A THREE-VALUE-SEGMENTATION METHOD OF COAL CONTAINING INCLUSION BASED ON GRAY DISTRIBUTION OF COMPUTED TOMOGRAPHY IMAGE1)

煤体CT图像阈值分割是其三维真实结构重构的前提. 基于单轴压缩状态下煤体的CT图像,提出了一种基于图像灰度分布的孔隙度计算方法, 结合灰度直方图,利用实测孔隙度反推法对煤体CT图像进行了裂隙--煤基质--煤杂质三值化,同时与 最大类间方差法和最大熵法的三值化结果进行了对比分析. 结果表明, 最大熵法对于煤基质和煤杂质不能较好区分; 最大类间方差法对于图像微小区域灰度的突变(裂隙的产生)敏感性低,无法有效区分裂隙与煤基质; 本文改进的灰度直方图法避免了最大类间方差法和最大熵法的劣势,具有较好的图像三值化效果,且煤基质与煤杂质间的阈值基 于实验结果得到,具有更高的可信度和准确度.     

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.     

基于图形测量技术的煤岩力学三轴试验研究

为研究初始围压对煤岩力学特性的影响，以王庄煤矿9105工作面煤体为研究对象，通过HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器，利用数字图像测量技术开展不同初始围压下原煤试件加载试验，探究不同围压对煤体弹性模量、峰值应变、残余应力和破坏裂隙的影响规律，研究结果表明：弹性模量、峰值应变和残余应力随围压的增大而增大；随围压的增大各峰值应变增长速率不同，轴向峰值应变增长速率最快，体峰值应变增长速率次之，径向峰值应变增长速率最慢；不同围压加载破坏下煤体裂隙特征明显，主要以斜交裂隙为主；采用Jaeger法求得不同围压下煤岩体破坏临界强度值与试验值比较误差较小，符合Jaeger单结构面理论．     

岩石微观结构CT扫描表征技术研究

岩石微观结构特征研究对非常规油气藏的演化规律、油气赋存状态、运移方式、渗流特征等基础地质问题研究具有重要的科学意义.利用CT 扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品微观结构表征研究,并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性. 对比CT扫描法和筛分法测试油砂矿物的粒度分布,两者结果十分接近,矿物颗粒大小分布总体趋势上差异小,但小于96μm的颗粒矿物分布差异性稍大.CT扫描结果显示致密砂岩样品的裂缝比较发育,还发育溶蚀孔隙. 由于测试方法和样品大小的差异性,CT扫描获得的孔隙度略大于氦气法孔隙度.微米CT 扫描可以表征页岩的层理发育情况,但无法表征内部的微观孔隙结构.与常规测试方法相比,纳米CT 扫描表征页岩中有机质和黄铁矿的含量等方面准确性好,但孔隙度测试结果偏小.纳米CT分辨率还不能完全满足表征页岩的微观孔隙结构的要求,同时有机质和孔隙的灰度值差异较小,两者区分难度大,因此纳米CT还无法完全准确表征页岩微观孔隙结构.      

图像维数计算方法及其实质研究

基于颜色单元体模型,本文提出了一种间接量测表面形貌的新方法——真彩图像维数计算方法,并通过激光表面仪扫描实验对此进行了验证。该计算方法的提出,使在表面形貌的实验研究中用拍摄数码照片方法取代激光表面仪扫描成为可能。比较研究显示,该方法具有简单、方便、直观和扫描范围大等优势,是表面形貌实验研究手段上的一大改进。本文还分别探讨了二值化图像,灰度图像,真彩图像的分形特性,剖析了三类图像维数的物理实质。比较研究结果显示,对于同一试样,真彩图像维数最大,灰度图像次之,二值化图像维数最小,其维数在区间[1,2]内。以此说明,二值化图像维数是曲线维数,灰度图像维数仅考虑了颜色明度值的影响,只有真彩图像维数充分考虑了色彩、色饱和度和明度值的"贡献",该维数才是"全局"意义上的图像维数。     

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.      

AN ARITHMETIC METHOD OF SEGMENTING MOVING AEOLIAN SAND PARTICLES＇ IMAGES FROM BACKGROUND INFORMATION OF DIGITAL HIGH-SPEED PHOTOGRAPHY IMAGES

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.     

基于极端学习机背景预测的红外小目标检测算法

为自适应检测复杂环境中的红外小目标,提出了基于极端学习机背景预测的红外小目标检测算法。首先,依据灰度值分布设计局部边缘敏感平滑滤波器,在相近的灰度范围内,使中心像素的灰度值等于邻域内多数灰度值的融合,对红外图像进行滤波,能够去除大量噪声并突出图像主要结构;其次,利用极端学习机对滤波后的图像建立回归模型,以邻域像素值为输入,以中心像素值为输出训练模型,并对背景进行预测,得到的图像与滤波后的图像做差,得到小目标显著图;最后,利用图像块对比特性对显著区域处理,使小目标区域均匀突出,抑制背景区域,并经过简单阈值操作,实现对红外小目标的检测。实验结果表明:与其他检测算法相比,在复杂背景下,本文算法检测结果的局部信噪比增益最高,单帧检测时间为0.18 s。本文算法对背景进行学习,发掘背景与目标的差异,提高了算法的适应能力,并且能够有效检测小目标。     

基于图像识别的裂隙煤层气非Darcy渗流模拟

煤层气在煤岩裂隙中流动时,由于其粘度系数较小,很容易产生非Darcy现象.因此,考虑煤层气的非Darcy渗流将会使得研究结果更加客观和准确,对煤层气开采具有实际意义.首先将实物裂隙高清拍照导入Matlab软件中进行图像二值化处理,再利用COMSOL软件对二值图像进行模型重构和数值模拟.模拟结果显示,煤层气渗流速度随着裂隙尺度的变化而不断改变,速度随时间不断增加,但区域渗流速度分布状态保持不变.与Darcy结果的对比分析可知,相同压力梯度下,考虑非Darcy因素的产气量要明显小于仅考虑Darcy因素的情况.同时,结果显示,在渗透率不同的煤裂隙中,煤层气的渗流速度不同.渗透率较大时,渗流速度相对较大,同样,渗透率较小时,渗透速度较小.     

基于漫反射法的钢构件塑性变形与损伤检测

从结构损伤识别的需要出发研究能够准确反映钢构件承载过程中发生的塑性变形和损伤过程的量化测试方法.用漫反射法测量了钢构件在变形和损伤过程中表面粗糙度变化的图像,依据记录下来的表面图像进一步处理得到构件表面粗糙度的平均灰度值的变化,据此寻找对构件塑性变形和损伤状态相关并且敏感的参数指标.研究结果表明,基于漫反射法和图像处理得到的钢构件承载过程中表面粗糙度的平均灰度值的变化可以判断金属试样是否发生了塑性变形,并可定量描述试样在塑性变形后期的损伤程度.     

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从结构损伤识别的需要出发研究能够准确反映钢构件承载过程中发生的塑性变形 和损伤过程的量化测试方法. 用漫反射法测量了钢构件在变形和损伤过程中表面粗糙度变化 的图像,依据记录下来的表面图像进一步处理得到构件表面粗糙度的平均灰度值的变化,据 此寻找对构件塑性变形和损伤状态相关并且敏感的参数指标. 研究结果表明,基于漫反射法 和图像处理得到的钢构件承载过程中表面粗糙度的平均灰度值的变化可以判断金属试样是否 发生了塑性变形,并可定量描述试样在塑性变形后期的损伤程度.     

基于视觉技术的光纤陀螺闭合光路光纤缺陷检测方法

针对光纤陀螺内部光纤在装配后光路闭合,无有效手段进行光纤缺陷检查,对光纤陀螺长期稳定可靠工作带来潜在危险的问题,提出利用红外视觉检测技术检查光纤缺陷,分析光纤缺陷图像特征,采用最大熵法进行图像分割,提出了结合直方图特征、缺陷区域形状特征、缺陷边界形状特征提取方法,采用改进的神经网络分类方法,用两层网络进行缺陷分类,识别判断不同类别的光纤缺陷。针对光纤缺陷图像的处理结果表明,该方法能够有效地检测光纤缺陷,对不可接受的缺陷能够100%地正确判断。     

磨损磨粒的主成分聚类方法分析

采用主成分聚类分析理论对正常磨粒、滑动磨粒、切削磨粒和疲劳磨粒等4种不同磨粒表面纹理灰度共生矩阵进行分析,得到4个不同纹理方向的能量、熵、惯性矩、局部平稳性、相关、最大概率和方差7个参量.利用主成分理论求解,构造主成分方程,得到磨粒纹理参量主成分的二维分布,最后,通过聚类分析,将4种磨粒纹理参量的主成分划分为不同的聚类区域.结果表明:主成分聚类分类方法可以对磨粒的多参量进行聚类分析;主成分聚类分类方法对冗余数据具有较强地处理能力;多组主成分聚类分析方法具有互补性,特别适合多参量磨粒分类的信息融合处理.     

基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟

随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术,提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面,近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论,便于采用基于空间点离散的数值计算方法,相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面,对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明,基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息,并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

基于多尺度法双稳态压电俘能器动力特性分析

基于欧拉-伯努利梁假设,推导了双稳态悬臂式压电俘能系统的分布参数模型,建立了分析该模型的多尺度法并获得了系统的动力响应解析表达式,论证了多尺度法分析双稳态压电俘能器性能的可行性;研究了磁铁间距、外部激励的幅值、阻尼比、力电耦合系数、负载阻抗等参数对俘能系统性能的影响。结果表明:产生阱间运动的激励幅值阈值与激励频率、两磁铁间距有关,低于激励阈值仅有阱内运动产生;输出功率并不是随着力电耦合系数增大而增加,而是存在最优力电耦合系数产生最大的输出功率,力电耦合系数大于最优值后,阱间运动输出功率减小;随着两磁铁间距的增大,阱间运动的频带宽度减小;减小系统的阻尼比可以有效地拓宽系统的阱间运动频带并获得较高的输出功率。通过优化设计、合理地调节各参数,可以提高压电俘能系统的输出功率和拓宽系统的工作频带宽度。     

非饱和土土水特征曲线(SWCC)测试与预测

非饱和土土水特征曲线(SWCC)表示了土中含水量与吸力之间的关系。文章介绍了6种常用方法,各有其适用范围。体积压力板仪可量测最大基质吸力值为1500kPa的干燥曲线和浸湿曲线;超过1500kPa时,可用盐溶液法进行量测;Tem-ple仪可量测基质吸力达100kPa的干燥曲线;滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力;Dew-point电位计可用于量测土样总吸力变化,尤其适合渗透吸力的量测;TDR探头适合于量测小于300kPa的基质吸力。用GDS非饱和土三轴仪可以进行SWCC测试,测试范围主要取决于陶土板的进气值。用准确的数学模型对测得的含水量、吸力数据进行拟合,对于预测非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度及分析边坡稳定性有重要意义。由于准确测试SWCC难度较大,并且测试影响因素较多,所以根据土体孔隙大小分布和颗粒大小分布情况预测SWCC,也是一种较好的方法。     

基于图像的主动脉弓运动和变形参数自动跟踪测量方法

提出一种基于动物实验序列图像的自动跟踪方法,测量主动脉弓在体运动和变形。在测量的初始帧,手动选取测量窗口,采用像素灰度值的梯度算法对图像测量窗口内的边界进行自动识别,得到主动脉弓的真实边界,进而调整测量窗口至最佳位置。在后续帧中,自动跟踪最佳测量窗口的位置,测量主动脉弓不同部位动脉直径和中心点位置随时间的变化。通过对四只兔子的实验测量,结果发现:主动脉弓具有一定锥度,在弓部直径最大,且主动脉弓在体运动和变形周期与心动周期之间存在较强的相关性。结论与生理现象或已有实验结果一致,表明基于图像的自动跟踪方法在测量主动脉弓运动与变形时不仅可行,而且可靠。     

三稳态压电俘能器的势能函数及对其性能的影响

基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响。研究结果表明:三稳态压电俘能器系统的势能函数具有三个势阱且具有对称性,当系统初始位置位于较浅的势阱附近时,系统将更容易做大幅阱间运动,降低有效俘能的激励幅值阈值,能够在较小的激励幅值下产生较大的均方根电压;在阱间运动情况下,势阱宽度越大,系统的均方根电压越大;弹簧位置参数和刚度比等系统参数会影响势阱深度与势阱宽度的大小,通过合理地设计系统参数,能有效提高系统均方根电压、降低有效俘能的激励幅值阈值。