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原文传递一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法

专利名称：	一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法
摘要：	本发明提供了一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其技术方案是：利用显微镜采集不同景深的图像并进行加运算，获取准确的砂尘轮廓。通过提取特征角点的方法将砂尘的二维截面简化为非规则凸多边形。根据典型形状因子的概率分布规律创建三角形作为基础形状，采用缩比和拼接基础形状的方法创建其他凸多边形，经过筛选生成砂尘的典型特征形状。利用相关度将每一类别的简化形状与特征形状进行匹配，得到特征形状的概率分布，从而有效反映真实砂尘的形状分布特性。该设计方法通用、有效且易于操作，在保留复杂砂尘的主要几何特征的前提下对其进行简化，并创建反映真实砂尘形状分布规律的典型特征形状，有利于建立砂尘的替代模型。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	张悦;殷宁;谭慧俊;李鑫;高婉宁;王子运
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201811632425.9
公开号：	CN109781590A
代理机构：	南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	张弛
分类号：	G01N15/02(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	210000 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)砂尘样本制备，取样前充分搅拌砂尘，使粗细砂尘混合均匀；砂尘以单颗粒的形态分散在介质中； (2)砂尘图像采集：将显微镜的取景高度沿垂直于拍摄平面的方向调整，从而生成不同景深的图片集； (3)二维图像分析与简化，包括： (3a)对上述图片集中的图像进行初步处理，包括去噪、中值滤波、增强对比度、将图片二值化以及填洞操作； (3b)将同一视场不同景深的图片集进行加法操作，获得砂尘的精确外形； (3c)除去图像中的过小颗粒物，对单个颗粒物进行分离,获取砂尘几何中心点坐标和边界曲线的坐标集合，将几何中心点到边界的距离表示成关于极角的函数； (3d)对(3c)中得到的函数曲线进行局部加权回归散点平滑处理，去除边界曲线的异常特征； (3e)按照砂尘简化的复杂程度，将极角范围等间距地分为N个区间，获取每个区间内极径的极大值点，即为砂尘边缘的特征角点，对特征角点进行优化处理，将处理后的角点相连可以得到砂尘的多边形轮廓； (3f)按照研究需要对砂尘的多边形轮廓分类，得到圆、长条形、三角形直至N边形； (4)典型特征形状构建，包括： (4a)按照步骤(3)对采集到的图像进行批处理，确保除圆形外的每一类形状的统计个数K不少于100； (4b)获取除圆形外的每一类形状中全部颗粒的典型形状因子，长宽比E和圆形度R，其计算公式分别为：其中L为砂尘颗粒二维简化形状的费雷特直径、S为砂尘颗粒二维简化形状的最小费雷特直径、A为砂尘颗粒二维简化形状的面积、P为砂尘颗粒二维简化形状的周长，从而生成形状因子的概率分布，其中分布概率占比为95％时则为形状因子的集中分布区间； (4c)对于除圆形外的每一类形状，采用图形创建软件在形状因子的集中分布区间内生成三角形作为基础形状，选取N-2个基础形状进行缩比得到长度相同的边进行拼接生成其他N边形，确保生成的形状不存在内凹角并且形状因子在相互之间具有一定区分度的基础上遍布集中分布区间，从而构建出非规则典型特征形状； (4d)利用形状因子的相关度将特征形状与简化形状进行匹配，获得特征形状在砂尘中的分布概率，从而能够反映真实砂尘的形状分布特性。 2.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(1)中，对砂尘进行粗取样和细取样，砂尘的粗取样方法为，遵循多点采样原则，从不同位置、不同深度选取砂尘，取样点不少于4个，将各点采集的试样混合均匀得到砂尘的粗样；砂尘的细取样方法为，将粗砂尘全部置于水平玻璃板上，混合均匀后堆砌为圆锥状，用薄片从圆锥顶部呈十字形分开，选取对角两份混合均匀，重复该步骤直到砂尘缩分为拍摄所需的样本量，得到砂尘的细样。 3.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(1)中砂尘以单颗粒的形态分散的介质为无水乙醇，砂尘与无水乙醇的体积比为1:100；采用滴管吸取砂尘分散于无水乙醇中的悬浮液，平铺于载玻片上。 4.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(2)中，在垂直于拍摄平面的方向上选取三至四个取景高度，确保捕捉砂粒沿三维方向不同高度上的外凸边缘特征。 5.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(3e)中，砂尘特征角点的优化方法为，计算各区间内极值点的极角差值，当差值小于阈值时认为边缘上对应的两个角点位置相近，因而保留两个角点中极径值较大点，去除另一个。 6.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(3e)中，砂尘特征角点的优化方法为，计算各极值点的当地一阶导数，当导数的绝对值小于阈值时，表明砂尘边缘在该角点附近变化平缓，外凸特性不明显，将该角点去除。 7.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(3f)中，砂尘形状的分类方法为：当极径与其平均值的偏差在0.85与1.15倍之间时，认为该砂尘在二维平面上的投影为圆形；当极径与其平均值的偏差在2.5倍及以上时，认为该砂尘在二维平面上的投影为长条形；当优化后的角点个数为N时，认为该砂尘在二维平面上的投影为N边形。 8.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(4c)中，基准形状的生成方法为：在锐角、直角以及钝角三角形中分别生成长宽比依次增长的形状，确保形状因子位于集中分布区间内。 9.根据权利要求1所述的砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其特征在于：步骤(4d)中，砂尘形状的匹配方法为：对任一简化形状，计算该简化形状与任一特征形状间的匹配因子δij，其计算公式为其中，δij为第i个简化形状与第j个特征形状间的匹配因子，Ei和Ri为第i个简化形状的长宽比和圆度，Ej和Rj为第j个特征形状的长宽比和圆度，M为简化形状的个数，K为特征形状的个数；对于第i个简化形状，取到δi的特征形状则与该简化形状相关性最高，从而相互匹配。
所属类别：	发明专利