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关键词： 裂缝检测   数字图像处理   深度学习   卷积神经网络  

摘要： 桥梁的破损不仅关系到桥梁本身的承载力和使用寿命,严重时可威胁到行人和车辆的安全,裂缝作为桥梁破损的早期表现形式,及时地检测和修补它们,就显得十分重要。基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技术以其检测速度快、检测方法便捷等优点,逐渐取代了人工勘测的方法,但是因为传统数字图像处理的方法非常依赖算法设计者的经验,导致检测精度不高。近年来,随着深度学习在机器视觉领域的飞速发展,在人脸识别、图像检测等各方面,其准确度已经超越了传统的图像处理方法。与传统的方法不同,深度学习不需要手工设计特征,而是模拟人类的视觉感知系统,根据原始图像特点进行抽象表达。其中,卷积神经网络CNN是深度学习中的重要角色,其具有的显著优点,如非线性和高度并行,使其在图像处理领域具有特别广泛的应用,尤其是在图像的分类、识别等方面。因此,本文从深度学习的基本概念入手,深入研究卷积神经网络的理论,并基于此理论进一步展开对桥梁裂缝检测方法的研究。论文的主要工作如下:(1)数据获取与标定:本文设计了桥梁裂缝图像的拍摄方案,并且根据桥梁裂缝的双边缘特性提出了一种半自动化的图像标定方法,提高了图像标定的速度和准确度。(2)基于传统机器学习的裂缝检测方法:从传统机器学习的角度来看,手工设计得到的特征密切影响着分类器的分类精度。本文通过在裂缝图像上实现不同的特征提取算法,并将提取到的特征进行对比,选择优秀的特征训练SVM分类器,进行裂缝检测。(3)基于CNN的裂缝检测方法,该方法包含三部分内容:(1)鉴于CNN模型的有效性十分依赖于训练数据,本文提出了一种基于保护带的数据选取方法,保护带内的样本不作为训练数据,保证了两类训练数据不混叠;(2)通过分析桥梁裂缝图像的灰度分布,本文提出了一种自适应阈值分割的方法来剔除背景信息;(3)基于裂缝图像的特点,本文设计了一种新的CNN网络模型,并且将图像进行自适应阈值分割后送入该网络进行训练和检测;(4)由于CNN检测出的裂缝较宽,本文提出利用自适应阈值分割的方法对CNN的检测结果进行细化。实验结果表明,与其他方法相比,基于深度学习的桥梁裂缝检测方法能够获得更高的精度。

关键词： 边坡   崩塌   数字图像处理   结构面   危岩体   层次分析法   模糊综合评判  

摘要： 崩塌灾害作为山区公路的主要灾害之一,对公路以及交通安全的危害巨大。为了减轻崩塌灾害对公路交通的危害,需要对公路沿线潜在崩塌点进行危险性评估,并提前做好防治措施。岩体表面裂隙、结构面等信息均是影响边坡稳定性的重要因素,本文拟采用数字图像处理技术获取上述信息,为崩塌灾害危险性评价提供依据。本文首先对陕西省102省道柞水至旬阳段公路边坡进行实地调查,拍摄大量边坡图像,通过调查发现公路沿线边坡存在多个潜在崩塌点。然后基于MATLAB软件,分别采用Gabor滤波器、霍夫变换、交互式分割算法对岩体表面不规则裂隙尺寸、结构面间距、危岩体规模进行计算,并基于MATLAB GUI设计出针对边坡的图像处理系统。然后,根据K136+210处边坡图像,利用图像处理系统中危岩体体积估算模块计算出边坡上危岩体的体积,利用刚体极限平衡理论对其进行稳定性评价,得出该处危岩体处于欠稳定状态,并提出相应的防治措施。最后,结合研究区的实际情况,选取岩性、结构面间距、危岩体规模、裂隙宽度、边坡坡度、边坡高度、不利结构面倾角、风化作用、年平均降雨量、既有防护措施、地表水冲刷、地下水、地震烈度这13个影响因素作为研究区崩塌灾害危险性评价指标,并利用层次分析法确定各指标权重,最后基于综合模糊评判法对K136+210处边坡进行了预测评价,得出其危险性高的结论。

关键词： 公安   数字图像   图像处理技术  

摘要： 数字图像处理技术在公安侦查工作中发挥了越来越大的作用,但是也存在着诸如图像易损坏、易被窃取、数字图像占用空间大和图像处理软件的针对性差等问题,它们都会给公安工作带来很多不利影响。针对问题作了系统深入的分析,并提出相应的解决方案。

关键词： 舌诊   糖尿病证型   数字图像处理   特征提取   支持向量机  

摘要： 随着生活质量的日益提高,糖尿病已成为当今社会中的一种常见、多发病例。中医以“望闻问切”四诊合参从整体出发治疗糖尿病,具有西医所不能取代的优势。舌诊是中医望诊的关键环节,以其简便、无痛、无创等特点成为医学诊断的重要研究方向。传统舌诊主要依靠医生肉眼观察,诊断结果具有很强的主观性。为了解决舌诊客观标准化研究中存在的问题,同时体现中医“辨证论治”的思想,课题选择2型糖尿病典型证型——气阴两虚兼血疲证为研究对象,分别从舌体分割、苔质分离、舌象特征提取与识别三个方面对数字图像处理技术在舌诊客观标准化研究上进行探讨,主要做了以下工作:首先,为了能够准确的将舌体从脸颊等背景区域中分割出来,提出了一种基于HSV颜色空间的舌体分割算法,依据舌体与非舌体区域亮度信息的不同,将舌象转换到HSV空间,并依据H分量和V分量对舌象进行分割,获得了完整的舌体区域。然后,根据舌苔、舌质颜色信息的不同,将舌象转换到Lab颜色空间,提出了一种基于K均值聚类的苔质分离算法,并在不同颜色空间下进行了聚类分离的对比实验,取得了较理想的舌质舌苔分离效果。其次,利用颜色空间模型变换,对分离后的苔质区域分别在RGB、HSV、Lab三种颜色模式下进行定量化和差异性分析,并结合临床2型糖尿病舌象特点,选择具有代表性且区分度高的舌质、舌苔颜色特征;在舌体区域采用一种快速检测裂纹区域的算法进行裂纹区域的提取,并计算区域对比指数和区域一致性指数作为舌象裂纹特征。最后,对提取的舌质、舌苔颜色特征以及裂纹特征,分别应用K-最近邻分类算法和支持向量机分类算法对2型糖尿病气阴两虚兼血瘀证和正常舌象进行分类识别。对样本数据进行分组实验,并采用3种评价指标对分类器性能进行综合评价。实验结果表明,支持向量机法综合性能高于K-最近邻法,识别率最高达到了 92.59%,证明了本研究特征选取的有效性,实现了依特征辨证型的目的。

关键词： 废弃矿井   积气空间   采动裂隙   数字图像处理   煤岩层  

摘要： 我国历史上形成的不同类型残采区内积聚着大量瓦斯资源。对残采区积气的抽采不仅可以“变废为宝”改善我国能源结构，减少煤层气泄露产生的温室效应，同时可为以后的残煤复采提供安全保障。目前我国对残采区积气抽采的研究尚处于起步阶段，研究废弃矿井采空区积气空间分布对于废弃矿井采空区瓦斯勘探开发具有重要的理论和实际意义。本文以山西省岳城煤矿废弃采空区为例，采用相似模拟、Matlab编程、数值模拟和现场实测相结合的方法，开展了“废弃矿井采空区积气空间分布特性及应用”，取得了如下主要研究成果：　　（1）应力峰值存在于采空区前方煤岩层中，在垂直方向上越远离煤层，其应力峰值越小，且应力峰值的位置越偏向采空区。虽采空区长度不断增加，但应力峰值始终处在采空区前方的煤岩层中，处于应力降低区的煤岩层范围一直在沿工作面推进方向移动，采空区上方的岩层在垂直方向上由下位至上位处于处于低应力至高应力状态。　　（2）利用计算机数字图像处理技术和Matlab软件平台，开发了相应的数字图像处理及分析程序，对其图像进行高清化、二值化、目标化处理，并定量提取出采空区中积气空间的几何参数。结果表明，随煤层开挖长度的增加，其采空区面积呈逐渐增加的趋势，但采空区中积气空间面积呈现先平缓增加后急剧减小的变化趋势，并在煤层开挖长度为93m左右时达到最大。积气空间中的主积气空间面积随煤层开挖长度的增大呈现阶段性减小的变化趋势。积气空间中的次积气空间面积随煤层开挖长度的增大呈现台阶式增大的趋势。　　（3）数值模拟试验中，采煤工作面从开切眼开始向右推进，在推进到40m时，直接顶初次垮落。推进到60m的时候，采空区上方直接顶发生垮落，其上覆岩层也发生了一定程度地下沉，且与下部煤层垂距越大其垂直位移越小;推进到80m时，基本顶发生断裂、垮落，为顶板第二次周期来压。当下部煤层开采超过140m后，岩层垮落基本稳定，其垂直位移最大值达到了5.8cm，岩层中的垂直位移最大值点基本处于采空区中心位置上方。在废弃矿井3＃煤层工作面推进过程中，同一测线上的不同测点其垂直位移不同，即同一岩层中的测点距开切眼的距离不同其下沉量是不同的，3＃煤层垂距越大的岩层中测线上各测点间的下沉量差值较小，而与3＃煤层垂距越小，同一岩层上不同测点间的下沉量差值越大。　　（4）废弃矿井采空区瓦斯是指无采矿活动并封闭采空区后，采空区遗煤、遗留煤柱内的吸附瓦斯和积气空间内游离瓦斯的总称。上覆岩层垮落带内竖向裂隙发育程度较高，岩块之间不规则排列，形成了尺度较大的空间，为瓦斯提供充足的储存;在裂隙带内裂隙主要以横向发展为主，离层空间也积聚了一定的瓦斯。计算废弃采空区瓦斯储量，并结合现场钻井抽采数据计算抽采年限。

关键词： 非织造布   纤网细观结构   过滤性能   粗糙集   支持向量机   数字图像处理  

摘要： 高效空气过滤材料的研制是应对大气污染的有效方法之一。对相同或不同成网方式制成的非织造材料进行复合加工,优化纤网细观结构、提高材料力学性能,是制备优质高效空气过滤材料的一个有效途径。非织造布纤网细观结构呈现出随机性和复杂性的特征。目前非织造布纤网结构参数在实际生产中可控性较差,难以制备出符合预定规格要求的非织造材料。此外非织造布纤网结构参数与过滤性能之间存在复杂的非线性关系,运用传统数学方法进行分析已无法获得满意的效果。针对这一现状,本论文运用数字图像处理技术、粗糙集、支持向量机等工具研究纺粘、熔喷等薄型单层非织造纤网的细观结构特征,提取出影响材料过滤性能的最具代表性的少量关键细观结构参数并揭示其数值调控机理,在此基础上研究复合非织造布细观结构的形成机理,包括孔隙结构随复合层数和复合方式变化的规律。探讨复合层数和复合方式对材料过滤性能的影响规律,为制备高效空气过滤材料提供理论依据。研究结果如下:1.纺粘和熔喷非织造布孔隙形状参数降维结果均显示,孔隙偏心率和孔隙紧凑度是最能代表孔隙形状特征的两个参数;纺粘非织造布纤网细观结构参数降维的结果显示,厚度、纤维直径、孔径、孔径变异系数和孔隙偏心率是最具有代表性的5个纤网结构参数;熔喷非织造布纤网细观结构参数降维的结果显示,厚度、纤维直径、纤维直径变异系数、孔径和孔隙偏心率是最具有代表性的5个纤网结构参数。纺粘和熔喷两种非织造布在细观结构方面的差异表现在:首先,纺粘非织造布的纤维直径大且较为均匀,相对而言熔喷非织造布纤维直径则表现为小而不匀;其次,熔喷非织造布的基平面网特征长度远大于纺粘非织造布;其三,两种非织造布的孔径数值差异不大,但纺粘非织造布的孔径变异系数远大于熔喷非织造布;其四,熔喷非织造布的孔隙率高于纺粘非织造布。2.为探明单个纤维相结构参数对孔隙结构的影响规律,以纤维根数、纤维直径、纤维直径变异系数和纤维取向角为模型输入,运用数字图像技术构建非织造布基平面网模型。研究结果表明,随着纤维根数增加,孔径呈明显减小趋势,孔径变异系数略有增大;随着纤维平均直径的增大,平均孔径呈小幅下降趋势,孔径变异系数则呈小幅增大的态势;随着纤维直径变异系数的增大,孔径变异系数呈小幅增大态势;随着纤维取向角的减小,孔隙偏心率呈明显增大趋势,而孔径变异系数呈小幅减小态势。纤维根数是对孔径影响最大的基平面网结构参数。基于基平面网模型进行理论分析得出的结论与实际测试的结果相一致。3.运用支持向量机建模,将纺粘/熔喷非织造布纤网细观结构参数约简集内参数的不同组合作为输入对过滤性能进行预测,并对预测准确度进行比较分析。实验结果显示,无论是纺粘还是熔喷非织造布,以纤网细观结构参数全集为输入的过滤性能预测模型的预测准确度均达到较高水平。以纤网细观结构参数约简集5个参数为输入的模型在几乎所有预测准确度指标上均优于以参数全集为输入的模型,表明在原始参数集中含有与过滤性能关联度较低的参数。对于两种非织造布,均以厚度、纤维直径和孔径这3个参数为输入模型的预测准确度为最高,其过滤效率和过滤阻力的预测精度均高于98%,且CV值均在3%以下,表明厚度、纤维直径和孔径是影响纺粘/熔喷非织造布过滤性能的3个关键参数。4.与单层非织造布相比,层压复合后非织造布细观结构的变化表现在:材料厚度和孔隙率均有较大幅度减小;纤维当量直径的变化根据复合方式的不同而异,单成分复合非织造布的纤维当量直径在数量级上没有发生变化,而混合复合非织造布的纤维当量直径与单成分纺粘非织造布相比有大幅度的下降;基平面网特征长度比复合单元有较大幅度的增大。复合层数越多,材料的孔径将变得越小,复合单元的孔径变异系数越大,复合后孔径下降率就越高;孔径变异系数呈上升趋势,且复合层数越多,孔径变异系数越大。5.以厚度、纤维直径和孔径为输入的基于支持向量机的复合非织造布过滤性能预测达到很高的预测准确度,所有模型的MPA值均超过97%,且CV值均低于3%,表明将复合非织造布看作是各个单层非织造布(复合单元)所构成的多级过滤器这一观点是客观的、正确的,同时也验证了对于复合非织造布而言,厚度、纤维直径和孔径仍然是影响其过滤性能的关键纤网细观结构参数。6.以单一熔喷非织造布复合单元进行复合的非织造布的过滤效率和过滤阻力数值高于以单一纺粘非织造布复合单元进行复合的非织造布;随着复合层数的增加,混合复合非织造布的过滤效率和过滤阻力数值不断趋近单成分熔喷复合非织造布的数值,尤其是四层混合复合中的3S1M型、2S2M型和1S3M型的各15个样本的平均过滤效率分别达到90.3985%、92.7092%、91.6731%,具有较好的实际应用价值。随着复合层数的增加,材料过滤品质呈下降态势,从单层增加到2层时品质因子数值下降较多,但此后下降幅度逐层减小,而相同复合层数各种复合方式非织造布的品质因子

关键词： 采棉机   摘锭   磨损程度   数字图像处理   备品备件管理  

摘要： 摘锭作为采棉机采摘棉花的重要工作部件,数量多、服役条件复杂。工作状态中的摘锭和籽棉、棉花秸秆发生直接接触,长时间的摩擦造成摘锭钩齿表面磨损,目前,摘锭磨损程度主要依靠人工判定,这种方法不仅效率低、易漏检,而且没有统一的标准,影响了摘锭正常的维护维修,因此,本文研究基于数字图像处理技术的摘锭磨损程度定量判定方法,提高摘锭磨损程度判定的准确率,为磨损摘锭检测后的更换标准提供大量数据参考,为制定维护计划和准备维护资源(如备品备件)具有重要的意义。本文通过数字图像处理技术获取摘锭钩齿轮廓的特征信息,利用SPSS软件进行统计分析得到磨损时间与磨损程度的曲线,实现了摘锭磨损程度的定量化表达,并确定了摘锭预防性维护的范围,为摘锭磨损的等级划分提供理论研究。具体研究内容和结论如下:1、基于数字图像处理技术的摘锭钩齿轮廓特征信息提取的研究。搭建了适宜采集摘锭钩齿轮廓的采集系统,确定采集系统的各个硬件设备。确定了数字图像处理系统图像增强、边缘检测、特征提取三个步骤的算法,实现了区域填充,最终求取未磨损摘锭和已磨损摘锭的像素面积差值(35)S,实现了摘锭磨损程度的定量化表达。2、磨损程度的统计分析研究。获取120组磨损摘锭样本的数据,通过SPSS软件分析得到相应曲线,结合人工主观判定的等级标准,确定了摘锭磨损程度的预警线和临界线,规定摘锭磨损程度处在预警线和临界线之间时作为预防性维护。3、摘锭备品备件管理的研究。通过数字图像处理技术获得摘锭磨损程度的定量化表达,替代了人工主观检测,并根据预防性维护的两个参照线,得知摘锭的已服役实践和预测摘锭未来服役时间,从而为摘锭的备品备件管理提供数据参考。

关键词： 数字图像处理   Matlab   分析  

摘要： 数字图像处理在现代社会中的应用非常普遍,也对人们的生活产生了很大的影响,本文针对数字图像处理的基本一些方法、构成和实际应用进行了讨论,通过完成图像处理系统的设计,从而验证利用系统进行图像处理的过程.

关键词： 超导股线   接触力   光弹法   统计分析   数字图像处理  

摘要： 托克马克磁体系统是ITER(国际热核聚变试验堆)装置中最重要的组成部分,主要功能是将上亿度高温等离子体约束在磁体空腔内,实现可控的热核聚变。因此,由管内电缆(CICC导体)绕制的超导磁体产生磁场构型直接决定了ITER装置的反应时间(聚变功能),并成为该装置安全性和功能性实现的保障。ITER用CICC导体通常是由上千根超导复合股线经多级绞缆而成,在运行过程中,导体内承载最高可达68KA的电流,所处磁场环境接近10T。因此,超导股线承受巨大的电磁力作用并将其压紧在电磁力的方向上,这样超导股线之间紧密接触往往会导致超导股线屈曲和断裂,降低导体的载流能力,给这些超导磁体带来安全隐患。所以,针对超导股线之间接触力行为的研究对于大型磁体装置的安全性和功能性设计具有重要的意义。本文采用一种简化模型,即先将三维超导股线简化为二维圆盘,单向施加载荷代替真实环境下的电磁力作用,采用传统的光测弹性力学的原理结合数字图像相关法,在提出一种接触位置识别新算法的基础上,获得了股线间接触力的分布特征,主要结果如下:首先,本文提出了一种颗粒接触位置自动识别的新算法。主要步骤包括:先利用模板匹配方法提取各个光弹圆盘,并对提取出来的各个圆盘进行图像矩阵变换;接着运用主成分分析方法对图像进行分析提取主成分,并重构原图像,主要作用是去除零级条纹对接触点识别带来的影响;最后对变换后的图像局部进行垂直方向灰度梯度平方计算,描绘梯度变化曲线并提取曲线峰值,从而识别出接触点(位置)。相较于传统的颗粒接触位置识别方法,该方法不仅实现了颗粒接触位置的自动识别,显著减小了识别光弹圆盘所需要的人工成本和采取机器逐像素识别的时间,且具有较高的识别精度。接着,本文设计了一套基于光测弹性力学原理以实现二维颗粒系统中受单向均布力载荷作用下颗粒之间的接触力学特性研究系统,以此来模拟电磁力作用下CICC导体内部超导股线间的接触力情形。设置颗粒与超导股线相类似的边界条件并施加单向的均布力,采用本文提出的接触位置识别算法,可以得到颗粒间接触力(包括力链分布情况)和接触角分布情况。通过实验结果可知,股线间接触力分布具有显著的各项异性,本文引入概率密度函数(PDF)来分析这种各项异性。同时,根据颗粒受力过程中的变形特征,给出了这一单向压缩过程中系统的能量损耗。最后,采用高速摄像技术,对颗粒体系在冲击载荷作用的接触力特性进行了初步探索,主要获得了应力波的传播、力链的分布随时间的演化以及接触角的分布规律等。

关键词： 岩石力学   可视化   三轴压缩   数字图像处理   裂纹演化  

摘要： 可视化三轴压缩伺服控制试验系统主要由轴压加载系统、围压加载系统、可视化三轴压力室、加载控制系统、数据采集系统、图像采集系统等组成,其最大轴向荷载500 kN、最大围压10 MPa、试件尺寸为ф25 mm×50 mm。经改造后该系统有以下特点:(1)能够实现较大范围内的荷载速率控制,用以研究围压条件下岩石的荷载速率依存性;(2)实现伺服液压控制加载功能,可进行多种加载路径下的岩石力学试验,且改进后的油源取消了冷却系统;(3)设有触发预警装置,提高试验的安全性;(4)设计有图像采集系统,通过数字图像处理,可以精确测量试样的变形,并消除端部效应的影响;(5)基于采集的图像资料,可对岩石在三维应力条件下的裂纹演化特点进行详细描述。