出来的图片可以采用多种颜色格式来表述。本文采用JPG格式的图片，它是YUV颜色模式的数据结构，其中Y表示亮度，U和V表示颜色，其与RGB色彩模式的转换关系为：

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为RGB色彩模式中的红、绿、蓝3个通道的颜色。

由式(2)、(3)可看出，U中B的权重较大，而V中R的权重较大。结合等离子体图像发现，提取边缘区域的R的权重最大，所以本文取第3个分量，即V。将等离子体图像进行初步的灰度化，从而更利于得到精确的等离子体边缘。

1.2Otsu阙值改良

等离子体图像经初步的灰度化后，需对灰度图像进行阙值改良和阙值分割。阙值分割是一种图像分割的典型算法，由于其简单有效而被广泛地运用在图像处理和计算机视觉领域[6]。常用的阙值分割方法包括Ostu法、梯度统计法、直方图双峰法等。在EAST上，用快速CCD采集出的图像具有噪声少和目标背景像素数目差别大的特点，所以采用分割效果较好的Otsu法来进行阙值分割。Ostu法的原理如下。

(4)

(5)

(6)

(7)

∂(T)=P0(T)P1(T)(μ0(T)-μ1(T))2

(8)

1.3Canny边缘检测

经Ostu阙值改良后，选用Canny提取需要的边界，Canny边缘检测的原理为：Canny算子既能滤去噪声又保持边缘特性的边缘检测滤波器，采用二维高斯函数的任意方向上的一阶方向导数为噪声滤波器，通过对图像卷积进行滤波，然后对滤波后的图像寻找图像梯度的局部最大值[7]，以此来确定图像边缘。Canny算子具有高灵敏度和高检测速度的优势。其二维高斯函数的数学描述为：

(9)

其中，δ为高斯函数的标准差。

其可等效为用水平方向G(x)和竖直方向G(y)的两个一维高斯滤波器。在某一方向n上G(x,y)的方向导数为：

(10)

经平滑后的图像可用式(11)得到：

(11)

梯度幅值可根据式(10)利用方向导数计算得到。

1.4边界拟合

Canny提取出的边界粗糙、有噪声，不能直接用来拟合等离子体边界，因此在拟合前，需将Canny提取出的边界数据根据等离子体具体的位置进行筛选，选取合适的边界数据再进行拟合，从而得到所需要的光滑的等离子体边界[8]。边界拟合的方法[5]如下。

设等离子体边界上的点n(xi,yi)满足圆的方程：

(12)

其中：(a，b)为圆心；r为半径。但实际上，式(12)的两边并不完全相等，它有一残差α，可表示为：

(13)

其均方根的和Q为：

(14)

(15)

令：

(16)

可得到：

(17)

2实验结果与分析

用文献[5]中改进的主动轮廓模型算法处理16 579炮某时刻等离子体放电图像，结果如图1所示。图1a为图像用改进的主动轮廓模型算法识别出的等离子体边界，可看出，其结果完全不能正确反应等离子体的真实位置，真实的等离子体位置如图1b中圆圈的位置所示。

图1　改进的主动轮廓模型算法识别的 等离子体边界(a)与等离子体真实边界(b) Fig.1　Plasma boundary of improved active contour model algorithm (a) and real plasma boundary (b)

图2　16 579炮图像检测效果 Fig.2　16 579 result of image detection

运用Matlab实现本文所提出的算法，处理16 579炮某时刻等离子体的放电图像，其结果如图2所示。其中，图2a为该时刻等离子体放电图像原图，图2b为运用本文提出的方法进行边界提取，拟合后得到的等离子体的边界图像。将图2b与图1b作对比，可看到，该方法检测出来的等离子体边界与实际的等离子体边界十分符合。

运用本文所提出的边界识别算法，不仅能识别改进的主动轮廓模型算法所适用的等离子体放电图像，还能适用于其他亮度的等离子体放电图像，且都能准确地识别出等离子体的位置。图3a、b、c分别为14 975炮、16 570炮、16 579炮放电过程中，不同时刻不同亮度的等离子体放电图像用本文所提出的算法识别出的等离子体边界。

图3　图像检测效果 Fig.3　 Result of image detection

3结论

本文提出的等离子体边缘检测的算法，能准确地识别出等离子体图像的位置信息，且能适用于不同亮度的等离子体放电图像，为实验人员进行等离子体放电的反馈控制提供了可靠的实验数据。

参考文献：

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[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.

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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).

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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]章毓晋. 图像工程[M]. 北京：清华大学出版社，1999.

[8]薛二兵. EAST超导托卡马克等离子体放电上升段特性的研究[D]. 上海：东华大学，2012.