图像分割技术在全息图像处理中的应用

本文阐述了图像分割技术的原理和在全息图处理中的应用，给出了基于边缘检测的图像分割技术的整个实现过程，实验研究了阈值方法分割和结合边缘检测方法分割全息图像，并给出了处理后的结果，本文对用全息方法测量粒子场的数据处理有一定的意义。     

同轴数字全息技术在高速射流粒子测量中的应用

在高压加载下材料表面会产生微物质喷射，传统全息技术已应用在微物质喷射的测量中，获得包含粒子形状和位置信息的再现图像。数字全息技术作为传统全息技术的一种替代手段，直接采用CCD相机接收微喷射粒子的全息图像，再用数字方法重建粒子场，由于其避免了传统全息中干板的湿处理，并且不需要物理再现过程，具有实验过程简单方便、噪声小、实验结果直观、实时处理等优点。文中讨论了采用同轴数字全息技术测量微喷射粒子的实验情况，获得了铝飞片在爆轰加载下的微喷射粒子的数字全息图像和再现图像，给出了粒子的尺寸分布和微喷射粒子的速度。     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

数值模拟微米粒子的体全息记录与再现

体全息对小粒子记录及再现的影响关系到体全息材料在粒子场检测领域的应用前景,提出结合角谱传播理论与多光栅耦合波理论进行体全息图衍射分析的方法,并数值模拟了微米量级小粒子衍射光场的体全息记录与再现。数值分析结果表明体全息理论并不能像薄全息理论那样精确的再现出原始物光。其再现光场的角谱分布相对于原始光场存在高阶衰减,这使得再现光场成像后的图像边缘模糊,而且模糊程度还会随着粒子尺寸的下降逐渐上升。虽然这一现象为粒子边缘判读带来困难,但是再现图像的径向强度分布可为提高判断精度提供有益的参考。     

高速粒子场的全息再现图像的自动分割方法

材料在高压加载下产生的微喷射粒子的尺寸、形状、位置、速度等信息可用脉冲全息法来测量，采用这种技术获得的再现图像具有粒子尺寸小——只有几微米到十几微米、不规则形状、图像对比度差、粒子边缘不明显、分布不均匀、背景噪声大等特点。对这种图像，设计了一种稳定性、准确度都很高的自动分割方法。     

用脉冲激光全息术测量喷雾场中粒子的分布和运动速度

本文叙述了用脉冲激光全息术测量喷雾场中粒子的分布和运动速度的原理，阐明了同轴全息和离轴全息在测量雾场的应用范围，重点讨论了离轴全息。测量光学系统是４Ｆ系统，它可以测量粒子浓度大的雾场中大于５μｍ的粒子分布和运动速度。在平行光场区段，可进行不同装置、不同景深的喷雾研究，使每个粒子具有相同的放大倍数，它给再现、数据处理、粒子大小的标定都有很大的好处。文中还分析了在底片上形成干涉的各种情况；粒子直径ｄ，远场数Ｎ和从底片到粒子的距离Ｚ的关系。给出脉冲间隔为５μｓ；１０μｓ粗度为±０．１μｓ时不同直径粒子的分布和运动速度在电视屏幕上显示出来的照片。在上述实验结果的基础上讨论了粒子的识别，噪音的消除等问题。     

用阈值函数分析粒子场同轴全息非线性记录对再现像的影响

用阈值函数分析了粒子场同轴全息非线性记录对再现像的影响,从理论上得到了非线性记录影响粒子场同轴全息再现像的模型,并数值模拟了不同形状粒子在非线性记录下的再现像,得到再现像出现了边缘剪切效应.实验验证了数值模拟的结果,完善了粒子场同轴全息理论,并为粒子场同轴全息图像处理提供了光学产生边缘剪切效果,节约了图像处理的时间.     

用脉冲激光同轴全息技术测量微射流

 用脉冲激光同轴全息技术建立了全息照相系统和高精度同步时序系统，获得了采用爆轰加载产生高速运动的微射流全息图，并再现出微射流的全息像，得到粒子的大小和分布情况，从图像处理得到粒子尺寸的统计结果表明，最大尺寸在300μm左右，最小尺寸在30μm左右。证明了研制的全息系统和测试技术可以测量高速的微射流场。 .     

基于深度学习的粒子场数字全息成像研究进展

粒子场的数字全息成像中,由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布,是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法,深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度,提高计算效率和准确率。介绍国内外研究团队将深度学习算法结合数字全息技术实现粒子场数字全息成像的研究进展,从不同粒子表征方法入手,叙述了支持向量机、全连接神经网络、全卷积网络、U-Net网络、深度神经网络在粒子场数字全息成像中粒子表征及粒子场反向重建过程中的应用原理、实现途径和准确率。最后指出了深度学习算法在这一研究领域的优势及目前基于深度学习算法的不足,并对如何进一步提高该方法的准确率进行了展望。     

高速粒子场的全息再现图像的自动分割方法

针对再现图像的处理,通过将图像细分为多个较小区域,在每个小区域同时采用多种阈值计算方法,并引入错误校正机制,获得了能稳定地分割图像的自适应阈值.在此基础上,再用种子生长方法进一步界定粒子的边界,能获得更准确的分割结果,且其过程可以自动完成.该方法已成功用于动态实验图像的处理,获得了很好的结果,静态粒子靶实验表明该方法处理得到的相对误差小于15%.     

Computing Particle Surface Areas and Contact Areas from Three‐Dimensional Tomography Data of Particulate Materials

Microtomography is an emerging technique for particle and particulate‐materials characterization. To use this technology effectively, robust and accurate computational algorithms are needed to compute relevant particle properties, including particle surface area and particle‐particle contact area. However, the most accurate algorithms that have been developed for computing the exposed (void/solid) surface area in a microtomography image cannot be used directly for computing surface areas or particle‐particle contact areas for individual particles in a dense packing. This paper presents an algorithm for extracting particle contact areas from a digitized, segmented image of a packed granular material, which in turn can be used to find individual particle surface areas (even if the complete surfaces are not exposed because of contacts in the packing). Results show that small errors in the binary surface‐area computations are magnified in the course of determining particle contact areas; the total error in the computation depends mainly on the size of the contact area in voxel units.     

基于Hough变换的金刚石颗粒测量方法研究

针对金刚石颗粒图像分析时的颗粒边缘非闭合性问题,本文提出了一种基于Hough变换的金刚石颗粒测量新方法。该方法首先对图像进行形态学去噪、平滑滤波和Canny边缘检测等预处理,得到金刚石颗粒图像的初始边缘曲线,然后采用Hough变换提取边缘曲线的直线特征,并通过极径和极角对多个直线特征进行判断和图形识别,得到确定的金刚石颗粒边缘轮廓,最后对得到的边缘轮廓进行拟合,测量出金刚石颗粒的粒径、椭圆度和圆度等参数大小。该方法在VC+ 环境下,用OpenCV编程技术对其进行了实验验证,结果表明：该方法可以准确快速地测量出金刚石颗粒特征参数,为金刚石颗粒的等级评定提供了技术支持。     

基于模糊聚类算法的大气粒子激光电离质谱数据分析

实验室自行研制了一台大气气溶胶飞行时间激光质谱仪(ATOFLMS),它可以在线地对气溶胶单粒子进行物理和化学特性分析,利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并通过飞行时间完成单粒子化学成分的检测。该仪器在运行过程中将产生海量的实验数据,对这些数据的快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一。文章介绍模糊聚类算法FCM(fuzzy c-means)在大气气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用。利用该算法对连续24 h采集的室内空气气溶胶单粒子质谱数据进行了聚类分析,在得到的5个聚类结果中包含了无机的海盐粒子、矿物质粒子以及其他的三种二次气溶胶成分粒子类型。在对室内空气气溶胶粒子的粒径进行实时检测的结果表明室内可吸入颗粒物以细粒子为主,其中大于1 μm的粒子所占比重较小。小于1 μm的粒子均占95％以上, 在0.4～0.8 μm之间的粒子占据主要部分。     

Particle size effects on Wulff constructions

The equilibrium structure of small particles is analysed by minimising the total surface energy of atomistic clusters. Large deviations from the bulk Wulff construction are identified for fairly large (~10 nm) particles due to sphere packing corrections. These act as additional edge terms which can be significantly larger than the true edge terms. For a simplified fcc model, it is shown that the fraction of (100) surface drops markedly as the particle size drops because of these packing effects. This can lead to very large particle size effects for a face sensitive catalytic reaction. It is also pointed out that these packing corrections link very small (< 100 atom) cluster to very large particles.     

基于小波分解的医学显微图像融合

提出了基于小波分解的医学显微图像融合。通过先将图像进行小波分解,并对小波分解后的不同频率域分别进行了讨论,即分别讨论了选择高频系数和低频系数的原则。选择低频系数时,设计了两种选择方案,即区域能量法和边缘选择法。选择高频系数时,设计了两种选择方案,即区域能量法和目标清晰与模糊判据法。最后选择了在低频系数时采用边缘选择法,在高频系数时采用目标清晰与模糊判据法。从仿真结果的比较来看,在将多个目标聚焦图像融合后,图像能很好地保留多幅原来图像清晰部分的信息,融合后,提高了整幅图像的信噪比,从而获得了整幅高清晰图像。     

Two sub-pixel processing algorithms for high accuracy particle centre estimation in low seeding density particle image velocimetry

This article presents two algorithms for spatial processing of low seeding density PIV (particle image velocimetry) images which lead to sub-pixel precision in particle positioning. The particle centres are estimated to accuracies of the order of 0.1 pixel, yielding 1% error in velocity calculation. The first algorithm discriminates valid particles from the rest of the image and determines their centres in Cartesian coordinates by using a two-dimensional Gaussian fit. The second algorithm performs local correlation between particle pairs and determines instantaneous two-dimensional velocities. The methods have been applied initially to simulated data. Gaussian noise and distortion has then been added to simulate experimental conditions. It is shown that, in comparison with conventional methods, the new algorithms offer up to an order of magnitude higher accuracy for particle centre estimation. Finally, the Gaussian fit approach has been used to map an experimental transonic flow field from the stator trailing edge wake region of a cascade with an estimated error of 1%. The experimental results are found to be in good agreement with previous theoretical steady-state viscous calculations.     

驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

基于光阻法的小光束截面粒径信息提取方法

为了实现同时兼顾大、小颗粒测量的液体颗粒计数,在分析细小光束照射下球形颗粒脉冲信号波形特征的基础上,提出了一种颗粒粒径信息提取方法,该方法通过对脉冲信号积分将颗粒脉冲信号的幅度与持续时间结合,可更加准确地提取颗粒的等效粒径信息.对理想脉冲信号进行数值模拟,并采用乳胶微粒标准物质进行实验测试,结果表明,该方法能够有效地提取大颗粒和小颗粒的粒径信息,从而拓宽了仪器检测范围.同时,分析了流速和噪声对该方法提取粒径准确性的影响,结果表明当流速波动小于10%时,测量误差小于5.41%;当噪声小于1%时,测量误差小于0.50%.