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原文传递一种冰晶体物理结构的细观表征方法

专利名称：	一种冰晶体物理结构的细观表征方法
摘要：	一种冰晶体物理结构的细观表征方法，属于细观表征技术领域。方法如下：制作多个冰切片；将其中一个冰切片进行图像重叠分区；对冰切片进行单区观测，并实时采集获取冰晶体图像,得到该冰切片单层所有观测图像；对所有观测图像进行特征点匹配并求出观测图像重叠区域；对重叠区域进行小波变换融合，得到冰切片的单层全景图像；对所有冰切片重复上述步骤，并保存为一系列的冰切片二维图像，实现对冰晶体物理结构的细观表征。本发明表征了冰晶体真实且完整的物理结构，进行科学、客观、深入地认识河冰的力学行为，为构建合理的河冰本构关系模型提供了新思路，也为桥梁冰荷载的计算提供了科学依据。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工业大学
发明人：	李忠龙;葛思佳;李顺龙;高庆飞;邴皓楠;刘浩印
专利状态：	有效
申请日期：	2022-09-29T00:00:00+0800
发布日期：	2022-12-27T00:00:00+0800
申请号：	CN202211203643.7
公开号：	CN115524343A
代理机构：	哈尔滨龙科专利代理有限公司
代理人：	王莹
分类号：	G01N21/95;G01N21/88;G01N9/00;G01B11/00;G06T5/50;G06T7/143;G06T7/168;G06T7/37;G;G01;G06;G01N;G01B;G06T;G01N21;G01N9;G01B11;G06T5;G06T7;G01N21/95;G01N21/88;G01N9/00;G01B11/00;G06T5/50;G06T7/143;G06T7/168;G06T7/37
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
主权项：	1.一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤： S1：制作多个冰切片； S2：将其中一个冰切片进行图像分区，且每相邻两个图像分区均具有40％-50％的图像重叠区； S3：对S2所得分区后的冰切片进行单区观测，并实时采集获取该区的冰晶体图像，且对该冰切片的所有图像分区的冰晶体图像依次按序进行编号，并以冰切片为整体单位设置对应编号的文件夹储存冰晶体图像；得到该冰切片单层所有图像分区的观测图像； S4：对S3所述冰切片的所有观测图像进行特征点匹配，并求出每相邻两个观测图像的重叠区域； S5：对重叠区域进行小波变换融合，改善拼接质量，得到完整清晰的S3所述冰切片的单层全景图像； S6：对所有冰切片依次重复S2-S5，并保存为一系列的冰切片二维图像，实现对冰晶体物理结构的细观表征。 2.根据权利要求1所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：S1所述冰切片为横向冰切片或多个竖向冰切片。 3.根据权利要求2所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：所述横向冰切片的制作方法包括如下步骤： S101：取冰坯一，在冰坯一表面按试样预定尺寸划分出网格线，再将冰坯一切割加工成M×N个竖直试样； S102：对M×N个竖直试样依次按序进行编号为1-1、1-2、1-3～1-N，2-1、2-2、2-3～2-N……M-1、M-2、M-3～M-N，其中，M、N均为正整数； S103：取一个竖直试样沿水平方向将该竖直试样切割成J个小冰块，对每个所述小冰块均进行切薄处理得到厚度小于1mm的横向冰切片，并对所有横向冰切片的断面进行整平；且对所有横向冰切片按序进行编号为1-1-1、1-1-2……1-1-J； S104：对剩余所有竖直试样依次重复S103。 4.根据权利要求2所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：所述竖向冰切片的制作方法包括如下步骤： S1-1：取冰坯二，在冰坯二表面按试样预定尺寸划分出网格线，再将冰坯二切割加工成X×M’个中间试样，而后将每个中间试样切割加工成N’个水平试样，共得到X×M’×N’个水平试样； S1-2：对X×M’×N’个水平试样依次按序进行编号为 H1-1-1、H1-1-2～H1-1-M’，H1-2-1、H1-2-2～H1-2-M’，……H1-N’-1、H1-N’-2～H1-N’-M’…… H2-1-1、H2-1-2～H2-1-M’，H2-2-1、H2-2-2～H2-2-M’，……H2-N’-1、H2-N’-2～H2-N’-M’…… HX-1-1、HX-1-2～HX-1-M’，HX-2-1、HX-2-2～HX-2-M’……HX-N’-1、HX-N’-2～HX-N’-M’；其中，X、N’、M’均为正整数； S1-3：取一个水平试样沿竖直方向将该水平试样切割成J’个小冰块，对每个所述小冰块均进行切薄处理得到厚度小于1mm的竖向冰切片，并对所有竖向冰切片的断面进行整平；且对所有竖向冰切片按序进行编号为H1-1-1-1、H1-1-1-2……H1-1-1-J’； S1-4：对剩余所有水平试样依次重复S1-3。 5.根据权利要求1所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：S2所述图像分区包括如下步骤： S201：分块DCT变换； S20101：将图像分割成不重合的维数为n×n的方块； S20102：设每一个方块的图像矩阵t(x,y)均为n×n的矩阵，对每一个方块分别通过下式作DCT变换得到对应的DCT系数矩阵：其中： T(u,v)为DCT变换得到的DCT系数矩阵；u为二维波的水平方向频率；v为二维波的垂直方向频率，u,v∈[0,1,……，n-1]； x,y为二维图像坐标点的位置，对应x轴y轴的坐标； Λ(x)为x轴补偿系数； Λ(y)为y轴补偿系数； S20103：将所有DCT系数矩阵按分块所在位置排列成与图像维数相同的矩阵； S202：差分矩阵； DCT系数矩阵经过四舍五入和取绝对值后得到一个M×N的矩阵q(x,y)，则：计算M×N的矩阵q(x,y)沿水平h方向的差分矩阵为： qh(x，y)＝q(x，y)-q(x+1，y) 计算M×N的矩阵q(x,y)沿竖直v方向的差分矩阵为： qv(x，y)＝q(x，y)-q(x，y+1) 计算M×N的矩阵q(x,y)沿主对角线d方向的差分矩阵为： qd(x，y)＝q(x，y)-q(x+1，y+1) 计算M×N的矩阵q(x,y)沿副对角线m方向的差分矩阵为： qm(x，y)＝q(x+1，y)-q(x，y+1) x∈[0，M-2]， 6.根据权利要求3或4所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：所述S4包括如下步骤： S401：运用小波变换模极大值法分别获取其中两个相邻的图像分区的观测图像的边缘轮廓矩阵和模方向矩阵； S402：在观测图像的边缘轮廓矩阵中寻找极大区域,并以极大区域的中心点作为图像特征点； S403：用特征点区域模方位信息及区域中心坐标生成特征点的特征向量； S404：匹配两个相邻的图像分区的观测图像的特征向量，找出特征匹配点位置，实现相邻图像间的特征点匹配； S405：利用S401中的模方向矩阵约束同一3D空间点在两个像素平面的2D齐次坐标，求得图像重叠区域。 7.根据权利要求6所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：S401所述小波变换为二进小波变换，公式如下：小波变换的模值如下：其中： 2j为二进尺度； f(x,y)亦做f，为图像小波变换函数；为在二进尺度2j时所平滑图像f(x,y)沿水平方向的偏导数；为在二进尺度2j时所平滑图像f(x,y)沿垂直方向的偏导数；为偏导符号；为二维平滑函数。 8.根据权利要求5所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：所述S5包括如下步骤： S501：分解：对图像进行小波变换，得到系数矩阵； S502：融合：采用基于窗口的融合规则方法，对图像小波分解得到的系数矩阵进行融合处理，获得系数选择矩阵； S503：重构：根据系数选择矩阵，通过选取相应的小波系数组成融合小波系数矩阵，然后对融合处理后的小波系数进行重构，即获得融合后的所需目标图像。 9.根据权利要求5所述的一种冰晶体物理结构的细观表征方法，其特征在于：S502所述融合公式如下： Aj+1，k，m＝∑l∈Z，p∈Zhl-2khp-2mAj，l，p、其中： A为尺度框架序列，由输入原图像f分解获得，其中，A0＝f D为小波框架序列，由输入原图像f分解获得 k为行方向的数量， m为列方向的数量， h为低通滤波器系数； g为高通滤波器系数； Z为全体整数数集，l∈z,p∈z,j∈z。