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ISBN: (纸本)9787030236722

关键词： 自主水下机器人   前视主动声纳   数字图像处理   特征提取   最小二乘拟合   椭圆逼近  

摘要： 水下环境探测与目标特征提取是自主水下机器人(AUV)领域中的核心问题,也是机器人学中人工智能应用研究的重要方面。AUV要实现自主式作业,必须要具备对周围环境的自我感知和识别能力。面对未知的复杂多变的水下特殊环境,作为水下探测主要设备的声纳系统成为AUV视觉传感器的主要组成部分。与传统声纳系统不同,AUV的声视觉系统必须具备环境感知、信息获取、声图生成与构建、目标特征提取等功能。 本文的研究工作是国家“863计划”-“基于同时定位与地图构建方法的AUV自主导航技术”的重要组成部分,主要介绍了利用Tritech公司的Seaking DST双频数字机械扫描式前视主动声纳作为AUV主要探测和感知工具,来获得水下环境的回波信号,并对这些信息进行有效的选择和处理生成连续的水下环境的声纳图像,实现水下环境可视化,之后对原始的声纳图像进行预处理和特征提取。 本文将声纳特征提取分为两个方向研究:一个方向是为了实现后续同时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM),对原始声纳图像进行相应的预处理,提取感兴趣的环境点特征信息并将其不断更新添加到特征地图中,使用SLAM算法实现AUV的自主航行;另一个方向是为了进一步提高机器人的自主识别和判知能力,在对声纳图像进行处理的基础上,基于水下环境目标的几何特性,利用最小二乘拟合理论和椭圆逼近原则对其进行分类特征提取,从而提高了机器人视觉系统的分辨和识别能力。

关键词： 火焰检测   温度场   模糊聚类   数字图像处理   水套加热炉  

摘要： 随着部分油田含水量越来越高，用来脱水的水套式加热炉使用量越来越大。一般加热炉都是人工看守，即使安装了监控电视的地方也需要人工不间断监视。万一看守人员疏忽大意必然会带来安全隐患。现代先进监控技术的发展不仅能较好解决这一问题，而且可以方便快捷的为燃烧控制提供参考，为节能环保提供技术支持。基于此，本文研究了水套加热炉火焰温度场的测量技术，火焰的稳定性分析及燃烧诊断技术。　　本文建立了实验环境和图像采集系统，运用灰度变换技术，伪彩色显示技术和高通滤波等技术获取更直接、清晰的火焰图像信息。运用参考点和比色法测火焰温度场，并根据参考点测温误差产生原因，对火焰灰度进行了修正，提高了参考点测量方法测温的准确性和灵敏度。在火焰分析诊断方面，在研究了当前对火焰稳定性的判断方法后，运用模糊聚类的分析方法来判断火焰稳定性。对于隶属度在一定范围内波动则判为稳定，否则判定火焰不稳定。另外对于火焰状态的识别，如左偏、右偏等，采用了基于混沌的PSO的前向神经网络进行离线学习，将学习好的参数导入系统实现火焰状态的在线诊断。同时进行着火点检测和灭火诊断。　　最后针对实验室的模拟加热炉的燃烧过程，本文设计的检测系统实现了不同测温方法的火焰温度场测量，并实时判断火焰稳定性及识别火焰状态。

关键词： 体系结构   可重构计算   构令   仿真器  

摘要： 目前嵌入式领域的图像处理技术逐渐呈现出计算复杂、数据量大、灵活性高和低功耗的趋势,使得传统的处理器体系结构越来越难以满足应用的需求,亟需研究新型高性能处理器。可重构计算技术的适应性和灵活性可以使其很好的匹配不同的应用需求,因而得到了广泛的研究。实现可重构计算的器件称为可重构处理器,通常作为协处理器与通用处理器一起组成完整的可重构计算系统。可重构计算系统结合了通用处理器的灵活性和专用集成电路的高效性。已有的研究结果表明,利用可重构处理器的数据路径再定制能力,不仅能够大幅提高图像处理任务的执行速度而且对其在嵌入式应用领域功耗的降低具有重大意义。 论文以嵌入式领域图像处理中高计算量、高并行性、高灵活性以及低功耗性的应用为研究对象,研究了一种粗粒度可重构计算机(ReC-Reconfigurable Computer)体系结构模型,并以可重构协阵列协处理器(ReAC-Reconfigurable Array Coprocessor)的体系结构为基础,在ReAC上实现了灰度的线性变换、离散二维卷积、灰度直方图计算和二维FFT四种常用图像处理算法。最后通过软件仿真的方式验证上述四种在ReAC上实现的图像处理算法来说明ReC体系结构模型逻辑的正确性。

关键词： 稀土萃取   特征颜色   视频监测   数字图像处理   广义预测控制   模糊控制  

摘要： 稀土是由镧系元素、钪和钇共17种元素组成。我国是稀土资源大国,稀土的储量和产量均居世界首位。稀土元素在显示器荧光粉、钕铁硼永磁材料、镍氢电池、稀土铝合金、精密陶瓷等的制造中是不可缺少的重要原料。随着稀土工业生产的大型化、集中化和连续化,迫切要求高效、稳定的自动化生产线。 由于相邻元素间分离系数较小,稀土元素提纯生产所需萃取分离流程级数多。萃取过程输入的萃取剂流量、料液流量、酸液流量的调节作用,通常需要经长达数小时甚至几十小时的逐级传递才能影响到水相和有机相出口的难萃和易萃稀土元素的组分含量,并且任一流量的变化都对两端出口产品的纯度产生影响,即元素组分含量与萃取过程的输入流量之间存在非线性、大滞后、强耦合。然而,易萃组分和难萃组分在萃取槽中的分布发生变化时,体现在稀土离子的特征颜色前后移动。稀土离子特征颜色带的移动是直观的,而且是可测的。广义预测控制可以预测未来多步模型的输出,并且在多步时段内,控制也有多步作用;模糊控制是以模糊集合理论为基础,在控制中引入人的模糊决策和推理功能,因此可以把人们积累丰富的实际操作经验,即专家控制规则,通过模糊推理和去模糊化,转化为精确的控制量,从而实现萃取过程的自动控制。本文的主要研究工作归纳如下: (1)对稀土萃取分离整个过程有较深入的研究。首先描述了稀土萃取分离的工艺流程,并对萃取过程的机理进行分析;然后讨论了稀土萃取分离过程的自动控制;最后根据当前研究情况,归纳总结了稀土萃取分离技术存在的问题。 (2)当萃取工艺条件发生变化时,易萃组分和难萃组分在萃取槽中的分布将发生变化,体现在稀土离子的特征颜色前后移动。利用视频监测的方法,把稀土颜色带变化最快处及其附近作为监测点,然后用图像处理技术,分析识别出颜色带偏移级数。实验结果表明,不管稀土离子特征颜色带前移还是后移,都能准确地判别出偏移级数。 (3)利用获取得到的稀土离子特征颜色带偏移量,采用广义预测控制和模糊控制分别对稀土萃取分离进行控制。最后的仿真结果表明,两种控制方法是有效的,从而确保稀土萃取分离最终出口组分含量的纯度。

关键词： 地铁隧道   形变检测   数字图像处理  

摘要： 随着我国城市轨道交通建设的不断发展，地铁隧道安全成为社会广泛关注的问题。地铁运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、一旦隧道发生变形，有可能会影响到地铁安全运营，留下安全隐患。为了能够对地铁隧道的安全状况进行实时监测，并根据地铁隧道变形的渐变性和长期性，本文研究建立立体影像传感器网络，实时采集地铁隧道的图像数据，并利用数字图像处理技术进行分析处理。通过对处理数据进行时间及空间的融合，实现隧道变形的网络发布并建立隧道变形预警机制。本文基于大量理论和实验基础，并结合上海科委资助项目：“地铁隧道变形自动监测系统研究”课题，对设计地铁隧道变形自动监测系统进行了初步研究分析。 本文首先讨论研究了系统整体框架的设计，分析了该监测系统的功能组成以及硬件选择，并从理论上研究了图像采集的方法以及采集流程。针对所采集的数据，利用数字图像处理中的预处理技术，对模拟隧道图像数据进行预处理以提高图像质量。本论文通过大量的实验和仿真分析，研究了几种不同的处理算法及其效果，根据隧道内的实际环境选择合适的处理方法，能够有效地消除图像上的干扰及噪声，提高图像质量。再利用包括阈值分割，形态学等图像处理技术，有效提取并识别图像上的有用部分，并利用最小二乘法的数学理论，拟合出图像上目标物体的精确位置。通过对比不同时刻处理得到的目标物体位置，比较其位移量，从而计算出隧道的相对变形量，传输给站级上位机。本论文最后讨论了系统的串口通信模式，设计系统通讯协议，并进行软硬件的初步设计。 由于该监测系统需要较高的精度，本文从理论上分析了几种误差来源，研究误差的产生原因，并结合理论和实验，从硬件上和软件上提出了几种减小误差的方式，实验结果证明采用合适的计算方法和硬件设计，能够有效提高系统精度。 为了仿真模拟真实系统，本论文搭建实验摄像头和数据后处理平台以完成整套变形监测的操作，实验结果很好地证明了该测量监测方法的可行性和有效性，为实际项目的开展和实施提供了可靠的理论依据和实验方法，为系统运行的可靠性和高精度提供新的思路。

关键词： 数字图像处理   形态学   MATLAB   匹配方法   系统设计  

摘要： 数字图像处理是一门新兴技术,随着计算机硬件的发展,数字图像的实时处理已经成为可能,由于数字图像处理的各种算法的出现,使得其处理速度越来越快,能更好的为人们服务。形态学是一门建立在数学理论基础上的学科,数学形态学已经构成一种新型的图像处理方法和理论,形态学图像处理已成为主要研究领域。 本文首先对数字图像处理的理论做了介绍,包括图像的平滑、图像的锐化、基于边缘检测和阈值的图像分割,并且用MATLAB对它们进行了仿真实验。还对中值滤波算法和边缘检测算法做了深入研究,提出了中值滤波和边缘检测优化算法。其次,分析了形态学图像处理的基本理论,包括图像的腐蚀和膨胀、图像的开运算和闭运算,并用MATLAB进行了仿真,且对形态学图像处理算法进行了深入研究,提出了形态学图像处理的优化算法:腐蚀和膨胀。再次,研究分析了图像匹配方法:模板匹配,并给出了一种模板匹配优化算法和求圆形物体参数的方法,通过实验对模板匹配进行了分析。最后,动态图像分析是一个不断发展的新领域,在此基础上研究设计的数字图像处理的圆形物体检测系统,是以计算机为核心,较传统的方法有了明显改进,其应用灵活的特点更是显而易见。 该系统在算法上实现创新,实验表明,整个系统在实际应用中,比传统的系统降低了成本,提高了效率,增强了稳定性和安全性,产生了良好的社会效益和经济效益。

关键词： 数字图像处理   变分法   偏微分方程(PDE)   Euler-Lagrange方程   BV函数   中间变量法   全变差范数   对偶算法   视频去抖动   运动目标跟踪   图像分割   Kullback-Leibler散度   色度亮度分解   着色   空间变化噪声  

摘要： 本文主要用几何分析方法,包括变分法,PDE等讨论视频图像的去抖动、运动目标跟踪,图像分割,彩色图像的色度去噪、着色及分割,复杂噪声去除等问题.为此,我们首先把所要处理的问题转化为能量泛函极小化问题,建立变分模型,并讨论能量极小化问题解的存在唯一性;然后得到其相应的Euler-Lagrange方程,再由负梯度下降法得到热方程,或者为了快速求解能量极小化问题,采用如中间变量法的技术,将能量泛函极小化问题分解为若干较为容易处理的子问题,再利用新近的快速算法分别加以求解.最后求此方程的数值解,得到相应的实验结果. 本文的主要研究成果有以下几个方面: 1.基于变分法的抖动视频图像分析 现实生活中的视频往往存在抖动现象,以往的方法一般先将视频图像进行去抖动的预处理,然后再进行分析,如跟踪运动目标等,我们在改进了KDA模型的基础上给出一个统一的变分模型框架,在泛函中添加一个仿射变换,使之能够处理抖动视频,同时做到去除抖动,目标跟踪以及背景修复.我们先在约束空间考虑所提出的能量泛函极小解的存在性,然后证明该极小解等价于无约束条件下能量泛函的极小解.在极小化问题的求解过程中,我们利用交替迭代方法,将能量泛函极小化问题看作为三个子问题,并利用全变差的对偶方法快速求解极小化问题.对于上述视频图像的研究,文中给出的数值实验结果很好的说明了模型及交替迭代算法的有效性. ***-Vese分割模型的改进 经典的Chan-Vese模型无法有效的分割带纹理图像,本文利用信息论中常用的Kullback-Leibler散度改进Chan-Vese模型,使之能够分割复杂图像.我们首先在给出基于KL散度的灰度图像分割模型,然后将其推广到彩色图像分割上.并且我们证明了能量泛函极小解的存在性,给出相应的E-L方程,利用基于全变差范数的快速整体极小方法求解该模型,在数值实验部分,与现有一些方法进行了比较. 3.基于色度亮度分解的彩色图像处理 基于色度亮度分解模型的彩色图像处理方法往往会比基于RGB模型的方法会取得更好的效果.但是该方法要考虑关于色度信息的球面约束问题,本文在研究了现有方法的基础上,采用中间变量法,给出了一个新的方法处理该约束,并且分别应用到色彩图像的去噪问题及着色问题上.此外我们首次提出了一种基于色度亮度分解的彩色图像分割模型,对亮度信息利用Wasserstein距离来处理,对色度信息利用带球面约束的向量值Chan-Vese保真项处理,并介绍了变分泛函极小解的存在性相关定理以及相应的E-L方程,然后通过引入一个附加变量,给出了泛函极小化问题的快速整体最小方法. 4.空间变化噪声的去除 在雾,人体组织等散射介质中所得到的图像,往往噪声不是均匀的,而是空间变化的,本文分析了空间变化噪声模型,并提出一个能够在去除空间变化噪声的同时保持图像纹理信息的变分去噪方法.然后给出了泛函极小的存在性证明,用负梯度下降方法求解极小化问题.在数值实验部分与ROF模型及非局部平均(Non-localMeans)方法进行了比较.

关键词： 油气水三相流   流型识别   小波去噪   混沌特征   粒子跟踪测速法  

摘要： 多相流动现象广泛存在于化学、石油、动力工程以及各种加工工业的换热设备中。流型在多相流的流动和传热特性的研究中是非常关键的。它虽然没有定量的描述,但它是决定传热与流动的计算依据。不同的流型,有其独特的传热与流动机理。流道中流型的变化往往会引发流阻、流动的稳定性改变以及出现传热危机。油、气和水多相混输管路,由于其减少管线和地面设备的投资、充分利用油气资源的优点,日益成为人们研究的热点。掌握好油气水三相流动的特征,特别是流体的流动形态,对于设计、运行和安全至关重要。 本文将高速摄影法应用到流型识别中,实现了可视化、非接触测量,不会干扰生产设备的正常运行,即使在高速油气水三相流中,也可通过调节拍摄频率来得到较为清晰的流型图像,有较大的适用范围。在大量实验数据基础上,将数字图像处理、小波理论、混沌理论、神经网络、支持向量机和复杂度测度理论应用到流型识别中,从理论和实验两个方面系统地探讨了流型智能识别方法。 首先,在油气水三相流实验台上,利用高速摄影机获得了垂直上升管内油气水三相流流型图像。其次,利用图像处理技术去除噪声后,提取了单帧流型图像中的灰度直方图统计特征、轮廓及不变矩特征,连续图像灰度时间序列的混沌特征。然后,将上述特征向量的训练样本分别送入粒子群优化BP(Back Propagation)神经网络和改进的支持向量机中进行训练,实现了流型图像的智能化识别。识别结果表明,基于连续灰度时间序列混沌特征和支持向量机模型的识别效果最好,但与其他组合相比,识别率相差不大。接下来应用PTV法对油气水三相流中水包油泡状流进行了流速及流场的测定。最后,讨论了图像复杂性测度与油气水三相流流型变化之间关系,通过对五种复杂度随三相流流动参数变化规律分析,得到三相流动力学结构反演特征,为揭示油气水三相流流型转化机理和定量识别流型提供了一种有效的辅助诊断工具。从理论上和技术上为油气水三相流流型的识别提供了新方法。

关键词： CTP   PostScript   制版质量检测   数字图像处理  

摘要： 自Drupa 95以来,CTP技术发展迅速、日趋成熟,在提高印刷质量、产量、提高效率等方面具有很大的优越性。目前,CTP技术在很多发达国家已经进入了生产应用的成熟阶段。随着CTP技术在我国的引进及广泛应用,越来越多的国内印刷厂家也开始引进CTP设备。 随着国内CTP技术的快速发展,CTP制版质量检测技术和印版检测仪器也在不断的革新,从早期的利用密度计进行质量检测,到目前比较先进的网点检测仪,印版检测仪器逐渐向着更高的操作性与准确性发展。 控制CTP制版质量是印刷质量控制的关键一步。CTP工艺过程中,直接把图文信息制在版上,不需要输出胶片,与传统制版工艺相比,减少了在输出中的网点变化,提高了套印度和制版质量。然而由于目前国内还没有国产的印版检测产品,不论是测控条,还是印版质量检测仪器,至今仍被国外垄断,我国在这方面的技术和产品上仍是一片空白,从而导致了印刷成本的增高。 本文着重针对CTP制版质量检测的问题进行讨论和研究。使用PostScript语言编写CTP制版质量检测数字测控条,利用数字图像处理的手段对测控条进行检测。本文使用了中值滤波、高斯滤波、直方图均衡等现有的数字图像预处理手段,并分别对测控条的梯尺区域、线条区域、棋盘区域和分辨率区域进行了特征提取,最终使用模糊综合评价的方法对所有特征值进行综合评价,判断CTP制版质量是否合格。 实验结果表明,使用本文中的算法配合本文中设计的CTP数字测控条可以进行对CTP制版质量的检测和控制。