[發明專利]一種形態濾波方法及裝置

有效

• 申請號: 201410079695.7
• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103840793A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 程春玲;王家良;高陽;陳興國
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H03H17/02
• 分類號: H03H17/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 楊楠

技術領域

本發明涉及數字信號的濾波方法，尤其涉及一種形態濾波方法及裝置，屬于模式識別技術領域。

背景技術

研究去除干擾信號的方法已經經歷了較長時間的發展，盡管目前尚未建立完整的濾噪方法體系，但是存在一些濾噪方法已被證明是有效的，例如：濾波器法、自適應對消、普減法。周期性噪聲的功率譜具有許多離散的譜峰，因此，很容易通過檢測功率譜來發現它們，從而采用濾波方法將其濾波。自適應對消是由自適應濾波器來完成的，自適應濾波器在輸入信號和噪聲的統計特性未知或變化的情況下，能調整自身參數，使得估計出的噪聲與實際噪聲最接近，以達到最佳濾波效果。但是其存在以下問題：第一，自適應噪聲對消法，最關鍵的一步是，需要得到噪聲的相關成分，即需要有一個參考信號，而得到這個參考信號需要較為復雜的操作，導致時間復雜度變大；第二，在只用低通濾波器來進行噪聲消除，則會損失信號的高頻部分，使得質量下降。譜減法是計算量小的濾除信號中噪音的方法，其基本原理是從帶噪信號的短時譜中減去噪聲譜，得到的就是純凈信號的頻譜，這就達到了濾除噪音的目的。

形態濾波方法不同于上面的幾類方法，它是一種非線性處理方法，理論是由GMatheron和J.Serra等人在八十年代初創立的。形態濾波器是基于信號的幾何結構特性，利用預先定義的結構元素(相當于濾波窗)對信號進行匹配或局部修正，以達到提取信號，抑制噪聲的目的。數學形態學的運算以腐蝕和膨脹著兩種基本運算為基礎，引出了其它常用的數學形態學運算開運算、閉運算等，它們是全部形態學的基礎。

從改善濾波效果的影響因素可以將數學形態濾波器分為兩類：第一，設計新穎的變換形式，改善形態濾器的濾波效果；第二，選擇合適的結構元素并設定結構元素的參數值，從而改善形態濾波器的濾波效果。就形態濾波器變換形式而言，在現有的文獻中，一般采用兩種方式。第一種是采用一種線性級聯的方式，這種方式是由Mohsen?Bakhshi?Ashtiani在文獻Feature-oriented?De-noising?of?Partial?Discharge?Signals?Employing?Mathematical?Morphology?Filters中提出的；第二種則采用的是一種先級聯后并聯的方式，這種方式是由Bouaynaya在文獻M-Idempotent?and?Self-Dual?Morphological?Filters提出的，以上這些變換形式的設計方法在濾波過程中有以下缺點：第一，對于在濾波過程中，不能實時的選擇結構元素，這種設計方式，只能預先選定結構元素，然后再參與運算，當環境發生一些變化時，不能保證剛才所選的結構元素還是最佳的；第二，對于開閉運算的偏倚現象，不能自適應調整，只能預先設定好偏倚校正系數，從而達不到較好的預期結果。就形態濾波器結構元素選擇而言，現有的文獻采用以下方式：①白銀剛等人在一種廣義多結構元形態濾波器的文獻中提出了采用多結構元素的方法，構造了廣義形態開最大和廣義形態閉最小濾波器，這類濾波器具有平移不變性、遞增性、對偶性等重要性質。這樣構造濾波器可以減少算法的運算量，較好的保持細節，同時達到抑制正負脈沖噪聲的作用。但是這種廣義形態開最大、閉最小濾波器不具有冪等性，進行一次濾波不能求出根信號。②余農等人在紅外目標檢測的自適應背景感知算法文獻中提出一種非凸型結構元素，利用這種結構元進行信號處理，促進了濾波質量和運算速度的雙向提高，并且改善了對雜波起伏不夠敏感的固有缺陷。③曹潔等人在自適應廣義數學形態學抑制局部放電窄帶干擾文獻中提出對不同結構元素采用最小均方自適應算法，不斷優化權系數，使得濾波效果達到最佳。其缺點是在反復的迭代優化參數時，時間復雜度較高。④張偉等人在一種基于改進算子的形態學邊緣檢測算法中提出一種多結構尺度形態學邊緣檢測算法，通過構建新算子實現邊緣檢測。在該算法中，分別將各個結構元素下的檢測結果進行加權求和。這種方法具有更好的噪聲抑制能力，而且邊緣定位準確，檢測到的邊緣輪廓更加清晰完整，但是其自適應效果較差，對于選擇較好結構元素存在較大的困難。⑤申雪利等人在新型形態學濾波器的構造與應用中提出了一種新型的形態濾波器，其采用了一種形式、尺寸不斷增大的結構元素對信號進行濾波處理。這種方法可以很好的保持某種幾何信息，但是如果要同時保留多種幾何信息這種方法就不可行了，只采用一種形狀的結構元素只會保留一種幾何信息，其他的幾何信息與噪聲將一起被濾除。

發明內容