新型檢測(cè)技術(shù)與儀表

1、劉玉長劉玉長第九章 新型檢測(cè)技術(shù)與儀表第一節(jié) 虛擬儀器技術(shù)第二節(jié) 圖像檢測(cè)技術(shù) 第三節(jié) 軟測(cè)量技術(shù)劉玉長劉玉長第一節(jié) 虛擬儀器技術(shù)一、 概述虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)記為VI)是指在通用計(jì)算機(jī)上由用戶設(shè)計(jì)定義，利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以完成信號(hào)的采集、測(cè)量、運(yùn)算、分析、處理等功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。劉玉長劉玉長虛擬儀器特點(diǎn)v強(qiáng)調(diào)“軟件即儀器”的新概念。v功能由用戶定義，可方便設(shè)計(jì)、修改測(cè)試方案，構(gòu)成各種專用儀器。v可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備連接，可以將信號(hào)的分析、實(shí)現(xiàn)、存儲(chǔ)、打印和其他管理均由計(jì)算機(jī)完成。v系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^軟件修改、增減

2、，簡(jiǎn)單靈活。v價(jià)格低廉，可重復(fù)使用。v技術(shù)更新快，開發(fā)周期短。v采用軟件結(jié)構(gòu)、功能化模塊，節(jié)省硬件開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。v面向總線接口控制，用戶通過軟件工具組建各種智能檢測(cè)系統(tǒng)。劉玉長劉玉長二、虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器通常包括：計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三部分，其中計(jì)算機(jī)與儀器硬件又稱為虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)。 虛擬儀器基本框圖虛擬儀器基本框圖劉玉長劉玉長(一)虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)硬件平臺(tái)是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，它的主要功能是完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸和測(cè)量結(jié)果顯示。虛擬儀器的硬件平臺(tái)主要包括計(jì)算機(jī)和信號(hào)采集調(diào)理。計(jì)算機(jī)包括微處理器、存儲(chǔ)器和顯示器等，它主要用來提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理性能；信號(hào)采集調(diào)理

3、部分可以是GPIB儀器模塊、VXI儀器模塊、PXI儀器模塊或數(shù)據(jù)采集卡，主要用來采集、傳輸信號(hào)。常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)、通用接口(GPIB)儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)、PXI儀器系統(tǒng)以及它們之間的任意組合。劉玉長劉玉長1、PC-DAQ測(cè)量系統(tǒng)PC-DAQ測(cè)量系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)配以專用軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)，是構(gòu)成虛擬儀器的基本構(gòu)成方式。其中插入式數(shù)據(jù)采集板(卡)是虛擬儀器中常用的接口形式之一，其功能是將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)，或?qū)⒂?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸出給被控對(duì)象，用數(shù)據(jù)采集板(卡)配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集控制儀器系統(tǒng)。目前，插入式

4、數(shù)據(jù)采集板(卡)技術(shù)主要應(yīng)用于高采樣速率及直接控制方面。劉玉長劉玉長2、通用接口(GPIB)儀器控制系統(tǒng)通用接口GPIB(General purpose Interface Bus )是儀器系統(tǒng)互連總線規(guī)范，通用接口總線能夠把可編程儀器與計(jì)算機(jī)緊密的聯(lián)系起來，使電子測(cè)量由獨(dú)立的手工操作的單臺(tái)儀器向組成大規(guī)模智能檢測(cè)系統(tǒng)的方向邁進(jìn)。GPIB通用接口儀器系統(tǒng)通用接口儀器系統(tǒng)劉玉長劉玉長3、VXI總線儀器系統(tǒng)VXI(VEM Bus Extensions for Instrument)總線儀器系統(tǒng)是基于VXI總線平臺(tái)技術(shù)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，是結(jié)合GPIB儀器和數(shù)據(jù)采集板(DAQ)的最先進(jìn)技術(shù)發(fā)展起來的高速

5、、開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 具有互操作性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性高、體積小、重量輕、可移動(dòng)性好等特點(diǎn)。 一個(gè)基本的VXI儀器系統(tǒng)可以由三種不同的配置方案：GPIB控制方案 、嵌入式計(jì)算機(jī)控制方案和MXI總線控制方案 劉玉長劉玉長(1)GPIB控制方案：包括插于通用計(jì)算機(jī)的GPIB接口板、位于VXI零槽的GPIB-VXI/C模塊、連接兩者的GPIB電纜、VXI機(jī)箱以及若干VXI儀器模塊。 傳輸速率約為1Mb/s，如果使用HS488協(xié)議，可使GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到1.6Mb/s(ISA總線)和3.4Mb/s(EISA總線)，最高可達(dá)8Mb/s。其中零槽模塊起GPIB和VIX總線翻譯器作用。 優(yōu)點(diǎn)在

6、于可利用熟悉的GPIB技術(shù)，如同控制一臺(tái)儀器一樣來控制VXI儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)造價(jià)較低。缺點(diǎn)是由于GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VXI總線，形成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互瓶頸。 劉玉長劉玉長(2) 嵌入式計(jì)算機(jī)控制方案：該控制方案的組件包括一個(gè)VXI機(jī)箱、嵌入式計(jì)算機(jī)模塊、若干VXI儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺(tái)。 一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊除具有VXI系統(tǒng)控制功能外，還具有一臺(tái)通用PC機(jī)的全部功能。 在該方案中，所有的模塊均直接插在VXI機(jī)箱的背板總線上，能實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸(40Mbps左右)，且體積緊湊，是實(shí)現(xiàn)VXI自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的最佳方案。 但該方案的造價(jià)及升級(jí)費(fèi)用較高。劉玉長劉玉長(3)MXI總線

7、控制方案：該方案包括VXI接口板、位于VXI零槽的VXI-MXI模塊、連接兩者的電纜、VXI機(jī)箱、插于通用計(jì)算機(jī)的MXI接口板、VXI儀器模塊及VXI軟件開發(fā)平臺(tái)。 在提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面有很大優(yōu)勢(shì)。性價(jià)比較高，便于系統(tǒng)的擴(kuò)散擴(kuò)展和升級(jí)。 典型的典型的VXI總線系統(tǒng)配置?？偩€系統(tǒng)配置。劉玉長劉玉長4、PXI儀器總線系統(tǒng)PXI(PCI Extensions for Instrumentation)是一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，也是虛擬儀器的理想平臺(tái)。 VXI儀器系統(tǒng)和PXI儀器系統(tǒng)之間的主要差別源于它們各自的底層總線結(jié)構(gòu)不同。VXI基于VME總線，而PXI基于PCI

8、總線，PCI在臺(tái)式PC中廣泛應(yīng)用。使用PCI總線還能夠降低產(chǎn)品成本。 PXI儀器系統(tǒng)設(shè)備尺寸小，它能夠?yàn)楸銛y式、臺(tái)式(bench-top)與固定架式(rack-mount)裝置提供一個(gè)通用平臺(tái)。 由于基于PCI總線結(jié)構(gòu)，PXI儀器系統(tǒng)在性能和集成化上給使用者帶來更多好處，例如，PXI設(shè)備能被操作系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。 劉玉長劉玉長(二)虛擬儀器的軟件虛擬儀器的軟件可以分為多個(gè)層次，其中包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和軟面板程序。 儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)置特定參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常工作狀態(tài)； 應(yīng)用程序用來對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，用戶就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器的功

9、能；軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口，它可以在計(jì)算機(jī)屏幕上生成一個(gè)與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用來顯示測(cè)量結(jié)果等。 劉玉長劉玉長通常在編制虛擬儀器軟件時(shí)可以采用兩種編制方法。 一種是傳統(tǒng)的編程方法，采用高級(jí)語言，如C、C+等，另一種是采用可視化編程語言環(huán)境Visual C+、Visual Basic等。在虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺(tái)研究方面，LabVIEW是其中一種典型的圖形化軟件編程平臺(tái)。劉玉長劉玉長LabVIEW開發(fā)平臺(tái) vLabVIEW開發(fā)平臺(tái)是一種編譯性圖形化編程語言，它把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡(jiǎn)化成菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種功能(圖形)連接起來的簡(jiǎn)單

10、的圖形編程方式。vLabVIEW為編程、查錯(cuò)、調(diào)試提供了簡(jiǎn)單、方便、完整的環(huán)境和工具。所以，同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80%的開發(fā)時(shí)間，但其運(yùn)行速度幾乎不受影響。vLabVIEW除了編程方式與常規(guī)語言不同外，它具備常規(guī)語言的所有特性。由于LabVIEW采用的是圖形化編程方式，所以又稱為G語言。劉玉長劉玉長G語言vG語言是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù)和具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫的圖形化編程語言，是LabVIEW的核心 。 v定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜于任何高級(jí)語言。v豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫為用戶編程提供了

11、極大的方便。 v包括常用的程序調(diào)試工具，比如允許設(shè)置斷點(diǎn)、單步調(diào)試、數(shù)據(jù)探針和動(dòng)態(tài)顯示執(zhí)行程序流程等功能。 v它與傳統(tǒng)高級(jí)編程語言最大的區(qū)別在于編程方式：一般高級(jí)語言采用文本編程，而G語言采用圖形化編程方式。 劉玉長劉玉長LabVIEW可以完成的主要功能 v數(shù)據(jù)采集。 v數(shù)據(jù)分析。 v數(shù)據(jù)顯示。 v在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布信息。v使用Microsoft Office工具生成報(bào)告。 v交互式數(shù)據(jù)管理。劉玉長劉玉長第二節(jié) 圖像檢測(cè)技術(shù)一、 圖像檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成圖像檢測(cè)系統(tǒng)可以分為圖像獲取和圖像處理兩大部分。 為了采集數(shù)字圖像，需要兩種設(shè)備：一是對(duì)某個(gè)電磁能量頻譜段(如可見光、X射線、紫外線、紅外線等)敏感的物理

12、器件，二是數(shù)字化設(shè)備。此外，還要有計(jì)算機(jī) 、圖像顯示和輸出設(shè)備。 數(shù)字圖像檢測(cè)系統(tǒng)框圖數(shù)字圖像檢測(cè)系統(tǒng)框圖劉玉長劉玉長(一)光學(xué)成像設(shè)備將某個(gè)電磁能量頻譜段的信號(hào)轉(zhuǎn)化為與接收電磁能量成正比的電信號(hào)的硬件設(shè)備主要有：(1)電子管攝像機(jī)；(2)CCD攝像機(jī)；(3)CMOS攝像機(jī)。在遙感中常用的圖像獲取設(shè)備：(1)光學(xué)攝影：攝像機(jī)、多光譜像機(jī)等；(2)紅外攝影：紅外輻射計(jì)、紅外攝像儀、多通道紅外掃描儀等；(3)MSS：多光譜掃描儀；(4)微波：微波輻射計(jì)、側(cè)視雷達(dá)、真實(shí)空孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)。劉玉長劉玉長(二) 數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化設(shè)備是完成將光學(xué)成像設(shè)備得到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的電路

13、元器件。它可以集成在成像設(shè)備中，也可以獨(dú)立在成像設(shè)備之外。前者就是目前流行的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，后者即是各類圖像采集卡(Frame Grabber 或 Image Card)。劉玉長劉玉長1、圖像采集卡分標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡兩類: (1)標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡可采集的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)有：黑白視頻、復(fù)合視頻(Composite Video)、分量模擬視頻(Component Analog Video，CAV)和S-Video(Y/C Video)等。(2)非標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡可采集的非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)有：非標(biāo)準(zhǔn)RGB信號(hào)、線掃描信號(hào)和逐行掃描信號(hào)。 劉玉長劉玉長2、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和數(shù)字圖像信號(hào)采集卡數(shù)字式攝像機(jī)是

14、將數(shù)字化轉(zhuǎn)換功能集成在攝像機(jī)內(nèi)，直接輸出數(shù)字圖像信號(hào)。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)一般有：RS-422、RS-644和IEEE1394等數(shù)字輸出接口標(biāo)準(zhǔn)，可以輸出816位灰度或24位RGB數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)為了接收數(shù)字圖像信號(hào)，需要根據(jù)不同的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出接口規(guī)格來選用不同的數(shù)字圖像信號(hào)采集卡，有些采集卡采用DMA、多通道、多路信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)燃夹g(shù)，可以達(dá)到100M/s的數(shù)據(jù)傳輸率，可以進(jìn)行高分辨率圖像的實(shí)時(shí)采集。劉玉長劉玉長(三)圖像存儲(chǔ)設(shè)備圖像存儲(chǔ)設(shè)備用于暫時(shí)或永久存儲(chǔ)攝像系統(tǒng)獲取的數(shù)字圖像。可進(jìn)行數(shù)字圖像存儲(chǔ)的硬件有： (1) 圖像采集卡幀緩存。 (2) 計(jì)算機(jī)內(nèi)存。 (3) 硬盤、光盤、磁帶存儲(chǔ)

15、器。 (4) 閃存。劉玉長劉玉長(四)計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)用于對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行管理、分析和處理。這是圖像系統(tǒng)應(yīng)用的主要工作和核心。計(jì)算機(jī)可以是PC機(jī)、微處理器，也可以是工作站。在一些需要高速實(shí)時(shí)處理的圖像板上可裝有圖像處理器、圖像加速器、DSP等微處理器，另外還有一些專供圖像處理的計(jì)算機(jī)。劉玉長劉玉長(五)圖像顯示和輸出設(shè)備將數(shù)字圖像及其處理的中間過程和結(jié)果進(jìn)行顯示和輸出的設(shè)備主要有： (1)電視圖像監(jiān)視器。 (2)計(jì)算機(jī)顯示器。 (3)打印機(jī)和數(shù)碼沖印設(shè)備。 (4)膠片照相機(jī)。劉玉長劉玉長二、圖像的描述(一)連續(xù)圖像 設(shè)C(x,y,t, )代表像源的空間輻射能量分布，也稱圖像的光函數(shù)，其中(x,y

16、)為空間坐標(biāo)，t為時(shí)間，為波長。圖像的光函數(shù)是實(shí)數(shù)并且非負(fù)。實(shí)際成像系統(tǒng)中，圖像的亮度有最大值，因此設(shè)0C(x,y,t, )A式中A是圖像的最大亮度。另一方面，實(shí)際圖像對(duì)x,y和t都有限制:-Lxx Lx， -Lyy Ly， -Tt T劉玉長劉玉長 標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)者對(duì)圖像光函數(shù)的亮度響應(yīng)，通常用光場(chǎng)的瞬時(shí)光亮度計(jì)量，由下式定義：0d)(),(),(sVtyxCtyxY式中Vs ()代表相對(duì)光效函數(shù)，是人視覺的光譜響應(yīng)。對(duì)于紅、綠和藍(lán)光，瞬時(shí)光亮度可分別定義為000( , , )( , , , )( )d( , , )( , , , )( )d( , , )( , , , )( )dsssR x y

17、tC x y tRG x y tC x y tGB x y tC x y tB式中Rs () 、Gs ()和Bs ()所謂光譜三刺激值是匹配單位譜色光(波長為)時(shí)所要求的三刺激值。 劉玉長劉玉長 在多光譜成像系統(tǒng)中，常將所觀測(cè)到的像場(chǎng)模擬為圖像光函數(shù)在光譜上的加權(quán)積分，因此第i個(gè)光譜像場(chǎng)可以表示為:d)(),(),(iiStyxCtyxF式中Si()是第i個(gè)傳感器的光譜響應(yīng)。為了簡(jiǎn)單起見，選擇單一的圖像函數(shù)F(x,y,t)代表實(shí)際成像系統(tǒng)中的像場(chǎng)。另外，在許多成像系統(tǒng)中，圖像是不隨時(shí)間改變的，因而時(shí)變量可以從圖像函數(shù)中略去。那么圖像函數(shù)可以表示為F(x,y) ，本節(jié)也以這樣的函數(shù)作為主要研究對(duì)

18、象。 劉玉長劉玉長(二)數(shù)字圖像 數(shù)字圖像處理以連續(xù)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像陣列為基礎(chǔ)的。通過圖像的抽樣和量化，可以完成模擬圖像到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換。 在設(shè)計(jì)和分析圖像抽樣系統(tǒng)和重建系統(tǒng)時(shí)，一般認(rèn)為圖像是確定的，然而在某些情況下，將圖像處理系統(tǒng)的輸入，特別是噪聲的輸入，看成是二維隨機(jī)過程的樣本更有益。 劉玉長劉玉長1、確定性情況下的圖像抽樣 令 F I (x, y)代表一理想的無限大連續(xù)像場(chǎng)，在理想的抽樣系統(tǒng)中，理想圖像的空間樣本實(shí)際上是用空間抽樣函數(shù)S(x, y)與理想圖像相乘的結(jié)果。其中 12),(),(21jjyjyxjxyxS是由脈沖函數(shù)的無限陣列組成的。因而抽樣后的圖像可以表示為12PII12

19、12( , )( , ) ( , ) (,) (,)jjF x yF x y S x yF jx jyxjx yjy 劉玉長劉玉長 在實(shí)際系統(tǒng)中為了避免頻譜混疊現(xiàn)象，所作的圖像抽樣必須滿足采樣定理。就是抽樣周期必須等于或小于圖像中最小細(xì)節(jié)周期的一半，用公式表示為,22ysxsxcyc或等效于,xcycxy 式中 xc和 yc是圖像的截止頻率；xs和 ys為抽樣頻率。 劉玉長劉玉長 如果上式中等號(hào)成立，則稱圖像是以奈奎斯特(Nyquist)速率抽樣的。如果x，y小于奈奎斯特準(zhǔn)則的要求，則稱圖像是過抽樣的；反之，稱圖像是欠抽樣的。 如果對(duì)原圖像抽樣的空間速率足以避免抽樣圖像的頻譜交疊，那么采用適當(dāng)

20、的濾波器對(duì)樣本進(jìn)行空間濾波，便可以精確地重建原圖像。劉玉長劉玉長2、隨機(jī)性情況下的圖像抽樣 與確定性情況類似，在確定性圖像下對(duì)圖像直接采用二維傅立葉變換來進(jìn)行分析，而在隨機(jī)性情況下，不能對(duì)圖像直接采用傅立葉分析，必須對(duì)其相關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析。令F I(x,y)表示一種連續(xù)的二維平穩(wěn)隨機(jī)過程，并且已知平均值 FI和自相關(guān)函數(shù) I*FI11I22(,)(,)(,)xyRE F xy Fxy式中 1212,xyxxyy。劉玉長劉玉長用脈沖函數(shù)陣列對(duì)這一圖像進(jìn)行抽樣，得： 12PII12( , )( , ) ( , )( , )(,)jjF x yF x y S x yF x yx j x y j y 其

21、自相關(guān)函數(shù)為P*F1212P11P22*I11I221122( , ; , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , )R x x y yE F x y F x y E F x y F x yS x y S x y式中 11221212( , ) ( , )(,)( , )xyS x y S x yS xx yyS 。劉玉長劉玉長所以抽樣圖像的自相關(guān)函數(shù)為PIFF(,)(,) (,)xyxyxyRRS 對(duì)上式采用二維傅立葉變換可以得到抽樣隨機(jī)圖像的功率譜，并且設(shè)定理想像場(chǎng)的功率譜是帶寬限定的，即(xc,yc )是圖像的截止頻率；并且選擇空間抽樣周期:,xcycxy

22、 那么頻譜就不會(huì)交疊。采用合適的內(nèi)插函數(shù)就可以使重建像場(chǎng)和理想像場(chǎng)在均方意義上等效。劉玉長劉玉長三、圖像處理技術(shù)圖像處理主要指數(shù)字圖像處理，又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理的過程。 數(shù)字圖像處理主要研究的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強(qiáng)和復(fù)原、圖像分割、圖像描述和圖像識(shí)別等。 劉玉長劉玉長v圖像變換就是將信號(hào)變換到其它域(多為頻率域)進(jìn)行分析。這種變換一般是線性變換，其基本線性運(yùn)算式嚴(yán)格可逆，并且滿足一定的正交條件。v圖像編碼壓縮 圖像數(shù)字化的關(guān)鍵就是編碼。圖像壓縮的目的可以節(jié)省圖像存儲(chǔ)空間，也可以減少傳輸信道容量，還可以縮短

23、圖像處理時(shí)間，它與圖像編碼密切相關(guān)。圖像編碼主要是研究壓縮數(shù)碼率，即高效編碼問題。 劉玉長劉玉長v圖像增強(qiáng)是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)，消弱或去除某些不需要的信息處理方法。其主要目的是使處理后的圖像對(duì)某種特定的應(yīng)用來說，比原始圖像更適用。 v圖像復(fù)原的主要目的是改善給定的圖像質(zhì)量，對(duì)給定的一幅退化了的或者受到噪聲污染了的圖像，利用退化現(xiàn)象的某種先驗(yàn)知識(shí)來重建或恢復(fù)原有圖像。 劉玉長劉玉長v圖像分割是按照一定的規(guī)則將一幅圖像或景物分成若干部分或子集的過程。目的是將一幅圖像中的各成分分離成若干與景物中的實(shí)際物體相對(duì)應(yīng)的子集?；靖拍钍菍D像中有意義的特征或者需要應(yīng)用的特征提取出來

24、。v從分割依據(jù)的角度出發(fā)，圖像分割大致可分為相似性分割和非連續(xù)性分割。從圖像分割算法來分，可分為閾值法、界線探測(cè)法、匹配法等。 劉玉長劉玉長v圖像描述 就是用一組數(shù)量或符號(hào)來表征圖像中被描述物體的某些特征，可以是對(duì)圖像中各組成部分的性質(zhì)的描述，也可以是各部分彼此間的關(guān)系的描述。v圖像識(shí)別 圖像經(jīng)過增強(qiáng)、復(fù)原等預(yù)處理后，再經(jīng)過分割和描述提取圖像特征，加以判決分類，這種分類可以認(rèn)為是圖像的識(shí)別，它屬于模式識(shí)別的范疇。一個(gè)圖像識(shí)別系統(tǒng)一般包括圖像信息獲取、圖像加工處理和提取特征、圖像分類和識(shí)別三個(gè)主要部分。劉玉長劉玉長第三節(jié) 軟測(cè)量技術(shù)一、 軟測(cè)量技術(shù)概述軟測(cè)量(Soft Sensing)技術(shù)的基本

25、原理為：利用較易測(cè)量的輔助變量(或稱為二次變量，Secondary Variable)，依據(jù)這些輔助變量與難以直接測(cè)量的待測(cè)變量(稱為主導(dǎo)變量，Primary Variable)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(稱為軟測(cè)量模型)，通過各種數(shù)學(xué)計(jì)算和估計(jì)方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)主導(dǎo)變量的測(cè)量。軟測(cè)量通常是在成熟的硬件傳感器基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，通過軟測(cè)量模型運(yùn)算處理而完成的。 劉玉長劉玉長v以軟測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量功能的實(shí)體稱為軟儀表(Soft Sensor)。 v軟儀表以目前可有效獲取的測(cè)量信息為基礎(chǔ)，其核心是以實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量為目的的各種計(jì)算機(jī)軟件，可方便地根據(jù)被測(cè)對(duì)象特性的變化進(jìn)行修正和改進(jìn)，因此軟儀表易于實(shí)現(xiàn)

26、，且在通用性、靈活性和成本等方面具有優(yōu)勢(shì)。劉玉長劉玉長軟測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重要意義(1)能測(cè)量目前無法或難以檢測(cè)而又十分重要的過程參數(shù)；(2)能綜合運(yùn)用多個(gè)可測(cè)信息對(duì)被測(cè)對(duì)象做出狀態(tài)估計(jì)、診斷和趨勢(shì)分析，以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)被測(cè)對(duì)象特性日益提高的測(cè)量要求；(3)能在線獲得被測(cè)對(duì)象微觀的二維/三維時(shí)空分布信息，以滿足復(fù)雜工業(yè)過程中場(chǎng)參數(shù)測(cè)量的需要；(4)能對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償處理和故障診斷，從而提高測(cè)量精度和可靠性；(5)能為測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)性能改善提供有效手段；(6)能為一些由于測(cè)量障礙，目前停留在理論探討而不能工業(yè)實(shí)用化的控制策略和方法，提供有效的解決途徑。 劉玉長劉玉長二、軟儀表的設(shè)計(jì)

27、方法設(shè)計(jì)軟儀表一般主要包括4個(gè)方面：(1)輔助變量的選擇；(2)測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理；(3)軟測(cè)量模型的建立；(4)軟儀表的自校正。 其中軟測(cè)量模型的建立是核心步驟。 劉玉長劉玉長(一)輔助變量的選擇輔助變量的選擇由被測(cè)對(duì)象特性和待測(cè)變量特點(diǎn)決定，同時(shí)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性以及維護(hù)性等因素，通常包括變量的類型、數(shù)目和測(cè)點(diǎn)位置等三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面：1、變量類型的選擇 輔助變量類型的選擇范圍是對(duì)象的可測(cè)變量集，軟測(cè)量實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)選用與主導(dǎo)變量靜態(tài)/動(dòng)態(tài)特性相近且有密切關(guān)聯(lián)的可測(cè)參數(shù)。劉玉長劉玉長 2、變量數(shù)目的選擇 輔助變量數(shù)目的下限值為被估計(jì)主導(dǎo)變量的個(gè)數(shù)，上限為系統(tǒng)所能可靠在線獲取的變量總

28、數(shù),但直接使用過多輔助變量會(huì)出現(xiàn)過參數(shù)化問題，其最佳數(shù)目的選擇與過程的自由度、測(cè)量噪聲以及模型的不確定性等有關(guān)。一般建議從系統(tǒng)的自由度出發(fā)，先確定輔助變量的最小個(gè)數(shù)，再結(jié)合實(shí)際對(duì)象的特點(diǎn)適當(dāng)增加，以便更好處理動(dòng)態(tài)特性等問題。至于輔助變量的最優(yōu)數(shù)量問題，目前尚無統(tǒng)一結(jié)論。 劉玉長劉玉長3、測(cè)點(diǎn)位置的選擇 檢測(cè)點(diǎn)的選擇可以采用奇異值分解的方法確定，也可以采用工業(yè)控制仿真軟件確定，這些確定的檢測(cè)點(diǎn)還需要在實(shí)際應(yīng)用中加以調(diào)整。一般情況下，輔助變量的數(shù)目和位置常常是同時(shí)確定的，變量數(shù)目的選擇準(zhǔn)則也往往應(yīng)用于檢測(cè)點(diǎn)位置的選擇。劉玉長劉玉長輔助變量的選擇原則(1)適用性，工程上易于在線獲取并有一定的測(cè)量精度

29、；(2)靈敏性，對(duì)對(duì)象輸出或不可測(cè)擾動(dòng)能做出快速反應(yīng)；(3)特異性，對(duì)對(duì)象輸出或不可測(cè)擾動(dòng)之外的干擾不敏感；(4)準(zhǔn)確性，構(gòu)成的軟儀表應(yīng)能夠滿足準(zhǔn)確度要求；(5)魯棒性，對(duì)模型誤差不敏感。劉玉長劉玉長(二) 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理是軟測(cè)量實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面，因?yàn)檐泝x表的性能在很大程度上依賴于所獲測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。測(cè)量數(shù)據(jù)的處理一般包括誤差處理和數(shù)據(jù)變換兩部分。 (1) 誤差處理：測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差按照出現(xiàn)規(guī)律分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差三大類，可采用相應(yīng)方法處理； (2) 數(shù)據(jù)變換：測(cè)量數(shù)據(jù)的變換包括標(biāo)度變換、轉(zhuǎn)換和權(quán)函數(shù)三個(gè)方面。劉玉長劉玉長(三) 軟測(cè)量模型的分類軟測(cè)量模型

30、是表征輔助變量和主導(dǎo)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是軟儀表的核心。構(gòu)造軟儀表的本質(zhì)就是如何建立軟測(cè)量模型，即一個(gè)數(shù)學(xué)建模問題。軟測(cè)量模型的分類一般都是依據(jù)軟測(cè)量的建模方法進(jìn)行的。軟測(cè)量的建模方法多種多樣，且各種方法互有交叉和融合。 在檢測(cè)和控制中常用的建模方法有：工藝機(jī)理分析、回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、系統(tǒng)識(shí)別、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、過程層析成像、相關(guān)分析和現(xiàn)代非線性信息處理技術(shù)等。 劉玉長劉玉長(四) 軟測(cè)量模型的校正與維護(hù)為實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量模型在長時(shí)間運(yùn)行過程中的自動(dòng)更新和校正，大多數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)均設(shè)置有軟測(cè)量模型評(píng)價(jià)軟件模塊。該模塊先根據(jù)實(shí)際情況做出是否需要模型校正和進(jìn)行何種校正的判斷，然后再自動(dòng)

31、調(diào)用模型校正軟件對(duì)軟測(cè)量模型進(jìn)行校正。軟測(cè)量模型的校正主要包括軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模型參數(shù)修正兩方面。大多數(shù)情況下，一般僅修正軟測(cè)量模型的參數(shù)。若系統(tǒng)特性變化較大，則需對(duì)軟測(cè)量模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正優(yōu)化，較為復(fù)雜，需要大量的樣本數(shù)據(jù)和較長的時(shí)間。劉玉長劉玉長三、軟測(cè)量的建模方法軟測(cè)量模型是通過輔助變量來獲得對(duì)主導(dǎo)變量的最佳估計(jì)的數(shù)學(xué)模型。軟測(cè)量建模本質(zhì)上是要完成由輔助變量構(gòu)成的可測(cè)信息集(各輔助變量)到主導(dǎo)變量估計(jì) 的映射，即用數(shù)學(xué)公式表示為： y)(fy 在檢測(cè)和控制中常用的建模方法有：工藝機(jī)理分析方法、回歸分析方法、狀態(tài)估計(jì)方法、系統(tǒng)辨識(shí)方法、模式識(shí)別方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊數(shù)學(xué)方法、過程

32、層析成像方法、相關(guān)分析方法和現(xiàn)代非線性信息處理方法。 劉玉長劉玉長(一) 工藝機(jī)理分析方法 該方法是建立在對(duì)過程工藝機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、物料平衡、能量平衡等原理通過對(duì)過程對(duì)象的機(jī)理分析，找出不可測(cè)主導(dǎo)變量與可測(cè)輔助變量之間的關(guān)系建立模型。 該方法具有簡(jiǎn)單可靠、工程背景清晰和便于實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，在工程中常被使用；但是，由于它建立在對(duì)工藝過程機(jī)理深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用效果依賴于對(duì)工藝機(jī)理的了解程度，建模的難度較大。劉玉長劉玉長(二) 回歸分析方法回歸分析分為線性回歸分析和非線性回歸分析兩大類。其中基于最小二乘原理的一元和多元線性回歸技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，發(fā)展成熟，是工程中最常用的方法之一。 對(duì)于輔助變量較少的情況，利用多元線性回歸中的逐步回歸技術(shù)可以得到較理想的軟測(cè)量模型；對(duì)于輔助變量較多的情況，通常要借助機(jī)理方法得到變量組合的基本假定，然后再采用逐步回歸的方法排除不重要的變量組合，得到軟測(cè)量模型參數(shù)。 該方法的缺點(diǎn)是需要大量的樣本，對(duì)測(cè)量誤差較為敏感。劉玉長劉玉長(三) 狀態(tài)估計(jì)方法 對(duì)于已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，且主導(dǎo)變量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量