风沙颗粒运动的数字高速摄影图像的分割算法

为了深入理解多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律, 需要准确地获得 沙质床面附近沙粒群起跳的方式、速度和运动轨迹. 以连续强激光源为照明的数字高速摄影 技术是研究这类问题的有效手段, 但由于风沙运动的高速摄影图像具有运动沙粒和静止床面 的对比度小、相邻两帧图像相似性小等特点, 原始图像叠加算法难以有效实现目标与背景的 分割. 该文提出了基于相邻的风沙运动图像灰度差值变化原理的图像分割算法. 实例显示, 只要选择合适的相邻图像灰度差值阈值和自适应二值化处理方法就能实现图像中运动沙粒与 床面分割. 当起跳沙粒浓度较低情况下, 基于MATLAB平台的最小距离匹配的粒子追踪算法 (PTV算法)能较为准确地恢复床面附近沙粒的运动轨迹.     

一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候 系统和海洋系统的变化. 单个沙粒轨迹形成是理解粒--床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带. 高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术. 为了实现对高浓度风沙图像精细处理, 本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和 最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点. 高浓度风沙图像分割实验显示, 扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声; 改进算法的沙粒有效识别个数(人 机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值) 分别为461, 71%和86%,显著地高于传统算法对应的85, 13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好. 避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.      

一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候系统和海洋系统的变化.单个沙粒轨迹形成是理解粒-床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带.高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术.为了实现对高浓度风沙图像精细处理,本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点.高浓度风沙图像分割实验显示,扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声;改进算法的沙粒有效识别个数(人机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值)分别为461,71%和86%,显著地高于传统算法对应的85,13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好.避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.     

非标识PIV图像的模糊聚类识别方法

文中将模糊分析的原理应用于分析粒子在一幅ＰＩＶ图像中的运动情况。聚类由几个相邻的粒子开始,聚类的原则是流体运动的基本规律,随着流体的运动,粒子簇在第二次曝光时改变其形状及位置,通过模糊聚类可获得粒子运动的规律。应用聚类分析方法可改善非标识ＰＩＶ图像的处理效率,基于这种方法的粒子运动轨迹追踪算法被提出并应用于ＰＩＶ图像分析。     

沙粒跃移运动的数值模拟

沙粒在风场作用下形成的风沙运动,直接导致一系列环境问题.现有的数值模拟并没有揭示风沙流的二维性质.本文提出一种合理有效的模拟方法来揭示风沙流时空的变化.气相运动采用大涡模型,而固相(沙粒)处理为高散体系(DEM),并利用已有的沙粒与床面碰撞的激溅函数,以获得整个风沙系统运动特性.结果表明:其发展过程与以往的试验结果相比较符合:风沙流达到稳定后,不同截面输沙率沿高度分布与平均输沙率相比差别很大,并大约在9cm高处,平均输沙率出现极值,单宽输沙率沿风向分布同样具有非均匀性.     

风沙两相流PIV测量算法研究

在风沙两相流图像特征的基础上，提出了一种基于模式识别动态聚类方法中$K$-均值 算法的数字面具(Digital Mask)自动生成算法来求解风沙两相流动. 简化了传统生成Digital Mask过程中手动设置参数的操作，减少了人为误差，为批量处理风沙两相流PIV图像提供 了一种安全快捷的方法. 并将该算法应用于风沙两相流的PIV实际测量，分别得到了不同流 动状态下的气流、沙粒以及风沙气固两相流的速度场.     

NUMERICAL SIMULATION OF WIND-BLOWN SAND MOVEMENT BASED ON SPH

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics, SPH)方法对沙粒和气流的相互耦合运动特性进行了分析,研究提出了风沙流的SPH数值方法并进行了数值模拟. 首先提出了风沙流的SPH建模方法和基本理论,建立了风沙流动的SPH数值模拟平台. 其次通过建立风沙流的SPH 模型并施加边界条件,对自然风作用下沙粒的运动情况进行了数值模拟,详细分析了沙粒运动轨迹及特性,最后通过与相关研究成果对比分析,验证了完善后的SPH方法有效性. 通过考虑气流场的可变性,在风沙流SPH计算模型中引入了加载(起风)和卸载(停风)方式,观察并对比分析了沙粒的运动轨迹和特性. 为进一步研究风沙流的实时动态非线性行为提供了SPH理论基础和数值分析方法.     

风沙运动的沙粒带电机理及其影响的研究进展

土壤风蚀以及沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量.许多国家和政府以及科学家们对此一直十分关注并开展了大量研究.由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒的运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的复杂性.除此之外,伴随着对风沙运动机理的研究和对沙尘暴的观测,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场.沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响.为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,研究人员对此进行了野外观测、实验室测量和理论推测等.本文将就这一问题重点介绍有关风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等方面的实验和理论研究的基本概况和进展以及作者等人在此方面的研究工作.主要包含内容有:沙粒带电及其电场的基本实验测量,粒带电对风沙运动的影响,沙尘暴对电磁波衰减的影响研究以及有关风沙起电的机理研究等. 同时,对这一研究领域中目前关注与存在的主要问题给予评述.图6参81     

基于可见光与红外图像特征融合的目标跟踪

针对单一图像源下目标跟踪精度不高的问题，利用跟踪状态下的目标存在于可见光与红外图像中的特征对连续自适应均值移动跟踪算法做出改进。首先选取可见光图像的“颜色梯度背投影”作为改进的目标模型，选取红外图像的“灰度梯度背投影”作为改进的目标模型；然后根据可见光序列图像和红外序列图像各自进行连续自适应均值移动跟踪算法得到的对应的qi系数判定两种图像跟踪的效果，对两种图像的权重进行自适应调整，得到这两种图像的特征级融合图像和跟踪结果。实验结果表明，对于320像素×240像素的可见光和红外图像，基于可见光与红外图像特征融合的目标跟踪算法在复杂背景下能够较准确的跟踪目标，目标跟踪精度为0.5像素，跟踪速度为30~32 ms/帧。     

基于U-net神经网络算法和改进的细化算法的水坝混凝土裂缝测量

以水坝裂缝的视觉识别与计算为目标,融合U-net神经网络算法和改进图像细化算法,提出大坝裂缝识别和宽度计算的方法.首先,采用U-net处理1500张水坝裂缝图像样本,得到裂缝预分割模型;接着,采用改进的细化算法提取裂缝骨架分割模型;最后,结合预分割结果和骨架分割模型得到水坝裂缝的准确信息.结果表明,使用U-net神经网...     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.     

Ⅰ型焦散线图象的微机自动处理

根据焦散线的原理,分析了Ⅰ型焦散线实验图象的特点,提出确定图像中焦散线位置的准则。基于此准则的微机图象处理,可自动精确测量Ⅰ型焦散线的最大直径。     

基于数字钻孔影像的深部结构面类型识别及发育特征研究

深部岩体中不同类型的结构面对地下水封洞库的稳定性和水封条件产生不同的影响效应,开展深部岩体中结构面类型识别与发育特征研究具有非常重要的意义。结合黄岛地下水封洞库工程,基于数字钻孔影像技术,从曲线的形状、宽度、颜色、交错关系以及曲线周围岩石岩性等方面分析了洞库区深部发育的4类结构面的钻孔影像特征,并以ZK8中120m~-60m 段为例进行了深部结构面类型识别和发育特征研究。结果表明:(1)洞库区各类结构面具有不同的钻孔影像特征,可以借此开展深部结构面发育特征的分类研究; (2)洞库区构造节理和变质分异面发育数量沿纵深方向呈现逐渐减小的特征,且变质分异面仅发育在30m高程以上区域,岩脉侵入节理主要发育于局部较小范围,对洞室群的影响视其发育位置而异。因此应注重对深部结构面发育特征的研究,为工程建设提供翔实可靠的依据。     

左心室壁局部范围MRI三维有限元应变解析

利用磁共振标记技术对左心室壁进行局部三维有限元应变的分析．在…个心动周期内，分别拍摄24张短轴平面图像和长轴平面图像，然后进行合成，求解出健康人左心室壁上各个位置不同时刻的位移和应变，为临床应用和定量准确地评价心功能提供重要的理论依据．     

NOVEL SYNTHESIS OF ULTRAFINE HOURGLASS-SHAPED ALUMINUM HYDROXIDE PARTICLES

In a novel method for synthesizing ultrafine aluminum hydroxide particles presented in this paper, the morphology and crystal structure of the particles were investigated by TEM, XRD, etc. The process consisted of two steps： chemical precipitation by acid and carbonation. The product has an hourglass or half-hourglass morphology with a narrow size distribution of 150-200 nm. Major endothermal peak of decomposition was found at 270℃ by differential thermal analysis. X-ray diffraction identified the product as bayerite. Those properties were compared with those of alusminum hydroxide prepared by carbonization only.     

ANALYSIS OF JANUS PARTICLES IN ELECTRIC FIELD

对外加电场作用下无穷大电解质溶液中二维Janus 导电颗粒的受力特性进行研究。在量级分析的基础上,对电解质溶液电渗流动的基本方程组进行解耦,通过引入有限域确保解的存在性,进而得到圆形颗粒周围电场和流场的解析解与半解析解。基于半解析解给出颗粒所受力矩与外加电场方向角之间的变化曲线,从而得到二维Janus 圆形颗粒的平衡姿态及其稳定性特性。在此基础上,通过数值方法给出了电解质溶液中二维Janus 胶囊的受力特性,平衡姿态及其稳定性特性。     

Direct simulation of flows with suspended paramagnetic particles using one-stage smoothed profile method

The so-called smoothed profile method, originally suggested by Nakayama and Yamamoto and further improved by Luo et al. in 2005 and 2009, respectively, is an efficient numerical solver for fluid-structure interaction problems, which represents the particles by a certain smoothed profile on a fixed grid and constructs some form of body force added into the momentum (Navier-Stokes) equation by ensuring the rigidity of particles. For numerical simulations, the method first advances the flow and pressure fields by integrating the momentum equation except the body-force (momentum impulse) term in time and next updates them by separately taking temporal integration of the body-force term, thus requiring one more Poisson-equation solver for the extra pressure field due to the rigidity of particles to ensure the divergence-free constraint of the total velocity field. In the present study, we propose a simplified version of the smoothed profile method or the one-stage method, which combines the two stages of velocity update (temporal integration) into one to eliminate the necessity for the additional solver and, thus, significantly save the computational cost. To validate the proposed one-stage method, we perform the so-called direct numerical simulations on the two-dimensional motion of multiple inertialess paramagnetic particles in a nonmagnetic fluid subjected to an external uniform magnetic field and compare their results with the existing benchmark solutions. For the validation, we develop the finite-volume version of the direct simulation method by employing the proposed one-stage method. Comparison shows that the proposed one-stage method is very accurate and efficient in direct simulations of such magnetic particulate flows.     

汶川震区北川县城泥石流源地特征的遥感动态分析

针对一种充气前缘(inflatable leading edge, ILE)增升技术，建立了其充气结构与流场耦合作用的运动方程. 将方程写成状态空间形式， 采用时域推进方法求解. 对使用了变前缘增升技术的NACA 63-212翼型进行了充气结构静变形的数值计算，结果表明充气结构的刚度对翼型的气动特性 有明显影响. 与原翼型相比，在不考虑充气结构变形时, 该增升技术大约能使翼型的失速迎角 增加30{\%}，最大升力系数增加22{\%}；考虑结构变形后增升效果有所降低. 刚度较低的薄 膜在前缘吸力峰的作用下会隆起形成鼓包，容易引起流动分离.