[科普中國(guó)]-平面結(jié)構(gòu)

平面結(jié)構(gòu)檢測(cè)

近年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在識(shí)別和矯正平面方面提出了很多實(shí)用且高效的算法 可以將一個(gè)透視扭曲的平面轉(zhuǎn)換成一個(gè)正面平行(Fronto-parallel)的平面。本文通過(guò)線段提取、消失點(diǎn)估計(jì)、平面定位等步驟實(shí)現(xiàn)平面檢測(cè)。由于這部分算法相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)在待修復(fù)圖像的已知區(qū)域檢測(cè)邊緣和擬合

(2)基于隨機(jī)抽樣一致性的投票方法(RANSAC-based Voting Approach)檢測(cè)到至多3 個(gè)消失點(diǎn)。假設(shè)圖像(典型的建筑圖像)中至多存在3 個(gè)不同的平面方向。

( 3) 通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的 3 個(gè)消失點(diǎn)進(jìn)行兩兩配對(duì)，可以恢復(fù)出 3 個(gè)不同的平面方向。1

規(guī)律檢測(cè)檢測(cè)規(guī)律性是理解場(chǎng)景結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)單、直接的手段。為了解釋可能存在的多個(gè)平面，本文算法通過(guò)在仿射矯正空間中使用局部化的方式檢測(cè)平面規(guī)律。

(1) 在待修復(fù)圖像的已知區(qū)域檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的高斯差分( Difference of Gaussian feature points，DOG) 特征點(diǎn)。由于仿射矯正會(huì)嚴(yán)重扭曲圖像中的傾斜面，選擇在原始的圖像空間而非矯正空間進(jìn)行特征點(diǎn)的提取。

( 2 ) 計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的尺度不變特征變換( Scale-invariant Feature Transform，SIFT) 算子

( 3) 使用 KD-tree 來(lái)計(jì)算每個(gè)特征的 2 個(gè)最近鄰域。

(4) 對(duì)于每個(gè)平面，在 2 個(gè)特征位置都有較高先驗(yàn)概率處提取所有的特征匹配。

(5) 通過(guò)仿射矯正匹配特征點(diǎn)的位置來(lái)消除二維空間中重復(fù)結(jié)構(gòu)的透視扭曲。2 個(gè)矯正過(guò)的特征點(diǎn)的位移是空間不變的，所以，可以用均值漂移檢測(cè)平移重復(fù)模式。

算法提出的算法使用圖像匹配特征點(diǎn)的偏移量來(lái)檢測(cè)平移規(guī)律，即采用局部化的方式，單獨(dú)( 根據(jù)軟性隸屬度) 對(duì)每個(gè)平面進(jìn)行處理，可以檢測(cè)出場(chǎng)景圖像中是否包含不同建筑立面方向的重復(fù)結(jié)構(gòu)，并在矯正的仿射空間中進(jìn)行檢測(cè)，在常規(guī)的圖像空間中進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化。1

基于平面結(jié)構(gòu)的圖像修復(fù)在智能化的技術(shù)革命浪潮中，海量的數(shù)字圖像不斷涌現(xiàn)。然而，很多因素會(huì)導(dǎo)致數(shù)字圖像的缺損: 一方面，數(shù)字設(shè)備采集到的原始數(shù)據(jù)不能滿足多樣化的實(shí)際需要，必須對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行編輯，例如修補(bǔ)圖像中出現(xiàn)的瑕疵，去除圖像中某個(gè)明顯的物體、修復(fù)帶有劃痕或破損的圖像等; 另一方面，數(shù)字視覺(jué)信號(hào)在獲取、編碼、存儲(chǔ)、傳輸和后期處理過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生一定程度的失真，對(duì)視覺(jué)信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，為了保證圖像信息的完整性，亟需對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行合理的填充修復(fù)。

數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的原理是利用圖像中未缺損的信息，依據(jù)特定的填充規(guī)則，盡可能地將修復(fù)后的圖像呈現(xiàn)視覺(jué)上的自然狀態(tài)，讓人眼無(wú)法察覺(jué)其修復(fù)的痕跡。圖像修復(fù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在文物保護(hù)、影視特效、圖像壓縮、圖像超高分辨率分析、視頻傳輸?shù)腻e(cuò)誤隱藏等視覺(jué)處理領(lǐng)域。

根據(jù)使用方法原理的不同，圖像修復(fù)算法可以歸類為基于像素點(diǎn)和基于塊的圖像修復(fù)。前者修復(fù)的圖像包含小范圍的破損區(qū)域。此類方法包含偏微分方程模型和變分模型，統(tǒng)稱為基于變分偏微分方程( Partial Differential Equation，PDE) 的圖像修補(bǔ)例如基于全變分和邊界重構(gòu)的紋理圖像修復(fù)方法和基于偏微分方程的圖像修復(fù)范圍破損的區(qū)域，此類方法稱為圖像補(bǔ)全技術(shù)如基于樣本塊的紋理合成 、基于小波變換圖像補(bǔ)全將像修復(fù)和基于稀疏性的圖像修復(fù)圖像塊作為操作單位，憑借缺損區(qū)域邊界處的數(shù)據(jù)信息，從已知區(qū)域中尋找匹配塊，根據(jù)特定計(jì)算規(guī)則確定最佳匹配塊，再拷貝最佳匹配塊到缺損區(qū)域中，逐步填充未知區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)圖像修復(fù)?；诩y理合成的修復(fù)方法是根據(jù)缺損圖像中的已知區(qū)域，對(duì)信息丟失的部分進(jìn)行紋理合成產(chǎn)生新的圖像塊，以此修復(fù)大范圍破損的區(qū)域。有較多實(shí)驗(yàn)證明此類方法在保持圖像的結(jié)構(gòu)信息上很難令人滿意。

采用一種求近似解的塊搜索算法，即利用相鄰塊傳播與隨機(jī)搜索，做到快速發(fā)現(xiàn)圖像相似塊并且把位置信息傳播給相鄰的像素點(diǎn)，進(jìn)而找到最優(yōu)的樣本塊，提升待修復(fù)圖像在結(jié)構(gòu)上的連貫性。隨后，通過(guò)對(duì)塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放，擴(kuò)大了塊匹配的搜索范圍。度量圖像塊間的相似性除了使用對(duì)應(yīng)像素的顏色空間距離，也允許采用任意描述符( 向量) ，此舉增強(qiáng)了塊匹配算法的健壯性和通用性。在構(gòu)造和搜索 KD-tree 的基礎(chǔ)上完成塊匹配結(jié)果的傳播。這種方法以空間換時(shí)間，能夠明顯加快速度，但是不容易拓展到包含旋轉(zhuǎn)和縮放的變換。在結(jié)合塊偏移和結(jié)構(gòu)描述算子的基礎(chǔ)上，同時(shí)利用圖像塊匹配的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)精簡(jiǎn)優(yōu)化過(guò)程中的標(biāo)簽數(shù)目，提出了具有全局優(yōu)化效果的圖優(yōu)化修復(fù)算法。采用基于隨機(jī)映射的快速圖像修復(fù)算法，通過(guò)大幅縮小樣本搜索空間，在紋理與結(jié)構(gòu)方面尋找與缺損區(qū)域相似的樣本，并且改進(jìn)優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法，在很大程度上保證了圖像結(jié)構(gòu)的正確傳播，克服了圖像局部不連續(xù)的現(xiàn)象。提出通過(guò)提取中層場(chǎng)景結(jié)構(gòu)信息指導(dǎo)低層次圖像修復(fù)的方法，本文在該方法的基礎(chǔ)上，借助平面結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行基于塊匹配的圖像修復(fù)。

基于平面結(jié)構(gòu)的圖像修復(fù)算法( 1) 讀取待修復(fù)的圖像，確定其破損區(qū)域 和Ω破損邊緣 Ω 的信息。

( 2) 從圖像的平面和規(guī)律特征出發(fā)提取圖像中的結(jié)構(gòu)信息。估計(jì)平面投影參數(shù)，軟性地把已知區(qū)域分割成平面，并分析出這些平面間的平移規(guī)律。

( 3) 通過(guò)定義塊偏移和變換矩陣，將平面結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化為對(duì)塊距離函數(shù)的限制來(lái)改進(jìn)近似塊匹配算法，從而匹配到最優(yōu)相似塊，拷貝至缺損區(qū)域中，逐步完成對(duì)未知區(qū)域的修復(fù)。對(duì)修復(fù)區(qū)域與背景的

( 4) 利用泊松融合算法亮度差異進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)邊緣處的平滑過(guò)渡，無(wú)縫且自然地優(yōu)化修復(fù)后的圖像。

平面結(jié)構(gòu)變頻器在通信尤其是保密通信領(lǐng)域,V波段有著重要應(yīng)用,而現(xiàn)有V波段通信一般都采用上變頻體制,而上變頻器在這其中起著關(guān)鍵作用.國(guó)內(nèi)外對(duì)上變頻器件的研制一般分為兩大類, 一為傳統(tǒng)的立體Crossbar結(jié)構(gòu),混頻管對(duì)為立體結(jié)構(gòu),串聯(lián)垂直旋轉(zhuǎn)在波導(dǎo)混頻腔中, 通過(guò)上下螺釘固定,中頻通過(guò)一擾動(dòng)桿饋入到混頻管對(duì)中央,本振反向加在混頻管對(duì)上,該類電路結(jié)構(gòu)調(diào)試與加工不便;另一類是隨著微波工藝發(fā)展而出現(xiàn)的M M IC 電路,該類型電路在V 波段應(yīng)用由于技術(shù)與成本原因還不是很廣泛.本方案設(shè)計(jì)的上變頻器借鑒了傳統(tǒng)的Crossbar 混頻器思路,改變傳統(tǒng)的立體混頻部分為平面電路, 采用平面封裝肖特基勢(shì)壘二極管, 本振和信號(hào)輸入輸出采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu), 變頻電路為平面結(jié)構(gòu).

波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試由于V 波段的特性,直接采用同軸接頭實(shí)現(xiàn)射頻的輸出插損較大,而該頻段的同軸接頭對(duì)制造工藝要求很高, 所以在本方案中專門設(shè)計(jì)了波導(dǎo)到微帶線的E 面探針轉(zhuǎn)換,該結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,便于加工和安裝.經(jīng)過(guò)在Ansoft HFSS上仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比, 證明該結(jié)構(gòu)可以用于本方案設(shè)計(jì).波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)W R-15波導(dǎo).

變頻器仿真與測(cè)試仿真時(shí),中頻從3.5G～4.5GH z掃頻.當(dāng)中頻功率為14dBm ,頻率為4GH z ,本振56GH z ,功率為14dBm .當(dāng)中頻輸入功率從-10～14dBm掃動(dòng)時(shí).變頻損耗隨著中頻功率的增加而增加,但是當(dāng)中頻功率為14dBm時(shí), 即等于本振信號(hào)功率時(shí)輸出信號(hào)的功率最大,計(jì)算值為6 .58dBm .工程應(yīng)用中根據(jù)需要在信號(hào)輸出口外加一帶通濾波器即可取出所需的邊帶.

實(shí)際測(cè)試與仿真結(jié)果略有誤差,分析原因可能有加工誤差, 軟件仿真電路沒(méi)有加入波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換損耗,在本設(shè)計(jì)中,由于電路工作于V波段, 對(duì)加工誤差精度要求很高, 要求加工容差在0.02mm, 所以測(cè)試與仿真出現(xiàn)誤差的原因主要在于加工誤差精度.綜合考慮波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的插損,電路的損耗以及加工精度帶來(lái)的誤差,所得的測(cè)試結(jié)果是與理論相符的, 是正確的.此外,本設(shè)計(jì)特別針對(duì)鏡頻抑制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 由實(shí)際結(jié)果看,取得了一定效果 .2

平面結(jié)構(gòu)全向天線隨著通信技術(shù)的發(fā)展，全向天線[1~5]在通信中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。全向天線又分為垂直極化全向天線，水平極化全向天線和圓極化全向天線。垂直極化全向天線易于實(shí)現(xiàn),比較常見(jiàn)，最典型的垂直極化天線就是單極子天線。在某些特定的場(chǎng)合需要具有水平極化特性的全向天線來(lái)減小由于多徑傳播所帶來(lái)的損耗，這種天線的實(shí)現(xiàn)方法有：旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線，波導(dǎo)縫隙陣列和環(huán)天線。但是上述方法都很難在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平極化全向輻射，文章給出了一種解決寬帶水平極化全向輻射問(wèn)題的思路。

本文用四個(gè)改進(jìn)的彎曲偶極子組合起來(lái)，并且通過(guò)計(jì)算優(yōu)化，在改進(jìn)的彎曲偶極子前方加上各自的耦合單元，改變了天線的電流分布，擴(kuò)展了天線的帶寬，同時(shí)也優(yōu)化了水平面輻射方向圖，達(dá)到了良好的水平極化全向輻射特性。計(jì)算結(jié)果表明：在 4.8～6.8GHz，獲得了水平極化增益不圓度小于±0.7dB，交叉極化優(yōu)于-20dB 的良好輻射特性。在此基礎(chǔ)上加工了天線，并對(duì)其阻抗特性進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)阻抗帶寬和計(jì)算結(jié)果基本吻合。

天線設(shè)計(jì)要使水平極化天線具有寬帶全向的輻射特性，可以用多個(gè)具有一定方向性的寬帶水平極化天線元來(lái)進(jìn)行組合，使它們的方向圖疊加來(lái)達(dá)到水平極化全向。天線被制作在一塊方型的介質(zhì)基板上（介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為 2.65 的國(guó)產(chǎn)覆銅箔阻燃型聚四氟乙烯玻璃布?jí)簩影?F4B-2）。四個(gè)彎曲偶極子分布在圓型接地板的四周，其中每一個(gè)彎曲的偶極子的兩根振子分別被制作在基板的兩個(gè)面上，以達(dá)到兩個(gè)振子相位反相的目的。頂部的四個(gè)彎曲偶極子的上半部分通過(guò)寬度漸變的饋線連接到 SMA 饋電探針的頂部，背部四個(gè)偶極子的下半部分通過(guò)饋線直接與圓型金屬地相連接。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，這種形式的彎曲偶極子天線的帶寬很窄，輸出阻抗虛部的絕對(duì)值比較大，實(shí)部又太小，通過(guò)多次計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在偶極子的前方間隔一定距離加上一個(gè)耦合貼片單元可以改變偶極子上的電流分布，起到調(diào)諧的作用，使得偶極子的輸出阻抗虛部的絕對(duì)值減小而實(shí)部增加，天線的阻抗帶寬也隨之得到改變。在加上耦合調(diào)諧貼片單元的情況下，天線的輸出阻抗在 5～6GHz 的范圍內(nèi)有了很大的改善，且相對(duì)帶寬達(dá)到了 10%，天線從不諧振到了諧振狀態(tài)。于是在天線的上層基板上每個(gè)彎曲偶極子的前面間隔一定距離分別加上一個(gè)耦合彎曲貼片單元，用來(lái)改善天線的輸出阻抗。

這樣，對(duì)任意一個(gè)彎曲偶極子來(lái)說(shuō)，中間的圓形接地面均為反射板，對(duì)四個(gè)偶極子同時(shí)饋電，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到在中心頻率為 5.6GHz 時(shí)候的天線 xoy 平面水平極化增益(Gain-Co)與交叉極化增益(Gain-Cross)和回波損耗(Return Loss)：發(fā)現(xiàn)對(duì) 4 個(gè)偶極子同時(shí)饋電時(shí)，xoy 平面內(nèi)的水平極化增益在 45°，135°，225°，315°的方向上最大，在 0°，90°，180°，270°方向上最小。天線的水平極化增益不圓度達(dá)到了±2dB，全向性能不是很理想，該結(jié)果也與文章中相似，而且天線的相對(duì)帶寬很窄，只有 10%左右。

要改善該天線水平面水平極化增益不圓度并且增加天線的帶寬，一方面要加大單個(gè)彎曲偶極子前方的方向性，同時(shí)還要壓縮單個(gè)彎曲偶極子的波瓣寬度來(lái)改善天線水平面極化增益。因此，考慮分別在每個(gè)彎曲偶極子的耦合調(diào)諧貼片后再增加一個(gè)耦合貼片，這類似于八木天線在驅(qū)動(dòng)單元前面增加多個(gè)引向單元的功能，加上圓型金屬地的反射作用的，振子的能量更多的被向前引導(dǎo)，改善了水平面水平極化增益不圓度；另外一方面，要擴(kuò)展天線的帶寬，也要改變電流在偶極子上的分布，增加電流流動(dòng)路徑，在耦合貼片單元前面再增加耦合貼片單元，加強(qiáng)了貼片和偶極子之間的耦合程度，同樣改善了偶極子自身的電流分布，起到調(diào)諧的作用。改進(jìn)

計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果改進(jìn)后，一方面由于偶極子彎曲過(guò)后，已經(jīng)減小了水平面輻射的波瓣寬度，再加上偶極前端有兩個(gè)耦合貼片，同時(shí)也增強(qiáng)了偶極子前方的輻射分量，改善了水平面水平極化增益不圓度；另一方面，單獨(dú)一個(gè)偶極子的耦合貼片增加到兩塊，偶極子與貼片、貼片與貼片之間的耦合增加，改變了電流的分布，大大地?cái)U(kuò)展了天線的頻帶，改變了天線的輸出阻抗特性。

按照上述的改進(jìn)結(jié)果，分別用有限元(FEM)法和時(shí)域有限差分(FDTD)法對(duì)天線特性進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)參數(shù)的反復(fù)調(diào)試和計(jì)算，優(yōu)化了天線結(jié)構(gòu)和尺寸，獲得了比較理想的水平面水平極化增益和阻抗帶寬。優(yōu)化后的天線尺寸如下：Wd:48.4mm，Ld:48.4mm，h:1mm，L1:15mm，L2:15.1mm，D1:1.2mm，D2:1mm，D:0.5mm，K:1mm，K1:0.4mm，Kl1:1mm，Kl2:1mm，K2:0.8mm，R1:17mm，Rd:11mm。在此基礎(chǔ)上，對(duì)天線進(jìn)行了加工，采用 Agilent5230A 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的回波損耗進(jìn)行了實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，該天線的輸出阻抗特性計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，實(shí)測(cè)天線在 5.2～6.9GHz(與計(jì)算結(jié)果 4.8～6.8GHz 略有偏差)回波損耗小于-10dB。在此結(jié)果基礎(chǔ)上，把單個(gè)偶極子的耦合貼片增加到 3 個(gè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在一定程度上還可以增加天線的阻抗帶寬，但是天線 xoy 面水平極化增益下降，不圓度增加。要想繼續(xù)增加這種形式天線的阻抗帶寬，同時(shí)又保證水平面水平極化增益不圓度只能在天線上增加功分網(wǎng)絡(luò)或者改變天線結(jié)構(gòu)。3