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关键词： 沥青混合料   冻融循环   CT扫描   数字图像处理   玄武岩纤维   细观研究  

摘要： 随着我国公路网日益完善,高速公路在我国道路建设中起着越来越重要的作用,高速公路通常铺设在野外,受自然因素影响较大。我国北方大面积为季冻区,高速公路的路用性能在行车荷载和冻融循环共同作用下快速下降,提高道路抗冻性和耐久性刻不容缓。随着对道路材料研究的不断深入,对沥青混合料的研究逐渐由宏观层次向细观层次转移。传统研究方法无法反映混合料真实内部结构的变化,为分析冻融循环下的混合料细观损伤机理及内部结构变化,需借助CT扫描等无损检测手段进行研究。本文结合吉林省交通科技项目“水-温耦合作用下玄武岩纤维沥青混凝土损伤特性及机理研究”,对玄武岩纤维SMA-13混合料和木质素纤维SMA-13混合料的抗冻融能力进行研究。首先从宏观层次入手,研究两种沥青混合料的空隙率和力学指标随冻融循环的变化规律;然后借助CT机获取两种沥青混合料在不同冻融损伤周期的扫描图像,使用数字图像处理技术对扫描图像进行处理,分析试件的内部结构随冻融循环的变化规律。本文所做的研究工作如下:1.在SMA-13中添加玄武岩纤维和木质素纤维,测试原材料性能,对两种沥青混合料进行配合比设计;2.对冻融循环损伤实验条件进行拟定,主要分析并确定试验的冻融时间、冻融温度和冻融循环次数。对冻融循环作用下的两种沥青混合料进行空隙率试验、稳定度试验、劈裂试验和间接拉伸试验。研究沥青混合料的体积指标和力学指标随冻融循环次数的演化规律,以损伤度为指标对两种沥青混合料的抗冻融损伤能力做出评价;3.借助CT扫描技术获取两种沥青混合料在不同冻融循环周期中的扫描图像,分析并确定扫描参数,如扫描层厚度、管电压、毫安秒等。使用数字图像处理技术对获取的图像进行处理,使图像更加适用于统计分析。对试件中各断面空隙率和空隙数目进行统计,研究空隙在试件中的空间分布规律;4.冻融循环作用下沥青混合料的力学性能下降原因是多方面的,单以空隙率为指标进行分析并不能对沥青混合料内部细观结构损伤机理进行准确描述,现以扫描空隙率、空隙数量、圆度、分形维数、长短轴比和棱角性为指标,对沥青混合料中空隙特征随冻融循环的变化规律进行研究;

关键词： 疲劳裂纹扩展试验   数字图像处理   数字散斑相关方法   裂纹尖端塑性区   裂纹尖端变形场  

摘要： 机械零部件失效的最常见形式是疲劳破坏,研究疲劳裂纹萌生、扩展和断裂特性对机械产品的安全、可靠性具有重大意义。材料的断裂特性主要是由裂纹尖端的变形场(裂纹扩展路径、方向、位移场、应变场和裂纹尖端塑性区等)决定的。电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验系统由于其工作频率高、能量消耗低、试验时间短、试验波形好等优点被各种力学实验室广泛用来进行材料疲劳试验,研究材料的断裂特性。但由于试件高速振动所产生的惯性效应和应力波传播效应,使得裂纹尖端位移、应变场的理论计算变得非常复杂,目前尚没有发现有效的方法。据此,本文将基于数字图像处理(DIP)的宏观疲劳裂纹检测方法和全场、非干涉的数字散斑相关方法(DSCM)相结合来解决这种高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展路径、尺寸、疲劳裂纹尖端位移、应变场的测量问题,并在此基础上对裂纹尖端塑性区的形状和尺寸进行了估算,对疲劳裂纹尖端变形场进行了深入的分析。本文的主要工作如下:1.搭建了谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端变形场测量系统,包括电磁谐振式高频疲劳试验系统、试件疲劳裂纹在线检测系统和试件散斑图像在线采集系统,并提出了特征加载位置试件散斑图像的匹配方法。2.提出了一种基于DIP的试件疲劳裂纹检测算法。该方法通过模板匹配和角点检测方法确定裂纹起点,根据试件裂纹图像的子区灰度均方差定位裂纹区域,然后使用自适应阈值分割方法分割出裂纹,最后基于连通域和平滑去噪算法提取出精确的裂纹轮廓,以此得到裂纹长度和裂纹尖端位置。3.介绍了DSCM的基本原理和裂纹尖端位移、应变场测量方法,对不同载荷循环下裂纹尖端的变形场进行了计算和验证。该方法针对裂纹尖端存在不连续区域的情况,采用可靠性路径导向的计算策略。兼顾计算精度和计算速度,在DSCM中采用反向组合高斯牛顿算法进行亚像素位移计算,采用子区最小二乘平面拟合方法计算应变。4.在对裂纹尖端塑性区进行了理论分析的基础上,提出了一种基于Von Mises屈服准则、利用DSCM计算得到的应变场数据的裂纹尖端塑性区形状和尺寸的估算方法,并采用有限元方法对其结果进行了验证。5.进行了谐振式疲劳裂纹扩展试验,测量了高频谐振载荷作用下、裂纹稳态扩展阶段疲劳裂纹的宏观尺寸(裂纹扩展路径、长度、裂纹尖端位置)、一个载荷循环内的裂纹尖端变形场和不同裂纹长度时的裂纹尖端变形幅场,并分析和研究了其变化规律。本文研究结果可为进一步研究高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展机理和扩展参数的测量奠定基础,具有理论和应用价值。

关键词： 平直度检测   图像处理算法   鲁棒性   液滴干扰  

摘要： 中厚冷轧钢板是工业生产中常用的主要钢铁产品。其板形缺陷检测缺乏自动化高精度的检测设备。平直度是中厚冷轧钢板板形缺陷的重要指标,它直接影响钢铁生产单位的生产效率和材料利用水平。此类自动化板形检测设备常年被国外企业垄断。开发可靠的国产检测设备可以打破垄断,降低我国钢铁企业的成本。因此,研究开发此类自动化设备有着重要意义。随着机器视觉技术的快速发展,非接触式中厚冷轧钢板平直度检测在国内成为研究热点。但是目前国内此类产品投入实用的不多,其中一个重要原因是缺乏具有良好鲁棒性的图像处理算法。本文将以中厚板平直度检测系统为基础,着重讨论和提出关于加强系统检测鲁棒性的算法,并加以验证,分析其性能。尝试以多种手法,包括以软硬件结合的方式拓宽研究手段,降低开展研究的难度。探讨通过计算机软件对整个系统中的一些关键组成部分进行虚拟验证的可能性。最终,提出针对具有良好鲁棒性的激光光斑中心定位算法,并通过实际用于平直度检测来评估算法性能。论文各总体内容安排如下:(1)阐明课题研究的背景和意义,介绍国内外研究现状。阐述研究的重点为探索建立拥有强鲁棒性的图像特征提取算法。(2)对激光三角原理进行推导,探讨其再光路设置有较小误差时的检测时的鲁棒性能。对条形激光器的光束整形进行推导,引入光学仿真软件Tracep对激光器光斑进行计算机仿真,分析其效果。(3)构建针对中厚冷轧钢板的表面散射模型,描述其表面特性。通过实验等手段采集数据,最终在TracePro中仿真光斑,并探讨其效果是否具有工程意义。(4)针对主要光斑中心定位算法进行介绍,分析,提出自己的针对液滴干扰的鲁棒性中心提取算法。并打算从液滴干扰重复性定位精度的角度对各算法进行比较。(5)通过搭建实验平台,实际比较验证本文提出的算法与传统算法在性能上的区别。并从利用计算机仿真技术对行进状态下钢板表面液滴的可能变形提出自己的看法。

关键词： 喷嘴雾化角   喷雾打击力   雾场浓度   数字图像处理  

摘要： 随着科学技术的发展,喷雾技术在国民生产和生活中被广泛应用。喷嘴雾场的雾化粒度、雾化角度、雾场浓度和打击力分布等参数与冶金、消防、食品加工、农药喷洒、航天航空、军工、环保、石油等众多领域紧密相关。本文主要针对雾场角度、打击力分布开展研究和实验,并采用图像法初步探讨了雾场浓度和能见度分布的测量方法。主要工作如下。1、基于图像法开展喷嘴雾化角测试方法的研究。提出采用差分图像的最大类间方差算法,用于喷雾图像的识别以及基于二值化图像计算喷雾角度的算法。通过图像灰度变换、阈值分割、形态学去噪、边缘检测等方法,提取得到喷雾场图像,采用直线拟合方法计算得到雾场边界和雾化角,实现了喷嘴雾化角的数字化测量。2、提出采用单点压力传感器和两维移动喷嘴的方式,测量得到雾场的压力(打击力)分布。开发了打击力测试平台。3、在Microsoft Visual Studio 2013的开发环境下,以OpenCV库为核心,开发了雾化角度和压力测量的处理软件。采用搭建的测试平台,对喷嘴进行数据采集,并对结果进行了分析。4、采用图像方法实现了能见度(雾场浓度)的测量,得到了初步结果。

关键词： MATLAB   数字滤波器   图像处理   小波变换  

摘要： 数字滤波技术在视觉编码、电力系统、复杂信息识别等众多领域中有着非常普遍的应用。本文在基于matlab工具下研究数字图像滤波器设计,我们利用小波变换和matlab滤波函数对噪声图像的去噪处理方法进行了研究。

关键词： 调制传递函数   快速傅里叶变换   数字图像处理   线扩散函数  

摘要： 近些年,随着光电行业的飞速发展,检测器件和处理技术水平也得到不断的发展和提高,正是基于国内外的光学系统成像质量评价手段的发展情况,本次课题将在现有研究理论与技术水平的基础上,进行基于图像处理的镜头MTF测试系统的研究,由于目前市场上商用的高端的传函仪设备绝大部分是来自国外,以其科学的理论研究以及设备精度高、测试快的特点掌占据了巨大的市场,而国内所研究出的传递函数测量仪在测量精度和速度上都达不到国外水平,无法达到商用的要求,所以本文所做设计工作旨在为研制出可用于实际的高端传递函数测试仪做出探究和研究准备,为高端传函仪的研发工作做出努力和建设性研究。并通过本次研究工作,把握传函仪的技术研究关键,实现高端传函仪国产化。在本次设计过程中,主要完成了以下工作:(1)阅读大量镜头MTF测试的相关文献,深入学习与之相关的理论知识,进行当前市场的应用情况的调研,比较MTF测试的各方法,讨论实验计划并确定设计方案,最后确立了基于狭缝法的镜头MTF测试系统。(2)搭建MTF测试的系统平台,确定系统光路和结构,并对所需光学元器件进行选型与比较,确定实验流程并调试系统光路,保障测试结果的精度。(3)设计测试系统的软件模块,包括步进电机的控制和自动对焦、图像的采集与储存、图像的预处理以及MTF值的计算与曲线图像绘制的实现。(4)完成不同镜头的MTF测试,记录实验数据和结果,并作比较分析,全面评估待测镜头的成像质量。本次设计的系统创造性地适用于不同的镜头MTF测试方案,可以进行不同镜头的LSF、MTF、EFL、场曲以及畸变等数值的测量,也可以对测试进行组合,探究变量之间的影响关系,并对结果进行分析验证。本系统能够将光学系统的MTF测试结果误差控制在2%以内,能够反映镜头的场曲、畸变等信息。在论文最后,对论文总体工作进行了总结,提出系统仍然可以继续开发的功能,具有很好的工业应用前景。

关键词： 表面等离激元共振显微成像   图像识别   碰撞过程可视化   细胞活力分析   像素重构算法   漂移校正   图像互相关   高斯拟合  

摘要： 随着化学科学逐渐向微观尺度延伸,多种具有优异时间和空间分辨率的显微成像技术得到了广泛和深入的应用,为化学科学研究提供了大量关于样品表面形貌、化学组成等的空间分布和时间演变信息。与此同时,信息科学和空间科学多年的发展历程早已建立了许多各具特色的高维数据分析方法,能够从大量的图像和视频数据中有效提取隐藏信息。本论文以表面等离激元共振显微成像(SPRM)方法获得的图片数据为研究对象,将多种数字图像处理技术引入其中,挖掘隐藏在这些数据背后的信息。主要内容如下:1、基于图像识别算法的金纳米粒子绝对浓度测定为了能够将金纳米溶胶广泛地应用于传感、检测和纳米制药等领域,必须准确地测得金纳米粒子的摩尔浓度。目前大多数测定金纳米粒子浓度的方法只适用于规则形状和较窄粒径分布的粒子。本论文提出了基于图像识别算法的金纳米粒子绝对浓度的测定方法。该算法首先通过中值滤波器将图片中的黑白噪点滤除,接着对图片进行二维卷积运算,使信号峰符合高斯分布,最后对图片中的局域最亮点进行定位,确定金纳米粒子在图片中的位置,并对粒子数目进行定量。此项研究建立了基于该算法的计算机程序,通过统计在一定时间内与传感芯片发生碰撞的金纳米粒子数目(数以千计),获得了纳米粒子碰撞频率随时间下降的曲线。随后将该曲线与斯托克斯-爱因斯坦方程结合,在无需建立工作曲线的基础上计算得到了金纳米粒子的绝对浓度。2、基于碰撞过程可视化的聚苯乙烯小球绝对浓度测定聚苯乙烯纳米粒子可以用作多种药物的载体。但是,较高浓度的聚苯乙烯纳米粒子具有毒性,所以在药物研发过程中必须精确地测定其摩尔浓度。本论文提出了一种无需任何先验知识和工作曲线,直接测定聚苯乙烯纳米粒子绝对浓度的方法。该方法将通过图像识别技术获得的碰撞频率随时间下降的曲线与通过碰撞过程可视化获得的扩散系数相结合,最终求得了聚苯乙烯纳米粒子的绝对浓度。通过用函数拟合碰撞过程直接计算聚苯乙烯纳米粒子的扩散系数,避免了利用动态光散射仪测定扩散系数的额外操作。与前一章的研究相比,进一步减少了对样本先验知识的要求。3、基于图像相关光谱(ICS)的细胞活力分析法细胞的活力分析通常被用于药物的初筛,以节省药物研发阶段的大量人力物力。但是,常用的细胞活力分析手段是基于大量细胞的整体响应分析,无法实时观测单个细胞的活力变化情况。SPRM能够检测细胞和药物的结合解离动力学但是无法实时反映细胞的活力状态,这是因为SPRM对表现细胞活力的细胞膜运动产生的SPRM信号无法分析。这些信号产生的位置随机且变化很快。本论文开发了一种针对这种情况的数据分析方法,可以从这些随机出现的SPRM信号中提取出特征信号,实现单细胞的活力分析。除此之外,该方法还克服了系统漂移对实验结果造成的影响。将该方法应用于HeLa细胞的活力研究,成功地测量了单个活细胞在固定过程中伴随的细胞活力衰减动力学。4、基于像素重构的漂移校正算法显微镜的空间分辨率不断提高、采样速度也越来越快。以前只能观测微米级别的样品,现在可以对纳米级别的物体进行成像。与此同时,系统漂移造成的影响也被放大。当使用显微镜对样品进行较长时间拍摄时,由于外界温度的波动或者机械松弛等原因,拍摄的图片会发生漂移现象。本论文提出了一种基于像素重构的普适性算法,用于图像水平漂移的校正。该漂移校正算法对整张图片进行互相关计算,提取出整张图片的平均漂移信息。因此排除了人工选择标记点的随机性和个人偏好造成的误差。对整张图片进行漂移信息的提取,也避免了选定的单个标记物发生随机移动等意外事件带来的误差。该方法不需要对仪器进行改造,也不需要在采样过程中进行特殊的操作,只需要采集的信号符合高斯分布,就可以用该方法对采集到的数据进行水平方向上的漂移校正,得到高质量的数据。此项研究以荧光显微镜图片和SPRI图片数据为例,展示了该漂移校正算法的有效性和可靠性。

关键词： 聚合物薄膜   玻璃化转变   分子动力学   末端效应   数字图像处理  

摘要： 科学真理的发现一定是伴随着技术的不断发展。因为受到实验方法的限制，对聚合物超薄膜玻璃化转变的研究得到的信息大多是系综平均，并没有深入到高分子链段水平。聚合物薄膜的应用越来越广泛，迫切地需要对玻璃化转变的本质有更加深入的理解，以便于对聚合物薄膜材料更好地设计和应用。单分子技术的不断推陈出新将新的手段带到了高分子领域，使得高灵敏度的探测成为可能。单分子荧光散焦成像更是其中一项耀眼的技术，它能够获取单个荧光分子的三维空间取向信息。若能够对成像后得到的图像进行处理分析，提取有效的信息就能够对玻璃化转变有深入的理解。自关联函数经常用来研究玻璃化转变，由于荧光分子寿命的限制，在此，采用全新的手段频谱分析来对最终采集的转动角度信息作分析。　　现在主要采用成型的商业软件或者模板匹配的方式对散焦图像序列进行分析。在本文中，采用一种新的数字图像处理的方法来对单分子散焦图像进行分析。在MATLAB环境下开发了一款软件，在这里不仅得到了单个荧光分子的面内转动角度还将其进行快速傅里叶变换。一次分析就得到了一个分子的运动轨迹和功率谱密度。将分子转动轨迹信号转入频域分析，可以得到分子的振动模式在频域内的分布。在同一个条件下统计大量荧光分子的功率谱密度数值平均后，并对平均值作积分，就可以得到不同温度下的分子转动动能。　　研究内容主要包括以下几个部分:　　(1)数字图像处理单分子散焦图像需要用到的技术的基本原理。由于数字图像涉及到的内容非常多，在此主要描述了数字图像处理技术的常用技术，例如图像分割、图像卷积和维纳滤波等。将这些技术通过MATLAB来实现，且将所有的图像处理过程和频谱分析集成在一起。　　(2)对新开发的软件进行测试，这是新开发程序不可以缺少的步骤。　　(3)在玻璃化转变温度附近通过软件分析线型聚甲基丙烯酸正丁酯链中间标记和末端标记的荧光分子的转动行为。研究发现荧光分子平均功率谱密度随着温度增加而不断升高，特别是在高频部分。这就说明聚合物链段运动随着温度的升高而加快。在相同温度下，膜更薄的链末端标记的荧光分子具有更大的转动动能。这表明膜更薄的链末端较链中间有更低的活化能而更容易被激活。使用同样的方法来研究星型聚甲基丙烯酸正丁酯中心点和臂链末端在玻璃化转变温度附近的转动行为，发现跟线型聚甲基丙烯酸正丁酯具有类似的结论。标记在臂链末端的荧光分子较链中心的荧光分子具有更大的转动动能。

关键词： 计算机视觉   数字图像处理   课程融合  

摘要： 计算机视觉主要是利用一些机械设备代替人类完成对目标的跟踪、检测和分类等任务,是应用广泛的一门综合性学科。数字图像处理是将图像与数字进行相互转化并且能够被计算机识别,通过计算机对图像进行操作的一门学科。计算机视觉是数字图像处理课程的进一步延伸,将两者融合在一起能够让学生熟练掌握理论知识,并进一步将知识迁移到计算机视觉学习上,使学生由浅入深学习,开阔视野。

关键词： 粮食收购服务   数字图像处理   人工神经网络   不完善粒检测  

摘要： 当前粮食已经成为市场上重要的商品,而粮食进入市场的首要环节便是粮食收购。经过调研发现,当下粮企的收购过程依然存在许多漏洞,这些漏洞引起了一系列问题,给粮企、国家以及粮商都造成了一定的损失。国家有关部门也多次出台促进粮食企业信息化建设方案,本系统就是基于这一背景和实际需求而设计。为了促进粮食收购更加信息化、减少收购环节中存在的问题、提高收购效率以及提升粮商售粮体验,本文重点做了以下几方面的研究工作:(1)对粮食收购的各个流程进行了深入调研,在确定需求后设计了粮食收购服务系统。由于中储粮(中国储备粮管理总公司)等一些大中型粮企包含众多分区粮库,为了达到平台共用和数据共享,服务端的设计采用平台独立、低耦合、资源共享的Web Service形式:针对粮食数据的特殊性,尤其是作为国家战略或经济调控的储备粮,粮食数据的重要性和安全性更是不容忽视,为保证粮食数据以及企业和用户隐私的安全,服务端和客户端采用增加安全机制的HTTPS协议进行通信;针对当前服务系统功能单一,本文丰富和完善了客户端的功能。(2)本文对购粮方客户端Android应用整体采用的架构、通信框架以及各个子功能等都作了详细的设计与实现。针对当前粮食收购在调度、监管和协作方面的问题,在Android客户端增加相应的模块进行提升和优化。粮食收购中,另一个重要的主题就是售粮方。以往经常会出现繁琐的身份确认、导引不周、数据不透明、效率缓慢等,导致售粮方的体验较差。为解决这些问题,本文设计的整个售粮流程以车牌号作为主线进行,在系统中应用OCR(Optical Character Recognition,光学字符识别)技术,快速进行信息登记以及身份确认;另外,本文实现了微信公众号,提供预约、信息查询、推送和反馈等功能,对于粮商售粮体验有很大程度的提升。(3)在粮食收购环节中,目前不完善粒检测方面几乎仍采用人工模式进行判别,人工判别较为繁琐,主观性较强而且极易出现作弊现象。针对这些问题,本文采用数字图像处理以及改进的BP(Back Propagation)神经网络技术,实现不完善粒的自动检测。在研究中,针对不同粮食作物提取具体特征,比如本文中以黄豆作为测试对象,就选取了边界向量角的一些统计特征作为判别参数,这是因为此特征能较明显的反映出籽粒类型中破损粒、虫蚀粒、生芽粒与完善粒的区别,显著提高了此类籽粒的识别准确度。通过实验结果分析,不完善粒检测平均识别结果达到95.5%,已经完全可以满足当前粮企收购中的应用,提升了粮食检测效率;另外图像处理和神经网络模型的构建均采用OpenCV开源计算机视觉库实现,这也方便了后期物联网终端设备的集成,识别的数据自动上传,从而更加方便粮企作业人员的使用和避免人为作弊现象。综上,本文设计的粮食收购服务系统对当前粮食收购总体效率和体验度有很大程度的提升,在实际中有较好的应用价值。