准技术标准（共11篇）
准技术标准 篇1
0 引 言
图像配准是指通过寻找某种空间变换,使来自不同时间、不同传感器或不同视角的同一场景的两幅或多幅图像的对应点达到空间位置上的一致。由于获取时间、角度的不同、环境的变化、传感器的差异等,拍摄的图像容易产生噪声干扰、几何畸变和灰度失真。因此,图像配准算法的精确性、快速性、鲁棒性是目前研究的重点和难点。
医学图像配准技术已经应用于许多领域,如融合来自于不同采集设备的图像之前,先要对图像进行配准;通过比较手术前后的图像,验证治疗的效果;对齐时间扫描序列图像,监控肿瘤生长的情况[1],其他应用还有运动目标识别和跟踪等。
近几十年来,医学图像配准技术的研究取得了显著进展,各种图像配准算法相继涌现,从二维领域到三维领域,从单模态图像到多模态图像,从基于外部特征到基于内部特征,从刚体配准到非刚体配准,研究领域不断扩大。分析了医学图像配准的四个关键要素,并着重从变换模型、相似性度量两个方面探讨了医学图像配准技术的发展。
1 医学图像配准要素
医学图像配准算法由特征空间、变换模型、相似性度量、变换参数的搜索策略四个要素组合而成[2]。
(1) 特征空间。
特征空间是由待配准图像的特征构成的,选择好的特征可以提高配准性能,节约参数搜索时间,增加算法鲁棒性。特征空间一般可分为:特征点,即选取一些几何上或解剖上有意义且容易定位的点组成特征空间;特征曲线/曲面,即提取感兴趣区域的轮廓曲线/曲面作为特征空间;基于像素/体素,即用整幅图像的所有像素/体素共同组成特征空间。前两种方法的信息量较少,因此参数优化相对比较快,但精确度不高。最后一种方法利用图像的所有信息,因此计算量较大,但同时精确度较高。
(2) 变换模型。
变换分为线性变换和非线性变换。线性变换又包括刚体变换、相似变换、仿射变换和投影变换;非线性变换使用较多的是多项式函数。
(3) 相似性度量。
相似性度量是配准标准,通常定义为某种代价函数的形式,用来在给定的特征空间和变换模型下得到最优变换参数。主要分为两类,第一类是建立具体的几何特征相关,使用相关性估计变换参数;第二类是通过优化能量函数来得到最优变换参数。
(4) 变换参数的搜索策略。
图像配准是一个迭代过程,运算量较大,需采用一定的优化措施使相似性度量更快、更好地达到最优值。常见的优化算法有:穷尽搜索法、Powell算法、单纯形法、Levenberg-Marquadrt法、Newton-Raphson迭代法、随机搜索法、最速梯度下降法、遗传算法、模拟退火法等。在实际应用中,经常使用附加的多分辨率和多尺度方法加速收敛,降低需要求解的变换参数数目,避免局部极值。
2 医学图像配准技术的发展
医学图像配准是图像融合的前提和关键,是公认难度较大的图像处理技术,其研究日益受到医学界和工程界的重视。目前,医学图像配准算法的发展主要表现在四个方面,即上述图像配准四个关键要素的选择。在此着重从其中两个方面入手,以研究医学图像配准算法的发展状况。
2.1 变换模型
变换包括全局变换和局部变换,可以是线性或者非线性的。全局变换应用于整幅图像,有刚体变换、相似变换、仿射变换和投影变换。全局变换模型比较简单,但是精度有限。对于形变图像的配准,要求更多的自由度来描述不同的形变,以达到足够的精确度。因此,一般先进行粗略的全局配准,在此基础上再进行精细的局部形变配准,并通过图像金字塔和小波变换[3,4]等多分辨率的方法实现从粗糙到精细的层次配准,提高参数优化速度和增加算法鲁棒性。
局部变换包括:光流模型(Optical Flow)、薄板样条(Thin Plate Splines,TPS)[5]、射线基函数(Radial Basis Functions,RBS)、有限元(Finite Element,FEM)[6,7,8]、空间形变技术如自由形变(Free Form Deformations,FFD)[9,10,11,12,13]等。光流经常用于局部形变的建模,它不保证拓扑不变,而且不一定产生一到一的相关性。TPS和RBS是另外两种普遍的非刚体变换技术,但是它们都要求找到两组明确的相关标记点,因此自动寻找对应的标记点是主要问题,而且标记点的准确性会影响配准的精确度。FEM和FFD是目前图像局部形变建模研究的两种热点技术。
2.1.1 FEM技术
FEM的基本思想是将连续的求解区域离散化,使之成为一组有限数目,且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合,而且单元本身又可以有不同形状,因此可以精确地进行几何形状复杂区域的建模。文献[6]使用FEM生物力学模型对手术中三维脑部MRI(Nuclear Magnetic Resonance Imaging)图像进行配准。文献[7]在图像已进行全局刚体配准的基础上,使用线性弹性FEM模型进行更精细的局部配准,并在一个基于增量(Incremental)算法的框架内实现,解决图像的几何非线性形变失真问题。文献[8]将非刚体配准算法应用于图像引导手术中,依赖于生物力学FEM模型,使用一个不可压缩的线性弹性构成方程来刻画脑部软组织的机械行为。这里还提出下一步工作,即考虑引入更复杂的先验机械知识来弥补线性弹性模型的局限性。
2.1.2 FFD技术
在图像局部形变模型中, FFD技术因其局部形变的建模能力,不受限制的自由度以及高计算效率而成为研究热点之一。FFD能够隐含地加强平滑约束,对噪声鲁棒,并能通过多分辨率的方法从大到小地进行非刚体形变的建模,其恢复的形变域平滑、连续,保持形状拓扑不变,并且保证了一到一的映射。文献[9]首先在全局配准中使用仿射变换,然后利用基于B样条的FFD模型描述局部形变,并用实验证明其算法对形变域的恢复优于刚体或仿射配准。文献[10]将FFD与多分辨率技术相结合,采用基于多分辨率网格的FFD方法,实现从粗糙到精细的层次配准,从而提高变换参数搜索的优化速度,增加算法的鲁棒性。文献[11]讨论了层次化的B样条在图像配准中的应用,将其分别与FFD、非线性ICP(Iterative Closest Point)、光流三种算法结合,并对配准结果进行比较,证明了后两种方法的局限性。基于层次化B样条的FFD以其从全局到局部的影响、从粗糙到精细的匹配以及高计算效率,已成为图像配准的一个很好的选择。通过对比,进一步验证了FFD技术的优越性。文献[12]在空-时心脏MRI图像序列配准中使用FFD分别描述心脏的三维空间和一维时间上的局部形变,形成空-时形变变换模型,较好地改进了图像序列的空-时配准方法。文献[13]将IFFD(Incremental FFD)模型应用于形状配准中,并在均方误差 (Mean of Squared Differences,MSD)度量中引入特征点约束,在特征点及其精确相关性已知的情况下,可以大大提高配准精度。文献[14]提出一种新的多方法和多数据融合图像配准的算法,通过从全局到局部的变换,实现了精确的非刚体图像配准。全局配准结合了隐含形状表示和互信息度量的优点,使用仿射变换实现了全局配准;局部配准选择基于B样条的多分辨率网格FFD模型,并引入边缘和图像数据融合技术,以充分利用边缘信息,得到平滑、连续且保证一到一映射的形变域。
2.2 相似性度量
经典的相似性度量包括相关函数(Correlation Functions)、均方误差(Mean of Squared Differences,MSD)等。近年来,使用互信息(Mutual Information,MI)作为图像配准的相似性度量,已成为一种广泛使用的较好的方法,尤其在多模图像配准中已成为主导技术。
互信息是信息论中的一个概念,是两个随机变量统计相关性的测度。当两幅基于共同场景的图像达到最佳配准时,它们对应的像素灰度互信息应达到最大。由于该测度不需要对不同成像模式下图像灰度间的关系做任何假设,也不需要对图像进行分割或任何预处理,所以被广泛用于多模图像配准中,特别是当其中一幅图像的数据部分缺损时也能得到较好的配准效果。
文献[15]是最早提出在图像配准中使用互信息技术的文章之一。该文将互信息度量分别应用于MRI图像配准、三维目标模型与实际场景的匹配,通过梯度下降优化方法实现最大化互信息,从而得到配准的图像。文献[16,17]尝试在互信息配准的各个步骤中结合不同的方法,使用Parzen窗计算联合概率密度,通过Marquardt-Levenberg方法[16]或者Jeeves方法[17]最大化互信息。文献[18]联合分层搜索策略和模拟退火算法寻找互信息最大值,而文献[19]通过Brent′s方法和Powell′s多解析方向集方法优化互信息来配准脑部多模图像。文献[20]对互信息配准和其他6种相似性度量配准方法做了比较,包括归一化互相关系数和梯度相关性等,证明了互信息度量在图像配准中的优越性。上面提到的互信息配准方法都是基于整幅图像数据进行相似性度量的。文献[21]将互信息度量应用于提取的特征(区域边界点)上,但这种方法还比较少,其精确度受到所提取特征的准确性的影响。
基于互信息度量的图像配准中存在的问题,主要表现为配准的鲁棒性问题,即在搜索最优变换参数的过程中存在着大量局部最大值的干扰,使得配准过程容易陷入到局部最大值而导致图像误配。针对这个问题,许多文献提出了各种互信息度量的改进形式,例如将边缘相关微分[22]、模糊梯度相似性[23]等几何信息加入到互信息度量的准则中。
3 结 语
医学图像配准是图像处理和计算机视觉中一个重要的研究领域,也是一项比较复杂和困难的课题,其关键要素包括:特征空间、变换模型、相似性度量、变换参数搜索策略的选择等。这里从变换模型、相似性度量两个方面探讨了近年来医学图像配准技术的发展。医学图像配准算法的研究已经取得了很大的进展,各种新算法相继涌现。但是现有算法在某些方面都有不尽人意的缺陷,各有其局限性。医学图像配准技术的研究中还存在许多需要解决的问题,例如形变图像配准的结果精确度与算法复杂性的矛盾,三维图像配准的大数据量问题、彩色图像的配准等。
摘要：医学图像配准是图像处理和计算机视觉中一个很重要的研究领域。首先分析医学图像配准的四个关键要素,然后着重从变换模型、相似性度量两个方面探讨了医学图像配准技术的发展,最后提出医学图像配准中有待进一步研究的问题。
关键词：医学图像配准,有限元,自由形变,互信息
准技术标准 篇2
图像配准技术性能评估及实现概况
图像配准是解决图像融合、图像镶嵌和变化检测等问题的必要前提,其应用遍及军事、遥感、医学和计算机视觉等多个领域.首先概括了图像配准技术的研究内容,然后全面论述了配准技术的.性能评估及其系统实现问题,最后指出了该领域存在的主要问题,并展望了进一步的发展方向.
作 者：刘松涛 杨绍清 LIU Song-tao YANG Shao-qing 作者单位：海军大连舰艇学院信息与通信工程系,辽宁大连,116018刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：14(3)分类号：V243 TN911.73关键词：图像配准 性能评估 系统设计
号准技术性贸易壁垒的脉 篇3
2004年提交TBT通报的WTO成员共有53个，仅占全部WTO成员的36%。通报数量居前10位成员的通报占全部通报的49%（见下表），说明TBT协定透明度的执行情况在WTO各成员中有一定差异，但这种差异并非体现在发达程度上。在53个成员中，赞比亚、肯尼亚、中非共和国、德国、和牙买加都是在今年第一次提交TBT通报，一些发展中国家成员正在积极在开始履行成员的义务。
通报中居前三位的产品类别与我国产品出口受阻程度最严重的产品类别基本吻合
由于TBT协定所涵盖的产品范围包括所有的工业产品和农业产品，所以TBT通报所涉及的产品范围也极其广泛。对一年来的TBT通报进行初步归类，主要类别的产品通报数量如下表：
食品是WTO各成员严格管理的产品，涉及食品的技术法规的制修订也是各WTO成员的重点工作。历年来食品类产品的通报的数量一直居于各类产品通报之首，2004年食品类通报共94项，补遗等13项，共计107项。这一类通报多为对具体产品制定的技术标准和要求，如酒精饮料、咖啡牛奶、发酵牛奶、草药茶、蜂蜜、植物油、瓶装饮用水等。特别值得指出的是，食品标签和包装的要求在这类通报中占有一定比例，虽然不是直接规定产品本身的质量要求，但如果不符合包装或标签的要求，一样被认为是不合格产品，不能进入其市场。近年来，食品标签已越来越成为技术性贸易措施的一种常用手段，相关企业应给予足够的重视。
轻工产品的通报中包含的产品种类非常多，但通报中涉及到的比较集中的产品有纺织服装、汽车轮胎、玩具和婴儿用品、打火机等。例如就玩具和婴儿用品而言，加拿大修订了关于婴儿床和摇篮的法规，以色列修订了儿童车安全要求和测试方法的标准，智利规定了在玩具和儿童用品中禁止使用的化学物质等。轻工产品大多数技术含量并不很高，但往往会由于在设计上考虑不够周全，或在制造阶段使用了对人体有害的化学物质或不恰当的材料，使得产品在使用中存在潜在的危险。在发达国家成员中，这类技术法规已比较完善，近年来的通报多为修订已有的法规，补充新的内容，而发展中国家的成员近年正加紧制定针对特定产品的具体要求，以达到保护人类健康安全的要求。
在机电产品的通报中，涉及的电气产品多于机械产品，在电气产品中以无线电通讯产品、家用电器产品和电工器件的为主。
据统计，在我国出口产品因技术性贸易壁垒而受到的损失中，食品土畜产品损失最为严重，其次是轻工产品，机电类产品的损失列第三位。通报中居前三位的产品类别与我国产品出口受阻程度最严重的产品类别基本吻合，这说明WTO各成员目前管理严格的产品仍然是制修订技术法规的热点问题。对出口企业而言，不但应了解出口目的国现行的产品要求，仍需密切关注法规的制修订的动向。
综合性法规出台：涉及多个行业和产品，影响深远
2004年1月21日欧盟发出的第52号通报，内容是关于化学品注册、评估、许可和限制(REACH)的法规议案。这一文件的是一部典型的综合性法规，它的出台将取代现行的40余部欧盟法规和指令，是欧盟对化学品管理的全新制度。实施这一制度后，估计约有3 万种化学物质需注册，约5000种化学物质需要进行评估，约1400种化学物质需要进入许可程序。这一制度不仅针对每一种化学物质，而是针对每种化学物质的生产商和进口商，以及每一种物质的每一种用途，且涉及到的不仅只是化学物质的生产商和进口商，而且包括这些化学物质的下游用户。
虽然这部法规只是一部规范欧盟内部各成员国化学品管理的法规，但是在全球经济一体化的进程中，这部法规的出台，将直接影响世界各国对欧盟的经济贸易和投资，一旦实施，将目前打破国际化学品贸易相对稳定的局面，引发化学品贸易市场的大转移。按照通报中所述，这一制度的批准时间不早于2005年底，并将于2006年生效。
我国在6月21日向欧盟正式提交了对REACH的评议意见，欧盟于10月28日正式回复了包括我国在内的11个WTO成员的评议意见的综合答复。
多国出台针对同一产品相关问题的法规
中国是世界上最大的打火机出口国，出口世界100多个国家和地区。2002年欧盟的打火机CR法规在我国曾一度闹得沸沸扬扬，在我国政府和业界的努力下，通过与欧盟交涉，取得了一定的成果。但从2004年来看，打火机行业前景并不乐观，一年中6个WTO成员专门就打火机制定了新的技术法规或对原有的法规进行了修订。
打火机作为日用品它所具有的危险是显而易见的，各成员政府出于对安全的考虑制定关设计、生产、运输和销售方面的规定也是符合TBT协定原则的。1993年美国开始出台CR法规，随后两年加拿大、澳大利亚、新西兰等国相继参照制定了自己的相关规定，在2004年的打火机通报中只有台澎金马单独关税区和哥伦比亚拟出台的法规中有CR的内容。在上述通报的法规中更多的是对打火机引入了检测和认证要求。这一动向值得引起打火机生产厂家的注意。
能效问题也是近年来的热点问题，来自国际能源机构的资料表明，截至2000年，世界上已有37个国家实施了能效标识制度。通过认真、有效地执行能效标识方案，各国政府已经成功地减缓了家用电器、办公设备在消耗电能和天然气方面的增长势头，同时也减少了二氧化碳等有害气体的排放。而且能效标识在鼓励技术开发、市场竞争、高效产品的销售以及市场转换等方面也非常有效。据统计，世界各国因实施能效标识计划每年带来的节能价值达8亿美元。值得注意的是，国际上大多数的能源效率标识制度是由政府节直接组织并且强制实施的。从下表的通报中也可以看出，7个WTO成员在2004年发布了有关能效的管理性法规或具体产品的能效分级的规定。我们欣喜地看到，我国上一年在能效管理上迈了一大步，发布了能效标识管理办法，并相继制定了6种产品的能效限定值和分级的国家强制性标准。其他成员也在不断在扩充进行能效管理的产品范围。
区域性技术法规的出台使各国的政策趋于一致
欧盟作为一个区域组织，在立法上有其完整的体系，欧盟各成员各自的立法必须与欧盟的法律高度一致。欧盟的法规各成员必须执行，指令则必须在规定的时间内转化为成员国的法律。欧盟作为WTO的一个成员其TBT的通报量在2004年位居第6，但欧盟成员，特别是欧盟的老成员通报量都不多。一些欧盟的新成员，如捷克等，从前两年的TBT通报中可以看出，他们早已开始为加入欧盟做准备，将欧盟法律转化为本国法规。此外澳大利亚和新西兰在立法上也有一致性。
多年来拉美地区开展了多种以贸易自由化为主要内容的一体化活动，而制定统一的中美洲技术法规，将有助于这一进程的发展。在上一年最后一个月，尼加拉瓜、洪都拉斯、哥斯达黎加、危地马拉分别通报了他们将中美洲技术法规转化为本国法律的TBT通报，内容包括人用药品标签、人用药品的稳定剂、沥青规范、便携式液化石油气罐运载工具安全要求、优质汽油规范、汽油或柴油发动机润滑油规范等。
这种趋势与TBT协定的原则是相吻合的。TBT协定鼓励各成员积极采用国际标准，并积极考虑将其他成员的技术法规作为等效法规加以接受，即使这些法规不同于自己的法规，只要它们确信这些法规足以实现与自己的法规相同的目标。出口企业应积极了解这样的区域性技术法规。
近年来TBT通报的数量每年基本保持在700项左右，这些通报在很大程度反应了WTO成员制定技术性措施的动向。按照WTO/TBT委员会推荐的通报文件的评议期和从批准到发布之间的适应期推算，从通报发布到法规实施之间，至少应有8-9个月的时间。在这个时间段中，一方面我们应利用评议期，充分享受成员的权利，对通报的法规进行评议，最大可能地减少拟议法规中不合理的内容，另一方面应利用批准到发布之间的适应期，尽可能地调整生产，以适应新的法规，使这些技术性措施对我国出口的影响减到最小。
航空影像自动配准技术浅析 篇4
从航空影像图像配准的概念出发来分析问题的话, 航空影像图像配准实际上是指如何将两幅待配准影像进行整合, 整合到同一个坐标空间的过程。在这个过程中, 我们需要实现的就是两幅航空影像待配准影像相对位置的正确解释。这个正确解释的过程需要通过数学模型来进行表达, 这种数学模型实际上表达的是一种图像映射关系。
从目前的应用和研究上看, 最常用的坐标变换模型主要包含了以下几种。
1.1 投影变换
所谓投影变换, 是指假设一幅航空影像图像上的直线经过某种变换后, 映射到另一幅航空影像图像上的结果还保持直线的时候, 但是打破了原来的相对平行关系, 那么这种变换就可以称之为投影变换。从应用上看, 航空影像投影变换主要应用于景物平面相对于相平面有一定倾斜的情况。
1.2 仿射变换
所谓仿射变换, 是指假设一幅航空影像图像上的直线经过某种变换后, 映射到另一幅航空影像图像上的结果还保持直线的时候, 但是没有打破原来的相对平行关系, 那么这种变换就可以称之为仿射变换。从应用上看, 仿射变换还可以分成两种, 分别是线性 (矩阵) 变换和平移变换。
1.3 非线性变换
所谓非线性变换通常也可以称之为弯曲变换。它实际上是指一幅航空影像图像上的直线映射到另一幅航空影像图像上的结果并不是直线, 而是曲线的情况。因此, 非线性变换可以应用来解决全局形变的图像配准问题, 同时对于整体近似刚体但局部有形变的配准情况也可以适用。
1.4 刚性交换
所谓刚性交换, 是指在变换的过程中一幅航空影像图像中的两点间的距离经刚性变换变换后, 在另外航空影像图像中所呈现出来的结果与之前的图像没有发生相对位置上的变化。从应用上看, 刚性交换可以分解成为三种, 分别是平移、旋转和反转 (镜像) 变换。
2 仿射变换参数的最小二乘解
运用仿射变换模型可以建立两幅航空影像待配准图像之间的关系, 从而实现了对两图像的配准。但在整个过程中, 还需清楚两幅航空影像图像之间的仿射变换的相关参数。这些相关参数可以通过方程的模式来解决, 根据以往的研究结果, 需要确定的变换参数有四个。而参数的最小二乘解就是使一个点集中的点经过仿射变换后的坐标与另一个点集中对应的点的坐标的欧氏距离的平方和最小的变换参数, 利用该原理可以很好的解决上述问题。
3 航空影像图像重采样
通过以上两个过程, 可以得出航空影像自动配准仿射变换参数, 根据所得参数可以将一幅图像的坐标转换到另一幅图像的坐标中去, 然而待配准航空影像图像中任意像素点的坐标经过坐标变换之后, 通常会出现这样的情况:变换后的坐标点不是刚好由原图像的某个网格点变换而来此时像素点的灰度值就需要根据原图像相应坐标点周围像素的灰度值按照一定的权函数内插得到, 这种内插技术被称为图像重采样。
目前常用的插值方法重要包含了以下三种方式, 通过实践应用, 都表现出了各自的优点和不足。
3.1 最邻近插值法
优点:速度最快, 同时在保持最快速度的基础上, 对于原始航空影像图像的灰度信息也进行了最大限度的保护。
缺点:在几何精度方面存在一定程度的差异, 因此会出现马赛克效应。
3.2 双线性插值法
优点:航空影像图像连续, 并保持较高的精度, 其相应速度也比较快。
缺点:在应用过程中可能会出现模糊的现象, 因为双线性插值具有的低通滤波性质, 这种低通滤波性质抑制了高频成分从而导致了上述问题的发生。
3.3 双三次卷积法
优点:在保持灰度连续的基础上, 可以实现对高频信息的有效保留。
缺点:在应用过程中会遇到很多复杂的计算, 这样必然会对于速度产生一定程度的影响。
4 航空影像图像配准基本方法的步骤
从目前针对航空影像图像配准基本方法的研究现状上看, 航空影像图像配准基本方法主要包括以下的基本步骤。
4.1 特征检测 (Feature detection)
特征提取的精度和效率对整个算法的性能有很重要的影响, 因此, 它是整个图像配准算法的基础。图像特征基本上可分为三类:点特征, 常用提取算子有MoraVec算子、Harris算子等;线特征, 常用提取算子有Hou曲变换算子等;面特征, 主要通过区域分割方法得到。由于特征点是一种稳定、旋转不变、能克服灰度反转的有效特征, 因而常被使用, 其中常用的特征点是角点, 角点特征的提取正是本文研究的重点之一。
4.2 特征匹配 (Feature matching)
目前, 关于特征点的匹配问题, 国内外已经报道了相当多的算法, 其中松弛算法是经典算法的代表, 它最早由Ranade S.提出, 但该算法对存在丢失点或虚假点的情况显得无能为力。后来Jezching和Anil引入匹配矩阵的概念对松弛算法进行了改进, 但改进的算法必须保证两个点集中能够存在一半以上的有效点。Z.Zhang和R.Deriche给出了一个较好的基于互相关函数的点特征匹配算法。以上算法采用了不同的相关准则来度量特征点的相似度, 通过初始匹配和进一步加上一定约束条件来筛选匹配点对的模式来得到精确的特征点匹配点对。
4.3 变换模型的估计
在得到两幅图像中一定数量的匹配点对后, 就可以根据这些匹配点对确定这两幅图像之间映射函数的参数, 从而建立起两坐标之间的函数关系式。
4.4 图像重采样和变换
按照上一步骤得到的函数映射模型及参数进行坐标变换, 并对变换后的坐标点上的像素值进行插值, 插值。
摘要：图像配准技术正在被得到越来越广泛的应用, 所涉及到的领域已经包含了遥感、自动目标识别、智能机器人和医学图像处理等等。通过在上述领域中的不断应用, 图像配准技术受到了广泛的关注。鉴于此, 本文选择航空影像自动配准技术为研究对象, 针对相关问题进行了分析与阐释。文章首先分析了待配准影像坐标变换模型, 然后阐述了仿射变换参数的最小二乘解, 在分析航空影像图像重采样的基础上最后介绍了航空影像图像配准基本方法的步骤。希望本文的研究能够为航空影像自动配准技术的进一步研究和应用提供指导和帮助, 同时对于相关领域的其他研究也能起到抛砖引玉的作用。
关键词：航空影像,自动配准技术,坐标变换模型,图像重采样
参考文献
[1]张迁, 刘政凯, 庞彦伟, 等.基于SUSAN算法的航空影像的自动配准[J].测绘学报, 2003, 32 (3) :245-250.
[2]杨常清, 王孝通, 徐晓刚, 等.基于特征空间的航空影像自动配准算法[J].测绘学报, 2005, 34 (3) :218-222.
[3]王志强, 程红, 孙文邦, 等.一种基于梯度最大值相位相关的航空影像自动配准算法[J].地理与地理信息科学, 2008, 24 (6) :111-112.
准技术标准 篇5
关键词：非线性光学频率转换；准相位匹配；线性电光效应；耦合波；级联
中图分类号：O436.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0004-01
非线性光学频率转换包括倍频、和频、差频、参量转换、参量放大与振荡等，是常见的二阶非线性光学效应。对于每一种频率转换过程，其本质都是三波耦合效应，都依赖于相位匹配条件。根据非线性光学理论，当频率为ω1和ω2的光波入射到非线性介质时，在一般情况下，所有的谐波频率2ω1，3ω1，…，2ω2，3ω2，…及和频（ω1+ω2），差频（ω1-ω2）的极化强度分量都是存在的，但是，在实际情况中通过相位匹配技术，通常增强某一频率分量或多个频率分量的相干电磁辐射，抑制其他频率分量的电磁辐射。
本文主要介绍准相位匹配技术及其在非线性光学频率变换中的应用。
1 准相位匹配（QPM）技术
实现相位匹配的方法主要有两种。双折射相位匹配（BPM）[1]，利用单轴晶体或双轴非线性晶体的各向异性的特点，通过选择合适的入射光的波矢方向和偏振态以满足相位匹配条件。该理论在非线性光学早期就得到广泛应用，但是该理论具有各种缺陷。同时期还提出了准相位匹配（QPM）[2]，人为地设计晶体，使非线性极化率产生周期性的变化，由此提供倒格矢以补偿非线性光学效应中由于频率色散和偏振色散造成的相互作用光波之间的相位失配（？驻k），从而增强各光波之间的非线性耦合。QPM理论对透明波段内的任意波长的光波都不存在匹配的限制；相互作用的光波都沿晶体同一晶轴方向传播，走离角为零，非线性相互作用长度不受限制；充分利用了某些有较大非线性系数的晶体，可以实现各种偏振态光波的相位匹配；调谐方式简单多样；可以提供多个倒格矢，能够同时满足多个相位匹配条件，并且能够在各种非线性效应之间发生耦合，产生级联效应。
但是QPM技术要求对材料的极化畴反转结构是微米量级的，由于加工工艺的限制，使QPM思想在被提出后的相当长一段时间内仅仅停留在理论研究阶段。C.F.Dewey等人[3]利用非线性极化率方向相反的微米量级均匀介质薄片交替粘结来实现的相位匹配，但是该结构的畴长度远大于相干长度，只能利用高阶的倒格矢。20世纪70年代后期，产生了很多铁电微米超晶格新制备技术，如高温钛扩散法、Czochralski法和电子束扫描法等。直到20世纪90年代，电场极化法的出现，使得QPM技术得到广泛研究。用该方法制备的周期极化晶体畴宽度小、边界均匀，适合批量生产，容易商业化。
从微结构观点来看，周期极化晶体即为光学超晶格，其晶格倒格矢可以参与到光波的激发和传播过程中，补偿波矢差使相互作用的光波满足相位匹配。光学超晶格的品种和形式有多种，从材料来看，主要有LiNbO3、LiTaO3、KTP、RTA等；从类型上看，有一维、二维和三维光学超晶格；从调制结构来看，有周期、准周期、非周期、啁啾结构和其他更复杂的结构。
早期QPM技术主要应用于非线性光学频率转换领域。随着非周期和更复杂周期的超晶格的不断出现，人们已经利用QPM技术在光学超晶格中产生级联[4]效应，从而获得多波长输出。QPM和光学超晶格也可应用于光参量放大、光参量振荡和光参量产生过程[5]，实现通信系统中的光信号放大和宽带连续可调谐激光光源（特别是超短脉冲光源）的制备。此外，QPM还可用于高速电光开关[6]。QPM技术在光缓存器方面也有重要应用。另外，QPM技术还可用于其他非线性过程和用于声光调制领域。
2 线性电光效应与准相位匹配
电光效应是指通过将外加直流电场或低频电场作用在透明电光晶体上，使晶体的相对折射率发生改变，如果折射率的改变量与外加电场强度成线性关系（？驻？渍=aE），则称为线性电光效应。
传统分析线性电光效应的理论中，除了特殊情况之外，折射率椭球理论计算推导过程十分困难和复杂，而且不一定能得到最优解。此外，折射率椭球理论对吸收介质也是无能为力的。耦合模理论现如今主要应用于波导中电光效应引起的各种不同模之间的能量交换，但是其忽略了电光效应对光场相位的影响，对于块状晶体、相位调制、频率调制等都是不正确的。而代数解法也仅仅适用于外加电场取特殊方向的情况。同样，平面波本征方程微扰理论的普遍解其实并不具有普遍性。利用量子力学提出的非线性光学耦合波理论也没有考虑电场对光场相位的影响。
直到2001年，佘卫龙等人提出的线性电光效应耦合波理论才从根本上解决了上述诸多理论中存在的问题[7]。该理论从麦克斯韦方程出发，将二阶非线性光学效应当作微扰，建立了一套平面波近似下的线性电光效应耦合波理论，并给出了普遍解。该理论对电光晶体的点群对称性和吸收性、入射光的传播方向和偏振态以及外加电场的施加方向都没有限制，并且在电光调制器的优化设计及温度稳定性分析方面有显著优势。线性电光效应耦合波理论的适用范围已经从平面波推广到了聚焦高斯光束和飞秒激光脉冲，从无旋光、无吸收的介质推导到了旋光晶体、吸收介质。电光调制器方面也已应用到了光调制器、衰减器、偏振旋转器中。2006年郑国梁等人将该理论从均匀介质扩展到了准相位匹配光学超晶格中，得到了基于QPM的线性电光效应耦合波理论[8]。基于该理论，线性电光效应被推广到更多的应用中。
3 结 语
本文基于非线性光学频率变换，详细地介绍了准相位匹配技术的优缺点及应用，还介绍了佘卫龙等人的线性电光效应耦合波理论相对于其他分析线性电光效应的理论的优点，以及基于该线性电光效应耦合波理论衍生的基于QPM的线性电光效应耦合波理论和基于QPM的电光和级联二阶非线性效应统一耦合波理论，简要地给出了基于上述耦合波理论的现有研究成果。
参考文献：
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[8] G.Zheng，H.Wang and W.She.Wave coupling theory of quasi-phase-matched linear electro-optic effect[J].Opt.Express，2006，（14）.
准技术标准 篇6
记者:国内食品微生物检测现状如何?都有哪些检测技术?
单长辉:在国内, 食品受到食源性微生物污染现象比较严重, 食源性致病菌对人体造成伤害甚至死亡, 而且近年来微生物引起的食品安全问题呈逐年递增态势, 广大老百姓及政府部门对此也十分关注, 一旦发生食源性微生物污染事件对食品企业的信誉和形象都会产生不利的影响, 公众对政府部门处置的能力也会产生质疑。目前检测方法主要分为传统的微生物培养方法和以金标、酶免和PCR为代表的快速检测方法。
记者:食品微生物检测, 卡尤迪有何好的解决方案?
单长辉:由卡尤迪独创的“一步法”免核酸提取荧光定量PCR技术平台针对于各种食源性细菌和病毒, 如大肠杆菌O175、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌、弯曲菌、诺如病毒等可以进行快速, 准确的鉴定。利用卡尤迪“一步法”实时荧光定量PCR系统可以在大型实验室、基层实验室、现场进行食品病原微生物核酸检测, 其特点是不需要核酸提取步骤, 灵敏度高。在不增菌的情况下直接检测牛奶、鸡蛋、肉类等食品中病原微生物, 灵敏度可达102 cfu/m L, 符合相关行业标准。对于国标中不得检出的微生物, 可以利用市售快速增菌培养基进行4~6小时的增菌过程, 增菌过后直接检测, 可以达到相关要求。在食品微生物检测中通常是定性检测, 卡尤迪“一步法”实时荧光定量既可以进行定性检测, 又可以通过与标准品对比做到绝对定量与相对定量, 定量范围在检出限102 cfu/m L以上。
记者:Mini8实时荧光定量PCR仪基于何原理快检?
单长辉:基于的是荧光定量PCR的原理, PCR扩增时在加入一对引物的同时加入一个特异性的荧光探针, 该探针为一寡核苷酸, 两端分别标记一个报告荧光基团和一个淬灭荧光基团。探针完整时, 报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收;刚开始时, 探针结合在DNA任意一条单链上;PCR扩增时, Taq酶的5’端-3’端外切酶活性将探针酶切降解, 使报告荧光基团和淬灭荧光基团分离, 从而荧光监测系统可接收到荧光信号, 即每扩增一条DNA链, 就有一个荧光分子形成, 实现了荧光信号的累积与PCR产物形成完全同步。理论上只要加样的样本中有一个致病微生物便可以被检测出来, 具有极高的灵敏度, 这就大大缩短了前增菌的时间, 可以在4个小时左右达到国标不得检出的标准。PCR是聚合酶链式反应, 是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术, 它可看作是生物体外的特殊DNA复制, PCR的最大特点, 是能将微量的DNA大幅增加。理论上只需要有1个DNA分子就可以在1个小时的时间内扩增到数以亿记的DNA分子, 我们使用的荧光定量PCR是在PCR扩增时在加入一对引物的同时加入一个特异性的荧光探针, 该探针为一寡核苷酸, 两端分别标记一个报告荧光基团和一个淬灭荧光基团。探针完整时, 报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收;刚开始时, 探针结合在DNA任意一条单链上;PCR扩增时, Taq酶的5’端-3’端外切酶活性将探针酶切降解, 使报告荧光基团和淬灭荧光基团分离, 从而荧光监测系统可接收到荧光信号。这样加入Taqm a n探针的荧光定量PCR具有极高的特异性, 产生假阳性的几率非常之低, 保证了检测的准确性。
记者:PCR仪相比同类产品有何亮点和竞争力?
单长辉:PCR的方法相对于传统的培养方法和快检中的酶免金标等方法具有速度快、准确性高的特点, 由于PCR所检测的是微生物的核酸, 而且能在1小时内大量扩增检测, 这是其他方法所做不到的, 传统的培养方法时间往往需要2~3天, 而酶免等方法也需要1天的时间, PCR方法在4~6个小时内完成检测, 时间上具有很大优势。在准确性上由于P C R方法检测D N A片段的引物探针具有极高的特异性, 在检测的准确性上也要高于酶免金标等方法。
记者:Mini8实时荧光定量PCR仪有何特点与优势?
单长辉:Mini8便携式荧光定量PCR仪, 将PCR热循环与荧光检测和各种软件算法有机结合, 可实时观察到PCR反应每次扩增中产物的动态变化。PCR之后, 即可马上得到定量结果, 免去了传统PCR后续的PCR产物纯化, 凝胶电泳分析等费时费力的环节。 通过采用创新性的光学检测系统, Mini8能为用户有效节约单个反应的试剂成本, 反应体积可配置15~150UL, 一个半小时左右即可得到精准的定量结果。此外, Mini8是市场上唯一一款可使用12V直流电源, 可车载, 可在移动环境使用的实时荧光定量PCR, 非常适合现场检测, 针对突发食品安全事件具有不可比拟的优势。
记者:卡尤迪产品有何检测的成功案例?分享给大家?
单长辉:在不增菌的情况下直接检测牛奶、鸡蛋、肉类等食品中病原微生物, 从拿到样本到出结果时间控制在90分钟以内。如果进行快速增菌步骤, 经过4小时的增菌, 总的检测时间控制在6小时以内。由于卡尤迪一步法技术平台刚上市不久, 在食品方面应用还不是很广泛, 但在检验检疫、病毒检测上应用十分广泛, 卡尤迪研发的基于一步法技术平台的寨卡病毒检测试剂已经在北京、浙江、上海、深圳、广州、福建、辽宁等地检验检疫局和疾病预防与控制中心得到了大面积的应用, 可以直接在机场口岸等地对疑似病例进行现场检验。同时我们的一步法技术平台在动物疫病检测、癌症筛查、个性化用药指导、乙肝丙肝检测、突发应急事件中得到了广泛应用。
记者:卡尤迪产品的市场推广情况与客户评价如何?
单长辉:我们现在已经开发了部分食源性微生物检测试剂盒, 可以直接对复杂的食品样本进行检测, 由于免去了复杂的核酸提取过程, 在同类PCR产品中卡尤迪具有操作简便、检测时间短的优势, 由于卡尤迪一步法技术平台刚上市不久, 在食品方面应用还不是很广泛, 但在检验检疫、病毒检测上应用十分广泛, 客户的总体评价就是方便、快速、准确。如今在《食品安全导刊》媒体平台的帮助下, 把我们的产品推广给了全国各级食监部门、检验所、食品企业、流通、零售终端及更多用户, 使得我们的产品获得了越来越广泛的欢迎与赞誉。
由卡尤迪独创的“一步法”免核酸提取荧光定量P C R技术平台针对于各种食源性细菌和病毒。
基于灰度的医学图像配准技术研究 篇7
医学影像技术已在临床中得到广泛的应用。医学影像信息可分为两大类:解剖信息和功能信息。解剖信息描述人体的形态结构信息,主要包括CT,MRI,US,X射线等,功能信息描述人体的新陈代谢信息,主要包括PET,SPECT,fMRI,平面闪烁扫描术等。由于不同的医学影像通常反映不同的、互补的和部分重叠的信息,通过医学图像配准与融合,综合利用多次成像或多种模式成像可以获得较全面的信息,可使临床诊断和治疗、放疗的定位和计划设计、外科手术和疗效评估等更加全面和精确。
医学图像配准(medical image registration)[1]通过空间变换使两幅图像的对应点在空间位置上一致,配准的结果应使两幅图像上所有关键解剖点或感兴趣的点达到匹配。目前医学图像配准技术大致可分为基于特征的配准技术和基于灰度的配准技术。基于特征的配准技术首先提取两幅图像的特征点,然后将两幅图像中的特征点对应起来,最后根据对应的特征点确定空间变换。在这类方法中,特征点数量、位置的选择及特征点匹配的精度起着重要的作用。基于特征的配准技术比较灵活,运算量相对较小,但从整体上来说精度不高。基于灰度的配准技术直接利用图像的灰度数据进行配准,从而避免了因分割而带来的误差,具有精度高、稳健性强、不需要预处理而能实现自动配准的特点。这类算法由于在配准全过程中需要使用图像的全部灰度信息,因而在配准速度上较基于特征的配准技术要慢,特别是在3D医学图像配准中,其相当大的计算消耗限制了其临床应用。
随着临床上对精确的回溯式图像配准的需要增长,及计算机硬件技术(尤其是大容量的内存)的飞速发展,基于灰度的医学图像配准技术已逐步进入临床实际应用,成为目前研究的热点。该类方法已应用在头部3D图像的全局刚体或仿射配准中,几乎所有的算法都是自动的。近年来,基于灰度的配准技术在人体其它部位的配准以及在计算机辅助手术中2D/3D配准等方面的应用也得到了越来越多的重视。
本文主要介绍基于灰度的图像配准过程及常用的基于灰度的医学图像配准技术,并对该领域的发展方向和所面临的挑战进行了简要分析。
1 基于灰度的医学图像配准基本过程
基于灰度的医学图像配准方法通常利用整幅图像的灰度信息,建立两幅图像之间的相似性测度,然后采用搜索方法,寻找使相似性度量值最大(或者差异性最小)的变换模型的参数值。基于灰度的图像配准过程如图1所示。给定待配准的两幅图像,分别称参考图像(reference image)与浮动图像(study image)。首先选取一种空间变换将浮动图像进行变换之后,用相似性函数来度量浮动图像与参考图像间的相似性,如果相似性测度未达到最优值,则对初始变换进行改进。重复此过程直到相似性测度达到最优值,配准过程结束。在选取变换的过程中需要采取一定的搜索优化策略,使相似性测度更快、更准确地达到最优值。
空间几何变换大致可分为刚体变换、仿射变换、投影变换以及非线性变换(也称为弹性变换)四类。由于刚体变换仅包含三个方向的旋转与平移,这时平行直线影射成平行直线,相互垂直的直线影射成相互垂直的直线,所以使用该模型的前提是假定图像内部的距离和角度在配准过程中保持不变。仿射变换能将平行直线映射成平行直线,但垂直性不能保持,仿射变换比刚体变换多了三个方向上的裁剪和伸缩变换,即比刚体变换多了6个变换参数。投影变换是仿射变换的更一般情况,主要特点是直线变换后仍是直线,但是平行性和垂直性都不能保持,投影变换一般用在二维图像与三维体积图像间的配准。非线性变换将直线变换为曲线,局部组织变形需要用非线性变换,非线性变换多用于使解剖图谱变形来拟合图像数据,或者头部以外的有全局性形变的胸、腹部脏器图像的配准。一般地,在非线性变换之前需要先进行全局刚体变换,使得图像在总体位置上得到配准,这样才可能实现有效的非线性配准,因此刚体配准是非线性配准的基础。
基于灰度的图像配准过程一般都需要优化算法,因而,医学图像配准问题可表示为一个优化过程,可将其用数学形式描述如公式(1)所示:
undefined
其中IR(X)和IS(X)是输入的待配准的参考图像和浮动图像;T是空间变换,它可以是只包含平移和旋转的刚体变换,也可以是复杂的弹性变换;f表示待配准图像的相似度。优化算法的目标是寻找最优的变换使得图像间的相似度最大(当f表示图像间差异性时,则需求解其最小值)。由于医学图像配准过程本质上是一个图像的多参数最优化问题,所以优化算法在基于灰度的医学图像配准中具有非常重要的地位。经典的局部优化方法有:Powell算法、下山单纯行法、Marquadrt-Levenberg法、梯度下降法等。单纯使用这些局部优化方法容易受到初始点选择的影响而陷入局部极值点,从而导致误配准。因此全局优化方法陆续被应用到医学图像配准领域。目前常用的全局优化方法有:遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、粒子群算法等以及它们的改进形式,但这些算法的收敛速度很慢。在实际应用中,经常使用附加的多分辨率和多尺度方法,以便加快收敛速度,降低求解的变换参数数目,避免局部最小值,并且多种优化算法混合使用,即开始时使用粗的快速算法,然后使用精确的慢速算法。
2 常用的基于灰度的医学图像配准技术
目前常见的基于灰度的图像配准方法有[2]:互相关法;距和主轴法;灰度比的方差最小化法;绝对图像灰度差分和均方图像灰度差分的最小化法;互信息(相关熵)最大化法等。
2.1 互相关法
互相关法找出使各图像之间相关性最大的空间变换参数来实现图像的配准。比较适合对来自同一物体,由于图像获取条件的差异或物体自身的微小改变而产生的图像配准问题。该方法通过优化两幅图像间的相似性测度来估计空间变换参数:主要是刚体的平移和旋转参数。互相关技术已用于心脏的SPECT图像刚体配准等方面[3,4]。由于要对每种变换参数可能的取值都要计算一次相似性测度,互相关法的计算量比较庞大。此外,互相关法受到不同模态成像特点的影响,例如同一器官在不同的模态图像中表现出纹理和密度的非线性差异,使相关性计算无意义,故互相关法主要局限于单模图像配准,特别是对一系列图像进行比较,从中发现由疾病引起的微小改变。其最经典的相似性测度是归一化的相关系数[5],即:
undefined
其中,IR(i)是参考图像R在i处的灰度值,Iundefined(i)是浮动图像S变换后其相应的灰度值;undefined和undefined分别是参考图像和浮动图像的平均灰度值。
2.2 距和主轴法
距和主轴法是利用图像统计信息作为配准依据的典型方法。它借助经典力学中物体质量分布的概念,通过计算图像的零阶和一阶矩得到重心和主轴,再通过平移和旋转使两图像的重心和主轴对齐,从而达到图像配准的目的。距和主轴法对数据的缺失较敏感,图像细节的丢失或病变都会严重影响匹配结果的准确度,即要求整个物体必须完整地出现在两幅图像中。但该方法由于其算法的自动、快速、易实现的特性而广泛应用于精度要求不高的图像配准或作为粗配准,使两幅图像初步对齐,以减少后续主要配准方法的搜索步骤和搜索时间。
2.3 灰度比方差最小化方法
Woods[6]在假定精确配准图像的前提下,引入PET图像配准的灰度比方差(VIR)算法,采用一幅图像的像素(或体素)值通过一个单一的因子相关于另一幅图像的像素值。这种绝对的条件假定,对不同模式的数据不够现实,仅仅适合于单模图像配准。在灰度比方差(VIR)算法中:
①R(i)等于参考图像的每一个像素值除以浮动图像中相应的像素值。
undefined
②灰度比的标准偏差为:
undefined
其中,N是像素个数。
③配准的结果通过最小化灰度比的归一化标准偏差获得。归一化标准偏差表示为:
undefined
2.4 最小化灰度差异的方法
最小化灰度差异的方法包括:均方图像灰度差分最小化法(SSD)和绝对图像灰度差分最小化法(SAD)。理论上,当SSD或SAD取得全局最小值时,图像便达到配准的目的[7]。SSD和SAD仅适用于待配准的两幅图像之间灰度差异较小的单模图像配准。
①均方图像灰度差分的最小化法
undefined
其中,IR(i)表示参考图像R在点i处的灰度值,而IS(T(i))表示浮动图像S中与R中点i对应点的灰度值;T是几何变换;N是两幅图像重合部分的像素个数。
如果两幅图像的差别仅仅是高斯噪声的不同,那么选择这种相似性函数是最合适的,性能较好,易于寻找极小点。
②绝对图象灰度差分最小化法
undefined
其中,IR(i)、IS(T(i))、T及N同上。SAD方法是非平滑的,但它不易受配准过程中出现的出界点的影响。
2.5 互信息法
用互信息作为多模医学图像的配准测度,不需要对待配准图像作分割或任何预处理,配准精度很高,可以达到亚像素级,而且它的鲁棒性很好,使得该方法成为今后的研究热点。最近研究表明该方法亦可以用在非刚体变换下的图像配准,并取得了一定的进展[8]。最大互信息配准法目前被公认为是配准精度和鲁棒性最好的回溯性配准方法之一,已经广泛应用于CT/MR,PET/MR等多种配准工作。下面是基于互信息的几种常见配准方法。
①最大互信息方法(mutual information, MI)
基于互信息的配准方法是将两幅图像看成两个离散随机变量,两幅图像可能来自不同的成像设备,但它们基于共同的人体解剖信息,所以当两幅图像的空间位置达到一致的时候,其中一幅图像表达的另一幅图像的信息,也就是互信息应为最大。因而,可将互信息作为相似性测度,通过寻求使互信息达到最大的变换参数来实现配准。互信息的数学表达公式(8)如下:
I(X,Y)=H(X)+H(Y)-H(X,Y) (8)
其中,undefined
undefined分别为图像X,Y对应像素的灰度,pX(x),pY(y)以及pXY(x,y)分别为两幅图像重合部分的边缘概率分布以及联合概率分布。在实际应用中,一般用概率分布来表示互信息,即:
undefined
②最大归一化互信息的方法(normalized mutual information, NMI)
由于最大互信息法对待配准图像间的覆盖程度变化较敏感,有时会误配准。为了提高互信息对图像重叠面积的稳定性,Studholme最早提出了归一化互信息配准法,归一化互信息的表达式如下:
undefined
当对齐度不好时,边缘熵增加,联合熵也会增大,归一化互信息量就不是最大。归一化互信息的最大化就是寻找一种变化使得联合熵相对于边缘熵最小,一方面考虑到了配准时联合熵较小,另一方面又考虑到了重叠区域内图像的信息,很好地平衡了两者之间的关系,从而使配准更具鲁棒性。
③结合互信息与图像梯度的配准方法
虽然上述两种互信息的配准精度很高,但其鲁棒性还存在一定的问题,因此,Pluim等[9]将互信息与梯度相结合形成新的相似性测度,增强了互信息测度的鲁棒性。
用方差为σ的高斯函数的一阶导数计算出图像X和Y对应位置处的梯度向量ᐁXij(σ),ᐁYij(σ),他们之间的夹角为:
undefined
对于医学图像,由于大部分像素点的梯度方向是相同或者相反的。因此,Pluim等还利用了如下的梯度夹角加权函数:
undefined
梯度信息与互信息结合,得到新的配准相似性测度为:
Inew(X,Y)=G(X,Y)·I(X,Y)
G(X,Y)=∑ω(αXij,Yij(σ))min(|ᐁXij(σ)|,|ᐁYij(σ)|) (13)
类似地,归一化互信息与梯度结合的配准相似性测度为:
NMInew(X,Y)=G(X,Y)·NMI(X,Y) (14)
3 结束语
随着医学成像设备的不断发展,医学图像在临床医学诊断治疗中发挥着越来越大的作用,医学图像配准具有广泛的应用前景,已成为目前的一个研究热点。综述了基于灰度的医学图像配准的常用技术。由于进行医学图像配准时,研究对象的多样性和复杂性,以上的技术都有一定的局限性,因此在应用中需要根据不同的问题选择适用的方法,或将不同的方法结合起来综合互补。基于刚体变换和仿射变换的图像配准技术基本上已经趋于完善,而基于非线性变换的图像配准虽然已提出一些解决方法,但同刚性图像相比还不成熟,是当前及将来的研究热点。互信息函数的应用开辟了医学图像配准的一个新领域,目前众多研究者正沿着此方向继续探索,相似性函数的鲁棒性以及平滑性有待进一步提高。使用优化策略向快速和准确方面改进图像配准算法,也是今后医学图像配准技术的发展方向。为了追求更高的精度和稳定性,人们开始使用或改进全局优化方法来解决配准中相似性函数的优化问题,但时间代价太大,要将它们应用于临床尚需继续努力。随着成像仪器设备的发展,目前出现了更多的3D体数据的配准需求,3D数据的配准也将成为目前研究的热点之一。因此,自动化程度高、鲁棒性强、适应性好、速度快、精度高的配准算法是医学图像配准研究的目标。
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准技术标准 篇8
关键词：单点配准,零阶插值,数字景区
上世纪七十年代, 美国首次提出的图像配准技术在军事领域发展迅速。随后, 这项技术在模式识别、遥感图像处理等其他领域也得到了推广和研究。虽然图像配准技术在不同领域都有其特定技术, 但由于其方法上的相似性, 使得图像配准技术在各领域之间有着很好的移植性。
1 在应用上, 图像配准技术可以分为以下四类[1]
1) 多模态配准, 即不同传感方式在相同场景下对得到的图像进行配准。
2) 模板配准, 即在图像中为参考模板样式寻找最佳匹配。
3) 观察点配准, 即对从不同观察点获得的图像进行配准。
4) 时间序列配准, 即对时间不同的同一场景中图像进行配准。
2 图像配准的数学模型
不同的配准技术对应不同的变换模型, 其中图像的形变特性是影响变换空间的选取的重要原因。一般常用的变换运算有平移、缩放及旋转, 而典型的图像变换则为非线性变换、仿射变换、投影变换和刚体变换几种[2]。
3 图像配准的方法
一般情况下图像配准方法大致分为以下三种[3,4]:
1) 基于灰度信息的图像配准方法
这种方法是由Rosenfeld提出的交叉相关 (Cross-Correlation) 法[5]。它主要用于进行模式匹配和模板识别。对于一幅图像f (x, y) 和相对于图像较小尺度的模板T, 该方法为表示图像模板上的每一个位移位置的相似程度, 采用二维交叉归一化相关函数C (u, v) [6]。
为使二维交叉相关函数在C (i, j) 出现峰值, 应必有条件为:除去一个灰度比例因子外, 图像和模板在该位移处匹配恰当, 同时要求该相关函数必须能归一化。
2) 基于特征的图像配准方法[7,8]
在基于特征的情况下, 图像配准可以按下述三个步骤进行:
(1) 特征提取:为了进行配准, 提取图像特征, 如灰度或者是几何特征。
(2) 特征匹配:对提取的特征针对两幅图像进行特征的查找和匹配。
(3) 图像转换:由上述两步后得到相应图像的变换参数, 把带入到相应的转换式完成两幅图像的配准工作。
3) 基于理解与解释的图像配准方法
采用基于理解与解释的图像配准方法, 具有很高的主动识别能力。因此这种方法有着比较高的精度和可靠性等特征。该技术需要涉及到模式识别、计算机视觉以及人工能等多个领域, 而且在理论上也还显得不够成熟, 在硬件上更需高速度的并行计算机, 因此该方法还没有得到明显的发展。
根据上述配准技术, 综合数字景区的具体需求, 该文使用单点配准技术来对某景区配准, 同时还采用了校正和插值技术。假设用f (x, y) 表示原图像, 在受到几何形变的影响后变成g (x’, y’) 。校正几何失真就是既要根据 (x, y) 和 (x’, y’) 的关系来进行由 (x’, y’) 确定 (x, y) 。同时也要求根据f (x, y) 和g (x’, y’) 的关系由g (x’, y’) 确定f (x, y) 。
这样, 图像的几何失真校正可以概括如下两步:
(1) 为恢复原空间关系实现空间变换, 重新排列图像平面上的像素;
(2) 为恢复原位置的灰度值, 将对图像赋予相应的灰度值以实现灰度插值。
假设原有图像为f (x, y) , 而受到几何形变的影响后形成g (x’, y’) , 那么上述情况用数学公式可列为:
如果解析表达式s (x, y) 和t (x, y) 已知, 那么就可以通过反变换来恢复原有图像。
另外, 我们还可以在失真图和校正图中找一对对应的具体点, 然后采用失真模型计算出失真函数中的每个系数, 以建立两幅图像素空间的映射关系。两个图像有四组对应点, 即它们的顶点, 由此我们可得到下面的关系式:
由于上述有8个系数, 而对应的有8个方程, 因此上式的8个系数可全部得到。采用这8个系数, 我们则可以为其他的所有点建立映射关系。同时一幅图可分解成若干四边形的集合, 而我们都可以找足够多的点以计算我们所需要的相关系数值。
在简化的情况下, 我们只考虑平移而排除形变, 则有公式为:
下面我们来介绍插值灰度的计算方法, 对于这种计算的方法有很多种, 而最优的则为零阶灰度插值[2]。图1表示灰度插值示意图, 左图为原图, 右图为失真图。而几何校正的目的就是将失真图变换为原始图。从图中我们可以得知原图的坐标值 (x, y) 对应失真图的坐标值 (x’, y’) , 但在 (x’, y’) 却没有定义。现我们要做的工作就是估计出 (x’, y’) 点的灰度值来赋给原图 (x, y) 处的像素, 一般是采用邻近点的值, 以实现灰度插值。
结合数字景区实际情况, 游客往往对景区三维漫游中的地形的精度要求不是很高, 因此可采用单点配准方法。
此方法在google地图的基础上进行, 因为此时提取的景区图像是正南北向的, 图像变换无需旋转。为了简化计算, 可以用同一缩放率提取[1]。
下面以景区遥感地形图2和景区遥感地形图3的配准为例, 给出景区图像配准的方法, 为景区图像的配准提供可供参考的道路。
实施步骤:
1) 提取特征点
对图2和图3中做红色标记的地方提取特征点, 因为它们的缩放比相同, 因此, 我们只需选取一个对应点就可, 这就是单点配准。在具体配准中, 我们选取标注处的拐点做为特征点。然后通过图像分割, 得到标注区域内的四边形轮廓线, 而之上的x最小值点就是特征点。假设图2的选取特征点为A (x0, y0) , 而图3的选取特征点为B (s0, t0) 。
2) 对特征点进行配准以及其变换关系
上述定义的点A和点B即为对应两幅图的相关特征点, 而图a为基本的图像, 可以得到两幅图像对应点的变换关系为:
其中 (x, y) 和 (s, t) 分别为两个图像在不同坐标系上的坐标。
3) 图像重采样及变换
对于景区遥感地图a中的点, 其像素值不变;但是对于景区遥感地图b中的点, 像素值赋给景区遥感地图a中横纵坐标分别加上偏移量后的点。而对于由于偏移而照成的非整数点, 可以采取用最邻近插值的方法来提高速度。
参考文献
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准技术标准 篇9
现代通信系统对小型化要求日益提高,在各种小型化技术中,基于PCB的微波多层印制技术[1]具有成熟的工艺体系、良好的设计兼容性、优异的系统集成能力和相对低廉的成本,其在相控阵波束形成网络[2]、综合馈电系统[3]及微波电路小型化[4]的成功应用展示出其独特的价值和前景,相应的工艺技术也得到较为深入的研究[5]。但另一方面,微波多层印制电路尺寸相对较大,会引入明显的寄生参数,使电路性能恶化。微波多层过孔是常见的不连续性单元,在较高频率下对电路性能影响显著。此外,这种过孔属半开放结构,会通过接地柱间隙辐射能量,成为内部干扰源,因而其微波特性得到了广泛研究。以往对微波过孔的研究方法包括准静态法[6]、模式匹配法[7]、钜量法[8]以及其他全波仿真方法[9]等。这些方法在分析具体微波过孔时简单有效,但对形状、尺寸优化缺乏指导性。"
源自测量领域的时域反射测量计( Time-Domain Reflectometry,TDR) 是一个时域概念,其工作原理与雷达类似。将TDR概念引入电磁仿真,可直观得到延信号传输方向的阻抗信息和不连续信息[10],从而有针对性地进行就近补偿,实现宽带匹配。本文拟采用TDR方法对具有代表性的45°准同轴微波多层过孔进行分析和优化,并得到具有良好超宽带微波性能的多层过孔结构。
1 过孔结构分析
为保证电路性能,微波多层过孔通常选用图1( a) 所示的准同轴结构,该结构由位于中心的金属化过孔( Plated Trough Hole,PTH) 代替同轴线的内导体,由周围一圈圆周对称排布的PTH代替同轴线的外导体。影响微波性能的主要参数如图1( b)所示。其中,R_post_in为中心通孔的半径,R_pad_in为中心通孔焊盘的半径,R _post _out为外围通孔的半径,R_G为板内地平面开窗的反焊盘半径,R_p为接地通孔与中心通孔的中心距离,而分布角则表示两相邻地孔与结构中心连线的夹角。
当分布角为45°时,可去掉过孔中的2 个接地柱并引入微带抽头,从而形成90°或180°的传输线排布,这在微波电路布局中是经常用到的。
1. 1 板层分布
与传统多层印制技术相同,微波多层印制技术同样需要用粘结片将多块标准尺寸的微波覆铜板粘结以形成多层类周期结构,如图2 所示。
覆铜板与粘结片往往具有不同的介电常数和相速,因此在考虑通孔的射频性能时,为方便起见引入有效介电常数,其表达式为:
从式( 1) 可看出,多层板的有效介电常数介于介质板和粘结片的介电常数之间。常用微波板材的厚度通常较小,因此在较低频段,整个多层板可近似看作均匀介质( 延z向) ,在此范围内式( 1) 是有效而便捷的。
1. 2 准同轴结构
同轴线是微波系统中常用的TEM传输线,其特性阻抗计算公式如式( 2) 所示,可见,在均匀介质填充的情况下,同轴线的特性阻抗只与内外径的比值有关。
在微波多层过孔中,准同轴过孔是一种典型实现形式,兼具同轴线的优良特性和简单工艺,结构如图1 所示。图3( a) 进一步说明准同轴过孔的纵向结构,图3( b) 给出垂直于z轴的平面结构。可见,微波多层准同轴过孔与真正同轴线尚有2 点主要差别: 非屏蔽性和金属层工艺焊盘。非屏蔽结构会造成电磁能量的泄露,但这种泄露可通过增大地孔密度和限制使用频率加以控制; 工艺焊盘则会导致额外的寄生电容,使式( 2) 在计算该结构时失效。因此,实际使用的微波过孔往往通过三维全波仿真的方式评估性能。
2 45°准同轴微波多层过孔TDR仿真
在微波多层准同轴过孔的设计中,图1( b) 所示的分布角的选取,需结合实际需求,而45°是一种常见的分布角,对其微波性能分析,具有较强的实用价值。与其他电磁仿真手段相比,TDR可给出延传输线方向的阻抗分布曲线,从而为结构的阻抗设计及匹配提供便利。
2. 1 TDR仿真模型及设置
采用ANSYS公司HFSS软件的时域求解器对45°准同轴微波多层过孔进行建模仿真,模型如图4所示。其中,选用的微波介质为Arlon 0. 254 mm厚CLTE-XT,粘结片为Arlon 0. 1 mm厚25N; 不失一般性,介质的层数取11。为方便起见,输入输出接口选择CLTE-XT填充的50 Ω 同轴线。在仿真中,设置Solution Type为Transient,输入信号选择TDR,材质设置为无耗,脉冲上升时间为22. 7 ps,如图5 所示。
2. 2 仿真结果
在上述设置下对准同轴微波过孔模型进行仿真,结果如图6 所示。TDR阻抗曲线可直观给出沿传输通路方向不同位置的阻抗值,并为阻抗匹配提供参考信息。图6 所示的曲线为优化后结果,易看出延传输线方向的阻抗波动很小,且在50 Ω 上下半区基本达到平衡状态。
作为比较,对同一模型进行频域仿真,结果如图7所示。可见该模型在高达20 GHz范围内具有优良的插入损耗、回波损耗和较低的信号泄露水平( 该模型未考虑金属和介质的损耗,故插入损耗为回波损耗和辐射损耗之和) ,具有潜在的超宽带应用价值。
3 结束语
采用TDR仿真技术对45°准同轴微波多层过孔的性能进行了分析,并利用仿真所得阻抗曲线对结构尺寸进行了优化。所得到的微波多层过孔具有延微波信号传输方向波动较小的阻抗曲线,同时也具有20 GHz频段内的优良传输特性,在宽带微波多层系统的实现中有较强的实用价值。所完成的工作也较容易推广至其他层数、厚度的微波多层板,为微波多层印制电路的设计提供便利和参考。
参考文献
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准技术标准 篇10
随着科技的不断进步，信息技术在我国得到了长足的发展，被广泛应用到各个领域。在教育行业，信息技术与传统教学方式的结合对于提高教学效率有着重要的作用。在课堂中，信息技术与物理教学相结合，是指教师能够合理运用信息技术来促进课堂的教学效果。不言而喻，要想得到最好的教学效果，就必须找出信息技术与物理课堂教学的最佳结合点。本文首先分析了信息技术与物理课堂教学结合的重要意义，并讨论了如何将两者进行有机的结合，希望能够对初中物理的教学工作者提供一些帮助。
2 信息技术与物理课堂教学结合的意义
注重培养学生的能力 实施信息技术和课堂教学相结合，学生在学习时不仅仅只学习，还要转向学会学习、掌握技能和提高能力上。可以通过信息技术设计出多样的学习活动，学生能够掌握多种信息化的学习工具。
在获取知识方式上更加多样 信息技术与物理课堂教学的结合，对传统的教学方式和观念带来很多改变，能够创造以教师为主导、学生为主体，集声音、文字、动画、图像等呈现的新型的学习环境，能够在一定程度上突破空间、时间的限制，有利于激发学生的学习兴趣，能够使学生在轻松愉悦的气氛中学习知识，还能够丰富学生的想象力，形成良好的思维习惯，从而提高课堂的教学效率。
学习方式的多样化 信息技术的不断发展也使学生在学习方式上更加多样化，学生不再只依赖教师和课本来学习，能够在教师的帮助下利用信息技术来主动学习。师生之间、学生之间通过互动来资料搜集，以发现、展示知识的方式来学习。通过信息技术与课堂教学相结合，学生能够在信息化的环境中灵活获取知识。
3 信息技术与物理课堂教学的结合
营造良好的学习情境和探究氛围 利用信息技术能为课堂提供图文并茂、真实生动的支持，能够使学生产生置身其中的感觉。例如，利用虚拟现实和情景演示，能够为学生提供一个与现实紧密联系的学习环境，能够调动学生的积极性和兴趣，提高课堂教学效率。信息技术还能够突破传统课本的限制，为学生提供丰富的教学资源，加强学生对所学知识的理解。
人教版初中物理第二章“光现象”中，有一节是关于光的直线传播中的月食和日食的形成原因的，如果只是给学生讲这是由于光的直线传播引起的，那么学生就很难理解。这时，如果利用信息技术制成多媒体动画，来模拟月球和地球的运动，学生就能观察到月球公转到地球和太阳之间时，由于光的直线传播就挡住了一部分太阳射向地球的光，地球上就会出现阴影，于是就形成了日食；当月球运行至地球的阴影部分时，在月球和地球之间的地区会因为太阳光被地球所遮闭，就看到月球缺了一块，就形成了月食。
信息技术手段能够依赖于自身的技术对现实进行具体的模拟，让学生能够直观看到用语言所描述的具体情景，这样，学生也能轻松地理解其形成的原理，记忆也更加深刻。
利用信息技术激发学生的学习主动性和兴趣 兴趣是学生学习中无形的动力，当人们对某件事有充分的兴趣时，就能够全身心地投入到其中。然而，物理是一门在实验基础上发展起来的学科，有很多的实验现象和原理，学生理解起来相对困难。这就需要教师善于采用不同的教学手段，来激发学生的兴趣。如果这时适当地选用合适的网络多媒体方式来刺激学生，吸引学生，创设新的兴奋点，就能激发学生的主动性和积极性来学习物理。
在人教版初中物理第十四章“压强和浮力”中，有一节是关于大气压强的内容，其中有马德堡半球实验，条件所限，无法进行实景重现。此时就可以用信息技术将300年前的实验展现在学生面前，多媒体较强的音效和视觉冲击，能够吸引学生的兴趣。分别拉两个半球的马匹，从两匹到四匹、八匹，直到十六匹，配上动感的音乐，这时听到一声巨响，两个半球被拉开，学生就能记住大气压强的神奇。这样不仅使学生掌握了知识，对于培养学生学习物理的兴趣有很好的作用。
立体演示实验，帮助学生理解教学难点 物理作为一门抽象性比较强的学科，有些物理原理有很强的抽象性和概括性，学生在理解时有一定的困难。如果这时能够适时地将传统教学方式和信息技术相结合，如放大、分解等，就能为学生展示立体形象的实验现象。
在学习人教版初中物理第十三章“力和机械”中关于动滑轮的原理时，学生很难理解用杠杆模型解释动滑轮的原理。这时如果能够通过多媒体将动滑轮转动过程中的减速、停留等予以分解，给学生思考的时间，学生就比较容易理解。又如，学习“声音的传播”相关教学内容时，教师可以借助多媒体Flash播放不同的声音：飞机轰鸣的声音、悠扬的琴声、潺潺的流水声……在此基础上启发学生思考声音究竟是怎么产生的呢？产生后人们是怎样接受到它？声音为什么不一样？此时，学生探究问题的兴趣会明显增强，通过课本知识的介绍，自然会了解到声音的产生和传播的相关知识。这时，教师可以让学生自己模拟相近的实验，比如敲桌子、说话等，鼓励学生来进一步感受声音是如何产生的，又是如何传到人的耳朵里的。
有些物理实验过程较快，学生还没观察仔细，实验结果就出来了，并且有的现象太模糊，学生无法详细地看清楚。利用多媒体就能够立体地将实验具体过程展示到学生面前。人教版初中物理第十四章“压强和浮力”中有运用大气压强原理来制作活塞式抽水机的内容，因为相关实验仪器较多，如果教师只是对实验进行展示，学生很难理解。而利用多媒体，学生可以看到抽水机工作的每一个过程：活塞提起时，在桶内就制造了一个较低的气压区，大气压强将下面的阀门冲开，外面的大气压就将水压倒桶内。多媒体可以根据学生掌握的情况进行暂停、回放等，再加上教师的讲解，学生能更清晰地学到整个实验的过程和原理。
开放学生学习环境，搭建网络教育平台延伸课外 利用信息技术，能够实现教学方式的开放，让教学活动在观念、课堂教学方式、作业形式等方面开放。在课堂教学方式上，改变了传统的单向教学方式，而向教师与学生互动的教学上转变，不只是让学生增长知识，更注重培养学生各方面的能力。教师可以在课堂中给学生布置一些上机作业，鼓励学生利用信息技术来寻找课本上一些问题的答案。在作业形式，传统的作业大多是在作业本上，比较单一。教师可以鼓励学生建立在线讨论小组，利用信息技术将知识的学习不再局限于课堂之内，而延伸到日常生活中。
4 总结
多媒体技术是新课改下的有效辅助教学手段，将信息技术和初中物理课堂教学相结合，对于丰富传统教学方式，提高学生学习主动性和兴趣，提升教学效率和质量有着重要的促进作用。但值得注意的是信息技术不是完美的，教师要充分发挥其优势，将其和课堂教学中的实验演示教学、板书教学有机结合起来，只有这样才能更好地促进学生对物理知识的学习。
参考文献
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准技术标准 篇11
连杆裂解 (也称“胀断”) 加工工艺作为一种新型制造技术以其较低的加工成本、良好的产品机械性能与重复定位精度被广泛应用[1]。连杆裂解加工原理是运用断裂力学的应力集中理论, 在连杆大头端预先加工初始裂纹槽, 形成应力集中源, 再在裂解装备上施加垂直于预定断裂面的载荷引裂, 从而实现连杆盖与杆的无屑断裂剖分[2,3]。连杆裂解试验表明, 裂解过程的启裂时间为毫秒量级, 属准静态断裂范围[4]。本文采用MSC.Marc对连杆裂解加工进行数值模拟分析, 以临界J积分JIC和联合强度理论的最大主应力准则作为连杆启裂的判据, 分析连杆裂纹槽启裂时的应力分布以及塑性应变场和位移场, 进而分析准静态条件下连杆裂解加工的缺陷产生原因。
1 连杆及材料性能
连杆形状及主要尺寸如图1所示, 质量0.6kg, 大头孔直径49mm, 小头孔直径23mm, 中心距149mm, 大头厚度25mm。裂纹槽张角α=90°, 槽深h=0.6mm, 槽根部曲率半径r=0.2mm, 裂纹槽长度等于连杆大头厚度。
连杆材料为高碳微合金非调质钢C70S6 (化学成分见表1) , 以热轧状态供货, 组织为珠光体。单向拉伸试验测得C70S6应力应变曲线[5] , 给出屈服强度σy 0.2=585MPa, 抗拉强度σb= 945MPa, 弹性模量E=2.1×105MPa, 泊松比υ=0.3。
在实际连杆裂解加工中, 连杆的小头端和杆部对于断裂剖分几乎没有影响, 因此在裂解过程数值分析中可不予考虑;同时因其对称性, 只需取连杆大端1/2作为数值模拟分析对象。
2 数值分析关键技术
2.1 裂纹区与非裂纹区网格划分
裂纹区为连杆受预制裂纹槽应力集中效应显著影响进而发生塑性变形的主要区域。位于裂纹槽附近的裂纹区是连杆裂解过程启裂和发生塑性变形的关键区域, 裂纹区网格划分的优劣直接影响到J积分的计算以及应力应变运算的准确性与连续性。非裂纹区为连杆主体部分, 其网格划分既要与裂纹区网格匹配, 又要避免网格过细运算繁琐。
裂纹区网格采用精度较高的八节点六面体单元, 如图2a所示;非裂纹区采用一般的四节点四面体单元, 如图2b所示。在靠近裂纹区的非裂纹区种子密集, 这是由于靠近裂纹区的连杆主体区域受裂纹区变形影响, 而远离裂纹区的部分几乎不发生塑形变形。采用MSC.Marc的GLUE功能[6]将裂纹区和非裂纹区粘结在一起, 从而实现网格的疏密过渡, 达到提高计算速度和分析精度的目的。
2.2 接触与约束处理
在接触分析中设定7个接触体, 分别为裂纹区、非裂纹区、动套、定套、动套刚性面、定套刚性面和对称面, 如图3所示。连杆主体非裂纹区与裂纹槽附近裂纹区设置为变形接触体, 动套、定套设定为各向同性弹性体, 接触关系为TOUCH。同时, 动套与动套刚性面、定套与定套刚性面采用GLUE功能粘结, 并通过在刚性面上施加载荷、推动动套和定套给连杆施加用于断裂剖分的载荷。
在约束处理中, 将连杆裂解的参考点设定在裂纹尖点, 而控制点分别设定在动套刚性面和定套刚性面上, 裂解加工的主动力以点载荷的形式施加在控制点上。其他约束为根据实际工况而设定的位移边界条件。
2.3 无应力投影功能的应用
由于连杆品种多且形状复杂, 在网格生成时一般采用半自动网格划分方法, 其大头孔内节点位置变化较大;而在大头孔内施加载荷的动套和定套形状简单, 采用网格延伸功能划分节点分布规律, 因此必然会造成二者接触边界上网格错位现象, 致使运算结果失真。为解决此问题, 采用无应力投影功能 (Project Stress-Free) 。图4为无应力投影时的数值模型放大位移图。不采用无应力投影选项会产生较大的人工应力, 将动套、定套反弹回来并与连杆大头孔脱离 (图4b放大示出动定套与连杆大头孔的间隙) , 使接触状态失真。为了消除由于接触体之间网格错位造成的人工应力, 在相对位移总量不大的前提下, 采用无应力投影功能更有利于求解出精确的运算结果[7]。
2.4 载荷工况及自适应加载步长
用增量非线性有限元分析结构在准静态载荷作用下响应时, 要以增量形式施加外载荷和力边界条件。由于整个加载历程中非线性程度的不均匀性, 有必要采用能自动确定出能够保证足够快的收敛性的较大步长的加载方式。
Auto Increment方法是分析准静态机械载荷 (包括接触) 作用下结构呈现高度几何、材料或边界条件非线性时的自适应控制的加载方法, 它可追踪出失稳的完整路径, 解决连杆裂解中的几何非线性和材料非线性问题, 准确反映连杆断裂失效的极限载荷, 因此特别适用于连杆裂解分析。
3 连杆裂解启裂分析
3.1 裂纹启裂的理论判据
临界J积分值是材料特有的用来衡量韧脆程度的力学参数。当裂尖场达到使裂纹开始扩展的临界强度时, J积分也达到其相应的临界值JIC[8,9,10], 因此临界J积分值JIC可作为连杆裂解中预制裂纹槽启裂的判据。已通过试验和数值模拟相结合给出C70S6材料临界J积分值JIC=2.88N/mm, 因此在连杆准静态裂解过程数值模拟分析中, 当模拟分析工步J积分值达到2.88N/mm时确定为裂纹槽进入启裂状态。
联合强度理论认为, 引起塑性变形和切断的原因是最大切应力, 引起正断的原因是材料中的最大拉应力[11], 由连杆裂解的实际结果可以看到连杆最终断裂为正断, 因此启裂时, 即达到临界J积分值时, 可以通过对连杆裂纹槽附近最大主应力 (即为拉应力) σmax的分布来分析连杆发生正断时各部位的应力状态。
3.2 裂纹区截面最大主应力分布
连杆的启裂发生在裂纹区, 因此只需分析启裂 (即J积分接近JIC) 时的裂纹区最大主应力状况。图5为在连杆厚度方向的上表面、中间截面和下表面裂纹区的最大主应力σmax分布云图以及相应部位的裂尖附近放大云图。图5显示了启裂时上下表面与中间截面裂纹区的σmax分布明显不同。裂纹区的σmax峰值区域位于中间截面上环绕裂纹尖点呈±45°、±135°对称分布, 其最大主应力σmax的最大值为1663MPa。
由图5可见:裂纹区上、下表面上应力峰值区均没有达到中间截面的最大主应力值, 围绕裂纹尖端分别在上、中、下表 (截) 面的一侧取节点为1～5、6～10、11～15。表2给出对应图5标示的节点的最大主应力值, 其数据表明:上、中、下表 (截) 面裂尖1、6、11节点的σmax值已超过材料屈服极限σy0.2, 接近但尚未达到材料强度极限, 而包含在应力峰值区域内的3、8、13号节点的σmax已超过材料强度极限。这说明启裂将发生在裂尖附近而非裂尖。
值得说明的是, 由于4个σmax峰值区距离裂纹尖点很近, 最远距离只有0.139mm, 因此即使在距裂尖最远位置±135°的σmax峰值区处开裂, 开裂点至裂尖只是形成宽度为0.139mm的断裂剪切唇, 仍可看作正断。因此, 采用联合强度理论的最大主应力准则来进行启裂判断是完全可行的。
3.3 厚度方向启裂点分布
图6为启裂时裂纹区σmax分布及局部放大图。由图可见:沿连杆厚度方向σmax峰值区有两处, 位于中部区域裂纹尖点两侧并分别向连杆上、下表面过渡。连杆的启裂应首先选择应力集中最严重的部位, 即中部和两个平行的高应力区, 并且伴随着从裂纹尖点附近向裂纹区以外扩展的同时, 由裂纹槽中部向裂纹区上下表面扩展。由于中部启裂点的不唯一以及裂纹扩展方向的不同, 必然存在因裂纹交汇而在断裂面形成裂解台阶, 严重时会出现裂纹分叉或爆口现象。图7给出准静态加载条件下连杆裂解照片, 可看到连杆断裂面外轮廓的台阶、裂纹分叉、爆口等缺陷。在连杆裂解加工实际生产中, 可采用“背压”加工、提高裂解的加载速度等相应措施, 加速韧-脆性转化、改善启裂点的不唯一以及分散分布的状况, 引导裂纹从单点启裂并定向扩展, 以降低裂解生产的缺陷。
3.4 整体塑性应变场及位移场
图8为启裂前等效塑性应变分布云图。由图8可见:仅裂尖附近存在塑性应变, 其等效塑性应变最大值为0.03;除裂尖外, 裂纹区大部分的塑性应变为零。这说明连杆裂解时主要发生弹性变形, 仅裂尖附近发生局部塑性变形。断裂后卸载回弹, 大头孔残留 (永久) 变形很小。
图9为启裂时连杆大头孔位移场分布云图。 缺口处的X方向位移36.84～41.58μm、Y方向位移为-13.92～6.48μm。由于裂纹区缺口附近出现局部塑性区, 将产生永久变形, 但该处在启裂时因弹塑性变形产生的X方向收缩δxep≤41.58μm, Y方向总伸长δyep≤20.4μm。其中, 与连杆主轴重合的位置Y方向位移最大, 分别为±0.16mm, 即启裂前在载荷作用下连杆大头孔Y方向最大变形量将达到0.32mm左右, 但由于塑性区仅出现在缺口附近极小的区域内, 而非裂纹区以及裂纹区大部分均处于弹性范围之内, 卸载后弹性变形可恢复, 因此利用断裂面啮合大头孔复圆后, 仅残留裂纹槽尖端塑性区的永久变形, 其残留变形量远远小于该处弹塑性变形δxep和δyep。
在连杆裂解加工中, 由于局部塑性区的存在, 连杆裂解后必然残留永久变形而呈现大头孔失圆, 因此在实际生产过程中, 需对裂解加工前后连杆大头孔直径变化量作出技术要求, 并采用扫描、三座标测量仪等进行检测, 或对裂解加工的连杆进行杆、盖合装后, 采用四点测量夹具进行大头孔椭圆度的检测。
本文对图1所示的连杆进行了准静态裂解试验。裂解后合装连杆并测量了大头孔直径的变化量:大头孔Y方向伸长20μm左右。这表明了数值模拟的准确性和有效性。考虑断裂剖分前连杆大头孔半精加工的误差, 在制订连杆裂解加工技术要求时, 一般要求轿车连杆大头孔直径变化量控制在50μm, 并利用后续精加工消除裂解变形造成的大头孔椭圆。
4 结论
(1) 在连杆准静态裂解数值模拟中, 通过对裂纹区与非裂纹区网格划分、接触定义与约束施加、无应力投影功能与自适应加载步长等一些关键技术的运用, 模拟结果很好地反映了实际工况, 提高了增量非线性有限元分析的精度和效率。
(2) 连杆裂解时表现为正断, 采用临界J积分和最大主应力准则判定数值模拟中裂纹槽的启裂合理且可行, 对于不同规格的连杆裂解均可应用, 具有广泛性。
(3) 连杆裂解启裂时的启裂点位于裂纹尖点附近而非裂纹尖点, 启裂点不唯一且沿连杆厚度方向散布, 但启裂率先发生在中部裂纹区最大主应力峰值域, 由裂纹槽中部向裂纹槽上下表面和外轮廓扩展。
(4) 裂纹槽启裂时, 仅在裂尖附近存在极小的塑性变形区, 裂纹区大部分以及非裂纹区均处于弹性变形状态。因此, 连杆裂解加工后大头孔塑性变形较小, 可通过后续精加工消除裂解加工造成的大头孔椭圆。
(5) 在准静态加载条件下连杆裂解, 由于启裂点散布以及裂纹扩展路径不同, 极易造成裂纹交汇异常, 从而导致诸如爆口、裂纹分叉, 断裂面台阶等缺陷。改变加载方式, 如裂解过程中施加“背压”或者提高加载速度, 都将对裂解加工产生很大影响, 也是进一步研究的重点。
摘要：对连杆准静态裂解进行了数值模拟分析, 对裂纹区网格划分、接触与约束处理、无应力投影功能与自适应加载步长等关键技术进行了探讨;运用临界J积分和最大主应力准则作为连杆启裂的判据, 分析了启裂时连杆应力场、塑性场及位移场, 给出启裂点的分布状况。数值分析表明:连杆裂解的塑性区只存在于裂纹区裂尖附近, 启裂点不唯一且沿连杆厚度方向散布在裂尖, 但启裂率先发生在中部裂纹区的最大主应力峰值域, 并向上下表面和外轮廓扩展。启裂点散布以及裂纹扩展路径不同极易造成裂纹交汇异常, 并导致裂解过程中的爆口、断裂面台阶等裂解缺陷。
关键词：内燃机,连杆裂解,数值模拟,裂纹区,启裂,最大主应力
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