平面結構

利用圖像平面結構信息指導塊匹配的圖像修複方法。通過估計平面投影參數，將已知區域分割成平面，並分析相應的結構信息。根據塊偏移和變換的先驗機率將平面結構信息轉換成目標函式的約束條件，進而指導基於塊匹配的圖像修復。對顏色項加以改進，引入平面項和梯度項到塊距離函式中以度量塊間的相似性，減少修復圖像中因不準確塊匹配而產生的模糊現象。

基本介紹

• 中文名：平面結構
• 外文名：planar structure
• 拼音：píng miàn  jié gòu
• 所屬類別：土木工程
• 套用領域：各行各業
• 作用：直觀展現平面結構

平面結構檢測

近年來，很多國內外學者在識別和矯正平面方面提出了很多實用且高效的算法 可以將一個透視扭曲的平面轉換成一個正面平行(Fronto-parallel)的平面。本文通過線段提取、消失點估計、平面定位等步驟實現平面檢測。由於這部分算法相當標準。

(1)在待修復圖像的已知區域檢測邊緣和擬合

(2)基於隨機抽樣一致性的投票方法(RANSAC-based Voting Approach)檢測到至多3 個消失點。假設圖像(典型的建築圖像)中至多存在3 個不同的平面方向。

( 3) 通過對檢測到的 3 個消失點進行兩兩配對，可以恢復出 3 個不同的平面方向。

規律檢測

檢測規律性是理解場景結構的一種簡單、直接的手段。為了解釋可能存在的多個平面，本文算法通過在仿射矯正空間中使用局部化的方式檢測平面規律。

(1) 在待修復圖像的已知區域檢測標準的高斯差分( Difference of Gaussian feature points，DOG) 特徵點。由於仿射矯正會嚴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行特徵點的提取。

( 2 ) 計算每個特徵點的尺度不變特徵變換( Scale-invariant Feature Transform，SIFT) 運算元

( 3) 使用 KD-tree 來計算每個特徵的 2 個最近鄰域。

(4) 對於每個平面，在 2 個特徵位置都有較高先驗機率處提取所有的特徵匹配。

(5) 通過仿射矯正匹配特徵點的位置來消除二維空間中重複結構的透視扭曲。2 個矯正過的特徵點的位移是空間不變的，所以，可以用均值漂移檢測平移重複模式。

算法

提出的算法使用圖像匹配特徵點的偏移量來檢測平移規律，即採用局部化的方式，單獨( 根據軟性隸屬度) 對每個平面進行處理，可以檢測出場景圖像中是否包含不同建築立面方向的重複結構，並在矯正的仿射空間中進行檢測，在常規的圖像空間中進行目標函式的最佳化。

基於平面結構的圖像修復

在智慧型化的技術革命浪潮中，海量的數字圖像不斷湧現。然而，很多因素會導致數字圖像的缺損: 一方面，數字設備採集到的原始數據不能滿足多樣化的實際需要，必須對圖像內容進行編輯，例如修補圖像中出現的瑕疵，去除圖像中某個明顯的物體、修復帶有劃痕或破損的圖像等; 另一方面，數字視覺信號在獲取、編碼、存儲、傳輸和後期處理過程中，往往會產生一定程度的失真，對視覺信號的質量產生嚴重的影響。因此，為了保證圖像信息的完整性，亟需對數字圖像進行合理的填充修復。

數字圖像修復技術的原理是利用圖像中未缺損的信息，依據特定的填充規則，儘可能地將修復後的圖像呈現視覺上的自然狀態，讓人眼無法察覺其修復的痕跡。圖像修復技術被廣泛套用在文物保護、影視特效、圖像壓縮、圖像超高解析度分析、視頻傳輸的錯誤隱藏等視覺處理領域。

根據使用方法原理的不同，圖像修復算法可以歸類為基於像素點和基於塊的圖像修復。前者修復的圖像包含小範圍的破損區域。此類方法包含偏微分方程模型和變分模型，統稱為基於變分偏微分方程( Partial Differential Equation，PDE) 的圖像修補例如基於全變分和邊界重構的紋理圖像修複方法和基於偏微分方程的圖像修復範圍破損的區域，此類方法稱為圖像補全技術如基於樣本塊的紋理合成 、基於小波變換圖像補全將像修復和基於稀疏性的圖像修復圖像塊作為操作單位，憑藉缺損區域邊界處的數據信息，從已知區域中尋找匹配塊，根據特定計算規則確定最佳匹配塊，再拷貝最佳匹配塊到缺損區域中，逐步填充未知區域，從而實現整個圖像修復。基於紋理合成的修複方法是根據缺損圖像中的已知區域，對信息丟失的部分進行紋理合成產生新的圖像塊，以此修復大範圍破損的區域。有較多實驗證明此類方法在保持圖像的結構信息上很難令人滿意。

採用一種求近似解的塊搜尋算法，即利用相鄰塊傳播與隨機搜尋，做到快速發現圖像相似塊並且把位置信息傳播給相鄰的像素點，進而找到最優的樣本塊，提升待修復圖像在結構上的連貫性。隨後，通過對塊進行旋轉和縮放，擴大了塊匹配的搜尋範圍。度量圖像塊間的相似性除了使用對應像素的顏色空間距離，也允許採用任意描述符( 向量) ，此舉增強了塊匹配算法的健壯性和通用性。在構造和搜尋 KD-tree 的基礎上完成塊匹配結果的傳播。這種方法以空間換時間，能夠明顯加快速度，但是不容易拓展到包含旋轉和縮放的變換。在結合塊偏移和結構描述運算元的基礎上，同時利用圖像塊匹配的統計特性來精簡最佳化過程中的標籤數目，提出了具有全局最佳化效果的圖最佳化修復算法。採用基於隨機映射的快速圖像修復算法，通過大幅縮小樣本搜尋空間，在紋理與結構方面尋找與缺損區域相似的樣本，並且改進優先權計算方法，在很大程度上保證了圖像結構的正確傳播，克服了圖像局部不連續的現象。提出通過提取中層場景結構信息指導低層次圖像修復的方法，本文在該方法的基礎上，藉助平面結構信息進行基於塊匹配的圖像修復。

基於平面結構的圖像修復算法

( 1) 讀取待修復的圖像，確定其破損區域 和Ω破損邊緣 Ω 的信息。

( 2) 從圖像的平面和規律特徵出發提取圖像中的結構信息。估計平面投影參數，軟性地把已知區域分割成平面，並分析出這些平面間的平移規律。

( 3) 通過定義塊偏移和變換矩陣，將平面結構信息轉化為對塊距離函式的限制來改進近似塊匹配算法，從而匹配到最優相似塊，拷貝至缺損區域中，逐步完成對未知區域的修復。對修復區域與背景的

( 4) 利用泊松融合算法亮度差異進行處理，實現邊緣處的平滑過渡，無縫且自然地最佳化修復後的圖像。

平面結構變頻器

在通信尤其是保密通信領域,V波段有著重要套用,而現有V波段通信一般都採用上變頻體制,而上變頻器在這其中起著關鍵作用.國內外對上變頻器件的研製一般分為兩大類, 一為傳統的立體Crossbar結構,混頻管對為立體結構,串聯垂直旋轉在波導混頻腔中, 通過上下螺釘固定,中頻通過一擾動桿饋入到混頻管對中央,本振反向加在混頻管對上,該類電路結構調試與加工不便;另一類是隨著微波工藝發展而出現的M M IC 電路,該類型電路在V 波段套用由於技術與成本原因還不是很廣泛.本方案設計的上變頻器借鑑了傳統的Crossbar 混頻器思路,改變傳統的立體混頻部分為平面電路, 採用平面封裝肖特基勢壘二極體, 本振和信號輸入輸出採用標準波導結構, 變頻電路為平面結構.

波導-微帶轉換電路的設計與測試

由於V 波段的特性,直接採用同軸接頭實現射頻的輸出插損較大,而該頻段的同軸接頭對製造工藝要求很高, 所以在本方案中專門設計了波導到微帶線的E 面探針轉換,該結構形式簡單,便於加工和安裝.經過在Ansoft HFSS上仿真和實測對比, 證明該結構可以用於本方案設計.波導採用標準W R-15波導.

變頻器仿真與測試

仿真時,中頻從3.5G～4.5GH z掃頻.當中頻功率為14dBm ,頻率為4GH z ,本振56GH z ,功率為14dBm .當中頻輸入功率從-10～14dBm掃動時.變頻損耗隨著中頻功率的增加而增加,但是當中頻功率為14dBm時, 即等於本振信號功率時輸出信號的功率最大,計算值為6 .58dBm .工程套用中根據需要在信號輸出口外加一帶通濾波器即可取出所需的邊帶.

實際測試與仿真結果略有誤差,分析原因可能有加工誤差, 軟體仿真電路沒有加入波導到微帶轉換損耗,在本設計中,由於電路工作於V波段, 對加工誤差精度要求很高, 要求加工容差在0.02mm, 所以測試與仿真出現誤差的原因主要在於加工誤差精度.綜合考慮波導轉換的插損,電路的損耗以及加工精度帶來的誤差,所得的測試結果是與理論相符的, 是正確的.此外,本設計特別針對鏡頻抑制進行了最佳化設計, 由實際結果看,取得了一定效果 .

平面結構全向天線

隨著通信技術的發展，全向天線[1~5]在通信中發揮著越來越重要的作用。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於實現,比較常見，最典型的垂直極化天線就是單極子天線。在某些特定的場合需要具有水平極化特性的全向天線來減小由於多徑傳播所帶來的損耗，這種天線的實現方法有：旋轉場天線，波導縫隙陣列和環天線。但是上述方法都很難在寬頻內實現水平極化全向輻射，文章給出了一種解決寬頻水平極化全向輻射問題的思路。

本文用四個改進的彎曲偶極子組合起來，並且通過計算最佳化，在改進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，擴展了天線的頻寬，同時也最佳化了水平面輻射方向圖，達到了良好的水平極化全向輻射特性。計算結果表明：在 4.8～6.8GHz，獲得了水平極化增益不圓度小於±0.7dB，交叉極化優於-20dB 的良好輻射特性。在此基礎上加工了天線，並對其阻抗特性進行了測量，實測阻抗頻寬和計算結果基本吻合。

天線設計

要使水平極化天線具有寬頻全向的輻射特性，可以用多個具有一定方向性的寬頻水平極化天線元來進行組合，使它們的方向圖疊加來達到水平極化全向。天線被製作在一塊方型的介質基板上（介質基板選用介電常數為 2.65 的國產覆銅箔阻燃型聚四氟乙烯玻璃布壓層板 F4B-2）。四個彎曲偶極子分布在圓型接地板的四周，其中每一個彎曲的偶極子的兩根振子分別被製作在基板的兩個面上，以達到兩個振子相位反相的目的。頂部的四個彎曲偶極子的上半部分通過寬度漸變的饋線連線到 SMA 饋電探針的頂部，背部四個偶極子的下半部分通過饋線直接與圓型金屬地相連線。計算後發現，這種形式的彎曲偶極子天線的頻寬很窄，輸出阻抗虛部的絕對值比較大，實部又太小，通過多次計算後發現，在偶極子的前方間隔一定距離加上一個耦合貼片單元可以改變偶極子上的電流分布，起到調諧的作用，使得偶極子的輸出阻抗虛部的絕對值減小而實部增加，天線的阻抗頻寬也隨之得到改變。在加上耦合調諧貼片單元的情況下，天線的輸出阻抗在 5～6GHz 的範圍內有了很大的改善，且相對頻寬達到了 10%，天線從不諧振到了諧振狀態。於是在天線的上層基板上每個彎曲偶極子的前面間隔一定距離分別加上一個耦合彎曲貼片單元，用來改善天線的輸出阻抗。

這樣，對任意一個彎曲偶極子來說，中間的圓形接地面均為反射板，對四個偶極子同時饋電，經過計算後得到在中心頻率為 5.6GHz 時候的天線 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)：發現對 4 個偶極子同時饋電時，xoy 平面內的水平極化增益在 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到了±2dB，全向性能不是很理想，該結果也與文章中相似，而且天線的相對頻寬很窄，只有 10%左右。

要改善該天線水平面水平極化增益不圓度並且增加天線的頻寬，一方面要加大單個彎曲偶極子前方的方向性，同時還要壓縮單個彎曲偶極子的波瓣寬度來改善天線水平面極化增益。因此，考慮分別在每個彎曲偶極子的耦合調諧貼片後再增加一個耦合貼片，這類似於八木天線在驅動單元前面增加多個引向單元的功能，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，改善了水平面水平極化增益不圓度；另外一方面，要擴展天線的頻寬，也要改變電流在偶極子上的分布，增加電流流動路徑，在耦合貼片單元前面再增加耦合貼片單元，加強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，起到調諧的作用。改進

計算和實測結果

改進後，一方面由於偶極子彎曲過後，已經減小了水平面輻射的波瓣寬度，再加上偶極前端有兩個耦合貼片，同時也增強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，單獨一個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，大大地擴展了天線的頻帶，改變了天線的輸出阻抗特性。

按照上述的改進結果，分別用有限元(FEM)法和時域有限差分(FDTD)法對天線特性進行計算，經過對參數的反覆調試和計算，最佳化了天線結構和尺寸，獲得了比較理想的水平面水平極化增益和阻抗頻寬。最佳化後的天線尺寸如下：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。在此基礎上，對天線進行了加工，採用 Agilent5230A 型矢量網路分析儀對天線的回波損耗進行了實測。實測結果和計算結果對比表明，該天線的輸出阻抗特性計算結果和實測結果基本吻合，實測天線在 5.2～6.9GHz(與計算結果 4.8～6.8GHz 略有偏差)回波損耗小於-10dB。在此結果基礎上，把單個偶極子的耦合貼片增加到 3 個，經過計算，發現在一定程度上還可以增加天線的阻抗頻寬，但是天線 xoy 面水平極化增益下降，不圓度增加。要想繼續增加這種形式天線的阻抗頻寬，同時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路或者改變天線結構。