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关键词： 动态光散射   谱分解   数字图像处理   循环肿瘤细胞   细胞检测  

摘要： 血液中的循环肿瘤细胞与癌症的转移密切相关。在临床上,循环肿瘤细胞已经在癌症早期诊断,预后效果诊疗,药物效果评估等方面被视为新型生物标志物。在血液循环系统中的循环肿瘤细胞根据其物理特性、生物标志物等区别于正常的血细胞。循环肿瘤细胞的检测可分为体外检测和在体检测,而已有的检测方式无法满足高通量、操作简易、灵敏度高等临床需求。动态光散射成像技术凭借无创、无标记、成本低、可高通量检测等优势已经成为细胞检测的一个重要研究方向。本文针对临床循环肿瘤细胞成像与高通量检测需求,研究了基于动态散射理论的细胞成像方法,搭建了动态散射成像系统,提出了基于谱分解的动态信号提取算法,分别在体外和模拟在体两种情况下,实现了循环肿瘤细胞成像与细胞的分类检测。在体外循环肿瘤细胞检测实验中,在细胞动态光散射原理基础上,搭建了动态散射成像仪器平台,研究了基于谱分解的信号提取算法与细胞特征提取方法。根据细胞图像特征与分类需求,分别设计传统机器学习算法与卷积神经网络算法建立细胞识别模型。实验采用血细胞、EG7-OVA肿瘤细胞、A549肺癌肿瘤细胞进行验证实验。在传统机器学习分类算法中,对血细胞与肿瘤细胞的识别准确率可达98%以上,同时对于不同种类肿瘤细胞的识别率约为91%。提出的多输入卷积神经网络分类模型弥补传统机器学习算法不足,细胞识别准确率可达到近95%。在在体模拟实验中,搭建体内血管模拟平台,使用金纳米颗粒修饰肿瘤细胞增强细胞的动态散射光强度。研究了谱分解算法中特征值与特征向量频率的关系以及不同成分产生的动态光散射信号频率,证明了谱分解算法可以提取不同种类细胞的动态散射信号。实验验证了在具有生物组织背景散射干扰、生物呼吸节律干扰和大量细胞重叠的情况下能够实现肿瘤细胞检测。本文基于细胞的动态光散射成像,根据细胞图像特征与细胞信号频域特征实现血细胞与肿瘤细胞的区分。为循环肿瘤细胞高通量检测提供了新的方向,在癌症的早期诊断方面具有临床应用前景。

关键词： 食品健康   图像分割   文字识别   信息提取  

摘要： 食品是人类生存和发展最基本的物质,当今我国经济高速发展,我国食品产业集群也呈现高速发展态势,伴随着经济发展实现了跨越式发展。但是对于食品而言,安全和健康是最基本的要求,如何加强促进健康素养,规范健康科普工作,为公众提供科学权威的食品健康科普知识,在目前我国人民日常生活中显得尤为重要。鉴于现实的需求,本文主要研究并开发一种食品成分识别系统,适用于市场上所有有包装的食品,根据食品包装材料上的成分信息,提示用户该食品的成分是否健康、有无添加剂、哪一类人群适合食用、食用时有什么禁忌等。该系统对用户友好,且使用方便,适用所有人群,能有效帮助用户了解该食品商品中成分的信息,并对此做出鉴别。在技术方面,以数字图像处理技术为基础,梳理本文中涉及到的去噪、分割算法以及文字识别技术,着重探讨了基于深度学习的去噪、分割算法和基于深度学习的文字识别技术。本文开发一个简单的食品包装图像识别系统,将待检测食品的包装标识图像进行去噪、分割,得到目标文字图块;然后根据文字识别技术,对目标文字图块进行文本提取,得到对应的文本信息;接着将文本信息与预设食品专业词典进行匹配分词,得到分词结果;最后根据分词结果对所检测食品进行食品成分识别。通过该方法,能对检测的食品包装标识图像上的食品成分信息进行提取,实现了对食品中成分信息的有效识别,对用户感兴趣的成分信息提供在线科普,帮助用户快捷地判断食品中是否含有添加剂或有害成分,或者食用禁忌等问题。总之,本文中研究并开发的基于数字图像处理技术的食品成分识别系统,经过检测能有效识别食品包装中标识的成分信息,并在生活中协助用户了解该食品商品中成分信息的健康、安全级别,对于提升用户食品健康方面有十分积极的意义。

关键词： 逼近理论   数字图像处理   帕德逼近   边缘检测   区分度  

摘要： 逼近理论在数字图像等领域有着十分广泛的应用。本文主要研究基于逼近理论的相关算法及其在数字图像处理中的应用,主要研究内容包括:(1)余切指数逼近算法及其在信号处理领域的应用提出了一种基于帕德逼近的方法,用于寻找带余切指数不等式的改进边界,它能够恢复或改进已有盛行方法中的许多结果。还提出了一种新方法用于证明相应的边界,该方法也可用于证明更多其他类似的不等式边界。数值实验表明,新方法的边界具有比已有结果更小的逼近误差。有望应用到信号处理中的Sinc函数逼近方法中,用于进一步提升算法的计算效率与逼近精度。(2)三角函数的帕德逼近方法及其在图像处理中的应用通过结合重参数化技术,提出了一类具有额外参数α的Wilker不等式。利用帕德逼近,给出了局部区间内α对应的最优值。利用函数sin(αx)和cos(αx)的上下界,给出了相应不等式的证明。当α(28)1时,新方法可以恢复出已有方法中的部分结果。该方法在理论上可以推广到更多其它形式的边界函数,甚至更多其它类型的不等式。数值实验的比较结果表明,新方法比目前最好的同类方法具有更好的逼近效果,有望应用于双边滤波,用于进一步加速和提升逼近精度。(3)结合逼近理论的自适应区分度边缘检测算法的研究针对Canny算法中的连续性不够,无效边缘过多,边缘精度不够等问题,提出了结合逼近理论的自适应区分度边缘检测算法。将图像分成一个个的2×2格子,根据格子对应的4个像素点的几何关系得到区域对应的划分结果,并计算出该格子相应的区分度。根据逼近理论来逼近图像的直方图,并结合基于锚点的延伸等技术,获取最终的边缘结果。针对BSD500的数据集的实验结果表明,在所有的非深度学习方法中,该方法得到的F-measure值表现最佳,并且边缘在视觉上更逼近真实的结果。

关键词： 水下光通信   视频传输技术   数字图像处理  

摘要： 海洋占地球的百分之七十,我们拥有广阔的海洋面积,水下高速视频传输技术在国家安全,军事和水产养殖和海洋探索方面具有举足轻重的重要意义,随着人类活动的扩大和海底探索的深入,现在的陆地通信方案已无法满足人们的需求,研究一种适用于海洋的水下高速视频通信方案迫在眉睫,但是水下高速率的视频传输一直是全世界所面临的难题,研究者做了大量的研究,但是都没找到合适的解决方案。本文主要解决了以下问题,结合数字图像处理与通信的知识,首先,在发送端对数据进行高低频分离处理,对高频和低频分别采用不同的通信交付方式,高频采用无差错传输方式,低频采用尽最大可能信息交付方式,充分利用信道资源,接收端接收到数据后,在接收端利用图像的相邻像素间的结构相似性对丢失的低频数据进行恢复,既能增强信道的抗干扰性,又能节约通信资源。然后,在蒙特卡洛模拟的基础上,对水下信道衰减强度进行估计,通过对水下最小二乘估计的研究,发现了它的缺陷,在此基础上,设计了折线图估计法,估计发送端均衡强度,通过实验研究发现折线图法取得了良好的效果。最后,在之前方法的基础上对水下光斑定位方法进行了改进,以前的定位方案复杂缓慢,不利于光斑的快速移动,在此基础上,提出了最大值定位方案,实验研究发现我们研究的方法定位精确,简便快捷。

关键词： 气液两相流   数字图像处理   图像特征提取与匹配   气泡轨迹跟踪  

摘要： 对气液两相流的跟踪研究是目前流体力学中的一个难点。液体中气泡的运动规律获取是气液两相流研究中的基本问题,对指导两相流试验系统的设计、有效控制各种化学反应过程、对两相流的内部流动机理的研究具有深刻意义。本文基于光学图像,综合运用图像数字处理与分析技术,对液体中气泡进行轨迹识别与跟踪研究。主要的研究工作包括以下3个方面:(1)基于拓扑分析边界跟踪算法,提取图像中稀疏气泡的轮廓。为了准确提取气泡轮廓信息,首先针对实验仿真光学图像数据进行中值滤波、图像增强、二值化、边缘检测等预处理。其次,通过对二值化图像的拓扑结构分析,通过对Findcounters边界跟踪算法的改进,实现了光学图像中稀疏气泡的轮廓提取。(2)在原始的oFast算法和rBrief算法的基础上提出了自适应阈值的TFast算法和改进采样规则的DBrief算法。针对o Fast算法中固定阈值不能有效祛除某些噪声,考虑提出TFast算法,实验结果表明改进算法可以提取更多的特征点。针对r Brief算法中描述符之间没有区分性,提出DBrief算法,实验结果表明改进的特征描述子提取算法要比原始算法提取的描述子更能体现角点特征。(3)以气泡运动过程中轮廓变化为气泡匹配的依据提出了改进的ORB匹配算法。利用保留气泡轮廓的图像,通过粒子跟踪测速法(Particle Tracking Velocimetry,PTV)中的匹配算法对图像中的气泡进行匹配,并将结果与改进的图像特征提取与匹配的算法进行对比,发现PTV算法在图像采样时间间隔短的情况下气泡匹配结果较好,但当图像采样时间间隔较长时,通过对气泡轮廓特征的提取与匹配的改进算法要比PTV的匹配算法匹配精度更高。结合改进的图像轮廓算法和改进的ORB算法能够实现气泡的轨迹跟踪。

关键词： 非标二维码   Grid码   数字图像处理   检测解码算法   数据关联系统   数据关联算法  

摘要： 为了满足烟草企业对二维码数据采集和关联,以及运用自主研发的二维码(一种非标二维码,Grid码)的迫切需求,本论文完成了Grid码数据采集和检测解码算法,以及二维码数据关联系统的研究与开发。具体研究工作包括:(1)研究了对Grid码数据流识别的关键算法。观察分析了印刷在小包、条盒上的Grid码图像特征,针对卷烟包装上背景图及玻璃纸反光等干扰,提出去除背景与反光相结合的Grid码数据流识别算法,实际应用效果良好。该算法有图像预处理、Grid码区域粗定位、精定位、根据Grid码编码规则输出0/1数据流四个步骤。Grid码的数据流识别算法解码率达到99%以上。(2)针对昆明三机厂定制的YB621A烟包入条盒机和YP13封装箱机,对Grid码的采集和关联系统进行了总体设计。系统包括采集图像、图像处理并解码、数据关联三个模块。完成了硬件设备的选型,根据烟机的工作原理和电气原理图,确定了相机、光源等硬件设备的安装位置,保证了Grid码图像数据的采集和实时关联的顺利完成。(3)完成了Grid码数据在线关联的关键算法。在10个小包被包装进条盒前,再采集一次10小包中的某一小包上的二维码,作为定位码。利用定位码,完成了Grid码数据在线关联的关键算法。该算法可以对因为印刷不正常造成的解码失败,人为干预停机等突发情况,引起的关联错误进行即时剔除,不会把本次关联错误一直延续下去,具有较强的抗干扰能力,保证了实际运行过程中的正确关联率。经烟厂测试,该算法关联率达到100%,符合预期。(4)Grid码数据关联系统的软件调试。利用可视化界面分别调试相机采图环节,烟包、条盒数据关联环节,条盒、烟箱数据关联环节。经现场测试,Grid码数据关联系统能很好的实现图像采集、解码、数据关联等功能,满足了实际生产需要。

关键词： 深度学习技术   道路裂缝图像   数字图像处理   卷积神经网络   Yolov4  

摘要： 加快我国建设成为交通强国,是中共中央一项战略性决策,是社会主义新时代进一步做好现代交通运输基础工作的总战略抓手。交通运输部统计资料表明,截止至2022年4月26日,全国高速公路总里程已达528万公里,基本构成了以公路为骨架、以普通干线为脉络、以农村公路为基础的全国公路网。目前城市道路发展建设总体速度也已明显趋于平缓,随着道路使用年限的不断增加,采取公路安全设施精细化、实施公路灾害防治工程、强化养护工程设计等系列措施显得尤为重要。在各种类型的路面病害中,道路裂缝是最常见的一种。目前日常的路面检测工作通过人工实地走查完成,而这种方法不但耗时费力,同时还产生了很大的安全隐患。因此为了解决人工检测道路裂缝方法中耗时费力等问题,本文对道路裂缝问题进行了研究并实现了从采集路面图像后到检测结果输出的一系列过程。为了提高裂缝图像质量,本文考虑了以下几个问题:第一,在采集阶段由于设备在使用过程中会产生噪声,需要先对图像进行降噪;第二,拍摄阶段由于光线不均匀而造成的亮度不佳,需要对图像的明暗亮度进行调整;第三,为了扩充数据集,需要对图像数据进行旋转、改变分辨率等系列操作。本文使用Labelimg制作道路裂缝数据集,并将图像分为五种属性。本文采用了名为Yolov4的深度学习算法,对道路裂缝图像数据进行训练和测试,从而实现对道路裂缝的检测和识别。为了提升深度学习算法的性能,本文依次进行了如下操作:模型数据预处理、网络模型参数初始化、调整训练过程中的学习速率和迭代次数等。本文采用Python中自带的Pyqt5库设计GUI界面,并设计了一套基于Windows平台的应用程序,名为“道路裂缝识别软件”,该软件能够实现基于深度学习技术对道路裂缝进行检测和识别,并能在较短的时间内给出裂缝的类型、宽度、高度、面积和识别分数等属性信息。本文的创新之处主要有两个方面:第一,先对采集的道路裂缝图像进行传统的图像处理操作,在确保图像质量的基础上,再对裂缝图像数据集进行扩充,然后运用深度学习算法Yolov4对裂缝图像进行训练与测试,使得道路裂缝识别的MAP值达到74.78%,FPS达到36.83。第二,本文从用户使用的便利性和拓宽裂缝识别应用领域的角度出发,设计了一款自动化识别道路裂缝的应用程序,能够达到以可视化的形式及时准确地判断出裂缝的类型、长宽、面积等属性信息。

关键词： 数字图像处理   木材缺陷   木材纹理   木材微观  

摘要： 随着现代计算机技术的快速发展,计算机数字图像处理技术已成为当前追逐的热点,并广泛应用在木材科学领域中。数字图像技术所具备的现性好、精度高、灵活性强等优势,为木材科学的发展提供了新手段。文中基于数字图像处理技术从木材宏观与微观方面对木材缺陷、木材纹理、细胞特征等进行综述,同时分析了木材科学研究中主要用到的数字图像处理技术,并对数字图像处理技术在木材科学中的研究方向及发展趋势进行展望。

关键词： 岩石力学   细观结构   CT技术   数字图像处理   等效晶质体模型   裂纹发育演化  

摘要： 为更好地从矿物细观结构层面揭示岩石破裂机制,综合采用岩石偏光显微分析、CT技术和数字图像处理技术,构建能够反映岩石实际矿物成分、含量和空间分布等细观结构特征的岩石数字化模型。数值模拟和物理实验结果表明,该模型与真实岩石实际破裂过程具有较好的一致性,能够模拟出岩石变形破坏过程不同类型矿物断裂时裂纹萌生位置、扩展方式及产生机制等细观破裂行为,实现岩石破裂过程裂纹扩展方式(穿晶、沿晶)及其力学机制(张拉、剪切)的判别与定量分析。统计分析发现,裂纹扩展方式与矿物晶体力学属性强弱有关,在强矿物晶质体处以沿晶方式进行扩展,在弱矿物晶质体处以"沿晶+穿晶"的组合方式进行扩展。此外,裂纹扩展也受其产生的力学机制影响,微破裂稳定发展阶段产生的张拉裂纹,在强矿物晶体处以沿晶方式扩展,形成晶间张拉裂纹,在弱矿物晶体处以穿晶方式扩展,形成晶内张拉裂纹;非稳定破裂发展阶段和峰后破坏阶段产生的剪切裂纹,在强、弱矿物晶质体处均以沿晶方式扩展,形成晶间剪切裂纹。从裂纹网络形成方式来看,强、弱矿物晶质体分布较为集中时,形成主干式的裂纹网络,当强、弱矿物晶质体呈离散式分布时,形成网状分布的裂纹网络。

关键词： 数字图像处理   灭点探测   正射校正   单应矩阵  

摘要： 针对已有倾斜校正算法的计算量大、精度较差等问题,本文提出了一种基于影像灭点探测的建筑物立面影像自动倾斜校正算法。利用LSD算法提取线段结构,并用基于RANSAC的灭点检测算法解算影像灭点的坐标,由此计算将影像校正至正射的单应矩阵,实现立面影像的自动校正。试验结果表明,该算法可以有效实现建筑物立面影像的倾斜校正。将校正结果与通过商业软件手动校正进行对比,发现两种校正结果相似度大部分达到90%,且算法对千万级像素影像校正时间小于20 s,算法的精度、稳健性和处理效率都有较高的水平。