医学图像处理技术综述（精选11篇）
医学图像处理技术综述 篇1
0、引言
医学图像处理的对象是各种不同成像机理的医学影像，临床广泛使用的医学成像模式主要分为X-射线成像（X-CT）、核磁共振成像（MRI）、核医学成像（NMI）和超声波成像（UI）四类。在目前的影像医疗诊断中，主要是通过观察一组二维切片图象去发现病变体，这往往需要借助医生的经验来判定。利用计算机图象处理技术对二维切片图象进行分析和处理，实现对人体器官、软组织和病变体的分割提取、三维重建和三维显示，可以辅助医生对病变体及其它感兴趣的区域进行定性甚至定量的分析，从而大大提高医疗诊断的准确性和可靠性；在医疗教学、手术规划、手术仿真及各种医学研究中也能起重要的辅助作用。医学图像处理技术包括很多方面，本文主要从图像分割、图像配准、图像融合技术方面进行介绍。
1、图像分割
医学图像分割就是一个根据区域间的相似或不同把图像分割成若干区域的过程。目前，主要以各种细胞、组织与器官的图像作为处理的对象。传统的图像分割技术有基于区域的分割方法和基于边界的分割方法，前者依赖于图像的空间局部特征，如灰度、纹理及其它象素统计特性的均匀性等，后者主要是利用梯度信息确定目标的边界。结合特定的理论工具，图象分割技术有了更进一步的发展。比如基于三维可视化系统结合FastMarching算法和Watershed变换的医学图象分割方法，能得到快速、准确的分割结果[1]。
近年来，随着其它新兴学科的发展，产生了一些全新的图像分割技术。如基于统计学的方法、基于模糊理论的方法、基于神经网络的方法、基于小波分析的方法、基于模型的snake模型 (动态轮廓模型) 、组合优化模型等方法。虽然不断有新的分割方法被提出，但结果都不是很理想。目前研究的热点是一种基于知识的分割方法，即通过某种手段将一些先验的知识导入分割过程中，从而约束计算机的分割过程，使得分割结果控制在我们所能认识的范围内而不至于太离谱[2]。比如在肝内部肿块与正常肝灰度值差别很大时，不至于将肿块与正常肝看成2个独立的组织。
医学图像分割方法的研究具有如下显著特点：现有任何一种单独的图像分割算法都难以对一般图像取得比较满意的结果，要更加注重多种分割算法的有效结合；由于人体解剖结构的复杂性和功能的系统性，虽然已有研究通过医学图像的自动分割区分出所需的器官、组织或找到病变区的方法[3]，但目前现成的软件包一般无法完成全自动的分割，尚需要解剖学方面的人工干预[4]。在目前无法完全由计算机来完成图像分割任务的情况下，人机交互式分割方法逐渐成为研究重点；新的分割方法的研究主要以自动、精确、快速、自适应和鲁棒性等几个方向作为研究目标，经典分割技术与现代分割技术的综合利用 (集成技术) 是今后医学图像分割技术的发展方向。
2、图像配准
图象配准是图象融合的前提, 是公认难度较大的图象处理技术, 也是决定医学图象融合技术发展的关键技术。在临床诊断中, 单一模态的图像往往不能提供医生所需要的足够信息，常需将多种模式或同一模式的多次成像通过配准融合来实现感兴趣区的信息互补。在一幅图像上同时表达来自多种成像源的信息，医生就能做出更加准确的诊断或制定出更加合适的治疗方法。医学图像配准包括图像的定位和转换, 即通过寻找一种空间变换使两幅图像对应点达到空间位置和解剖结构上的完全一致。要求配准的结构能使两幅图象上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义以及手术区域的点都达到匹配[5]。1993年Petra等综述了二维图像的配准方法, 并根据配准基准的特性, 将图像配准的方法分为基于外部特征的图象配准 (有框架) 和基于图象内部特征的图象配准 (无框架) 两种方法。后者由于其无创性和可回溯性, 已成为配准算法的研究中心。
近年来, 医学图像配准技术有了新的进展, 在配准方法上应用了信息学的理论和方法, 例如应用最大化的互信息量作为配准准则进行图像的配准, 基于互信息的弹性形变模型也逐渐成为研究热点[6]。在配准对象方面从二维图像发展到三维多模医学图像的配准。一些新算法，如基于小波变换的算法、统计学参数绘图算法、遗传算法等，在医学图像上的应用也在不断扩展。向快速和准确方面改进算法, 使用最优化策略改进图像配准以及对非刚性图像配准的研究是今后医学图像配准技术的发展方向。
3、图像融合
图像融合的主要目的是通过对多幅图像间的冗余数据的处理来提高图像的可读性，对多幅图像间的互补信息的处理来提高图像的清晰度。多模态医学图像的融合把有价值的生理功能信息与精确的解剖结构结合在一起，可以为临床提供更加全面和准确的资料。融合图像的创建分为图像数据的融合与融合图像的显示两部分来完成。目前，图像数据融合主要有以像素为基础的方法和以图像特征为基础的方法。前者是对图像进行逐点处理, 把两幅图像对应像素点的灰度值进行加权求和、灰度取大或者灰度取小等操作，算法实现比较简单, 不过实现效果和效率都相对较差，融合后图像会出现一定程度的模糊。后者要对图像进行特征提取、目标分割等处理, 用到的算法原理复杂，但是实现效果却比较理想。融合图像的显示常用的有伪彩色显示法、断层显示法和三维显示法等。伪彩色显示一般以某个图像为基准用灰度色阶显示, 另一幅图像叠加在基准图像上, 用彩色色阶显示。断层显示法常用于某些特定图像, 可以将融合后的三维数据以横断面、冠状面和矢状面断层图像同步地显示, 便于观察者进行诊断。三维显示法是将融合后数据以三维图像的形式显示，使观察者可更直观地观察病灶的空间解剖位置，这在外科手术设计和放疗计划制定中有重要意义。
在图像融合技术研究中, 不断有新的方法出现，其中小波变换、基于有限元分析的非线性配准以及人工智能技术在图像融合中的应用将是今后图像融合研究的热点与方向。随着三维重建显示技术的发展, 三维图像融合技术的研究也越来越受到重视，三维图像的融合和信息表达, 也将是图像融合研究的一个重点。
在计算机辅助图像处理的基础上，开发出综合利用图像处理方法，结合人体常数和部分疾病的影像特征来帮助或模拟医生分析、诊断的图像分析系统成为一种必然趋势。目前已有一些采用人机交互定点、自动测量分析的图像分析软件[7]，能定点或定项地完成一些测量和辅助诊断的工作，但远远没有达到智能分析和专家系统的水平；全自动识别标志点并测量分析以及医学图像信息与文本信息的融合，是计算机辅助诊断技术今后的发展方向。
4、结束语
随着医疗技术和计算机科学的蓬勃发展，对医学图象处理提出的要求也越来越高。有效地提高医学图象处理技术的水平，与多学科理论的交叉融合，医务人员和理论技术人员之间的交流就显得越来越重要。医学图象处理技术作为提升现代医疗诊断水平的有力依据, 使实施风险低、创伤性小的手术方案成为可能，必将在医学信息研究领域发挥更大的作用[8]。
摘要：医学影像已成为医学技术中发展最快的领域之一, 临床医生在医学图象处理技术的帮助下, 对人体内部病变部位的观察更直接、更清晰, 确诊率也更高。本文对图像分割、图像配准和图像融合等医学图像处理技术的现状和发展进行了综述。
关键词：医学图像处理,图像分割,图像配准,图像融合
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医学图像处理技术综述 篇2
1、引言
随着Internet与数字媒体技术的飞速发展，信息安全问题日益突出，主要表现在数字媒体被非法复制、篡改、传播与攻击等。因此，数字媒体的版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，数字水印技术就是在这种需求下迅速发展起来的。
数字水印是一类信息隐藏技术，其基本思想是通过一定的算法将一些标志性信息嵌入到公开信息中，以达到隐匿信息的目的。其在知识产权保护、保密通信与内容鉴别等领域都具有广泛的应用价值。数字水印技术最初由Van Schyndel等人在1994年的ICIP会议上提出，他们针对灰度图像提出了两种向图像最低有效位嵌入水印的算法。1996年在英国剑桥召开了信息隐藏领域的第一次学术研讨会，标志着信息隐藏作为一个新学科的诞生。十多年来，数字水印技术得到了长足的发展，在水印的嵌入和检测方面，都取得了较多的成果。
目前，国际上剑桥大学、IBM研究中心、NEC美国研究所、麻省理工学院等都对数字水印进行了深入的研究。国内在数字水印方面的研究起步稍晚，但发展迅速。1999年12月召开了第一届全国信息隐藏学术会议。2000年1月，由国家863计划智能计算机专家组织展开了“数字水印技术学术研讨会”，体现了我国对这一领域研究的高度重视。目前，国内清华大学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、浙江大学、国防科技大学等都在该领域取得了不菲的成果。
2、数字水印的研究现状 2.1文本水印
文本水印就是将代表著作人身份的信息（水印）嵌入到电子出版物中，在产生版权纠纷时来验证版权的归属。其主要分为三大类：基于文档结构的水印方法、基于自然语言处理技术的水印方法、基于传统图像的水印方法。基于文档结构的各种水印方法都只是提留在文本的表层，无法抵抗对于文本结构和格式的攻击，简单的重新录入攻击就能使之失效，因此这些水印方法普遍存在鲁棒性差的缺点。自然语言文本水印方法相对提高了抗攻击的能力，但普遍存在容量不足的问题。基于传统图像的文本水印普遍存在鲁棒性不高、操作复杂的缺点。2.2图像水印
根据水印的实现过程，图像水印算法可分为空域算法和变换域算法。空域算法是通过直接改变原始图像的像素值来嵌入水印，通常具有较快的速度，但鲁棒性差，且水印容量也会受到限制；变换域算法是通过改变某些变换系数来嵌入水印，通常具有很好的鲁棒性和不可见性。其实现一般是基于图像变换，如DCT、DFT、DWT等。重点介绍一下变换域算法。2.2.1离散傅里叶变换（DFT）
该方法是利用图像的DFT来嵌入信息。通信理论中调相信号的抗干扰能力比调幅信号的抗干扰能力强，同样在图像中利用相位信息嵌入的水印也比用幅值信息嵌入的水印更稳健。实验表明该方法的抗压缩能力比较弱。2.2.2离散余弦变换（DCT）
DCT能把空间域的图像转换到变换域上进行研究，从而能很容易了解到图像的各空间频域成分，进行相应处理。基于DCT的水印方法与基于DFT的水印方法相比有较好的鲁棒性，但是无法做到对图像信号内容的自适应，因此往往会造成对图像特征的明显损害，不可感知性不是最佳。2.2.3离散小波变换（DWT）
DWT是一种时间-频率信号的多分辨率分析方法，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。实验表明，与DFT、DCT变换相比较，基于DWT的水印算法的鲁棒性最优，且与JPEG2000，MPEG4压缩标准兼容，利用DWT产生的水印具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力，且不可感知性最好。2.3音频水印
音频水印利用音频文件的冗余信息和人耳听觉系统的特点来嵌入水印，其可以保护声音数字产品不被随意复制和篡改，如CD唱片，广播电台的节目内容等。有学者提出了音频水印的三种基本方法：扩频嵌入方法、回声隐藏方法和相位编码方法。2.4视频水印
视频水印是通过对视频载体的时间和空间冗余来嵌入水印，其既不影响视频质量，又能达到保护节目制作者的合法权益和控制数字产品的复制。视频水印从算法要求上同图像水印有许多相似之处，但视频水印也有一些独特之处，如能够在压缩和未压缩的格式下实时完成水印的检测，对MPEG压缩、串谋攻击、A/D和D/A转换等都有较好的稳健性。
3、数字水印算法
从水印嵌入方式的角度来看，数字水印算法主要分为两大类：空间域水印算法和变换域水印算法。3.1基于空间域的水印算法
空间域的水印算法将水印信息直接嵌入在图像的灰度值中，该算法大都是基于最不显著位LSB（Least Significant Bit）方法。这种水印算法的特点是对水印的嵌入和提取简单、快速，嵌入的水印信息量大，但由于它位于图像的LSB上，稳健性较差，容易受到有损压缩、量比、有噪信道传输的影响。比较典型的空间域算法包括Schyndel算法和Patchwork算法等。Schyndel算法把一个密钥输入一个m序列发生器来产生水印信号，然后将该序列重新排列成二维水印信号，并按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位。Patchwork算法处理对象为256个亮度级和线性量化的图像且所有的亮度级的概率相等，图像中的任一像素值与其余的像素值是不相关的。该算法首先随机选取N对像素点，然后通过增加像素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。李旭东等人分析了现有的抗几何攻击算法的不足，并提出了一个新的抗几何攻击的图像数字水印算法。该算法在水印嵌入时，先对原始图像进行分块，然后对各个子块图像根据量化策略重复嵌入相应的1bit水印信息；在水印提取时，先将含水印图像进行分块，然后对从各个子块图像中提取出的水印信息根据多数原则判定相应子块图像所含的1bit水印信息。3.2基于变换域的数字水印算法
基于变换域的水印算法是目前应用最广泛的方法，这种方法是将图像变换到频域中，然后通过改变某些频域系数来嵌入水印。频域中能量分布较集中，且图像像素点间有一定的相关性，这有利于保证水印的不可见性，鲁棒性好。常用的变换有：离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）、离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）、离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT）。Cox算法是典型的离散余弦变换水印算法，该算法首先计算图像DCT系数，然后选择那些视觉重要部分的系数嵌入水印。文献[6]首先把图像分成8×8的不重叠像素块，经过分块DCT变换后，得到由DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中，其特点是数据改变幅度小，透明性好，但抵抗几何变换等攻击的能力弱。C.T.Hsu等人提出了基于可视化模型的算法，在8×8图像块的DCT系数中，选择4×4个中频系数组成小块，通过比较相邻两个小中频系数块中相应位置上系数的大小，进行水印的嵌入，由于采用了可视化模型，提高了水印的不可见性。黄继武等人利用人类视觉系统的照度掩蔽特性和纹理掩蔽特性，将空域中的图像块(8×8)分成三类，然后将不同强度的伪随机序列的水印分量自适应地嵌入到不同类图像块的DCT低频系数中，实现水印的嵌入。肖俊等人将多级离散小波变换的“多级”思想引入到离散余弦变换中，并对多级离散余弦变换的特性进行了分析，在此基础上提出了一种基于多级离散余弦变换的数字水印算法，该算法从多级离散余弦变换系数中选择适当的位置嵌入水印信息。离散傅立叶变换可以很好地表达图像的构造分布，其平移、放缩和旋转特性常常被用来构造几何变换的鲁棒水印。V Solachdis等人构造了一个环带状对称水印，水印信息为(1,-1)，将其嵌入到DFT的中频子带中，可以抵抗压缩、旋转、剪裁等操作。J.J.K.O.Ruanaidh等人在水印算法中使用Mellin-Fourier变换，将水印嵌入在只与傅立叶变换的振幅有关的子空间中。Jce Ruanaidh等人提出了一种基于相位调制的水印算法。赫明钊等人提出一种基于分数傅里叶变换和随机相位编码的光学加密数字水印技术，该数字水印技术对于噪音叠加和常见的图像处理操作具有较强的稳健性。
小波变换是一种比较特殊的变换方式，它具有多分辨率分析的特点，而小波基和小波变换级数的选择更是给小波变换域数字水印算法的设计带来了很大的灵活性和优越性。Hsu和Lwu提出了多分辨率分析的水印算法，首先对水印和原始图像同时进行多分辨率分析，然后将水印在分辨率下的分析系数嵌入到具有相应分辨率的图像块中，这样，即使含水印的图像质量受到了攻击，丢失了部分信息，较低分辨率的水印仍然保存在较低分辨率的图像块中，因此水印具有较高的稳健性。X.G.Xia等人选用满足正态分布的伪随机序列做水印，在整幅小波分解生成的图像中，用由高分辨率到低分辨率、同一分辨率下由高频到低频逐个子带添加水印的方法进行嵌入。这种水印算法的优点是水印检测按子带分级扩充水印序列进行，在水印图像质量破坏不大的情况下，水印检测可以在搜索少数几个子带后终止，提高了水印检测的效率。H.M.Wang等人在上述方法的基础上进一步利用渐进编码的思想进行水印的嵌入和检测。首先通过一定的阈值选择一个小波分解的重要子带，在子带中从处于高位平面的系数到处于低位平面的系数上，添加水印直到所有水印点嵌入到图像中，该算法给出了一种不使用原始图像的盲检测方案。Lu Jiang和ZhangRan采用基于2维离散小波变换的数字水印方法，可以在不影响图像视觉效果的情况下，将水印信息嵌入到高通小波系数中，可以在一定程度上抵制压缩攻击和几何攻击。3.3基于融合的数字水印算法
图像融合主要有两种方式。一种是将两幅图像按照某种方式叠加生成一个新的图像，使新图像中包含两个图像的信息。采用较好的融合算法能保证恢复时无需原始公开图像。另一种是利用数字图像的自相关性，通过放大原始公开图像来隐藏与公开图像同样大小的数字图像。此方法对于彩色图像的隐藏比较实用，尤其适用于BMP彩色图像的加密隐藏，而且对所要隐藏的图像进行置乱处理后，安全性更高。
除了以上数字水印算法外，还有其他一些算法，比如分形水印、基于特征的水印算法等。
4、数字水印的应用领域 4.1 版权保护
版权保护是数字水印的最主要应用领域，其思想是数字作品的所有者通过密钥产生水印，利用一定的嵌入方法，将水印嵌入原始数据(图像、声音、视频等)，然后公开发布嵌入水印的作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用水印提取、检测、验证等方法，使嵌入的水印成为鉴定、起诉非法侵权的证据，从而保护所有者的权益。4.2 来源追踪
为避免未经授权的拷贝和发行，出品人可以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印(数字指纹)嵌入作品的合法拷贝中。如果发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的水印(数字指纹)来确定它的来源。4.3 信息标注
数字作品具有很多属性信息，如作品的标题、创作者等，利用数字水印技术将这些信息嵌入到作品中，不但不需要额外的带宽和存储，而且不易丢失。另外，国防和情报部门还可以利用数字水印技术实现隐蔽通信。4.4 访问控制
利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。DVD防拷贝系统是访问控制的一个典型的应用例子，它将数字水印信息加入DVD数据中，并在DVD播放机中增加验证模块，使用DVD播放机之前，可以事先检测DVD数据中的水印信息来判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。还可以通过计算使用次数和复制次数进行控制，防止用户无限制地复制使用。
4.5 认证和完整性校验
国内外渗滤液处理技术的综述 篇3
关键词:渗滤液处理技术;物化处理、生化处理;土地处理;回灌法
中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0016-02
垃圾填埋场渗滤液是一种成分复杂且水质、水量变化大的高浓度有机废水,因此,渗滤液的处理一直是水处理领域的一个世界性的难题。近年来,垃圾渗滤液处理技术有了很大的发展。目前渗滤液处理方法按进程可分为预处理、主处理、深度处理,国内外针对垃圾渗滤液处理的研究主要集中在高浓度氨氮的去除以及深度处理两个方面。
预处理一般采用氨吹脱、吸附、混凝沉淀、膜技术、光催化氧化及电化学技术等物理化学方法,主处理采用厌氧、好氧、厌氧与好氧结合等生物处理方法,深度处理可采用混凝沉淀、过滤、吸附、化学氧化和催化氧化、反渗透、超滤技术等物理化学方法。
1 物化处理
物化法包括吸附、混凝沉淀、吹脱、膜技术、光催化氧化及电化学技术等。和生物处理相比,物化处理不受水质水量变动的影响,出水水质比较稳定,尤其是对BOD5/COD比值较低(0.07～0.20)难以生物处理的垃圾渗滤液,有较好的处理效果。但物化方法处理成本较高,不适于大水量垃圾渗滤液的处理,一般是作为生物处理的预处理工艺,以减轻生物处理的负荷,或作为生物处理的后续工艺,以确保最后出水水质达到设计要求。
混凝沉淀法:在废水中投加某些化学混凝剂,它与废水中可溶性物质反应,产生难溶于水的沉淀物,或混凝吸附水中的细微悬浮物及胶体杂物而下沉。这种净化方法可降低废水浊度和色度,可去除多种高分子物质、有机物、某些金属毒物以及导致富营养化物质氮、磷等可溶性无机物。金属盐类混凝剂中使用最广泛的是铝盐和铁盐。铝盐使用较多的是硫酸铝和明矾;铁盐使用的较多的是三氯化铁和硫酸盐铁。高分子混凝剂主要有聚合氯化铝、碱式氯化铝和聚丙烯酰胺等。聚合氯化铝因絮凝体形成较快,颗粒大而重,投加量远低于硫酸铝而广泛应用。混凝法与其他的废水处理方法比较,其优点为:设备简单,维护操作易于掌握,处理效果好,间歇或连续运行均可以,缺点是由于不断向废水中投药,经常性运行费用较高、沉渣量较大,且脱水困难。
湿式空气氧化(wet air oxidation,简称WAO):属于自由基反应,包括均相催化湿式氧化技术和非均相催化湿式氧化技术。目前,最受重视的均相催化剂都是可溶性的过度金属的盐类,它们以溶解离子的形式混合在废水中,其中,以铜盐效果最为理想。Fenton试剂法也是一种比较理想的均相催化湿式氧化剂,它是用可溶性亚铁盐和双氧水按一定比例混合所组成的试剂。邹长伟[8]等人研究采用PAF混凝加UV-Fenton工艺进行垃圾渗滤液深度处理的研究,在最佳工艺条件下,对垃圾渗滤液处理的总效率为COD去除率达68.5%,色度去除率达99%。
电化学氧化法:电化学氧化法近来也被发展成为处理垃圾渗滤液的一种方法,此法适于处理难处理的污染物(如苯胺等),能去除色度,具有高效、操作容易等优点。电化学氧化技术能够把不可生化降解的有机物转换成可生化降解的中间产物,甚至可把有机物彻底氧化为CO2和H2O。电化学氧化法处理难生化降解有机废水的研究是近年人们普遍重视的课题,尤其在国外,对该技术已有较多的研究。但总的来看,仍处于探索阶段。
膜分离法:膜法是利用隔膜使溶剂与溶质或微粒分离的一种水处理方法。应用于垃圾渗滤液的膜分离技术主要有两种,即反渗透技术和超滤技术,有关纳滤的技术也有报道。在渗滤液的后处理中经常使用反渗透工艺,该法能够去除中等分子量的溶解性有机物,国内早期试验表明,CODCr的去除率可以达80%以上,虽然使用过程中有膜污染的问题。但作为后处理工艺,反渗透工艺在生物预处理后或物化法之后,能够去除低分子量的有机物、胶体及悬浮物,提高了处理效率,延长了膜的使用寿命。
2 生化处理
生化处理是渗滤液处理中最常用的方法之一,技术相对比较成熟,而且成本相对较低、效率高,消除了化学污泥等造成二次污染,因而被广泛运用。处理技术包括好氧处理技术、厌氧处理技术以及厌氧+好氧处理技术等。厌氧生物处理简单有效、价格低廉,适合我国的国情。好氧处理主要包括活性污泥法、氧化沟、氧化塘、生物转盘等。好氧处理垃圾渗滤液可有效地降低BOD5、COD和氨氮含量,由于好氧处理通常使用延时曝气法,因而渗滤液存在的不利因素,同时能耗很大。不适于温度较低的环境,一般渗滤液中BOD/P的值远远大于100∶1,需要投加磷酸盐才能有效的处理,因此氨氮浓度过高,硝化作用消耗碱度,曝气池需投加碱度。采用厌氧-好氧处理工艺处理高浓度的垃圾渗滤液,经济高效。北京市政设计院采用UASB和传统的活性污泥法组合工艺处理垃圾渗滤液,COD和BOD总的去除率分别达86.8%和97.2%。
3 土地处理
土地处理渗滤液主要是通过土壤颗粒中过滤离子交换吸附沉淀等作用去除渗滤液中悬浮固体颗粒物,同时,溶解成分通过土壤微生物作用渗滤液中的有机物和氨发生转化蒸发以减少渗滤液的发生量。土地处理价格低廉,但受气候条件和地域限制。人工湿地法是一种常用的土地法。该方法优化的土地,可以人为创造适宜水生生物与湿生植物生长的环境,渗滤液经稳定塘或沉淀池等预处理后,采用人工湿地系统处理,可以提高效率,节省投资、降低能耗方便管理,利用土壤及基质的快滤、吸附等功能净化废水,并通过植物对废水的吸收提高净化效果。因此,该法具有经济、维护容易、美化环境等优点。
4 回灌法
回灌法就是将产生的渗滤液回流至填埋区域,把填埋场作为一个巨大的生物反应器,使渗滤液流经覆土层、垃圾层,通过一系列的物理、化学和生物作用而被处理,通过蒸发减少渗滤液量。循环回灌法简单经济具有很大开发潜力。垃圾填埋场和渗滤液中存在有大量的微生物,可以用来分解渗滤液中的有机污染物质,因此,利用循环回灌渗滤液可以向填埋层接种微生物,加快有机物分解和填埋场稳定,并且控制垃圾填埋场沼气的产生,使得沼气开发利用更加合理。
5 合并处理法
合并处理就是将渗滤液与城市污水的一起处理的方法,是目前较为推崇的处理方法之一,费用低廉。但由于垃圾渗滤液水质水量波动大,分布复杂若不加控制,易对城市污水处理厂造成冲击负荷,甚至破坏城市污水处理厂的正常运行,另外,垃圾填埋场往往远离城市污水处理厂,渗滤液输送加大了处理费用。因此,该方法只适用城市污水处理厂附近的垃圾填埋场的渗滤液处理。传统的活性污泥工艺城市污水处理厂,其处理规模与不同污染物浓度渗滤液量比例决定了该方案可行性的重要因素,使用时需研究工艺上的可行性。
6 小结
从以上分析可知,虽然渗滤液处理方法很多,但是各种方法都有其特点和使用范围,因此,在使用时,一定要根据实际情况选择经济合理的方法。
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Ooze the Survey which Filtrates Treatment Technology Both at Home and Abroad
Li Yanping,He Yunming,Zhao Yan,Sun Ailing
Abstract: After the article has analysed the municipal refuse oozes the newest achievement of water quality characteristic and domestic and international treatment technology filtrated, to various kinds of treatment cubic meters france has explained , have offered certain reference value for choice of the urban technology of garbage disposal.
图像融合技术在医学中的应用综述 篇4
1 医学图像融合现状分析
在国外, 医学图像融合的研究较早, 技术较成熟。在国内, 相关的研究起步较晚, 由于应用医学图像融合的相关设备的价格很高, 融合过程又要耗费不短的时间, 目前的很多方法也仅限于对极少数量患者的研究阶段, 约束了相关技术的快速发展。在临床应用中还存在着许多尚未解决的技术难题。
首先, 限于各种影像检查的成像原理不同, 其图像采集方式、格式以及图像大小、质量、空间与时间分辨率具有很大差别, 因此研究稳定且精度较高的全自动医学图像配准与融合方法是图像融合技术的难点之一。
其次, 图像理解是医学图像融合的最终目的, 图像融合的潜力在于综合处理应用各种成像设备所得信息以获得新的有助于临床诊断的信息, 由于图像融合技术目前还是一个全新的研究领域, 因此, 如何理解和利用这些新的综合信息, 还需要不断地实验和证明。
再者, 在实际图像融合时, 不可能达到绝对最优。到目前为止, 在众多的图像融合优化准则中, 很难说某一种准则一定比另一种好, 特别是不存在一种绝对完美的融合图像做参考, 因此进一步研究能够客观评价不同方法融合性能的标准也是急需解决的问题。
2 医学图像配准及融合的关系及意义
医学图像融合的目的是将最能反映人体生理、病理变化的形态和功能信息突出且真实地显现出来, 主要有两个步骤:图像配准和信息显示。医学图像配准就是寻求两幅图像间的几何变换关系, 使其中一幅图像与另一幅图像上的对应点达到空间上的一致。即人体上的同一解剖点在两张匹配图像上具有相同的空间位置。图像的配准是图像融合的先决条件与关键, 配准的结果应使两幅图像上所有的解剖点, 或至少是所有具有诊断意义的及手术感兴趣的点都达到匹配。
医学图像的配准和融合有着非常密切的关系, 特别是对于多模态图像而言, 配准和融合是密不可分的。配准是融合的前提, 也是决定图像融合技术发展的关键技术, 若事先不对融合图像进行空间上的对准, 那么融合后的图像也是毫无意义的。融合是配准的目的, 通过来自不同影像设备的图像融合, 可以得到更多的信息, 提高影像数据的利用率。在多模态医学图像信息融合中, 是要把相对应的组织结构融合在一起, 而待融合的图像往往来自不同的成像设备, 它们的成像方位、角度和分辨率等因素都是不同的, 所以这些图像中相应组织的位置、大小等都是有差异的, 必须先进行配准处理, 才能实现准确地融合。
3 医学图像融合分类
医学图像融合根据融合对象的不同, 分为单模融合、多模融合和模板融合三种类型。单模融合是相同成像方式的图像融合, 即待融合的两幅图像是由同一设备获取的, 常用于疾病治疗前后的随访或不同病理状态下的对比, 以及运动伪影和设备固有伪影的校对等方面;多模融合是将形态成像和功能成像技术所获得的图像进行融合, 即不同成像方式所获取的图像间的融合;模板融合则利用从健康人的研究中建立的一系列模板作为标准, 将病人的图像与模板图像的融合。
4 图像融合方法
医学图像配准过程实质上是由特征空间、搜索空间、搜索算法和相似性测度四个不同方面的组合过程。按照这种组合, 配准的基本步骤为:特征提取、几何变换、最优化算法。目前图像配准按照配准所依靠的图像特征的不同可以分为基于外部特征的图像配准和基于内部特征的图像配准两种方法。后者由于无创性和可回溯性, 已成为配准算法的研究中心。
在完成图像的几何校正、噪声消除及图像的配准后, 接下来才是真正意义上的信息融合。图像融合的处理流程主要有:图像预处理、特征提取、分类、结果评价与应用。按照融合在处理流程中所处的阶段, 以及所作用的对象的不同, 可以将图像融合分为三个层次:像素级融合、特征级融合、决策级融合。通过信息融合, 将减少或抑制医学图像中的不完全性、不确定性, 从而提高图像分割、识别、解释的能力。根据这三个不同的层次, 图像融合将采用各种不同的算法来实现。现阶段医学图像的融合, 一般只涉及像素级、特征级的融合。像素级融合是最低层次的信息融合, 其实现过程是在采集到的原始图像数据层上直接进行综合分析。它的优点是能保持尽可能多的数据, 提供其他融合层次不能提供的细微信息。特征级融合属于中间层次, 其处理方法是对来自不同成像设备的原始信息进行特征制取, 然后再对获得的多个特征信息进行综合分析和处理。
5 医学图像融合的临床中应用
靶区在图像采集中无变形和失真是图像融合的前提, 由于脑组织相对较为固定, 容易确定标志进行准确配准。目前, 临床主要进行颅脑的图像融合, 它能够精确定位颅内病变, 提高诊断准确性。由于多数体部脏器的形状不规则, 又易受呼吸运动影响, 较难做到准确匹配, 临床应用主要在受呼吸运动影响相对较小的颈部和盆腔开展研究工作, 对受呼吸运动影响较大的肝、胰和肺等脏器也有学者在尝试进行融合。
国内有部分学者在研究形态学成像与形态学成像方面, 利用CT对于骨质、钙化的高分辨率以及MRI对于软组织的高分辨率的特点, 将CT和MRI图像的主要信息进行融合, 增加了图像的信息量, 以期对临床诊断和治疗的定位、观察提供有效的帮助。另有国内学者研究认为多影像融合技术在神经导航方面应用价值较大。
形态学成像与功能成像的图像融合, 可精确定位功能图像所示异常改变区, 提高诊断的准确性。SPECT与MRI融合可精确判断局部脑血流减少的范围及部位, 为脑变性疾病和脑血管病的诊断提供标准化方法。例如:融合图像可精确确定脑变性疾病脑血流减少及消失区, 尤其当病变位于额叶、颞顶枕交界等与神经心理功能有关区域时, 融合图像研究结构和功能改变与临床神经心理改变之间关系更佳。原发癫痫病灶的准确定位一直是困扰影像界的一大难题, 许多学者利用融合技术对此做出了富有成效的探索。例如:于发作期和发作间期, 对癫痫患者分别进行SPECT检查, 将二者的图像相减, 再分别与MRI图像融合, 可使功能损伤的解剖学标记更准确, 以SPECT所示的局部脑血流定位大脑新皮质的癫痫灶进行准确定位, 从而为立体定向外科手术提供重要依据。
PET/CT检查对于肿瘤性病变检出的敏感性和特异性均高于单独应用PET或CT检查, 并且观察PET/CT融合图像所获得的信息多于单独观察PET或CT图像, 是由于其在评价解剖形态的同时, 可以同时获得病变对于显像剂的浓聚情况
在放射治疗中, 图像融合技术在肿瘤3DCRT和MRT中已有广泛应用。功能分子影像提供了病灶中肿瘤组织分布的情况, 提高了肿瘤诊断灵敏度和定位准确性, 从而优化照射剂量, 提高治疗效果, 减少复发。同时也可应用于放疗效果评价和肿瘤复发的监测。随着图像融合技术和放疗技术的不断提高以及乏氧显像剂的应用, 确定并勾画恶性肿瘤的乏氧区域, 追加乏氧靶区剂量, 必将进一步提高恶性肿瘤的局部控制率, 延长患者的生存期。
综上所述, 医学图像融合可综合各种影像学技术的优势, 提供丰富信息, 对疾病的诊断、治疗、判断预后和观察疗效均有重要意义。随着医学影像设备的发展, 功能图像和解剖图像的融合将是一个发展趋势, 在肿瘤的精确定位、癌症的早期检测和诊断中发挥重要的作用。随着功能成像设备和解剖成像设备杂交技术的出现, 图像融合将得到进一步的发展, 势必给临床诊断带来一场新的变革
参考文献
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[3]姜庆娟, 谭景信.像素级图像融合方法与选择[J].计算机工程与应用, 2003, 39 (25) :116-120.
医学图像处理技术综述 篇5
【关键词】：医学;图像分割技术;方向
1 引 言
随着医学超声图像分割技术的迅猛发展，动态规划模型以及水平集模型等技术使得三维图像的分割技术以飞快的速度发展着。图像分割是计算机进行临床辅助诊断的重要方式，可以用于病情的实时监控以及疾病的准确定位等环节。为保证从超声图像中获取准确的临床诊断信息，先进的图像分割技术是不可或缺的。
2 图像分割的目的和意义
传统医学超声图像的分割技术主要有两类，以边缘检测为基础的方法和以区域生长为基础的方法。通常为了能够取得更好的分割效果，在实际的应用中，往往将这两种方法结合在一起使用。以区域生长为基础的法，这种图像的分割方法，则是将象素按照一些规定的特征，分类划分到不同的区域中去，因此每个相邻的区域都具有不同的均匀性。主要的基础技术有：合并技术、分裂技术以及随机场技术。以合并、分裂技术为基础的区域生长法，主要分为：合并、分裂、合并-分裂结合这三种方法。合并的方法：首先将整幅图像划分成多个相同的基础区域，然后分辨各个区域的均匀性，将均匀性相近的进行合并，使得最终所得的区域达到一定的均匀性;分裂的方法：将整幅图像均分为四份，然后以分裂的结果作为下一次的分裂模板，只要区域的分割结果不能达到一定均匀性，就不断对区域进行下一次分裂，直到各个区域的均匀性都得到满足;合并-分裂相结合的方法：将相邻并且特征相似的区域进行合并，不均匀的区域不断进行分裂。
医学图像处理技术综述 篇6
关键词：印染废水 提标改造 深度处理 回用技术
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0028-01
1 总述
1.1 引言
2012年10月，纺织染整工业水污染物排放新标准正式颁布，2013年1月1日开始实施，届时1992年老标准废止，这标志着印染废水新一轮提标改造工作正式开始。
新的印染行业废水排放标准在2008年文件的基础之上形成，新标准对化学需氧量COD、生化需氧量BOD、悬浮物、色度、氨氮、磷、苯胺类等主要污染物指标提出了更低的浓度限值，比如COD的纳管排放从500 mg/L降至200 mg/L，排放标准从100 mg/L降至80 mg/L，特殊限值降至60 mg/L。新标准总体要求比现行的废水排放标准都更为严格，对印染企业和环保工程设计提出更高的要求。本文在总结以往印染废水处理工程经验的基础上，分析印染废水各类工艺段废水特点、特性，结合清洁生产、清污分流、浓淡分流以及资源回收等情况，总结现有工程工艺及运行管理现状以及提标改造方面的研究和实践成果，对目前国内印染废水提标改造等技术进行介绍、提出技术措施，供行政部门及各印染企业参考、选用。
1.2 难点及重点分析
1）印染废水水量大，改造工程量大，投资大；2）很多印染企业已经没有闲置土地，改造、扩容空间不大；3）个别退浆、碱减量废水等有机污染物浓度高，达标难度大；4）苯胺类染料的使用，使得达标可能性越来越低；5）由于总量控制的要求，需要回用，回用水质要求高；6）污水深度处理回用导致盐份累积，产生的浓水达标处理难度大。
1.3 应对措施
1）采用先进、有针对性的处理工艺，比如催化微电解技术、臭氧-活性炭技术、纯氧曝气技术，节约占地，降低能耗；2）分类收集、分质处理，对个别废水进行有针对性的预处理，确保稳定达标；3）回用技术采用超滤、反渗透等，确保回用水质满足生产要求；4）针对浓水开发新的工艺，比如臭氧-生物炭、曝气生物滤池等工艺，确保浓水稳定达标；5）实行清洁生产，减少苯胺类染料的使用，调整产品使用结构；针对苯胺废水采用针对性技术。
2 印染废水特点及分类
印染废水的污染物大部分为有机物，并随采用的纤维种类和加工工艺的不同而异。一般情况下印染废水pH值为6～13，色度可高达1000倍，COD为400～4000 mg/L，BOD5为100～1000 mg/L，印染废水一般具有污染物浓度高、种类多、含有毒害成份及色度高。
从技术角度看，印染废水是很复杂的一个大类废水。其特点有四：其一，污染物成分差异性很大，很难归类求同；其二，主要污染指标COD高，BOD和COD的比值一般在0.25左右，可生化性较差；其三，色度高，混合水中染料分子、离子微粒大小重量各异性大，较难脱色；其四，印染各工序排出废水种类繁多，比如退浆废水、煮练废水、漂白废水、丝光废水、染色废水、印花废水、整理废水、碱减量废水等，其特点是水量大、水质特性差异较大。
3 印染废水处理现状及技术
3.1 印染废水处理技术工艺
根据国内印染废水治理的现状看，目前印染废水一般采用物化、生化或者物化、生化组合工艺，提标改造根据废水水质和处理要求可采用物化+生化、生化+物化或物化+生化+物化等工艺工艺。物化工艺一般有沉淀、气浮、过滤等，投加絮凝剂或脱色剂，也有采用催化电解或高级氧化工艺，提高废水的可生化性能；生化工艺有泥法和膜法两种，厌氧、兼氧和好氧三种组合模式，厌氧可采用折流板、UASB、EGSB、IC等，好氧可采用SBR，接触氧化、活性污泥，纯氧曝气，曝气生物滤池等。
3.2 印染废水处理案例
温岭市某印染厂主营涤纶超细半边绒、涤纶羽毛纱、涤纶、锦纶羽毛纱、亚丝光、全毛、各种腈纶、丙腈、雪尼尔、开司米及单纱的绞纱染色等。废水规模为5000 m3/d，采用混凝气浮+接触氧化工艺，进水COD≤1500 mg/L，出水COD≤150 mg/L。
工艺路线：印染废水→调节池→加药混凝沉淀→接触氧化→纳管排放
4 执行新标准后印染厂提标改造措施
4.1 COD达标技术
新标准对COD的排放浓度提出了更高的要求，比如以前的纳管标准是500 mg/L，提高至200 mg/L；以前的直接排放标准是80 mg/L，提高至60 mg/L。针对更高的COD要求，应该从以下几点进行技术改进：
1）在常规的pH调节+混凝沉淀+水解酸化+好氧（活性污泥或接触氧化）+二沉池+混凝沉淀中加强预处理单元（如强化水解酸化、物化处理等），沉淀池降低表面负荷，混凝沉淀中投加脱色剂等；
2）增加深度处理单元（如生物滤池、臭氧-活性炭技术等或在加药混凝沉淀中投加高效的复合药剂）；通过以上措施可以达到COD排放浓度达到新的标准；
3）延长生化段停留时间，生化段超低负荷运行；或者检查进水中有无生化抑制物质，如有，通过清洁生产措施或污水预处理工艺消除生化抑制物质；
4）在常规处理后，采用活性炭或硅藻土吸附技术。
4.2 强化生物处理
1）优化运行：现有污水处理系统的设备能力、池容利用、操作与控制参数存在一定的调控空间（余量）时，可通过优化运行技术，提高系统对各污染物的去除能力；
2）投加填料：采用优化运行技术后，原有生物池处理能力仍不能满足出水水质要求、且新增池容困难时，可在生物好氧池中投加悬浮填料，提高系统对各污染物的去除能力；
3）回流污泥曝气再生：采用优化运行技术后，原有生物池硝化效果不够稳定、且污泥曝气对生物除磷及反硝化效果影响较小时，可采用回流污泥曝气再生技术，以提高硝化菌的活性和硝化稳定性；
4）增设硝化、反硝化设施：原有生物处理段采用强化措施后NH3-N和TN仍不能达标时，可在原生物处理段后增加曝气生物滤池进一步去除氨氮和有机污染物，增加反硝化滤池进一步去除硝态氮。
5 印染废水回用处理技术措施
5.1 预处理+砂滤+UF+RO/NF处理工艺
膜处理工艺的核心是进膜前的水质预处理，由于印染废水的种类较多，水质浓淡差异较大，所以，根据不同的水质要求，可以采用不同的组合工艺。印染废水经过前处理工艺处理后，降低废水中的CODCr、废水中的悬浮物、浊度，进入超滤处理系统，去除更小的悬浮物、浊度和色度后再进入后续的RO/NF处理系统，截留废水中的污染物质，进行污染物的分离和浓缩，使出水达到生产回用水水质要求。
5.2 MCR/MBR+RO/NF处理工艺
医学图像处理技术综述 篇7
1 光线投射算法简介
光线投射算法[1](Ray-Casting)它的基本思想是:从屏幕上的每一像素点发出1条视线,这条视线穿过三维场的体元矩阵,沿这条视线等距设置采样点,将距离采样点最近的8个数据点所组成体素的颜色值及不透明度进行三次线形插值,求出该采样点的不透明度及颜色值。然后可以按从前到后或从后到前的合成公式对所有采样点的颜色和不透明度进行合成。当对所有像素点都进行以上过程后,就会得到此数据场的体绘制图像。在医学上可表现出各组织器官的属性、特征及层次关系,从而使图像更加丰富。
2 几种改进的光线投射算法
2.1 改进求交的自适应光线投射法[2]
利用光线和平面簇相交简化光线求交过程,确定采样点,直线和平面族的交点并非是需要的采样点,采样是不等间隔的,但仍然可以保证采样的密度,使直线上的所有体素都能获得采样点。在预处理阶段确定自适应采样步长Δt的大小、计算Δt个体元的总不透明度和颜色值。传统光线投射算法在进行进行三线性插值时的时间复杂度为O(n3)。采用光线快速求交方法的法复杂度略高于O(n2)但低于O(n3);利用自适应采样确定采样点能使算法速度能提高30%左右。
2.2 基于线性八叉树的光线投射体绘制算法[3]
基于线性八叉树的光线投射体绘制算法具有时间复杂度与数据场基本无关的特点,其基本思想类似于空间跳跃采样,基于线性八叉树的光线投射体绘制算法的效率主要取决于两个操作:1)计算射线在当前八分体上的出口点;2)查找沿射线前进方向与当前八分体相邻的下一个八叉树叶结点所代表的八分体。
只有当由于减少采样而节约的时间大于求交计算所耗费的时间时才会产生加速效果。当数据场比较复杂、每个结点都接近于最小分辨率时,运算负担会相应增加,此时就不能采用八叉树的方法;当不透明度值很大时也难以取得明显的加速效果,因此,该改进算法适用条件是:空间物体不同属性部分的连续性较高、数据场越大,加速效果越明显。
2.3 基于深度的光线投影体绘制算法[4]
深度是指绘制起始点到目标点的物理距离,一定深度下的图像是对小于此深度的信息予以透明化的结果。基于深度的光线投影体绘制算法是在绘制过程中引入深度信息,通过观察角度和深度的交互来有效绘制体数据内部层次的信息,同时将其上下文信息予以绘制和保存。通过基于深度的交互,信息被由外向里地绘制出来,基于深度的光线投影体绘制是把高于目标深度的信息以及上下文信息都保留,对低于目标深度的信息予以忽略。
算法绘制的过程是深度和光线投射两者的结合。分为以下几步:
1)数据预处理,把数据进行初步分割,赋予相应的颜色值。
2)基于数据量设定深度函数节点。
3)进行光线投射重采样,应用深度函数求解透明度值。
4)合成透明度值与强度值,绘制图像。
5)调整深度函数,重新绘制输出。
在基于深度的光线投射体绘制算法整个绘制过程中,通过深度的不断增加,重建图像内部信息从侧面开始逐渐作为整体被绘制出来,保证了对特征的信息的判断提供帮助。
2.4 基于片段的光线投射算法[5]
基于片段的光线投射算法(segment-based ray-casting,SRC)是利用体数据的数据一致性对传统的光线投射算法进行简化从而提高了绘制性能。体数据的数据一致性是指在体数据中,相邻体素通常具有相似或者相同的值,因此可以认为相邻的重采样点之间具有相似或者相同的光学属性。基于片段的光线投射算法将相似的连续重采样点合并成片段,并将融合的基本单位由重采样点扩大为片段,从而减少了融合次数,提高了绘制性能。结合GPU加速技术可以将绘制速度提高数倍,可以实现对中小规模体数据高质量的实时绘制。
基于片段的光线投射算法认为体数据的数据一致性总是存在的,并且密度值相近的体数据总是具有相同的光学属性,这种假设在某些特殊的情形下会丢失一些细节,如传递函数在某一点处发生跳跃有可能就会被忽略,因此为了提高绘制性能,基于片段的光线投射算法在一定程度上要牺牲图像质量。SRC中有阈值S和片段长度的最大值M两个重要参数,这两个参数是决定图像质量和绘制性能的关键。片段相似度阈值S是用来判定连续重采样点是否属于同一个片段,片段长度的最大值决定了一个片段可能存在的最大长度,设置片段的最大长度可以适度限制不合理的片段相似度带来的图像走样。
2.5 层次包围盒与GPU实现相结合的光线投射算法[6]
该算法的基本思想为:根据体数据大小构建包围盒,令包围盒的顶点颜色与空间坐标在数值上相等,然后绘制包围盒的前表面,绘制结果为投射光线进入体数据的起始点坐标。最后绘制包围盒的后表面,绘制结果为投射光线离开体数据的终点坐标,终点坐标减去起点坐标获取投射光线的方向向量。该算法避免了复杂的顶点着色程序,通过对体数据分块构建包围盒树来跳过空体素,在不影响图像绘制质量的情况下,以缩短投射光线在体数据内的有效采样长度来提高光线积分的效率,从而加快了绘制速度。该算法构造包围盒树的处理时间短,不改变原始体数据的存储方式,与体裁剪操作结合时响应时间快,有较好的应用前景。但是,由于图形硬件存储空间的限制,当体数据量过大并且不能一次载入时无法进行处理。
3 比较及结论
用连续的460张基于DICOM标准的空间分辨率为512×512、扫描间隔1 mm的头部CT图像做三维重建,比较以上几种方法发现,采用改进求交的自适应光线投射法绘制出的图像质量没受到明显影响,改进后耗时4.45秒,相对改进前的5.73秒速度提高了30%左右。采用基于线性八叉树的光线投射体绘制算法,设采样步长和不透明度为1时,体绘制时间为3.95秒,采样步长和不透明度越小,加速效果越显著。缺点是只有当减少采样节约的时间大于求交计算所耗费的时间时,才会产生加速效果。当不透明度值很大时,也难以取得明显的加速效果。采用基于深度的光线投影体绘制算法,随着深度的增加,组织内部逐渐绘制,通过这种深度和观察角度交互有效地定位目标信息并保存上下文信息。需要改进的是特征信息定位的交互性和实时性及提取效果的再优化。采用基于片段的光线投射算法,由于没有简化重采样操作,对绘制性能的提升十分有限,SRC可以在保持绘制图像质量的基础上,提高绘制速度。缺点是与其他几种方法,绘制速度相对较慢。层次包围盒方法与八叉树加速效果相当,但加入体裁剪操作后能快速响应,因此具有更好的实用性。缺点是普遍受图形硬件存储空间的限制,当体数据量过大或不能一次载入时无法对体数据进行处理。
参考文献
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数字图像处理技术研究综述 篇8
关键词：数字图像,修复技术,图像处理,算法模型
0 引言
图像处理技术分为模拟图像处理(Analog Image Pro-cessing)和数字图像处理(Digital Image Processing)两大类。数字图像处理指将图像信号转换成数字信号并采用计算机等硬件设备进行处理的过程。目的在于恢复图像的本来面目,改善人们的视觉效果,突出图像中目标物的某些特征,提取目标物的特征参数,以方便后续的图像存储、传输等操作。
1 数字图像处理技术发展
数字图像处理最早起源于上世纪20年代[1]。巴特兰电缆图片传输系统实现了将图片横跨大西洋的传输时间从10余天缩短到3小时。首次获得巨大成功的事件是美国喷气推进实验室利用该技术处理航天探测器徘徊者7号发回的大量月球照片,描绘出了月球的表面地图、地形图、彩色图及全景镶嵌图。
另一个巨大成功体现在医学上,1972 年英国EMI公司的工程师们使用该技术发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置CT,后又成功研制出用于全身的CT装置,可获得人体各部位的断层图像。 从70年代中期开始,由于计算机技术和人工智能等技术的快速发展,极大地推动了数字图像处理技术的进步,数字图像处理技术已经成为一门获得广泛关注并拥有广阔前景的新型学科。
2 数字图像处理技术特点
(1)能进行复杂运算且处理精度高。图像处理工具主要是计算机及相关硬件设备,能完成人类无法完成的工作。现有技术手段能够将模拟图像数字化,转化为特定大小的多维数组,然后通过硬件设备把每个像素的灰度等级量化,也即人们常说的8位/16位图像,甚至更高位图像。
(2)再现性好。图像在数字化时不会因为图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量退化,经过数字图像处理的一系列过程能够较好地再现图像。
(3)应用面广[2]。数字图像处理技术发展至今已近百年,现已广泛应用于各个领域。上到遥感、航空航天,下到利用数字图像处理软件(如MTALAB、Photoshop)修复图片、自制个性化照片等。其应用领域主要包括:生物医学工程、通信工程、工业工程、军事公安、机器人视觉以及各种日常用途,如视屏编辑、广告设计与制作、发型设计、老/旧照片修复、金融银行、建筑设计等。
(4)适用面宽。图像信息来源多样、分布广。小到电子显微镜、大到天文望远镜的图像,即使不同来源、不同大小,都可以按照数字图像处理的原理和流程转化为数字信号后进行编码。其原理和处理过程大同小异,大部分用多维数组表示,最后由计算机等硬件设备进行处理。
(5)灵活性高。数字图像处理将图像信号转换成数字信号后,能够利用数学手段和数学工具进行运算处理,既能完成相关的线性运算,又能实现非线性处理。
3 数字图像处理主要内容
数字图像处理研究内容主要包括:图像获取(Image acquisition)、图像重建(Image Reconstruction)、图像增强(Image Enhancement)、图像恢复(Image Restoration)、图像压缩/编码(Image Compression/Encoding)、图像多分辨率处理(Image Multi-resolution Processing)等[3]。
(1)图像获取。图像获取即物体成像并将模拟图像转换成数字图像的过程。为了满足人们正常使用的需要,需在计算机等硬件设备上对图像进行加工处理。其中图像获取至关重要,它是后续图像处理的关键前提,并且获取图像的质量好坏直接影响到后续处理与识别效果。该步骤通常由扫描仪、摄像机等获取图像的物理设备完成。
(2)图像重建[1]。通过对物体外部进行测量获得数据,并经数字图像处理后获得多维物体形状信息的技术。其原理较为简单,也可以用直观的方法来描述。图像重建中最早与最广泛的应用是X射线计算机断层CT。
(3)图像增强。利用数学方法和变换手段等方法,改善视觉效果,提高图像的对比度、清晰度,并突显图像细节和感兴趣的部分,为后续的图像处理操作提供更好的辨识度。图像增强包括图像变化、滤波等,实现图像增强的技术[4]主要有:基于单一图像自身的增强和基于多幅图像融合所进行的增强。
现阶段图像增强的主要算法有两种类型:空域算法和频域算法。前者直接对某一点的像素值作特定操作以获得图像增强的效果,例如灰度变换、直方均衡、直方匹配等;后者则首先将图像转换到频域,即傅立叶变换,然后再进行傅立叶逆变换,从而得到增强后的图像。
(4)图像恢复包括图像的复原、修复、补全等。在图像获取、复制等过程中可能导致信息丢失,最后造成图像缺损,无法满足视觉和正常使用要求,把这类缺损的图像恢复到真实图像的过程即图像复原。
现阶段采用的主要技术手段有:基于变分偏微分方程修复技术、基于纹理合成修复技术和基于图像分解的修复技术等[5]。基于偏微分方程思想的修复技术对尺度较小的图像缺损很有效。代表算法模型有:TV(Total Varia-tion)模型、BSCB模型、三阶偏微分方程的CDD(Curvature Driven Diffusions)模型、P-Laplace修复模型、Mumford-Shah模型、Mumford-Shah-Euler模型以及基于结构张量的修复模型等。利用纹理合成原理修复大块丢失信息的图像比较有优势。其主要思想在于寻找合适的像素点,后根据图像的相似纹理特征,用最相近的纹理配块填充修补区域。此外,还有将图像分解为结构部分和纹理部分,用PDE修复算法处理结构部分、用纹理合成方法处理纹理部分的基于图像分解的修复技术,其本质是将PDE修复技术和基于纹理合成技术相结合。有学者提出采用全变分将图像的结构部分分离出来,后用一个震动函数对纹理部分建模,再用BSCB模型修补结构部分,用非参数采样纹理合成技术填充纹理部分,最后叠加各自的修复效果以得到最终的修复图像。
(5)图像编码/压缩。根据相应规则对数字化图像进行排列、运算等操作的过程,称为图像编码。根据图像内在特性,通过特殊的编码方式,减少原图像数据时、空占用量的处理称为图像压缩。由于数字图像中各个像素不分离,且相关性大,因此图像处理中信息压缩的潜力很大[6]。
4 数字图像处理技术面临的挑战
(1)设备要求高。现阶段数字图像处理的信息大多是多维信息与彩色信息,处理信息量很大,因而对计算机设备硬件指标要求较高。
(2)占用频带宽。与其它信息相比,图像信息占用的频带更宽。因而在图像获取、传输、存储、处理等各个环节的实现上,技术难度较大、成本高,对频带压缩技术要求更高。
(3)知识工程问题。随着人类认知的不断提高,在处理图像时不仅局限于二维信息,还存在大量三维信息。单独一幅图像并没有包含三维物体所有信息,很多信息不能在二维图像上得到有效反映。将二维景像和三维景像进行有效地分析、引导、理解、结合是人工智能领域里需要解决的知识工程问题。
(4)标准化问题。图像处理完后需要由人眼观察,评价结果因人而异。人体的视觉系统极其复杂,还会受到环境条件、情绪及熟悉度的影响。尽管现在提出用数学方法来客观评价处理效果,但数学评价高的图像,效果不一定能够达到人眼的舒适度。因此,在图像质量标准化方面还有待进一步研究。
参考文献
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[2]贺东霞,李竹林,等.浅谈数字图像处理的应用与发展趋势[J].延安大学学报,2013(4):18-21.
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[4]李艳梅.图像增强的相关技术及应用研究[D].成都:电子科技大学,2013.
[5]张红英,彭启琮.数字图像修复技术综述[J].中国图象图形学报,2007(1):1-10.
图像匹配技术综述 篇9
1、图像匹配技术四要素
一般来看, 图像匹配可以作为四个要素的组成:特征空间、搜索空间、相似性测度和搜索策略。选取特征要考虑三点因素:首先, 选取的特征必须是原始图像和待匹配目标图像所共同具有的特征;其次, 特征集必须包含足够多的分布均匀的特征;再次, 所选取的特征要易于特征匹配的计算。搜索空间是在输入特征与原始特征之间建立的对应关系的可能的变换集合, 成像畸变的类型与强度决定了搜索空间的组成与范围。相似性测度的作用在于对从搜索空间中获取的一个给定的变换所定义的输入数据域参考数据之间的匹配程度的评估。搜索策略是指在相似性测度下达到最佳匹配的计算方式, 即采用合适的方法在搜索空间中找到平移、旋转等变换参数的最优估计, 使得相似性测度达到最大值。
2、图像匹配技术的分类
以往的图像匹配方法, 大致可以分为三类:基于特征点、灰度分布和频域。基于特征点的图像匹配技术是目前最常用的方法之一, 其最大的优点是能够将对整个图像进行的各种分析转化为对图像特征点的分析, 从而大大提高了运算的速度, 对图像偏移、旋转, 灰度变化等都有较好的适应能力。本文的主要工作是研究了这三类图像匹配方法, 分析各种方法的优缺点, 重点研究了基于特征的匹配方法。
2.1 基于特征点匹配方法
基于特征点匹配方法一般分为三个过程: (1) 特征点提取; (2) 利用一组参数对特征点作描述; (3) 利用特征点的参数进行特征匹配, 根据相似性原则对两幅图像中的特征点进行匹配。其最大的优点是能够将对整个图像进行的各种分析转化为对图像特征 (特征点、特征曲线等) 的分析, 从而大大减小了图像处理过程的运算量, 对灰度变化、图像变形以及遮挡等都有较好的适应能力。下面介绍三种基于特征点的匹配方法。
2.1.1 SUSAN特征点算法
SUSAN算法[1]的基本原理是通过以一个点为中心的局部区域内亮度值的分布情况来判断平滑区域、边缘及角点。如图1所示, 一个在图像上移动的圆形模板, 模板的中心称为核心, 它的位置有以下五种形式。图像一定区域的每个象素的亮度值与核心点的亮度值相比较, 把比较结果相似或相同的点组成的区域叫做USAN (单值分割相似核心) 。USAN区含有图像在某个局部区域的结构信息, 而大小反映了图像局部特征的强度。
SUSAN算子使用的是圆形模板来进行角点探测, 一般使用模板的半径为3-4个像元, 模板在图像上滑动, 在每一个位置求亮度相似比较函数, 并计算合计值, 就得到了USAN区域的面积, 而后再跟一个给定阈值进行比较。计算重心求出核到重心的距离, 对应正确角点, 若重心距离核较远, 就能以距离消除虚假角点的影响。最后使用非最大抑制 (No Max Suppression) 方法, 这样就可以找出角点。
近年来, Yu Song等人[2]提出了一种自适应阈值的检测算法, 解决了SUSAN算子对灰度细节丰富的图像检测效果不佳的问题。
2.1.2 SIFT特征点算法
SIFT特征点匹配算法[3]是David G Lowe在1999年提出的, 并于2004年总结了现有的基于不变量技术的特征检测方法的基础上, 提出的一种基于尺度空间的特征匹配算法[4]。SIFT特征匹配算法分四个步骤来实现:一是尺度空间极值点求取, 二是特征点位置确定, 三是为关键点指定方向参数, 四是关键点描述子的生成。匹配的方法是:在获得第一幅图像的特征向量后, 将采样点的欧式距离作为相似性度量。取帧图像中某个关键点, 找出其与图像中欧式距离最近的前两个关键点, 在这两个关键点中, 如果最近的距离与次近的比值小于某个阈值, 则接收这一对匹配点。降低比例阈值, SIFT匹配点数目会减少, 但匹配更稳定可靠。G Yu和J M Morel[5,6]克服了拍摄倾角过大造成的仿射变换的影响, 提出了ASIFT, 确保了特征稳定性, 提高了鲁棒性。
2.1.3 SURF特征点算法
2006年, Herbert Bay[7]提出了SURF算法, 其整体思路同SIFT类似, 特征点检测理论也是基于尺度空间, 但在整个过程中采用了与SIFT不同的方法。首先, 在尺度σ上定义Hessian矩阵, 用该矩阵的行列式计算图像上特征点的位置和尺度信息。其次, 为保证旋转不变性, 确定特征点的主方向。以特征点为中心, 将坐标轴旋转到主方向, 将其划分成4×4的子区域, 在每个子区域形成四维分量的矢量, 对每一特征点会形成4× (4×4) =64维的描述向量, 再进行归一化, 从而对光照具有一定的鲁棒性。SURF在各方面的性能均接近或者超越了SIFT的性能, 但是计算速度却是SIFT的3倍左右。
2.2 基于图像灰度相关的匹配算法
基于灰度信息的图像匹配方法一般不需要对图像进行预处理, 而是利用图像本身具有灰度的一些统计信息来度量图像的相似程度。这类算法的性能主要取决于相似性度量及搜索的选择上, 其主要特点是实现比较简单, 但因为是基于像素的, 所以计算量比较大, 应用范围较窄, 不能直接用于校正图像的非线性变换。下面简单介绍几种经典的匹配算法, 大致可以分为三类:序贯相似度检测法、互相关法、交互信息法。
2.2.1 序贯相似度检测匹配法
1972年, Barnea等人根据传统相关方法提出了一种为之有效的算法SSDA[8], 从而得到很好的效果。这种算法在两方面有了显著的改进, 一是简化计算, 利用图像f和模板T之间的差值来表示变化。与相关法相比处理效果差不多, 同时显著的提高了运算速度。二是改进使用了一种序列搜索的策略, 由检测范围和模板大小定义了一系列窗函数和阈值, 而每一个窗函数作用到图像中, 当相似性超过阈值后, 就进行次数累加, 而后在次数最多的窗口里进行匹配, 重复迭加细化直至得到所需要的结果。近年来, 人们对该算法提出了很多的改进, Shi等人[9]基于特征提出强角点算子引导SSDA匹配方法, 使其能更好的满足匹配的要求。
2.2.2 互相关法
1982年, Rosenfeld提出的互相关法[10]。它像是一种相似性度量或者匹配程度的表征, 而不是一种图像匹配的完整方法, 但是把互相关的思想作为度量测度, 在许多匹配算法里都会用到。
对于一幅图像f (x, y) 和相对于图像较小尺度的模板T, 归一化二维交叉相关函数C (u, v) 表示了模板在图像上每一个位移位置的相似程度:
如果除了一个灰度比例因子外, 图像和模板在位移 (i, j) 处正好匹配时, 交叉相关函数就在C (i, j) 出现峰值。这时, 交叉相关函数有否归一化是必须注意的, 否则相似度的度量将会受到局部图像灰度影响。A.Roche等人[11]的改进算法能够较好的解决噪声的问题, 而且计算速度也提高不少。
2.2.3 交互信息法
1995年, Viola等人[12]把互信息引入图像匹配的领域, 交互信息是基于信息理论的相似性准则。这种图像匹配方法是假设A、B是两个随机量, 交互信息量是这两个随机变量之间统计相关性的量度, 或者是一个变量包含另一个变量的信息量的量度, 其意义与信息论中相同, 互信息量表示了两幅图像的统计依赖性, 它的关键思想是:如果两幅图像达到匹配, 它们的交互信息量达到最大值。因此, 作为图像间相似性的量度, 该方法是近些年来医学图像匹配研究领域中使用最多的一种方法。在此基础上, Maes等人[13]进行了全面的研究, 将匹配精度提高到亚像素级。
2.3 基于变换域的图像匹配的方法
基于变换域的图像匹配方法最主要就是傅里叶变换方法, 还有基于Gabor变换和基于小波变换的匹配。这些匹配方法主要有以下一些优点:对噪声不敏感, 检测结果不受光照变化影响, 图像的平移、旋转、镜像和缩放等变换在变换域中都有相应的体现。这里重点介绍傅里叶变换方法, 该方法有成熟的快速算法并且易于硬件实现。算法是考虑两幅图像I1 (x, y) 和I2 (x, y) 之间存在一个平移量 (dx, dy) , 即:
对其进行傅里叶变换, 在频域上1F与2F有下面的关系:
上式说明两幅图像变换到频域中幅值相同, 但有平移量有一个相位差, 这就是说两幅图像的相位差由图像间的平移量直接决定。根据平移定理, 这一相位差等于两幅图像的互功率谱的相位谱:
上式的右边部分为一个虚指数, 对其进行傅里叶逆变换会得到一个冲击函数, 其只有在峰值点也就是平移量 (dx, dy) 处不为零, 这个位置就是所需求的匹配位置。张锐娟等人[14]结合四元数理论, 提出一种基于四元数傅里叶变换的亚像素相位相关法, 能够稳定快速的实现匹配。
3、图像匹配技术算法的性能评价指标
对匹配技术算法的性能评估, 在这方面West[15]等总结了人们对匹配效果评价所做的许多工作。算法首先要进行性能界定, 也就是说将图像匹配问题视为参数估计的问题, 运用参数估计的理论和方法得到图像匹配可以达到的最好的性能。算法的性能评价指标主要有:准确性、鲁棒性、实时性等, 然而, 在不同的环境中用相同的匹配算法, 却会有不同的评价指标, 但总的评价准则只有一条:在实际应用中是否达到要求, 性能是否优于以前的方法。
但是, 完美的匹配算法是不存在的, 每种算法都有其适用环境, 这样才能使每次匹配操作能够做到最好, 发挥算法的最好性能。
4、图像匹配技术的研究方向和热点
图像匹配算法经过国内外学者的共同努力, 已经取得了很大的进展, 各类算法相继出现, 但是由于实际情况复杂多变, 现有算法总是存在一些不足, 目前在以下几个方面值得深入的研究:
(1) 当匹配图像中物体存在遮挡, 或者是特征点均匀性不是很好的时候, 提取特征要不不容易获取, 要不就是不可靠, 这可由粗到精的分析图像数据, 从全局匹配到局部匹配, 提高了匹配运算精度。因此, 研究基于非均匀性图像的匹配算法是很有必要的, 也是当今研究的方向和热点。
(2) 匹配算法的复合研究。前文介绍的匹配方法都有各自的优缺点, 如果能综合利用它们的优点将会取得更好的匹配结果, 将多个特征和算法相互融合, 以克服单个算法的局限性, 提高匹配的适应性。
(3) 研究基于遗传算法、神经网络和人工智能等方法相结合, 组成系统模型, 用来实现多目标的人工智能神经网络的匹配处理, 具有强大的记忆、选择、识别和学习的能力。
5、结语
淤泥处理技术研究综述 篇10
为了有效处理和利用淤泥, 不少发达国家以商业化方式对淤泥进行综合开发利用。英国、荷兰、法国、瑞典和澳大利亚等国家, 早在2 0世纪8 0年代末就开始利用淤泥为主要原料, 制造高效净化燃料, 其热值比普通煤高出3 0%, 而且燃烧过程中不会排放出有害气体。德国目前已有5家淤泥收集、处理工厂, 每年处理淤泥3 0 0万吨。在日本, 淤泥已被用来生产各类建筑材料, 以淤泥为主要原料制成的砖块透气性好, 重量轻, 容易制出不同的色彩, 很适宜用于建筑物的装饰, 已成为国际市场的畅销货。
然而在我国, 由于经费和技术上的原因, 目前淤泥尚无稳定而合理的出路, 总的状况还是以农肥的形式用于农业。采集淤泥并进行处理, 不仅有利于疏浚河道湖泊等、防止水质富营养化和净化城市环境, 而且对淤泥综合开发利用可以化害为利, 在国内形成一个极有发展前途的新兴产业。因此, 探讨适合我国国情的有效处置和利用淤泥的技术, 具有重要的现实意义。
1 常用的淤泥处置方法研究现状
1.1 淤泥无害化处理
淤泥处理的重点是重金属和有机质, 由于城镇工业三废的排放, 使得淤泥中大多含有毒性较大的重金属元素, 降低或去除淤泥中的超标重金属元素成为有效处置和利用淤泥的关键。
从当前的文献报道来看, 去除淤泥中重金属的研究主要集中在以下几个方面:利用微生物方法降低淤泥中的重金属含量[1]、通过化学方法去除淤泥中的重金属[2];采用电化学方法降低淤泥中的重金属含量[3]、利用植物的修复作用降低淤泥中的重金属含量。
1.1.1 微生物方法
近年来, 国内许多学者对采用微生物方法来降低城市淤泥中的重金属含量作了大量的试验研究。该方法主要利用自然界中一些微生物的直接作用或者由其代谢产物的间接作用, 以产生氧化、还原、络合、吸附或者溶解作用, 将固相中的一些不溶性成分 (如重金属、硫及其它金属) 分离出来, 微生物方法最开始应用于提取矿石或者贫矿中的金属, 目前它的研究正被扩展到环境污染治理领域, 在去除污水淤泥或其焚烧灰分中的重金属以及在重金属污染土壤的生物修复方面得到了广泛的应用。据报道[4], 通过微生物方法能够去除淤泥中的70%~90%Cu、Zn、Cd、Ni。
生物淋滤效果主要与温度、氧气浓度、二氧化碳浓度、起始p H值底物种类和浓度、某些重金属阳离子等抑制因子及F e 3+等有较大的关系。吴启堂等在利用微生物的吸附作用降低淤泥中的重金属含量方面作了一定的研究[5]。赵一德等人对生物浸沥作了详细介绍, 并将其分为直接浸沥和间接浸沥, 认为影响处理效果的主要因素有p H值、微生物的数量、温度及其淤泥浓度[6]。还有学者发现用固定芽孢菌和藻类吸附剂对淤泥进行处理, 能吸附99%以上的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn, 然后用电解质 (如硫酸) 或络合剂 (如EDTA) 进行淋滤, 同样可以去除淤泥中大量的重金属[13]。Tyagi[8]的研究认为, 在高固体浓度 (7 0 g/L) 下仍可以去除重金属, 并通过试验得出生物淋滤主要是间接机理起作用的结论。
1.1.2 化学方法
化学方法是一种易于掌握、操作相对简单的淤泥中重金属去除技术, 主要通过向淤泥中投加化学药剂, 提高淤泥的氧化还原电位 (E h) 或降低淤泥的p H值, 使淤泥中的重金属由不可溶态的化合物向可溶的离子态或络合离子态转化。早在1982年Wozniak等就曾用配比为1∶1的HCl/H2SO4溶液对淤泥进行处理, 发现土体p H为1.5左右时, 重金属元素Cd、Cu、Pb、Zn、Ni的去除率均高于90%, 有的甚至达100%[9]。吴忠艳等人也利用磷酸、硫酸和双氧水混合液脱除淤泥中的重金属, 试验结果表明用含2%双氧水浓度为4 2%的磷酸溶液处理淤泥, 淤泥中重金属Hg、Cd、Cr、Pb、Zn、Ni等去除率均在9 0%[8]以上, 并且处理药剂磷酸也可回收利用, 降低了处理成本。吴启堂等用硫酸、碳酸氢氨、E D T A作为试剂进行了去除淤泥中重金属的试验, 试验结果表明淤泥中Cu的去除率为66.8%, Zn为50.7%[10]。国内外一些学者则对螯合剂去除淤泥中重金属方面开展了一系列的研究, E D T A等络合剂去除重金属的机理普遍认为是络合剂能与重金属元素形成稳定性更高的可溶性络合物, 把淤泥中一些稳定性较差的碳酸盐结合态、铁锰氧化态结合态及部分硫化物形式存在的重金属元素转化为重金属络合物, 再通过固液分离出来。1981年, Jenkins用E D T A作为提取介质进行了去除淤泥中重金属的试验研究, 并取得了较好的效果, 约44%的Cu和52%的Zn被去除[9]。美国的K.F.M o b l y等通过土柱试验证明, 应用EDTA络合剂可去除土壤中80%的Cu、Zn、Ni、Cd[11]。
1.1.3 电化学方法
单纯的化学方法在去除淤泥中的重金属的应用有限。为了拓展淤泥中重金属去除技术的研究思路, 采用无废液产生并可回收金属的电化学法值得人们深入研究。
电化学方法最早称为电提取法, 电提取技术也被称为部分提取金属法 (P a E x t r action of Metals, 其英文缩写为PEM) 。PEM法是20世纪60年代后期至70年初期由圣彼得堡的一些学者所创立的。经过几十年的发展, 该方法得了不断的完善, 取得了令人瞩目的成果[12]。
1.1.4 植物修复方法
利用植物吸附清除土壤和水环境中的有害物质是人们很早就有的一个想法, 因而提出了植物治污的英文专用名词“Phyl Memediation”。国内文献中也称为“植物修复”或“植物整治”[13]。广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、清除放射性元素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染等。狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤或者去除土壤中含有的过量重金属。有些植物的根系能够吸收环境中的有害元素硒和汞, 并将其转化为挥发态的二甲基化硒和汞蒸气 (H g O) , 这就是植物挥发治污法。有些元素如铅被一些植物如毛状剪股颖 (Agrostiscapillaris) 的根吸附后能同磷酸盐发生反应, 形成不溶的化合物氯磷铅石 (Pyromorphyte) , 最终被固定在土壤中, 可以减少重金属被淋滤到地下水或通过空气载体进一步扩散污染环境的可能性, 这被称为植物固定治污法 (P h y t o extraction) 。大多数的治污策略是利用植物将土壤中元素吸收富集到植物体内, 以减少其在土壤或水环境中的残留量, 被称为植物萃取治污法 (Phytoextraction) 。植物治污为清除环境中日益加剧的有毒元素以及有机残留物带来的污染问题提供了一条新途径。同化学和工程治污方法相比, 它的优点在于更为廉价, 并能带来中长期的环境效益。因此, 许多国家对利用植物治理污染的研究日趋重视[14]。
1.2 淤泥固化处理技术
淤泥作为填筑材料时, 其处理的重点是降低淤泥的含水率和提高淤泥的强度, 以满足土方填筑的要求。目前, 国内外对于淤泥固化土的研究还处于起步阶段, 相关的研究结果较少, 疏浚泥固化处理所使用的固化材料主要有水泥类固化剂和石灰类固化剂。其中水泥类固化方法应用最多, 采用水泥作为固化材料固化淤泥所产生的水化反应类似于使用水泥基质材料固化软土、淤泥等废弃物。如果单纯利用水泥的水化作用对淤泥进行固化, 达到一定强度显然需要消耗大量水泥。但是水泥与含有大量粘土矿物的淤泥之间的反应也不可忽视, 水泥与粘土矿物的反应, 显著提高了淤泥的固化效果并节约了水泥用量。
影响淤泥固化土强度的主要因素包括水泥掺量、水泥标号、养护龄期、土样含水率、外掺加剂和土中有机质的含量。张春雷[15]认为, 水泥掺量存在一个最低掺量, 当水泥固化土中的水泥掺量小于这个最低掺量时, 水泥就没有固化效果。水泥土的抗压强度随着水泥标号的提高而增加。水泥标号每提高1 0号, 水泥土的抗压强度大约增加20%~30%。
采用辅助材料辅助水泥固化淤泥往往会收到良好效果, 张春雷[21]针对高含水率淤泥进行了以水泥为主要固化材料、粉煤灰和石膏为辅助固化材料的固化土强度试验研究, 研究结果表明掺加适量的粉煤灰或石膏对淤泥的固化效果均要优于单一水泥的固化效果。童小东等[16]则对石灰作为水泥土的外掺剂进行了研究, 认为将石灰加入土中后, 水泥土早期强度降低, 后期强度提高。
用水泥加固有机质含量较高的淤泥后的强度一般都比较低, 这是因为有机质的存在阻碍了水泥水化反应的进行。潘林有[17]对宁波某地富含有机质的软土进行了大量的室内正交试验, 发现在水泥中掺加适当比例的石膏、水玻璃、粉煤灰等复合添加剂可以提高软土的加固效果。李森林等人[18]的研究认为影响软土性质的有机质除了腐殖质之外, 微生物也是土中的有机质的重要组成部分, 并把它们总称为蛋白质, 在此基础上通过试验得出, 随着土中蛋白质总量的增加, 土的液塑限会增大, 压缩性也会随着蛋白质总量的增高而明显增大, 而土的抗剪强度随着蛋白质的增加而迅速下降。
1.3 淤泥轻量化处理
此外, 淤泥的轻量化处理也是淤泥处理未来的发展方向。朱伟根据室内试验, 采用固化及轻量化处理技术对疏浚淤泥进行研究且得出了如下结论:
(1) 疏浚淤泥土工材料化处理在技术上是可行的, 且具有废物利用和保护环境的优点。
(2) 固化处理和轻量化处理的效果在很大程度上受到疏浚淤泥的性质、固化材料和轻质材料的特性及添加量的影响, 应根据不同疏浚淤泥的特点进行试验研究。
(3) 固化处理及轻量化处理后的疏浚淤泥具有强度可调、施工时无需碾压等优点, 是良好的工程填土材料, 具有广泛的工程应用前景。
(4) 利用疏浚淤泥制作泡沫塑料混合轻量土具有废物利用和保护环境的优点。
(5) 用疏浚淤泥制作泡沫塑料混合轻量土在技术上是可行的。其湿密度可控制在1.1 g/c m 3以下, 强度可通过固化剂的添加量达到工程要求, 而且施工简单, 造价低, 具有较好的工程应用前景。
(6) 水泥含量与E P S颗粒含量对疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土的成形、湿密度和强度都有影响。E P S颗粒含量对疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土的成形和湿密度影响较大, 而对强度的影响不是很明显。水泥含量主要影响疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土的强度。因此, 在制备符合目标湿密度的疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土时, 先根据E P S颗粒含量来优先选择配方, 再根据水泥含量来修正配方。
2 展望
锅炉水处理技术综述 篇11
热力设备在使用中因水质不良造成受热面上的结垢和腐蚀, 对于蒸汽锅炉, 还要注意盐类的沉积。以上不利现象的形成是一个积累过程, 有时问题不易发现, 只有在炉管堵塞, 锅炉受热面发生鼓包、变形、泄露时, 导致锅炉经常修理, 甚至于报废锅炉。有时虽然采取了水处理措施, 但因方法选择不当, 也给用炉单位造成了一定的浪费。
2 腐蚀机理
热水锅炉的腐蚀机理, 是因为锅炉用钢板是由铁素体和渗碳体组成, 铁素体的电极电位低, 渗碳体的电极电位高, 同时, 钢板中还含有各种杂质, 当其表面与水接触时, 即构成无数个微电池, 产生电流引起化学腐蚀, 再则就是因为没有可靠的除氧措施, 水中的溶解氧在锅炉加温的同时相继析出, 附着在管壁及锅筒壁上形成氧去极化腐蚀。其电极处化学反应式如下:
阳极反应:Fe→Fe2++2e
阴极反应:O2+2H2O+4e→4OH-
总的电池反应:2Fe+O2+2H2O→2Fe (OH) 2
如果两极间的扩散作用强烈, 补水中又在不断有氧进入, 还会发生以下二次反应:4Fe (OH) 2+O2+2H2O→4Fe (OH) 3↓
3 水处理方式有炉内与炉外两大类
3.1 原水的预处理
它主要是除掉水中的悬浮杂质和胶体杂质。通常采用混凝、沉淀和过滤等方式。预处理水质的好坏对下一步炉外水处理有很大影响。这些杂质若进入交换器内, 使树脂层的阻力增大, 更容易吸附在树脂表面影响树脂的交换能力, 缩短树脂使用寿命。特别是使用江水, 悬浮物含量太高, 必须经过预处理。
3.2 炉外水处理
3.2.1 钠离子交换软化处理
它是用Na+置换水中Ca2+、Mg2+, 从而去除水中的硬度离子, 失效后再用食盐水进行再生。
运行反应为:2Na R+Ca2+→Ca R2+2Na+
再生反应为:2Na Cl+Ca R2→Ca Cl2+2Na R
(1) 单级钠离子交换系统, 通常用两台交换器, 一台运行, 一台备用, 此系统简单紧凑, 投资少, 基本上能保证连续不断的供水。
(2) 单级钠离子串联运行。此系统虽然较复杂, 但交换器内树脂的交换容量得到了完全利用, 并能降低盐耗, 它适合于硬度较高的原水。
(3) 双级钠离子交换系统。它虽然第二级盐耗较高, 但可利用再生二级交换器的废盐液去再生一级交换器, 而且二级交换器运行周期较长, 其总盐耗比单级钠离子交换还要低一些, 钠离子交换法适用于碱度较低的原水。
3.2.2 软化降碱联合处理
水中的碱度成分是HCO3-, 它在高温下发生分解和水解反应, 使水中游离OH-增加, 蒸汽中CO2浓度增加。
(1) 钠离子交换加酸系统 (通常加H2SO4) 。该系统设备简单, 占地面积小, 能降低锅炉排污率, 提高蒸汽品质, 但对碳钢防腐不利。其适用于原水碱度大, 特别是对有负硬度的水。
(2) 石灰-钠离子交换系统。。此系统先是石灰与游离CO2、Ca (HCO3) 2、Mg (HCO3) 2反应, 再用钠离子交换器进行软化处理, 既降低了碱度又降低了硬度。它适用于碳酸盐硬度比较高, 过剩碱度不是很高的原水。
(3) 氢-钠离子交换系统。它是一部分原水经强酸H型离子交换树脂, 另一部分原水经钠型离子交换树脂, 两部分水经离子交换反应混合在一起, 从而达到降碱和去除硬度的目的。
另外, 还有NH4--Na+离子交换和Cl--Na+离子交换, 这里不作讨论。
3.2.3 水的预脱盐
当原水中的溶解固形物含量过高或相对含盐量过高时, 可以用电渗析或反渗透法进行预脱盐, 再进行软化及除碱处理。
3.2.4 水的除氧
对于给水中的溶解氧含量超标时, 还要进行热力除氧, 铁屑除氧和亚硫酸钠除氧等。
3.3 炉内水处理
这种方法适用于任何压力和出力的锅炉。压力较高的锅炉是进行炉外水处理的同时, 辅以炉内处理;对于压力较低的锅炉可直接采用炉内水处理而不用炉外处理。常用药剂:
3.3.1 纯碱 (Na2CO3) , 它与钙离子反应生成碳酸钙沉淀, 同时Na2CO3水解使水中OH-含量增大, 氢氧根与镁离子反应生成氢氧化镁沉淀。在锅水碱度和PH值较高条件下, 新生成的碳酸钙结晶核的表面易吸附OH-, 阻碍了结晶的增长, 使碳酸钙沉淀分散成无定形水渣。
3.3.2 磷酸钠 (Na3PO4、12H2O) , 它是使磷酸根保持一定浓度, 与钙离子维持一定的平衡关系, 防止Ca SO4、Ca Si O3等水垢的生成, 对防止硅酸盐垢的形成效果更为明显, 但对防止镁垢的形成效果很差。
3.3.3 烧碱 (Na OH) , 它能维持锅水的碱度和PH值, 使磷酸盐与钙镁反应时, 不生成磷酸钙、磷酸镁等易形成二次水垢的物质, 且能与钙镁离子反应, 阻碍碳酸盐等沉淀物在金属表面形成水垢。
3.3.4 栲胶, 它具有络合、凝聚、吸氧防腐作用, 还具有绝缘层作用。只单一使用以上药剂防垢效果不很理想, 常用复合防垢剂。
纯碱、磷酸盐复合防垢剂, 它是以纯碱为主, 磷酸为辅;磷酸、烧碱复合防垢剂, 它以磷酸为主, 烧碱为辅, 它对易形成硫酸盐垢和硅酸盐垢的水质有良好的防垢效果。
三钠一胶复合剂, 它是将纯碱、磷酸钠、火碱和栲胶按一定比例配制而成。碳酸盐硬度大的水质, 宜适当增加火碱用量;对非碳酸盐硬度大的水质, 要多加纯碱;而硫酸盐及二氧化硅含量高的水质, 要增加磷酸钠用量;碱度大于硬度的水质, 适当减少纯碱和火碱用量;含镁离子较高的水质, 要减少磷酸钠用量;硬度大于4mg N/L的水质, 适当增加栲胶用量, 当给水有机物含量高时, 减少栲胶用量。当给水硬度大于3-4mg N/L时, 采用复合防垢剂更经济。
3实用举例
3.1某台WNN型蒸汽锅炉, 冬季供暖, 常年供洗澡水, 安装运行后一直用钠离子交换器进行炉内水处理, 根据水样化验结果进行排污, 因炉水碱度常超标, 不得不加大排污, 排污率超过25%。后改为炉内水处理, 根据水质情况准确、合理计算各药剂投入量, 使炉水碱度保持在标准范围内, 排污率控制在5%以内, 经一年试运行, 节约燃料率为15%。
3.2又有某企业自备电厂原设计水处理系统采用电渗析预处理后再加一级串联阴-阳离子交换除盐系统, 经一段时间运行, 企业感到制水成本太高, 后经合理改进, 选择串联氢-钠离子交换水处理方式, 再生液的消耗大大降低, 提高了经济效益。
4 结论
锅炉水处理方法的选择应根据当地水质状况, 依据水样分析结果, 对照国家水质标准, 经计算得出结论, 合理选择。对于不需除碱的水质, 首选钠离子交换处理, 对需除碱的, 如有负硬度的水选择钠离子加酸;如碳酸盐硬度较高, 选用石灰一钠离子交换系统, 对原水含盐量高, 先预脱盐再软化降碱处理。对一些低压锅炉, 选用炉内加药处理, 合理调整药剂配比, 做到经济有效。
摘要：本文就保证锅炉的经济安全运行, 减少锅炉热力系统的结垢和腐蚀, 依据水质的不同, 选择合理的锅炉水处理方法, 避免因水处理方式选择不当而造成的浪费, 就有关问题作以探讨。
关键词：锅炉,水处理,结垢,腐蚀
参考文献
[1]潘礼明, 霍怀成.锅炉水处理现存问题及对策[J].林业劳动安全, 2004-05-30.
[2]陈坚刚.浅谈热水采暖锅炉水处理技术[J].科技情报开发与经济, 2005-06-30.