雨滴谱颗粒图像处理系统的研究

论文摘要

自然界中把组成物质的细小的单元称之为颗粒,雨滴颗粒就是降雨过程中的一种物质微观的表现形式,对外能体现出物质相应的物理性质,化学特性和统计学规律等等。针对颗粒对外体现的性质的这一特性,本文通过雨滴谱颗粒图像的特征,检测降雨过程的主要参数,利用机器视觉技术和图像处理技术相结合的方法,实现对雨滴特征的提取与统计,取代人工检测降雨量,提高检测质量和检测精度。本文设计的雨滴谱数据检测系统,通过扫描仪采集雨滴谱滤纸图像,利用计算机图像处理系统对采集到的图像进行分析处理,提取雨滴颗粒的含雨量,对测量结果进行统计。在图像预处理方面,结合复合级联变换和插值算法,获取雨滴谱图像有效取样面积；运用图像增强和图像滤波提高图像的清晰度,去除图像中含有的噪声；形态学重构和区域填充去除雨滴谱颗粒图像中颗粒的空心及颗粒边缘不规则现象,提高颗粒边缘质量；利用Otsu法自适应阈值分割法,实现目标颗粒辨识和分割,并通过阈值评判函数对分割效果加以评价。传统的雨滴颗粒处理方法通过各雨滴所含像素点检测雨滴的含量,针对粘连颗粒采用距离变换和流域分割相结合的方法进行分割处理,整个过程存在过分割现象,其检测结果精度低,准确性差。经预处理的图像仍然存在边界区域不明朗,颗粒不完整的现象,本文提出运用小波分析的图像重构算法,将处理后的颗粒图像与原始的雨滴谱图像进行重构,降低图像处理过程中带来的噪声影响,再将重构后的图像重新进行图像处理,该方法一方面,校正处理过程中的部分过处理现象和处理中带来的噪声,另一方面,使雨滴颗粒图像边缘的变得更加圆滑。为了提高检测的精度和准确性,本文从颗粒边缘的角度对雨滴颗粒进行检测,首先利用雨滴颗粒类圆的性质,将雨滴颗粒分为单个雨滴颗粒和粘连的雨滴颗粒两类。单个雨滴颗粒经图像处理即可达到处理要求,但对于粘连颗粒主要采用Canny边缘检测算法对雨滴颗粒边缘检测,利用改进的Hough变换检测圆参数,提取类圆雨滴颗粒的半径及圆心。对检测结果运用统计理论的待定系数法对得出的雨滴颗粒数据进行曲线拟合,通过数值分析的最小二乘法求解回归系数得出实验数据,从而实现雨滴色斑颗粒粒径统计；最后,运用MATLAB强大的运算功能和VC简易可视化的用户界面设计功能,提出采用VC和MATLAB混合编程的方法,通过接口技术将两个软件智能的接合在一起,实现雨滴谱的人机操作界面,提高雨滴谱图像处理系统操作的简易性,加强系统的智能化程度。试验结果证明,采用机器视觉和图像处理相结合的方法,能够快速准确地实现雨滴谱颗粒的数据参数,检测精度高,具有良好的实用性和通用性,开辟了雨滴谱数据检测系统的新方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 雨滴谱颗粒检测方法概述
• 1.2 机器视觉概述
• 1.3 数字图像处理概述
• 1.4 雨滴谱图像处理系统国内外研究现状
• 1.5 雨滴谱颗粒图像处理系统研究的意义和目的
• 第二章 雨滴谱图像处理系统的整体设计
• 2.1 雨滴谱颗粒图像检测系统的构成
• 2.2 图像处理系统
• 2.3 雨滴谱数据检测实验台设计
• 2.4 雨滴谱数据检测系统流程图
• 第三章 雨滴谱图像处理系统的雨滴颗粒处理
• 3.1 图像区域的选择
• 3.2 雨滴谱图像的复合级联变换
• 3.2.1 复合级联变换原理
• 3.2.2 插值
• 3.3 雨滴谱数据图像增强和平滑降噪
• 3.3.1 图像的增强处理
• 3.3.2 图像的滤波和平滑降噪
• 3.4 雨滴谱数据图像形态学重构
• 3.4.1 形态学基本原理
• 3.4.2 结构元素的选取
• 3.5 雨滴谱颗粒图像的区域填充
• 3.6 雨滴谱数据图像分割
• 3.7 雨滴谱图像的边缘检测
• 3.7.1 典型的边缘检测算法
• 3.7.2 雨滴谱颗粒图像的边缘检测
• 3.8 本章小结
• 第四章 小波分析在雨滴谱图像处理中的应用
• 4.1 小波分析的发展
• 4.2 传统的图像融合技术
• 4.3 小波变换的图像融合技术
• 4.4 雨滴谱图像的小波分析处理
• 4.5 本章小结
• 第五章 雨滴谱图像粘连颗粒的处理
• 5.1 寻找圆质心
• 5.2 传统的粘连雨滴颗粒像素级分离
• 5.2.1 雨滴谱图像粘连颗粒的距离变换
• 5.2.2 雨滴谱图像粘连颗粒的分水岭算法
• 5.3 改进的粘连雨滴谱颗粒图像的边缘分割
• 5.3.1 雨滴谱图像的边缘拟合
• 5.3.2 角点和端点的检测（或凸凹点的特征提取）
• 5.3.3 基于改进的Hough变换的圆检测算法
• 5.4 本章小结
• 第六章 雨滴谱颗粒粒径统计及数据分析
• 6.1 雨滴标定
• 6.1.1 雨滴颗粒样本制作
• 6.1.2 雨滴谱数据样本色斑直径与水滴直径的数据分析
• 6.1.3 雨滴谱数据色斑与色斑像素点的数据分析
• 6.2 雨滴谱颗粒粒径统计
• 6.3 雨滴谱测量对比及所测结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 VC与MATLAB的混合编程
• 7.1 连接组件
• 7.2 VC与MATLAB混合编程
• 7.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间研究成果