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人工智能-图像处理-基于轮廓波变换的金属断口图像处理方法研究.pdf
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2022-07-03
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本文主要探讨了金属断裂图像处理领域中的一种新方法——基于轮廓波变换的处理技术。轮廓波变换在图像处理中作为一种有效的工具,能够更好地适应图像的边缘和结构特性,相较于传统的小波变换,它在处理图像噪声抑制、增强、融合以及识别等方面具有一定的优势。 第一章介绍了提出和研究这一主题的重要性。作者对国内外金属断裂图像处理的研究现状进行了总结,并阐述了轮廓波变换的主要内容和创新点。金属断裂图像的分析对于材料科学、工程安全等领域至关重要,而轮廓波变换提供了一种新的分析手段。 第二章深入探讨了轮廓波变换的理论基础。由于传统小波变换在处理某些图像特征时可能存在不足,如边缘检测和方向适应性不强,轮廓波变换应运而生。该变换在保留小波变换的优势的同时,通过金字塔导向滤波器银行构造,提高了对图像几何结构的捕获能力。本章内容为后续章节提供了理论支持。 第三章介绍了一种非冗余组波变换算法,用于图像去噪和增强。由于轮廓波变换自身的冗余度高达33%,而Malta于2008年提出的组波变换(Groupl et)通过正交加权Haar变换实现,可以自适应地调整提升参数以匹配多尺度关联字段定义的分组,从而更好地利用图像的几何特性。实验结果表明,这种基于组波变换的方法在图像去噪和增强方面优于传统的小波变换和轮廓波变换。 通过上述内容,我们可以看出,基于轮廓波变换的金属断裂图像处理方法研究不仅弥补了小波变换的局限,还提升了图像处理的效率和效果。这种方法对于金属材料的断裂分析,尤其是在工业检测和故障诊断中具有极大的应用潜力。未来的研究可能将深入探讨如何进一步优化这种变换,以适应更复杂的图像处理任务,提高图像质量和分析的准确性。
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1绪论
1绪论
1.1课题背景及研究意义
客观地说,任何一种产品,只要使用就存在失效的可能。即使先进的航天飞
机、运载火箭等代表人类最高科技水平的产品系统也不可能保证绝对不发生事
故。相反,它们的失效事故从来就没有间断过。确保机械设备的安全可靠运行,
一方面靠机械构件材料的质量、设计和制造的各项指标的实现。另一方面靠先进
的智能检测与诊断方法。如何正确地防范失效,保障机械安全可靠地运行,一直
是人们的研究热点之一。
现代计算机技术及数字图像处理技术的迅猛发展,为断裂构件的失效分析智
能化诊断提供了广阔发展空间,目前取得了大量令人鼓舞的成果。在众多的失效
分析检测技术中,断口分析是一项重要的技术,在断裂失效分析中占据着重要的
位置。断裂失效后形成的断口是断裂失效最主要的残骸,它记录了材料在载荷和
环境的作用下从裂纹萌生、扩展直至最终断裂失效等不同阶段。每一阶段都与诸
多因素有关,会在断口上留下相应的痕迹、形貌与特征。这些痕迹、形貌与特征
具有重要性、全信息性、唯一性和可分析性,是失效诊断最主要的物证之一,是
断裂失效模式、原因和机理诊断的“钥匙”。断口分析就是通过对这些痕迹、形
貌与特征的观察、鉴别及分析,揭示出与断裂过程相关的因素,判断断裂失效的
性质与机理,从而改善产品的缺陷,避免类似事故的发生。
从断口图像中提取有用的特征信息是实现机械构件断口分析定量化和智能
化的最根本问题,而机械构件断口的模式识别又是进行断裂故障智能化分析的关
键性问题。目前,虽然在对断口的识别和分类提出了各种方法,并取得了一些有
效的成果,但这些方法在应用上都存在着一些严重不足,并且识别率不高,以至
影响到各方法的实际应用效果。而且,通过成像设备获取断口图像的过程中不可
避免的受到各种因素的干扰,也直接影响了识别结果的正确率。现有的断口图像
预处理方法包括边缘检测、去噪、融合、增强、分割等大都是在小波变换的基础
上研究的,而由于小波变换在表示图像信息上的局限性,其效果也不尽如意。因
此,很有必要寻求新的金属断口图像处理方法进一步的探索和研究。
轮廓波变换(即Contourlet变换)是针对小波变换不能充分利用数据本身所特
有的几何特征,挖掘图像中边缘方面的信息而提出的一种新的图像处理方法。该
方法具有多分辨率、局部定位、多方向性、近邻界采样和各向异性等性质,利用
少量系数即可有效地捕捉图像中的边缘轮廓,而边缘轮廓正是自然图像中的主要
特征。为此,本文将Contourlet变换引入到金属断口图像处理中,并进行深入研
1绪论
究。
1.2金属断口图像的国内外研究现状
断口形貌学这个作为描述研究断口技术的名词最早是由C砌A.Zapffe于
1944年定义的【11。而早在16 ̄17世纪,就开始了断口形貌学的研究。Vannoccio
Biringccio于1540年出版的著作“De
La
Pirotechnia”是最早用断121形貌来评价
冶金质量的著作;1574年Lazarus
Ercker在他的著作中提出了用断口检查紫铜和
黄铜质量的方法;1627年Mathurin
Jousse提出了根据断裂失效断口的形貌来选
择优质钢铁的方法;1722年de
Reaumur论述了借助显微镜来研究断口的方法。
进入20世纪之后,随着透射电子显微镜和扫描电子显微镜先后问世,断口学的
研究有了质的飞跃,开始进入了全新的发展阶段。
在利用现有手段提取断口图像时,由于易受到各种因素的干扰,所以对断口
图像进行边缘检测、去噪、融合、增强、分割等预处理也显得尤为重要。文献[2]
将中值滤波器应用于图像去噪中,但中值滤波器使用的是固定大小的滤窗,当窗
中噪声像素数超过有用像素一半时,中值滤波就会失效。文献【3卜[5]分别给出了
基于小波变换的图像融合、分割、增强的算法,小波分析是建立在泛函分析、
Fourier分析、样条分析和调和分析基础上的新的分析处理工具。虽然近几年来
在断口处理领域大显身手,取得了一系列成果,但其不能充分提取图像的方向信
息,只能获取图像的有限方向的信息,不能更有效的表示图像。
断口识别的模式识别与分类始于20世纪80年代初,最先是由日本学者开始
研究的,取得了一定的研究成果。1984年,Mandelbrot就将分形理论引入到断
口识别中用来描述断口的特征【6】,由此开了断口图像识别研究的先河。自进入20
世纪90年代以来,金属断口图像处理就开始了快速发展,其研究规模、取得的
成果以及应用的程度都是前所未有的。1990年KMinoshima.T’Nagasaki.K
Komai
提出将数字图形图像处理技术引入到金属断口图像分类中【_7】;1993年K.Komai,
K.Minoshima和S.Ishii对六种典型的金属断口进行了分类识别【8】。国内对这方
面的研究虽然起步稍晚,但也成果斐然。比如:1999年东北大学实验室以灰度.
梯度共生矩阵为特征向量,并采用BP人工神经网络对金属断口进行了分类识别
【91,2003年颜云辉等提出的金属断口图像的句法模式识别方法【10】,都取得了优
良的结果。
目前,人们对金属断口的识别和分类提出的各种方法,总体来说,主要有以
下几类【¨-1
8】:Fourier变换、纹理分析、模糊算法、灰度共生矩阵法、分形、句
法模式识别、小波变换、神经网络法等。虽然取得了一定的成果,然各方法都有
一定的缺点。文献[11】中将Fourier变换应用到疲劳断口分析,虽然取得了一定的
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