一种磨屑轮廓自动提取与分形识别系统及应用方法
【专利摘要】一种磨屑轮廓自动提取与分形识别系统及应用方法，属于磨屑图像提取与识别系统及其应用方法。磨屑轮廓自动提取与分形识别系统包括：高分辨率电子显微镜；存储器，该部件在系统中提供数据存储空间；一台电子计算机，用于磨屑图像的轮廓提取与分形识别，并将结果保存到存储器部件。软件系统可实现磨屑图像的轮廓提取与分形识别，并输出单个及整体磨屑图像的对应编号，分形维数及实际尺寸。相应的磨屑分形维数计算方法磨屑轮廓表征所得结果之间相差较大，有足够的数值梯度来避免误差带来的影响，因此是一种较为有效的磨屑轮廓表征方法。可以对图像内大量磨屑信息同时批量处理，自动提取磨屑轮廓并对磨屑轮廓进行分形识别，大大提高了磨屑分析的效率。
【专利说明】
一种磨屑轮廓自动提取与分形识别系统及应用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种磨肩图像提取与识别系统及其应用方法，特别是一种磨肩轮廓自动提取与分形识别系统及应用方法。
【背景技术】
[0002]磨肩形成于材料磨损表面，在油液磨肩颗粒的检测中，可以根据磨肩形貌的变化判断机器的磨损状态，在人工关节摩擦磨损情况中，也常常形成大量磨肩，有些尺寸的磨肩颗粒可能是造成“磨肩病”的诱因，同时不同形状的磨肩其形貌及尺寸包含大量信息，并且磨肩轮廓的分形表征对于磨损机理的研究具有重要意义。
[0003]在现有的磨肩轮廓表征方法中，码尺法计算的磨肩轮廓分形维数存在一个不确定问题，即对于一定的边界轮廓，所计算出的分形维数数值可能不是唯一的，因为该方法除受图像因素的影响外，还受计算方法本身因素(如沿磨肩边缘“行走”测量时的起始点选择方式、步长的确定方法等)的影响。经过改进的EXCACT方法所作的“图形边缘线段性”假设与分形图形的“自相似性”特征相矛盾，它所计算的分形维数往往偏小；FAST方法用于表征如Koch岛这样的磨肩形状具有较好的性能，但用于其它图形效果差;相比较而言，FAENA方法计算结果要精确一些。但是码尺法存在的一个共同的缺陷就是，对于轮廓弧度相似而形状不同的磨肩，它们得出的结果可能是一样的。对于形状千变万化的磨肩来说，利用小岛法(即周长与面积之间的幂率关系)测量其分形维数复杂而且精确度不高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要提供一种磨肩轮廓自动提取与分形识别系统及应用方法，将磨肩形貌及尺寸合理量化，用于磨肩信息的提取，为摩擦摩擦机理的研究奠定技术基础，解决磨肩图像计算机轮廓自动识别及提取的问题，并采用合理分形方法对磨肩轮廓进行分形。
[0005]本发明的目的是这样实现的:提取与识别系统包括:高分辨率电子显微镜、存储器和电子计算机；尚分辨率电子显微镜输出与存储器输入连接，存储器与电子计算机双向信息通讯连接;高分辨率电子显微镜，用于微纳米级磨肩形貌的拍摄;存储器，用于在系统中提供数据存储空间，用于将高分辨率电子显微镜拍摄的磨肩图片进行存储，也用于最后磨肩分形识别结果的存储；电子计算机进行图像处理，提供磨肩图像的算术/逻辑运算，用于磨肩图像的轮廓提取与分形识别，并将结果保存到存储器部件。
[0006]所述的电子计算机图像处理过程包括确定图像灰度阙值，图像二值化，图像去噪，边缘检测，轮廓提取与图形编号，轮廓坐标提取与储存;批量处理程序及单个磨肩轮廓及数据输出分析，满足单独磨肩形貌的提取，分形及尺寸计算，整体批量处理，满足各种数据处理的需要。
[0007]提取与识别系统的应用方法:具体步骤为:(I)对大量磨肩进行高分辨率电子显微镜放大扫描，获取一批磨肩形貌的电子显微照片，并储存到存储器中；(2)将存储的磨肩电子显微照片输入电子计算机中，利用程序将每张图片中大量磨肩图像进行自动编号，分别提取轮廓坐标，并利用分形处理方法对单个磨肩进行分形识别；(3)输出含有图像信息的数据文件，包括该图中磨肩编号，磨肩分形维数及磨肩最长轴尺寸。
[0008]具体的，计算机图像分形维数的计算方法为:
[0009](I)对单个图像轮廓坐标进行读取；
[0010](2)以读取的第一个坐标为起点，两两计算各坐标点间距离，并将坐标间距从小到大进行排列，找出距离最大的两点坐标，确定最长轴距离及位置；
[0011 ] (3)根据距离最大的两点坐标确定最长轴中点，定为图像中心O；
[0012](4)分别求出各轮廓坐标与中心O距离L，并将各距离从小到大排列；
[0013](5)分别取各轮廓坐标与中心O距离L和其排列顺序数值N的对数，所述的N=I，2，3，...，η，将它们一一对应列入直角坐标系中，可得到二者的对应关系曲线；
[0014](6)对该曲线进行最小二乘线性拟合，取模拟直线的斜率为α，则磨肩外形轮廓图表征的分形维数可定义为D = a;
[0015](7)手动选取图中标尺所在位置，将位置坐标进行输入，根据输入的两个标尺位置坐标求出距离；
[0016](8)根据标尺所示实际尺寸及单个磨粒轮廓最长轴距离与标尺位置坐标距离的比值，求出磨肩图像实际尺寸；
[0017](9)将单个磨肩图像量化为分形维数及尺寸，为后一步磨损机理的分析奠定技术基础。
[0018]有益效果，由于采用了上述方案，将图形中点O与磨肩外部轮廓坐标的距离数值按大小顺序排列，分别取各轮廓坐标与中心O距离L和其排列序列数值N的对数，在对数坐标系中可得磨肩外形轮廓的分形曲线。磨肩分形曲线的各轮廓坐标与中心O距离L的对数与排列序列值对数之间有良好的线性关系，具有典型的分形特征。对分形曲线的数据点进行线性回归，回归直线的斜率为α，则磨肩轮廓的分形维数为D = a。当磨肩为理想球形，按照图的表征方式可知其分形维数D = 0。四种典型磨肩轮廓:近圆形、多边形、棒形、针条形轮廓的分形维数随形状系数的变化，随着磨肩外形轮廓从圆形向条形变化，磨肩的分形维数随之增大，具有很强的规律性和尺寸独立性，因此它能够适应磨肩的多尺度测量要求，以作为磨肩外形轮廓的描述参数。解决了磨肩轮廓自动提取计算机图像处理十分困难的问题，达到了本发明的目的。
[0019]优点:将磨肩轮廓自动提取，磨肩图像信息批量处理过程付诸于现实，使磨肩的检测、分析、形貌提取成为可能，为下一步研究磨肩与摩擦磨损机理的关系奠定基础。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的系统原理图。
[0021]图2是本发明的不同外形轮廓磨肩分形表征的双对数坐标图。
[0022]图3是本发明的不同外形轮廓磨肩分形表征的分形维数值图。
[0023]图4为本发明的系统运行界面示意图。
[0024]图5为本发明的图像处理过程示意图。
[0025]图6为本发明的图形标号图。
[0026]图7为本发明的处理结果示意图。
【具体实施方式】
[0027]提取与识别系统包括:高分辨率电子显微镜、存储器和电子计算机;高分辨率电子显微镜输出与存储器输入连接，存储器与电子计算机双向信息通讯连接;高分辨率电子显微镜，用于微纳米级磨肩形貌的拍摄;存储器，用于在系统中提供数据存储空间，用于将高分辨率电子显微镜拍摄的磨肩图片进行存储，也用于最后磨肩分形识别结果的存储；电子计算机进行图像处理，提供磨肩图像的算术/逻辑运算，用于磨肩图像的轮廓提取与分形识另IJ，并将结果保存到存储器部件。
[0028]所述的电子计算机图像处理过程包括:确定图像灰度阙值，图像二值化，图像去噪，边缘检测，轮廓提取与图形编号，轮廓坐标提取与储存;批量处理程序及单个磨肩轮廓及数据输出分析，满足单独磨肩形貌的提取，分形及尺寸计算，整体批量处理，满足各种数据处理的需要。
[0029]提取与识别系统的应用方法:具体步骤为:(I)对大量磨肩进行高分辨率电子显微镜放大扫描，获取一批磨肩形貌的电子显微照片，并储存到存储器中；(2)将存储的磨肩电子显微照片输入电子计算机中，利用程序将每张图片中大量磨肩图像进行自动编号，分别提取轮廓坐标，并利用分形处理方法对单个磨肩进行分形识别；(3)输出含有图像信息的数据文件，包括该图中磨肩编号，磨肩分形维数及磨肩最长轴尺寸。
[0030]具体的，计算机图像分形维数的计算方法为:
[0031](I)对单个图像轮廓坐标进行读取；
[0032](2)以读取的第一个坐标为起点，两两计算各坐标点间距离，并将坐标间距从小到大进行排列，找出距离最大的两点坐标，确定最长轴距离及位置；
[0033](3)根据距离最大的两点坐标确定最长轴中点，定为图像中心O;
[0034](4)分别求出各轮廓坐标与中心O距离L，并将各距离从小到大排列；
[0035](5)分别取各轮廓坐标与中心O距离L和其排列顺序数值N的对数，所述的N=I，2，3，...，η，将它们一一对应列入直角坐标系中，可得到二者的对应关系曲线；
[0036](6)对该曲线进行最小二乘线性拟合，取模拟直线的斜率为α，则磨肩外形轮廓表征的分形维数可定义为D = a;
[0037](7)手动选取图中标尺所在位置，将位置坐标进行输入，根据输入的两个标尺位置坐标求出距离；
[0038](8)根据标尺所示实际尺寸及单个磨粒轮廓最长轴距离与标尺位置坐标距离的比值，求出磨肩图像实际尺寸；
[0039](9)将单个磨肩图像量化为分形维数及尺寸，为后一步磨损机理的分析奠定技术基础。
[0040]实施例1:图1中，将实验后收集到的磨肩进行制备，放到高分辨率电子显微镜镜头下，进行磨肩颗粒图像的采集，将采集的图片结果保存到存储器中。
[0041 ]利用计算机进行图像处理，具体过程为:打开本程序—载入图片，点击运行—输出原始图像/二值图像/填充图像/去噪后图像/单个磨肩边缘检测轮廓及编号图，输出图像中包含单个磨肩图形个数，见图5，图6，本示例磨肩个数为58个—鼠标选取原图中标尺所示标记点位置[217 204]，[257 206]，将显示的标尺点坐标输入程序，输入标尺所示实际尺寸50微米—在图形编号窗口输入想要单独观察的图像标号18，点击单个处理—输入该图形编号对应磨肩轮廓形状及分形表征函数图，在结果显示中显示该图形编号、分形维数及实际尺寸—点击批量处理—顺序输出该图片所有58个图像的图形编号，对应分形维数及实际尺寸。处理结果见图7。
【主权项】
1.一种磨肩轮廓自动提取与分形识别系统，其特征是:提取与识别系统包括:高分辨率电子显微镜、存储器和电子计算机;高分辨率电子显微镜输出与存储器输入连接，存储器与电子计算机双向信息通讯连接;高分辨率电子显微镜，用于微纳米级磨肩形貌的拍摄;存储器，用于在系统中提供数据存储空间，用于将高分辨率电子显微镜拍摄的磨肩图片进行存储，也用于最后磨肩分形识别结果的存储；电子计算机进行图像处理，提供磨肩图像的算术/逻辑运算，用于磨肩图像的轮廓提取与分形识别，并将结果保存到存储器部件。2.根据权利要求1所述的一种磨肩轮廓自动提取与分形识别系统，其特征是:所述的电子计算机图像处理过程包括确定图像灰度阙值，图像二值化，图像去噪，边缘检测，轮廓提取与图形编号，轮廓坐标提取与储存;批量处理程序及单个磨肩轮廓及数据输出分析，满足单独磨肩形貌的提取，分形及尺寸计算，整体批量处理，满足各种数据处理的需要。3.权利要求1所述的一种磨肩轮廓自动提取与分形识别系统的应用方法，其特征是:提取与识别系统的应用方法:具体步骤为:(I)对大量磨肩进行高分辨率电子显微镜放大扫描，获取一批磨肩形貌的电子显微照片，并储存到存储器中；(2)将存储的磨肩电子显微照片输入电子计算机中，利用程序将每张图片中大量磨肩图像进行自动编号，分别提取轮廓坐标，并利用分形处理方法对单个磨肩进行分形识别；(3)输出含有图像信息的数据文件，包括该图中磨肩编号，磨肩分形维数及磨肩最长轴尺寸。4.根据权利要求3所述的一种磨肩轮廓自动提取与分形识别系统及应用方法，其特征是:计算机图像分形维数及尺寸的计算方法为: (1)对单个图像轮廓坐标进行读取； (2)以读取的第一个坐标为起点，两两计算各坐标点间距离，并将坐标间距从小到大进行排列，找出距离最大的两点坐标，确定最长轴距离及位置； (3)根据距离最大的两点坐标确定最长轴中点，定为图像中心O; (4)分别求出各轮廓坐标与中心O距离L，并将各距离从小到大排列； (5)分别取各轮廓坐标与中心O距离L和其排列顺序数值N的对数，所述的N=I，2，3，…，n，将它们一一对应列入直角坐标系中，可得到二者的对应关系曲线； (6)对该曲线进行最小二乘线性拟合，取模拟直线的斜率为α，则磨肩外形轮廓表征的分形维数可定义为D = α; (7)手动选取图中标尺所在位置，将位置坐标进行输入，根据输入的两个标尺位置坐标求出距离； (8)根据标尺所示实际尺寸及单个磨粒轮廓最长轴距离与标尺位置坐标距离的比值，求出磨肩图像实际尺寸； (9)将单个磨肩图像量化为分形维数及尺寸，为后一步磨损机理的分析奠定技术基础。
【文档编号】G06K9/46GK105894001SQ201610195966
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】王庆良, 崔文, 刘洪涛, 汪建, 刘栋梁, 李勇
【申请人】中国矿业大学