机器视觉及其应用（系列讲座）——第三讲 图像处理与分析——机器视觉的核心

图像处理与分析是机器视觉中的核心部分，图像处理的目的可以抽象为提取目标物的特征增强；在完成对目标物增强的同时，抑制非目标物。一般采用扩大目标物与背景特征差异的方法来实现。图像增强方法的有效性，可以从目标与非目标两个模式聚类特征是否明确可分来评价。图像分析的目的可以抽象为目标物的识别与提取。因为目标物的视觉特征，往往很难采用单一的数字模型准确描述，所以通常采用的方法是，采用多种描述来实现对目标逐步准确的识别。重点结合几个实例，讨论了图像处理与分析的方法。     

基于SURF特征匹配的数字图像相关变形初值可靠估计EI北大核心CSCD

鉴于Newton-Raphson(N-R)迭代法的数字图像相关方法(DIC)对初值敏感等问题,提出了一种使用SURF(speeded up robust features)特征匹配的数字图像相关方法。SURF算法能匹配出变形前后图像的特征点对,并获得点对的坐标值,使用与匹配点对所在的子区相对应的仿射变换来初始估计子区的变形参数,获得兴趣点的估计值。根据估算的初值进行迭代优化,得到使归一化最小平方距离相关函数(ZNSSD)最小化的兴趣点位移值。实验中,分别用该法及传统的基于尺度不变特征变换(SIFT)的初值估计方法对鲤鱼鳞片拉伸变形图样进行处理,结果表明所提的初值估计方法更加精确有效,并能够使后续的N-R迭代优化快速收敛。     

飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟

采用有限元分析法对飞秒激光冲击AZ31B镁合金进行数值模拟,研究了激光冲击处理对镁合金变形过程的影响,分析了单脉冲激光冲击下材料内部的位移、动能、应力和应变的分布情况,得到了材料的瞬态速度和应变率变化过程.仿真结果表明,单脉冲飞秒激光冲击镁合金产生的塑性变形,可在材料表面形成微米级凹坑,中心点处最大位移为34μm,最大变形速度390m/s;在冲击初期,材料表面的应力和应变主要分布在冲击区域中心节点和边缘附近,并且得到镁合金的最大应力和最大应变率分别为955 MPa和1.8×106 s-1.研究结果能够为深入分析飞秒激光与镁合金作用时材料变形参量的变化规律提供数值理论依据.     

基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标的方法研究

中温黑体是红外谱段常用的高精度辐射标尺设备,而近红外是处于其有效辐射范围边缘的谱段,所以该谱段的定标研究相对较少。研究了基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标方法,主旨是探讨定标精度如何受定标模型的结构参数选择的影响,进而为近红外光谱辐射计量溯源提供技术参考。采用50～1 050 ℃的可调中温黑体对近红外光纤光谱仪(950～1 700 nm)进行辐射定标。针对定标的关键环节重点讨论了两个内容,首先是辐射传输模型的几何因子匹配问题,比较分析了传统的双圆盘辐射传输模型和光纤直接耦合模型。对于光纤光谱仪的辐射定标来讲,采用光纤直接耦合形式的辐射传输模型,结构上更简单,耦合效率更高。其次重点分析了辐射定标中模型的结构参数对定标精度的影响,其影响的原因是定标数据本身属性中的尺度结构特征,即通常所说的非线性问题。因此对于定标精度要求较高时,需要采用非线性定标模型进行校正,并尽可能保证测试点采样的尺度均衡,这是小样本数据解释非线性结构关系时无法回避的样本选择问题。数据分析结果表明,定标方程的不同结构参数的选择策略对定标精度有显著影响,校正方程的样本残差标准差带变化范围为±0.1%～±1%。     

新疆哈密绿松石的矿物学和光谱学特征研究

最近在新疆哈密发现了可规模开采的宝石级绿松石矿床。采用X射线粉晶衍射仪、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、拉曼光谱仪、紫外-可见光谱仪等测试方法,对该地绿松石的化学成分、矿物组成、表面微形貌、红外吸收光谱、拉曼散射光谱、紫外-可见吸收光谱等矿物学和光谱学特征进行了系统对比研究。新疆哈密绿松石的主要化学成分以富Cr (1 617 ppm),V (435 ppm),Ti (428 ppm),贫Ba (99.9 ppm)为特征,随着Fe₂O₃/CuO比值的递减,绿松石的色调由绿变蓝。由磷酸根、羟基和结晶水引起的特征峰出现在该地绿松石的拉曼光谱和红外吸收光谱,其中磷酸根的振动峰位于1 000~1 200和420~650 cm-1,羟基的振动峰出现在3 400~3 600 cm-1,而结晶水引起的振动峰位于3 000~3 300 cm-1。此外,该地绿松石的紫外-可见吸收光谱显示,在600~700和430 nm处分别有由Cu2+和Fe3+引起的吸收峰,这两处的峰强与绿松石的蓝绿色调之间的关系,和新疆哈密绿松石成分中Fe₂O₃/CuO的比值与颜色之间的关系对应一致。     

高光谱信息的农林植被种类区分

为了能够更加快速、准确对粮食主产区的作物与树木进行种类区分,以黄淮海地区三种主要植被(玉米、小麦和杨树)为研究对象,获取该三种植被原始反射率光谱,并对原始光谱进行特征点提取、一阶微分变换、二阶微分变换以及植被指数计算四种方法的分析处理,提取三种植被各自的光谱特征点、特征波段、蓝黄红边微分值和、位置、振幅以及面积四个特征指标以及植被指数的数值区间。基于特征值在不同植被种类间数值重叠范围越小区分精度越高的原理,比较分析植被光谱在不同处理方法下的植被区分精度,并且最终选取重叠范围最小的特征指标作为区分不同植被的识别指标。结果显示：相较于原始光谱特征点提取、二阶微分变换以及植被指数计算,一阶微分变换对于玉米、小麦和杨树的识别分类具有较高的精度,其中黄边振幅、黄边面积以及黄边微分值和具有较高的识别精度,黄边振幅的识别精度达到97.5%,黄边面积以及黄边微分值识别精度达98.1%,用另外167组数据对该结果进行验证,显示黄边振幅的识别精度达96.4%,黄边面积以及黄边微分值和的识别精度达97.6%。该结果与用平均光谱曲线区分单种植被不同生长状态选取的特征值结果不同,这种方法能有效的保留个体光谱反射曲线的差异,从结果可见通过一阶微分变换提取黄边参数的方法能有效的用于树木和粮食作物共同种植区域的植被区分, 并且黄边面积以及黄边微分值和的识别精度最高。     

质子轰击元素Ta,Lu引起的原子L亚壳层顺排

用能量０．８－２．０ＭｅＶ质子束轰击元素Ｔａ、Ｌｕ使其电离，通过测量特征Ｘ射线的角分布，得到了Ｌ亚壳层原子顺排因子Ａ２和特征线Ｌｌ的极化度Ｐ，实验结果和ＰＷＢＡ理论进行了比较。基于特征偶极辐射，对原子顺排的物理图象作了解释。     

储粮害虫声信号的检测和应用

与传统的储粮害虫检测方法相比,害虫的声测报技术作为一种快速、实用的新方法,正日益受到重视,近年来,这一领域在微电子设备及计算机技术的推动下,取得了很大进展,已由最初在小容器谷物样品中钻蛀为害粮粒害虫声音的技术,发展到目前实仓多点监测储糖害虫声音的微机监控系统,实现了对储糖害虫侵害程度的量化,通过声信号识别害虫种类方面的工作也在进一步的研究中,文章综述了储糖害虫声测报领域的发展历程,最新进展及存在问题。     

基于特征圆单目视觉的飞机舵面角位移标定技术

提出了一种基于特征圆单目视觉的非接触式飞机舵面角位移标定技术。用一台数码摄像机对固定在飞机舵面上的特征圆进行拍照,经数字图像处理后确定五个特征点的坐标,利用针孔成像和射影变换原理建立物像空间坐标解算模型,计算出特征圆的法线相对方向和圆心的相对位置,舵面角位移由该圆的法线方向确定。仿真结果表明,该方法具有标定过程简单、实时、快速和准确的特点,标定精度可达到0.1°。该技术也可用于航天器上实时测量交会对接时的相对位姿参数。     

赤潮光谱特征及其形成机制

采用海面以上光谱测量方法 (Above water method),利用美国FieldSpec® Dual VNIR光谱仪测量了丹麦细柱藻、中肋骨条藻、海洋褐胞藻等三种浮游植物赤潮以及红色中缢虫这一原生动物赤潮的离水辐射光谱数据。强调赤潮与正常海水的光谱差异在于687～728 nm波段的特征反射峰,指出了浮游植物赤潮与原生动物赤潮间的显著光谱差异,并认为可据此进行某些赤潮种类的遥感识别。给出了浮游植物赤潮光谱反射峰、吸收峰成因;红色中缢虫这一原生动物引起的水色异常,与其体内的共生藻类及浮游植物色素碎屑有关;其摄食偏好、与藻类的共生特性研究以及藻类常温下的荧光发射特性研究,将有助于加深对于红色中缢虫赤潮光谱成因的认识。