一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法与流程

本发明属于三维波形处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法。

背景技术

数字三维示波器是一种具有实时波形映射技术及三维显示效果的新型数字存储示波器，其显示波形中不仅包含了时间-幅度信息，还包含了幅度随时间出现的概率信息。某一幅度值出现概率越大，该幅度值处波形颜色越深，如图1所示。其原理是基于不断实时更新的三维波形数据库，实现波形数据到波形图像的高速映射。它集模拟示波器和数字存储示波器的优点于一身，既有数字存储示波器的信号存储、处理及与预触发显示功能，又有模拟示波器的实时捕获和三维显示特性。

参数测量功能是每一款数字示波器的必要功能之一，它通过对各个物理通道输入的波形数据进行一系列的测量计算，最终获取输入波形的基本参数信息。这些基本信息包括幅值类参数，时间类参数，其中幅值类参数一般包括顶值、底值、幅值、峰峰值、最大值、最小值等；时间类参数一般包括频率、周期、上升时间、下降时间等。

传统参数测量方法对单幅波形进行测量，由于若每采集一幅新波形均进行一次计算，会造成示波器软件巨大的性能开销，不利于保证其他功能模块的实时性。因此为了保证最优的示波器软件整体性能和用户体验，通常选择每隔固定时间间隔重新计算一次上述的参数，测量流程图如图2所示。

数字示波器三维映射模式下的传统波形参数测量原理，如图3所示，采集接收后的数据在硬件系统内同时存入两部分波形数据缓存区，其中第一部分缓存区内的波形数据用于进行三维映射过程，第二部分缓存区内的波形数据传入软件系统进行波形参数测量，然后将两部分处理结果进行显示。

由于通过上述波形参数测量算法进行参数测量时，只能通过固定时间间隔随机选取一幅波形进行参数计算，而无法针对液晶屏实时显示的三维映射波形进行精确测量，使得该方法得到的波形参数同样具有较大的随机性和不确定性。因此，根据三维波形映射图像来准确识别波形的相关参数并在图像上加以标记就显得非常迫切，也具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法，利用加权平均法进行参数测量并实时显示。

为实现上述发明目的，本发明一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、利用完成三维波形映射后的图像构建数据矩阵dl×m，其对应的地址矩阵al×m，其中，l和m为对应液晶屏显示区的长度即数据库的长和宽；

(2)、根据数据矩阵dl×m及映射地址矩阵al×m，求出每列中采样点的加权平均值；

设第i列存储的区地址为a1～an，对应各地址内的存储信息依次为k1～kn，1≤i≤l；那么第i列中采样点幅值加权平均值所对应的映射地址xi_mean：

在地址xi_mean处对应的采样点幅度值为：

yi_mean＝(i·m-1)-xi_mean(2)

将公式(1)代入(2)可得数据矩阵在第i列对应的幅度平均值为：

同理，按照上述方法求得数据矩阵在其它列对应的幅度平均值；

(3)、将所有列的幅度平均值构成一幅经过列加权平均后的波形，记为三维波形映射图像的中心波形；

(4)、利用数据矩阵dl×m构建原始波形图像频数分布直方图，利用中心波形构建中心波形频数分布直方图，在两幅频数分布直方图中，x轴表示波形所包含的所以幅度值，y轴表示采样点出现统计次数；

(5)、参数测量与标记

(5.1)、测量最值：在原始波形图像频数分布直方图中，将x轴最左端值记为波形幅度最小值ymin，将x轴最右端值记为波形幅度最大值ymax；

(5.2)、测量顶值和底值：在中心波形频数分布直方图中，将x轴最左端值记为波形幅度底值ybottom，将x轴最右端值记为波形幅度顶值ytop；

(5.3)、测量幅度值和峰峰值：在中心波形中，幅度值和峰峰值计算方法相同，都是将波形的顶值与底值之差记为幅度值或峰峰值；

(5.4)、测量平均值：在中心波形频数分布直方图中计算平均值average：

(5.5)、测量有效值：在中心波形频数分布直方图中计算有效值yrms：

(5.6)、测量列标准差：在中心波形频数分布直方图中，第i列采样点标准差σi为：

其中，n为第i列映射区域中采样点对应的不同幅值个数，yj为第i列中第j个幅值；

(5.7)、测量过冲：

其中，ymax、ymin为三维波形映射图像频数分布直方图中的得到的最大最小值，ytop、ybottom为中心波形对应的顶值和底值；

(5.8)、测量上升、下降时间：

设上升沿波形幅值10％处的采样点位于第i列，波形幅值90％处的采样点位于第i'列，那么上升时间为：

设下降沿波形幅值90％处的采样点位于第m列，波形幅值10％处的采样点位于第n列，下降时间为：

其中，tbase为当前时基档，k为液晶屏显示区每格像素点数，i、i'、m、n均属于l，i≠i'，m≠n；

(6)、参数标记

(6.1)、最值、顶值和底值的标记

根据步骤(5)中最小值、最大值、顶值和底值的测量结果，依次在地址矩阵al×m中搜索各地址，并依次标记出最小值、最大值、顶值和底值对应地址，然后使用三角形标记各地址对应像素点；

(6.2)、平均值和有效值的标记

根据步骤(5)中平均值和有效值的测量结果，依次在地址矩阵al×m中搜索各地址，并依次标记出平均值和有效值对应地址，然后使用虚线标记各地址对应像素点。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法，先对三维波形进行三维映射，然后对传入系统的三维波形图像信息直接进行参数测量，再利用加权平均方法可求得包含了波形概率统计信息后的波形参数值。然后根据测量后的参数，对三维波形映射图像进行相应的标记与显示。采用基于三维波形图像计算波形参数的方法，与传统软件计算波形参数算法相比，不仅大大减少了数据传输量和运算处理时间，而且解决了软件只能计算单幅波形参数的限制，能够对数据库中叠加的多幅波形进行包含概率信息的参数计算。

同时，本发明一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法还具有以下有益效果：

(1)、通过对完成映射后的波形图像进行波形参数测量，解决了传统参数测量中对单幅波形进行参数测量的限制，能够对叠加的多福波形进行包含概率信息的波形参数测量，使测量结果更接近原始波形；

(2)、通过对实时测量得到的波形参数进在对应位置处进行相关标记，使用户可以更加直观的观测到实时波形信息。同时对于中心波形和原始波形图像的参数标记，使用户可以快速获取实时映射波形与中心波形之间的波形参数对比显示结果。

附图说明

图1是数字三维示波器三维映射波形显示效果图；

图2是传统参数测量模块算法流程图；

图3是传统参数测量方法原理图；

图4是本发明基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法原理图；

图5是经加权平均处理后的中心波形图；

图6是三维映射波形的数据频数分布直方图；

图7是中心波形频数分布直方图；

图8是常用的各类参数示意图；

图9是上升/下降时间示意图；

图10是最大值标记示意图；

图11是最小值标记示意图；

图12是平均值标记示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图4是本发明基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法原理图。

在本实施例中，如图4所示，本发明一种基于三维波形映射图像的参数测量与标记方法，包括以下步骤：

s1、在本实施例中，需要先对待映射的三维波形进行接收和缓存，然后进行三维波形映射，再利用完成三维波形映射后的图像构建数据矩阵dl×m，如表1所示，其对应的地址矩阵al×m，如表2所示，其中，l和m为对应液晶屏显示区的长度即数据库的长和宽；

表1

表2

s2、根据数据矩阵dl×m及映射地址矩阵al×m，求出每列中采样点的加权平均值；

表3

如表3所示，设第i列存储的区地址为a1～an，对应各地址内的存储信息依次为k1～kn，1≤i≤l；那么第i列中采样点幅值加权平均值所对应的映射地址xi_mean：

xi_mean为四舍五入取整的整数，故取值为与计算结果最接近的整数值；

在地址xi_mean处对应的采样点幅度值为：

yi_mean＝(i·m-1)-xi_mean(2)

将公式(1)代入(2)可得数据矩阵在第i列对应的幅度平均值为：

同理，按照上述方法求得数据矩阵在其它列对应的幅度平均值；

由公式(3)计算得出每一列采样点对应的幅度平均值，表征了每一列采样点出现的平均位置，这对于带有高斯噪声的输入信号而言，经过加权平均后的幅度值具有较小的测量误差。

s3、如图5所示，黑色区域正中央的黑色曲线为三维波形映射图像的中心波形图，该幅波形是基于叠加波形图像经加权平均而得，因此利用该中心波形进行参数计算时去除了噪声的影响，可使计算结果更加精确。

s4、利用数据矩阵dl×m构建原始波形图像频数分布直方图，如图6所示；利用中心波形构建中心波形频数分布直方图，如图7所示；在两幅频数分布直方图中，x轴表示波形所包含的所以幅度值，y轴表示采样点出现统计次数；

s5、参数测量与标记

如图8所示，基本幅值类参数主要包括最大值、最小值、顶值、底值、峰峰值、幅度值、平均值和均方根等，下面分别对这些参数进行具体阐述。

s5.1、测量最值：由于原始映射波形图像包含了所有出现的波形幅度值，因此对于波形的最大值、最小值的确定需依据映射波形图来计算。在图6所示的原始波形图像频数分布直方图中，将x轴最左端值记为波形幅度最小值ymin，将x轴最右端值记为波形幅度最大值ymax；

s5.2、测量顶值和底值：通常采样数据在波形发生变化时会出现不稳定的情况，当波形稳定后，其稳定的最大、最小的波形幅度值便为波形的顶值和底值。

在图7所示的中心波形频数分布直方图中，将x轴最左端值记为波形幅度底值ybottom，将x轴最右端值记为波形幅度顶值ytop；

s5.3、测量幅度值和峰峰值：波形幅度的最大值和最小值之差，表征了信号值变化范围。由于原始三维波形映射图像的每一列上显示了多个采样点，因此在用映射波形图像计算峰峰值时由于各列在幅度较大的离散型，使得计算结果存在较大误差，故此处采用中心波形图计算峰峰值。同样将中心波形图转换为图7所示的中心波形频数分布直方图后，可以看出，中心波形最大值y_midmax为图7中最右端幅度值，y_midmin为图7中最左端幅度值，则峰峰值为：ypp＝y_midmax-y_midmin；在中心波形中，幅度值和峰峰值计算方法相同，都是将波形的顶值与底值之差记为幅度值或峰峰值；

s5.4、测量平均值：表示一个周期内信号的平均幅值。示波器中平均值算法是取一幅波形的所有点做平均，即算术平均，理论上等效于信号的直流分量，因此，在中心波形频数分布直方图中可以计算平均值average：

s5.5、测量有效值：信号在一个周期内所产生的能量，对应产生等值能量的电压，即为电压的有效值，因此在中心波形频数分布直方图中可以计算有效值yrms：

s5.6、测量列标准差：波形幅值的均方差值，即方差的算术平方根，反映了波形数据距离平均值的离散程度。由于标准差实际上反映的是波形的波动情况，因此对于每一列采样点，可通过计算采样点幅度值与中心波形在该列的幅度值之间的标准差，便可得到每一列采样点距中心波形的离散程度，而对于得到的每一列标准差值，可以得到波形波动概率分布情况，标准差越大的采样点波形浮动越大，与输入波形之间存在的误差随之越大，因此在中心波形频数分布直方图中，第i列采样点标准差σi为：

其中，n为第i列映射区域中采样点对应的不同幅值个数，yj为第i列中第j个幅值；

对每列采样点通过计算其最大最小值处的标准差，可以得到该列离散度最大的采样点，记为σi_max，通过依次比较每列的最大标准差值，可以得到当前幅映射波形的最大标准差，记为σi_max，则该值代表了当前幅映射波形在第列出的采样点离散度最大，即在该处的波动最大。

s5.7、测量过冲：过冲指的是一个峰值或谷值超过设定电压超过设定电压―对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。其计算公式为：

其中，ymax、ymin为三维波形映射图像频数分布直方图中的得到的最大最小值，ytop、ybottom为中心波形对应的顶值和底值；

s5.8、测量上升、下降时间：

脉冲信号的上升时间是指脉冲瞬时值最初到达规定下限和规定上限的两瞬时之间的间隔。除另有规定外，下限和上限分别定为脉冲峰值幅度的10％和90％。由于映射波形在幅度上的离散性，不利于对波形时间参数进行计算，因此需选用中心波形进行计算。

如图9(a)所示，设上升沿波形幅值10％处的采样点位于第i列，波形幅值90％处的采样点位于第i'列，那么上升时间为：

如图9(b)所示，设下降沿波形幅值90％处的采样点位于第m列，波形幅值10％处的采样点位于第n列，下降时间为：

其中，tbase为当前时基档，k为液晶屏显示区每格像素点数，i、i'、m、n均属于l，i≠i'，m≠n；

s6、参数标记

在通过上述测量方法完成基于波形图像的参数计算后，可通过对一些参数值的实时标记，使得参数测量更加直观。在参数测量的映射地址统计分析时，记录所关心的波形参数的映射地址，对该地址处的波形信息通过图标进行标记，可使得用户更加直观的观测到这些波形信息。由于基于波形图像的参数测量方法中同时对原始三维波形图像和加权平均后获得的中心波形图像进行分析，因此用户可选择当前需要标记的参数值为原始映射波形还是加权中心波形，可使用户快速获取映射波形图像与中心波形图像之间的波形参数对比关系。

下面我们对参数标记进行详细说明：

s6.1、最值、顶值和底值的标记

根据步骤s5中最小值、最大值、顶值和底值的测量结果，依次在地址矩阵al×m中搜索各地址，并依次标记出最小值、最大值、顶值和底值对应地址，然后使用三角形标记各地址对应像素点；

其中，最大值和顶值的标记方法相同，如图10所示，其对应地址的具体标记方法为：

设最大值ymax和顶值ytop对应的地址为amax和atop，然后利用倒三角形标记amax和atop正上方三行中对应像素点，标记的地址区域为:

aμ-1；

aμ-2,(aμ-2)-m,(aμ-2)+m；

aμ-3,(aμ-3)-m,(aμ-3)+m,(aμ-3)-2m,(aμ-3)+2m；

其中，当μ＝1时，aμ＝amax，当μ＝2时，aμ＝atop。

最小值和底值的标记方法相同，如图11所示，其对应地址的具体标记方法为：

设最小值ymin和底值ybottom对应的地址为amin和abottom，然后利用正三角形标记amin和abottom正下方三行中对应像素点，标记的地址区域为:

aλ+1；

aλ+2,(aλ+2)-m,(aλ+2)+m；

aλ+3,(aλ+3)-m,(aλ+3)+m,(aλ+3)-2m,(aλ+3)+2m；

其中，当λ＝1时，aλ＝amin，当λ＝2时，aλ＝abottom。

在本实施例中，采用三行中的像素点来凸显三角形，以方便醒目便于观察，当然也可以采用更多行数凸显或者采用箭头等形状来凸显。

s6.2、平均值和有效值的标记

根据步骤s5中平均值和有效值的测量结果，依次在地址矩阵al×m中搜索各地址，并依次标记出平均值和有效值对应地址，然后使用虚线标记各地址对应像素点。

其中，平均值和有效值的标记方法相同，如图12所示，其对应地址的具体标记方法为：

设平均值ymean和有效值yrms对应的地址为amean和arms，然后利用虚线每间隔三列标记amean和arms对应像素点，标记的地址区域为:

aκ+km，k＝4i，κ＝1,2；

其中，当κ＝1时，aκ＝amean，当κ＝2时，aκ＝arms。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。