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关键词： 可见光通信   白光LED   手机摄像头   卷帘快门特性   数字图像处理  

摘要： 当前，无线电通信频谱资源逐渐枯竭，无线电频带越发拥挤，急需寻求新的无线通信方式。在此情况下，具备高速率、绿色安全、可用频谱资源丰富、具有极强保密性的可见光通信的吸引了各国学者的关注，掀起了可见光通信的研究浪潮。　　过去，对可见光通信系统的研究中多采用光电二极管做信号接收机，光电二极管优点众多，但需要较繁杂的处理电路，不够灵活，不利于实用化和商业化推广。由于图像传感器技术的日益成熟以及智能手机得广泛普及，CMOS图像传感器成为智能手机摄像头的重要组成部分，所以本论文采用智能手机摄像头作为可见光通信系统的接收机。本论文通过深入研究基于卷帘快门特性的可见光通信系统，设计并完成整个系统的搭建，并提出了基于卷帘快门特性的可见光接收方案，最后测试了系统的性能。论文的主要研究内容如下：　　(1)对于系统发送端，采用数据包的形式传输信号，数据包由曼彻斯特编码与OOK调制的代码组成;设计合适的LED驱动电路并制板，在满足驱动LED基础上，保证信号低失真。　　(2)本文提出一种基于卷帘快门特性的可见光接收方案，该方案包括图像帧提取、灰度图转换、滤波处理、像素灰度值列选取、多项式曲线拟合、逻辑判决以及数据缩减判决，其中，采用均值滤波对灰度图进行滤波，提高了明暗条纹对比度;采用数据游标法进行像素列选择，避免高光溢出效应的影响;提出的数字缩减判决方法，提高了明暗信号判决的准确性，有效提升了系统误码率性能。　　(3)完成可见光通信实验系统的搭建，通过对系统性能进行测试，研究了影响系统性能的三个因素：信号发送速率、信号照度以及环境光照。测试结果表明本系统可以有效抵抗干扰，在较高传输速率的情况下具有良好的误码率性能。　　(4)对基于MIMO的可见光通信系统进行了分析和展望，测试了采用双LED做信号发射机时系统的误码率，结果表明利用双LED同时传输不同信号是具有可行性的，今后可拓展为多LED同时传输不同信号。为提高基于手机摄像头的可见光通信系统的信号传输速率和吞吐量提供了一种思路。

关键词： 输电线路   导线识别   异常检测   交点检测  

摘要： 输电线路作为发电厂和消费者之间传输通道,其在电能传输过程中的作用不可替代。然而,由于外界环境因素影响,如电击、落鸟、风雨侵蚀等原因导致输电线路断股,附着异物等异常情况时有发生,威胁到输电线路的稳定运行。鉴于此,本文采用固定在输电铁塔上的摄像头采集图像,并通过4G无线信号传送到服务器。在分析采集的输电线路图像特点的基础上,设计了基于数字图像处理技术的输电线路异常检测算法,实现输电线路异常在线检测算法研究。本文的主要研究内容如下:(1)在输电导线图像预处理部分,分析了采集输电线图像特点,比较了 soble算子、拉普拉斯算子、Canny算子,Robert算子等应用于图像处理的效果不同。结果表明,Canny边缘检测结果最为细腻,可以检测出细小的边缘。(2)在输电导线检测部分,首先介绍了 Radon变换,Hough变换,LSD变换用于导线的提取的方法。针对包含较为复杂背景的输电线路提取不理想问题,设计了基于改进Canny边缘检测和Beamlet变换的检测方法。针对较多伪边缘和误检导线,设计了导线的拟合和去重算法。(3)针对输电导线的异常识别,借鉴了电磁场等矢量场的思想,定义了基于图像块梯度的矢量场,用偏移角度来定位异物或者断股位置,并结合定义的异常矩参数做出检测。同时针对落鸟、毛刺损伤等较小目标,采用了基于局部投影方法的检测方法。(4)针对一种非常重要的干扰模型即导线交叉模型进行交叉点的检测。私拉电线、拍摄角度限制、断股等都会导致采集的图像中导线有交叉。对交叉点检测可以避免被当作断股处理,以免误报。本文提出的异常识别方法算法可以精确地实现对输电线路的异常识别,为输电线路运行状态的在线检测提供新的解决方案。因此本文的研究为输电线路智能化在线检测系统提供了理论基础和实现,进一步完善电力系统智能化检测体系,促进电网巡检检测向智能化方向发展。

关键词： 非接触测量   数字图像相关   数字图像处理   动态位移   无人机测量  

摘要： 位移作为结构状态评估和性能评价的一个关键参数,在结构健康监测、检测及荷载试验中具有重要意义。传统的位移测量手段在实际工程应用中易受到环境因素的限制,视觉测量方法具备非接触、低成本和便于实施远距离测量等优势因而受到了广泛关注。为了满足土木工程结构位移的非接触测量需求,本文开展了基于数字图像相关的亚像素位移测量研究。提出了应用固定相机和无人机测量结构位移的方法,并对该方法进行了理论分析和实验验证。本文的主要研究内容如下:(1)首先阐述了二维数字图像相关方法的基本原理,并基于Harris角点检测算法完成相机标定。在相关函数的选择方面,根据不同相关函数的相关系数分布图,采用单峰性、稳定性以及抗噪性能均较好的ZNCC函数和ZNSSD函数进行相关运算。在相机标定过程中,建立了相机成像的几何模型,同时考虑了镜头畸变的影响,利用基于棋盘格的相机标定方法,得到了相机的内部参数和相机结构位置参数以及畸变系数,并获得了待测结构上某测点的3D世界坐标与图像坐标之间的映射关系。(2)研究了数字图像相关技术中两种常用的亚像素位移算法(高斯曲面拟合法和梯度法),并提出了一种改进初值的反向组合高斯牛顿算法。使用计算机生成一组变形前后的模拟散斑图,用来验证本文提出的位移测量方法的抗噪性能,并从计算精度和计算稳定性两方面对比分析了三种亚像素算法的性能。结果表明,改进初值的反向组合高斯牛顿算法在结构位移计算中具有测量精度高、计算结果稳定等优势。(3)提出一种使用固定相机测量结构位移的方法,并将其应用在实验室框架结构位移测量试验和某消防通道桥梁的挠度变形测量试验中。采用SUSAN滤波算法处理采集到的视频图像序列,结果表明SUSAN算法不仅能够去除图像噪声,还能得到更清晰的图像。实验室框架结构位移测量试验中,视觉测量系统与激光位移计得到的位移曲线趋势一致,均方根误差为0.129mm;并通过系统零飘试验得到在95%的统计概率下视觉测量系统在不同测距下的测量精度。实桥试验中,现场实测桥梁挠度曲线图表明了本文提出的位移测量方法具有较好的的准确性和实用性,可以满足工程中桥梁挠度测量的需求。(4)实际测量过程中,固定相机可能不便于架设。针对该问题,本文将无人机应用到大型结构的位移测量中。通过以下三个阶段从无人机采集到的视频中提取出结构的绝对位移:计算结构测点处的相对位移;摄像机6个自由度的运动(自我运动)估计;还原结构测点处的绝对位移。并通过相关试验验证了该方法进行结构位移和挠度测量的可行性。

关键词： 复合路面材料   骨架结构   油石比   数字图像处理   开裂性能  

摘要： 半柔性路面（SFP）材料是在大空隙沥青混合料中灌注性能优异的水泥砂浆固化结合而形成的一种复合路面材料，由于其承载力高，高温稳定性较好，因此设置为面层能够很好地解决由于沥青混合料高温稳定性不足而导致的如车辙等病害，故而近年来受到广泛关注。但是实际工程中，半柔性材料的开裂问题已成为制约其推广的主要原因，这是由于路面实际受力状态复杂，加之其本身是三相异质材料，且施工时灌浆的质量也难以控制。目前对半柔性材料的开裂性能和机理的认识有限，材料性能的优化常见的是基于宏观试验结果进行的材料比选。半柔性材料的骨架结构能够承受荷载传递应力，阻止微裂纹的拓展，油石比的增大能够增强材料的抗裂性却也影响着水泥砂浆的灌注，对这两个影响其开裂的主要因素的研究目前较少。因此，本文依托高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金《半柔性复合路面宏细观结构设计方法研究》，从细观的角度出发，利用数字图像处理技术获取半柔性材料的内部结构组分信息，并以此来研究其内部结构细观指标与材料宏观性能之间的联系，对半柔性材料抗裂性的优化提供新的思路方法，进而为建立考虑微细观结构的半柔性复合路面结构设计体系奠定基础。　　首先，本文将断裂力学中的断裂能作为评价材料抗裂性的指标，对半柔性材料的组成材料进行对比优选。总结了半圆弯曲试验（SCB）目前国内外的应用情况，并确定了半圆弯曲试验方法为本文的主要试验手段，断裂能为评价抗裂性的宏观指标。试验选择了空隙率25%的大空隙母体沥青混合料，设计制作了5种不同沥青和添加剂组合的半柔性材料，通过将试件置于25℃和-10℃的环境温度下进行试验，分析其破坏形态和过程。结果表明，在温度较低的环境下，半柔性材料断裂时呈现出脆性断裂，这时峰值荷载较高，具有较大的启裂断裂能，在温度较低的环境下拥有更好的抗开裂性能，如使用了高胶沥青的半柔性材料。在室温环境下，半柔性材料粘性变形能力增大，保留了一定的韧性，这时断裂速率缓慢的材料会有较大的拓展断裂能，如添加了界面改性剂和纤维的半柔性材料，在温度较高的环境下抗裂性能更优。　　其次，本文借助数字图像技术，对半柔性材料骨架结构的接触特征等进行了统计和分析，并以平均配位数作为半柔性材料骨架结构的细观评价指标。结果表明，旋转压实试件内的接触点分布不均匀，中部接触点较多而两端接触点较少;细观指标平均配位数与宏观抗裂性在不同压实次数的条件下有良好的相关性，适当增加压实次数有利于增强半柔性材料骨架结构的稳定性，提高材料的抗裂性;在不同的油石比下，平均配位数随着油石比的增大呈现先增大后减小的趋势，而半柔性材料的断裂能和油石比成正比，油石比为4.4%时的平均配位数最大，但此时宏观抗裂性能并不是最佳的，说明在不同油石比下，以平均配位数来表征半柔性材料骨架结构的稳定性是不合适的。　　最后，基于数字图像处理技术，考虑半柔性材料中的粗集料、水泥砂浆和空隙这三组分的作用，提出了一种半柔性材料内部结构组分分布均匀性的评价方法，采用5种不同油石比的材料试件，对其均匀性程度进行定量的评价。同时，采用半圆弯曲试验对5种油石比的半柔性材料试件的常温抗裂性和抗疲劳开裂性能进行了评价，并探究宏观抗裂性与细观内部结构均匀性的关系。研究结果表明，基于IMSUSM提出的均匀性程度评价参数可以定量评价半柔性材料试件内部结构的均匀性，半柔性材料内部结构均匀性最佳时，沥青用量适当增加但是对水泥砂浆灌注的负面影响在合理范围内时，能够达到一个沥青用量增加与水泥砂浆灌注效果的平衡，从而改善材料的整体抗裂性能，结合试验结果，建议油石比在 4.4%~4.7%之间选取。

关键词： 数字图像处理   教学改革   实践   考核  

摘要： 数字图像处理是一门理论与实践紧密结合的课程,为有效地将这门课程与应用型本科教学相结合,本文针对当前这门课程在日常教学中面临的问题,在分析数字图像处理课程教学的现状基础上,从教学方式、实践和考核等环节进行了相应的改革探讨,这对提升应用型本科数字图像处理课程的教学改革起到很好的指导作用。

ISBN: (纸本)9787564647490

关键词： 数字图像处理   电子信息类专业   教学改革  

摘要： "数字图像处理"是我校电子信息类专业一门重要的专业课程,是检验学生前期课程学习融会贯通能力与综合应用能量的一门课程。该课程在培养学生创新思维、分析问题与解决问题能力方面占有重要作用。本文根据目前课程的现状与面临的问题出发,提出面向创新型人才培养的教学改革方案,增强学生的创新意识,提高学生解决实际问题的能力。

关键词： 遥感科学与技术   遥感数字图像处理实践   教学改革  

摘要： 遥感数字图像处理是遥感科学与技术专业的一门核心课程,其实践教学是一个非常重要的环节。在遥感数字图像处理实践教学过程中,以Landsat TM、ETM+、SPOT、IKONOS和GF1等光学图像作为处理数据,结合遥感数字图像处理的经典方法,构建了七个实践模块,分别为图像处理的基本操作、图像合成与显示增强、图像校正、图像变换、图像滤波、图像分割和图像分类。针对实践过程中数据、方法和模块内容三个方面存在的问题进行深入探讨,并提出对应的改革方法,以加深学生对遥感数字图像处理理论知识的理解,使学生更好地掌握遥感数字图像处理流程,进而提升本科教育教学质量。

关键词： Jetson Nano   数字图像处理   目标跟踪   Graphics Processing Unit  

摘要： 自上世纪50年代以来,随着计算机的快速发展,数字图像处理的相关应用也很快在计算机上实现,目前随着半导体行业的不断发展,计算机的处理性能也在不断地提升,在这期间出现了大量的基于计算机平台的图像处理相关算法。早期德州仪器TI生产的DSP数字信号处理器是专门针对数字信号设计的一种处理器类型,例如TI公司达芬奇系列的多核多媒体处理器TMS320DM6467T,该芯片使用采用了ARM核心以及DSP核心集成在一个芯片上的架构,通过将图像处理中大量的矩阵运算在DSP中的乘法器等硬件资源上加速,从而大大提升了嵌入式平台在特定场景下的处理速度。随着当今半导体技术以及嵌入式平台的飞速发展,基于DSP平台的处理性能已经不能满足高分辨率以及高色彩度空间的实时图像处理需求。随着嵌入式对图像处理的性能的需求不断提升,基于多核心的专业图形图像处理器已经得到了广泛的应用,也就是Graphics Processing Unit(GPU)。本文所使用的嵌入式图像处理平台就是英伟达NVIDIA公司推出的基于GPU的图像处理平台Jetson Nano,基于此平台,本文主要完成了以下几部分内容的工作:(1)搭建基于Jetson Nano平台的基础开发环境,安装Opencv、pycuda、jupyter notebook等软件的开发环境,选择合适的电源、摄像头CCD模块以及设备网卡等外围模块。制作Jetson Nano软件镜像,安装内网映射功能以供远程操作设备等。(2)在PC计算机上实现了若干基本图像算法逻辑,验证了算法的正确性并对算法进行了基本的优化,对完成验证仿真的图像算法进行嵌入式平台移植工作,让算法运行在Jetson Nano的ARM核心上。(3)对运行在Ubuntu Linux系统上的算法进行下一步的移植工作,对部分能够实现GPU加速运算的算法进行GPU设备的移植,最大化算法的实时性能,并与ARM核心端的运行效率进行对比,同时还进行了多种编程语言(python、C++)的对比,测试不同编程语言在时间效率上的差异等工作。(4)在完成基本算法的GPU加速运算之后,对目标跟踪算法中涉及的基本的算法模块进行封装以及联调,实现目标跟踪算法的逻辑功能,并进一步在算法底层优化相关算法设计部分,提高算法的实时性。

关键词： 数字图像处理   壁画分割   GrabCut算法   小波去噪   k均值聚类  

摘要： 壁画作为我国民族文化中十分珍贵的艺术遗产,起源甚早,流传广泛,历经了数千年的积累沉淀后仍是令人叹为观止的艺术经典。然而,因壁画长期暴露在空气中,导致现存壁画普遍存在边缘模糊、轮廓不清晰、整体褪色、噪声明显等问题。传统的壁画保护方法是一种不可逆的过程,因此,采用数字化方法来保护壁画变得尤为重要。壁画分割作为壁画数字化保护中的一个重要流程,其分割结果直接影响壁画后续的修复工作,利用智能信息处理技术可以很好地实现壁画的自动分割。本文结合现存壁画图像的特点,利用数字图像处理技术,基于图割理论提出两种壁画分割模型,为壁画的后期修复工作奠定了基础。现存壁画年代久远,存在缺失破损的现象,使用单一算法进行处理,容易出现欠分割、过分割问题。基于此,本文提出一种融合k-means聚类和Grab Cut算法的壁画分割新模型。利用图像平滑后的灰度直方图峰值信息完成k-means算法的初步聚类,把预分割图像作为Grab Cut算法的初始化信息,实现壁画的最终分割。实验证明,该方法应用于壁画分割表现良好。但因部分壁画模糊、边缘不清晰,导致其在分割过程中存在整体轮廓难以定位的问题。为解决上述问题,本文又提出一种增强边缘的壁画分割算法。该算法采用自适应小波去噪去除壁画图像中的噪声,融合Sobel算子和Canny算子提取的壁画轮廓以增强图像边缘,最后实现对壁画的有效分割。实验结果表明,该方法在有效消除噪声干扰的基础上,分割边缘不清晰的壁画图像也获得了良好的分割效果。基于以上研究,使用Matlab R2017b设计并实现了一个基于图割理论的壁画分割原型系统,通过调用分割算法,直观展示了分割效果。本文提出的两种分割算法,结合了现存壁画的特点,在古代壁画的分割领域有着较强的适用性,为壁画的分割提供了一种新思路。原型系统实现了壁画分割的可视化操作,为壁画的数字化保护提供了一种实用价值。