精選第9章 新型檢測(cè)技術(shù)與儀表

1、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)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(lái)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)。虛擬儀器特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“軟件即儀器”的新概念。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?？煞奖愕赝庠O(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。系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^(guò)軟件修改、增減，簡(jiǎn)單靈活。價(jià)格低廉，可重復(fù)使用。技術(shù)更新快

2、，開發(fā)周期短。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。面向總線接口控制，用戶通過(guò)軟件工具組建各種智能檢測(cè)系統(tǒng)。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(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(lái)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(lái)采集、傳輸信

3、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。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。2、通用接口(GPIB)儀器控制系統(tǒng)通用接口GP

4、IB(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(lái)，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)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(lái)的高速、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

5、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 (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)在于可利用熟悉的GPIB技術(shù)，如同控制一臺(tái)儀器一樣來(lái)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

6、數(shù)據(jù)交互瓶頸。 (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。(3)MXI總線控制方案：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

7、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VXI總線系統(tǒng)配置。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

8、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(lái)更多好處，例如，PXI設(shè)備能被操作系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。 (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(lái)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(lái)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(guò)編制應(yīng)用程序來(lái)定義虛擬儀器的功能；軟面板程序用來(lái)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(lái)顯示測(cè)量結(jié)果等。 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(yǔ)言，如C、C+等，另

9、一種是采用可視化編程語(yǔ)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)。LabVIEW開發(fā)平臺(tái) LabVIEW開發(fā)平臺(tái)是一種編譯性圖形化編程語(yǔ)言，它把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)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(lái)的簡(jiǎn)單的圖形編程方式。LabVIEW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(yǔ)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。LabVIEW除了編程方式與常規(guī)語(yǔ)言不同外，它具備常

10、規(guī)語(yǔ)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(yǔ)言。G語(yǔ)言G語(yǔ)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(kù)的圖形化編程語(yǔ)言，是LabVIEW的核心 。 定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)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(yǔ)言。豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)為用戶編程提供了極大的方便。 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。 它與傳統(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言最大的區(qū)別在于編程方式：一般高級(jí)語(yǔ)言采用文本編程，而G語(yǔ)言采用圖形化編程方式。 LabVIEW可以完成的主要功能 數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)分析。 數(shù)據(jù)顯示

11、。 在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布信息。使用Microsoft Office工具生成報(bào)告。 交互式數(shù)據(jù)管理。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(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；(

12、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)。(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)。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 A

13、nalog 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)。 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(lái)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

14、進(jìn)行高分辨率圖像的實(shí)時(shí)采集。(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?？蛇M(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)器。 (4) 閃存。(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)。(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(guò)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)

15、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)。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)為空間坐標(biāo)，t為時(shí)間，為波長(zhǎng)。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 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：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式中Rs () 、Gs

16、()和Bs ()所謂光譜三刺激值是匹配單位譜色光(波長(zhǎng)為)時(shí)所要求的三刺激值。 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: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)象。 (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(guò)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

17、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(guò)程的樣本更有益。 1、確定性情況下的圖像抽樣 令 F I (x, y)代表一理想的無(wú)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。其中是由脈沖函數(shù)的無(wú)限陣列組成的。因而抽樣后的圖像可以表示為 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，用公式表示為或等效于式中 xc和 yc是圖像的截止頻率；xs和 ys為抽樣頻率。 如果上式中等號(hào)成立，則稱圖像是以奈奎

18、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(guò)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)?shù)臑V波器對(duì)樣本進(jìn)行空間濾波，便可以精確地重建原圖像。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(lái)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(guò)程，并且已知平均值 FI和自相關(guān)函數(shù) 式中 用脈沖函數(shù)陣列對(duì)這一圖像進(jìn)行抽樣，得： 其自相關(guān)函數(shù)為式中 所以抽樣圖像的自相關(guān)函數(shù)為對(duì)上式采用二維傅立

19、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: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。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(guò)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。 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。圖像編碼

20、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(wèn)題。 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(lái)說(shuō)，比原始圖像更適用。 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(lái)重建或恢復(fù)原有圖像。 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(guò)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

21、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(lái)。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(lái)分，可分為閾值法、界線探測(cè)法、匹配法等。 圖像描述 就是用一組數(shù)量或符號(hào)來(lái)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。圖像識(shí)別 圖像經(jīng)過(guò)增強(qiáng)、復(fù)原等預(yù)處理后，再經(jīng)過(guò)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。第三節(jié) 軟測(cè)量技術(shù)一、 軟測(cè)量技術(shù)概述軟

22、測(cè)量(Soft Sensing)技術(shù)的基本原理為：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(guò)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(guò)軟測(cè)量模型運(yùn)算處理而完成的。 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)。 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

23、和改進(jìn)，因此軟儀表易于實(shí)現(xiàn)，且在通用性、靈活性和成本等方面具有優(yōu)勢(shì)。軟測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重要意義(1)能測(cè)量目前無(wú)法或難以檢測(cè)而又十分重要的過(guò)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(guò)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。 二、軟儀表的設(shè)

24、計(jì)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。 (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(guò)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)。 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數(shù),但直接使用過(guò)多輔助

25、變量會(huì)出現(xiàn)過(guò)參數(shù)化問(wèn)題，其最佳數(shù)目的選擇與過(guò)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(wèn)題。至于輔助變量的最優(yōu)數(shù)量問(wèn)題，目前尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。 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。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；(2)靈敏性，對(duì)對(duì)象輸出或不可測(cè)擾動(dòng)能做出快

26、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。(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。(三) 軟測(cè)量模型的分類軟測(cè)量模型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

27、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(wèn)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(guò)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。 (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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)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)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

28、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(zhǎng)的時(shí)間。三、軟測(cè)量的建模方法軟測(cè)量模型是通過(guò)輔助變量來(lái)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：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(guò)程層析成像方法、相關(guān)分析方法和現(xiàn)代非線性信息處理方法。 (一) 工藝機(jī)理分析方法 該方法是建立在對(duì)過(guò)程工藝機(jī)理

29、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(guò)對(duì)過(guò)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(guò)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。(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

30、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。(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)變量時(shí)輔助變量是可觀測(cè)的情況，軟儀表的構(gòu)造問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為狀態(tài)觀測(cè)或狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。 該方法現(xiàn)在已從線性系統(tǒng)推廣到了非線性系統(tǒng)，但是對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，常常難以建立有效的狀態(tài)空間模型，這在一定程度上限制了該方法的應(yīng)用。 (四) 系統(tǒng)辨識(shí)方法該方法是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系統(tǒng)看成“黑箱”，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量為輸出，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集、流程模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)試，獲得過(guò)程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以

31、此為依據(jù)建立軟測(cè)量模型。(五) 模式識(shí)別方法該方法采用模式識(shí)別的方法對(duì)工業(yè)過(guò)程的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從中提取系統(tǒng)的特征，建立以模式描述分類為基礎(chǔ)的模式識(shí)別式軟測(cè)量模型。它適用于缺乏系統(tǒng)先驗(yàn)知識(shí)的場(chǎng)合，可利用日常操作數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量建模。在應(yīng)用中，該方法常常和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊技術(shù)結(jié)合在一起。 (六) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)和非線性逼近等功能，將輔助變量作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，而主導(dǎo)變量則作為網(wǎng)絡(luò)的輸出，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)來(lái)解決不可測(cè)變量的軟測(cè)量問(wèn)題。(七) 模糊數(shù)學(xué)方法模糊數(shù)學(xué)模仿人腦邏輯思維特點(diǎn)，是處理復(fù)雜信息的有效手段。特別適合應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中被測(cè)

32、對(duì)象呈現(xiàn)亦此亦彼的不確定性難以用常規(guī)數(shù)學(xué)定量描述的場(chǎng)合，在實(shí)際應(yīng)用中常和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識(shí)別技術(shù)等相結(jié)合以提高軟儀表的效能。(八) 過(guò)程層析成像方法該方法以醫(yī)學(xué)層析成像技術(shù)為基礎(chǔ)，采用基于電容、電導(dǎo)、電磁、光學(xué)和核輻射等傳感機(jī)理的傳感器獲取所需的投影數(shù)據(jù)信息來(lái)建立軟測(cè)量模型。目前主要應(yīng)用于難測(cè)流體的參數(shù)測(cè)量(例如兩相流/多相流分相流量和含率)以及裝置的狀態(tài)監(jiān)控等。(九) 相關(guān)分析方法以隨機(jī)過(guò)程中的相關(guān)分析理論為基礎(chǔ)，利用各輔助變量(隨機(jī)信號(hào))間的互相關(guān)函數(shù)特性來(lái)進(jìn)行軟測(cè)量。該方法主要應(yīng)用于難測(cè)流體流速或流量的在線測(cè)量和故障診斷(例如流體輸送管道泄漏的檢測(cè)和定位)等。 (十) 現(xiàn)代非線性信息處

33、理方法 該方法的基本思想與相關(guān)分析一致，利用易測(cè)對(duì)象信息的隨機(jī)信號(hào)，采用先進(jìn)的信息處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)所獲信息的分析處理提取信號(hào)特征量，從而實(shí)現(xiàn)某一參數(shù)的在線檢測(cè)或過(guò)程的狀態(tài)識(shí)別。 所不同的是具體信息處理方法不同，大多采用各種先進(jìn)的非線性信息處理技術(shù)(例如小波分析，混沌和分形等)，能適用于常規(guī)的信號(hào)處理手段難以適應(yīng)的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)。 該方法近年來(lái)發(fā)展很快，應(yīng)用范圍較廣，目前一般主要應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷、狀態(tài)檢測(cè)和粗大誤差偵破等，并常常和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊數(shù)學(xué)等人工智能技術(shù)相結(jié)合。本章結(jié)束謝 謝!9、靜夜四無(wú)鄰，荒居舊業(yè)貧。8月-228月-22Tuesday, August 23, 202210、

34、雨中黃葉樹，燈下白頭人。19:48:0219:48:0219:488/23/2022 7:48:02 PM11、以我獨(dú)沈久，愧君相見頻。8月-2219:48:0219:48Aug-2223-Aug-2212、故人江海別，幾度隔山川。19:48:0219:48:0219:48Tuesday, August 23, 202213、乍見翻疑夢(mèng)，相悲各問(wèn)年。8月-228月-2219:48:0219:48:02August 23, 202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)，舊國(guó)見青山。23 八月 20227:48:02 下午19:48:028月-2215、比不了得就不比，得不到的就不要。八月 227:48 下午8月-2219:48August 23, 202216、行動(dòng)出成果，工作出財(cái)富。2022/8/23 19:48:0219:48:0223 August 202217、做前，能夠環(huán)視四周；做時(shí)，你只能或者最好沿著以腳為起點(diǎn)的射線向前。7:48:02 下午7:48 下午19:48:028月-229、沒(méi)有失敗，只有暫時(shí)停止成功！。8月-228月-22Tuesday, August 23, 202210、很多事情努力了未必有結(jié)果，但是