畢業(yè)論文-潮濕細(xì)顆粒煤團(tuán)聚現(xiàn)象研究

1、<p>　　中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)</p><p><b>　　本科生畢業(yè)論文</b></p><p>　　姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 理 學(xué) 院 </p><p>　　專 業(yè)： 　應(yīng)用物理學(xué)

2、 </p><p>　　論文題目： 潮濕細(xì)顆粒煤團(tuán)聚現(xiàn)象研究 </p><p>　　專 題： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 焦楊 職 稱：

3、 講師 </p><p>　　2012 年 6 月 徐州</p><p>　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院 理學(xué)院 專業(yè)年級(jí) 　應(yīng)物08-1班　學(xué)生姓名 張 超 </p><p>　　任務(wù)下達(dá)日期： 2011 年 1 月 3 日</p>

4、<p>　　畢業(yè)論文日期： 2012年 2 月 20 日至 2012年 6 月 15 日</p><p>　　畢業(yè)論文題目： 潮濕細(xì)顆粒煤團(tuán)聚現(xiàn)象研究</p><p><b>　　畢業(yè)論文專題題目：</b></p><p>　　畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：</p><p><b>

5、;　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　利用數(shù)碼相機(jī)拍攝光學(xué)顯微鏡下不同粒徑、不同含水量的煤顆粒及其團(tuán)聚體的照片，采用Image-Pro Plus 6.0圖像處理軟件處理數(shù)碼照片，獲得團(tuán)聚顆粒投影面積、形狀因子、最大粒徑、最小粒徑以及平均粒徑分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。利用分形理論研究顆粒團(tuán)聚造成的粒徑變化，利用顆粒數(shù)量-粒徑團(tuán)聚模型計(jì)算分形維數(shù)，研究煤顆粒的粒徑以及含水量顆粒-粒徑分形維數(shù)的影響。

6、 </p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　了解分形理論、顆粒的分形模型以及分形維數(shù)。</p><p>　　掌握Image-Pro Plus 6.0軟件對(duì)數(shù)字圖像的基本的處理方法和技巧。</p><p>　　掌握顆粒數(shù)量-粒徑分形維數(shù)的求解方法和物理含義。</p>

7、;<p>　　院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：</p><p>　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文指導(dǎo)教師評(píng)閱書</p><p>　　指導(dǎo)教師評(píng)語（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；③研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：</p>

8、<p>　　成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p>　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文評(píng)閱教師評(píng)閱書</p><p>　　評(píng)閱教師評(píng)語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫作的規(guī)范程度

9、；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：</p><p>　　成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p>　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文答辯及綜合成績(jī)</p><p><b>　　摘 要</b></p>&l

10、t;p>　　我國(guó)是一個(gè)一次能源主要依賴于燃煤發(fā)電的發(fā)展中國(guó)家，煤炭資源是保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要物資基礎(chǔ)，對(duì)煤炭資源的合理開發(fā)和利用對(duì)于實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　煤顆粒團(tuán)聚問題會(huì)深刻的影響煤炭的加工效果，團(tuán)聚造成顆粒粒徑分布的變化，通過顆粒團(tuán)聚體的粒徑分布變化可研究煤顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。</p><p>　　本文利用數(shù)碼相機(jī)拍攝金相顯微鏡下不同粒度

11、和水分含量的煤顆粒團(tuán)聚圖片，用圖像分析軟件image pro獲取顆粒及其團(tuán)聚體的投影面積、形狀因子、最大粒徑、最小粒徑、平均粒徑等參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。</p><p>　　研究表明：煤顆粒的團(tuán)聚具有分形特點(diǎn)，其顆粒數(shù)量-粒徑分布符合Turcotte分形模型。團(tuán)聚體數(shù)量的對(duì)數(shù)和粒徑的對(duì)數(shù)滿足線性關(guān)系；粒徑為0.1-0.5mm的煤團(tuán)聚的粒徑的數(shù)量-粒徑分形維數(shù)在0.4775-0.9092之間，粒徑的數(shù)量-粒

12、徑分形維數(shù)隨著含水量的增加先增加后減少，在含水量為10%附近時(shí)達(dá)到最大；粒徑為0.11-0.05mm的煤團(tuán)聚的粒徑的數(shù)量-粒徑分形維數(shù)在0.9477-1.4456之間，數(shù)量-粒徑分形維數(shù)都隨著含水量的增加而減??；相同水分含量下，粒徑越小，數(shù)量-粒徑分形維數(shù)越大。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 煤顆粒； 圖像分析； 分形維數(shù)； 團(tuán)聚</p><p><b>　　ABSTRACT&l

13、t;/b></p><p>　　China is a developing country whose primary energy mainly depends on coal-fired power. As an important material basis, Coal resources ensure the sustained development of China's nationa

14、l economy. Reasonable development and utilization of coal resources is of strategic importance for achieving sustainable energy development.</p><p>　　Coal particle agglomeration problems will be a profound i

15、mpact on coal processing effect. Aggregation caused the changes of the particle size distribution. The agglomeration of coal particles are studied by analyzing the changes of particle aggregates size distribution</p&g

16、t;<p>　　Applying digital cameras and metallographic microscope photo the aggregation pictures of coal particles are studied with different moisture content and granularity. Through image pro analyze software the p

17、ictures the aspect and diameter (max min and mean) of the coal particles obtained. </p><p>　　Studies show that the aggregation of coal particles has fractal characteristic. The distribution of the particles

18、size conform Turcotte's fractal model. The logarithmic of the Aggregates' number and size have linear relationship. The fractal dimension of coal aggregates with particles size between 0.1mm and 0.5 mm is between

19、 0.4775 and 0.9092. The fractal dimension first increases and then decreases with the increase of moisture content and reaches the maximum when the moisture content around 10</p><p>　　Keywords： Coal particle

20、s; Image analysis; Fractal dimension; Aggregation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景1</p><p>　　1.2 研究狀況1</p

21、><p>　　1.2.1 顆粒研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 顆粒形態(tài)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.3 分形理論在煤炭科學(xué)中的應(yīng)用3</p><p><b>　　2 分形理論5</b></p><p>　　2.1 分形理論簡(jiǎn)介5</p><p>

22、　　2.2 分形幾何基本原理6</p><p>　　2.2.1 分形幾何與歐幾里得幾何的區(qū)別6</p><p>　　2.2.2 分形的概念6</p><p>　　2.2.3 分形的特性6</p><p>　　2.2.4 顆粒分形分布的基本概念7</p><p>　　2.3 顆粒的分維數(shù)7</p>

23、<p>　　2.3.1 顆粒數(shù)量—粒徑分布分維數(shù)7</p><p>　　2.3.2 顆粒質(zhì)量—粒徑分布分維數(shù)7</p><p>　　2.3.3 顆粒體積—粒徑分布分維數(shù)8</p><p>　　2.3.4 顆粒原狀面積(體積)分布分維數(shù)8</p><p><b>　　3 圖像處理10</b><

24、/p><p>　　3.1 圖像中的基本概念10</p><p>　　3.1.1 圖像處理技術(shù)研究狀況10</p><p>　　3.1.2 數(shù)字圖像顆粒研究現(xiàn)狀11</p><p>　　3.1.3 圖像分析12</p><p>　　3.2 圖像的基本概念12</p><p>　　3.2.1

25、灰度12</p><p>　　3.2.2 像素13</p><p>　　3.3 Image-pro plus圖像分析軟件15</p><p>　　3.3.1 軟件功能15</p><p>　　4 潮濕細(xì)顆粒煤團(tuán)聚研究16</p><p>　　4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備16</p><p>&l

26、t;b>　　4.2 試樣16</b></p><p>　　4.3 實(shí)驗(yàn)過程17</p><p>　　4.4 image pro處理圖片過程19</p><p>　　4.4.1 定標(biāo)19</p><p>　　4.4.2 單個(gè)圖像處理流程21</p><p>　　4.4.3 宏操作27<

27、/p><p>　　4.4.4 批量處理28</p><p>　　4.5 分形維數(shù)的計(jì)算30</p><p>　　4.6 本章小結(jié)38</p><p>　　5 結(jié)論及展望39</p><p><b>　　5.1 結(jié)論39</b></p><p><b>　　5

28、.2 展望39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　英文原文42</b></p><p><b>　　中文翻譯50</b></p><p><b>　　致 謝56</b></p

29、><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　我國(guó)是一個(gè)一次能源主要依賴于燃煤發(fā)電的發(fā)展中國(guó)家，煤炭資源是保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要物資基礎(chǔ)。因此長(zhǎng)期以來，對(duì)煤炭資源的合理開發(fā)和利用對(duì)于實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[]。</p><p&g

30、t;　　煤顆粒物理結(jié)構(gòu)影響煤顆粒團(tuán)聚特性，因而形態(tài)研究對(duì)煤顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象以及制備過程的研究有著深刻意義。對(duì)于煤顆粒顆粒，可以從顯微圖像中獲得煤顆粒的顆粒特性參數(shù)，如粒徑、形狀等直觀參數(shù)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙及其微觀結(jié)構(gòu)等。因此本課題應(yīng)用圖像處理、分形理論及顆粒形態(tài)學(xué)等對(duì)煤顆粒的物理形態(tài)加以研究，對(duì)煤顆粒的物理形態(tài)做出詳細(xì)的描述，給出煤顆粒的形態(tài)特征?；陲@微圖像的煤顆粒分類及其特性的研究，在煤顆粒的各種類型與煤顆粒團(tuán)聚之間建立一定聯(lián)系，對(duì)煤顆粒

31、的研究和合理利用將有重大的意義。</p><p>　　要獲得顆粒的信息參數(shù)，首先要獲得顆粒的圖像。由于顆粒的體積十分微小，用普通照相機(jī)或者是數(shù)碼照相機(jī)所獲得的圖像大都不能顯示出顆粒的外觀結(jié)構(gòu)，更不可能將顆粒的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)在我們面前，阻礙了對(duì)顆粒結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步的研究與分析。顯微鏡的發(fā)明使得人們能對(duì)細(xì)微的粉體顆粒進(jìn)行觀測(cè)、研究。在對(duì)顆粒的觀測(cè)中通常使用到光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡。在顆粒分析中對(duì)顆粒進(jìn)行顯微觀測(cè)，通常要

32、視觀測(cè)樣本自身特性來選擇顯微鏡，如顆粒粒徑、表面性質(zhì)、干燥度等都影響到顯微鏡的選擇。</p><p><b>　　研究狀況</b></p><p><b>　　顆粒研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　通過顆粒檢測(cè)掌握顆粒的物理化學(xué)特性，從而掌握大量的顆粒特性的規(guī)律，并將其應(yīng)用到生產(chǎn)、生活實(shí)踐當(dāng)中，有力的推動(dòng)了科技的發(fā)展。

33、如：在地質(zhì)學(xué)中，通過對(duì)礦物顆粒的研究，可以獲取地質(zhì)、礦物信息，為預(yù)防地震災(zāi)害、尋找礦藏等提供了有利的支持；在生命科學(xué)研究中，可以通過對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)等微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)可以直接指導(dǎo)臨床診斷和病理學(xué)的研究；工業(yè)生產(chǎn)方面，粉體顆粒的研究的應(yīng)用更為廣泛，原料、能源的合理利用與回收，新材料的生產(chǎn)、材料磨損的防止等都與顆粒研究相關(guān)。</p><p>　　當(dāng)然對(duì)于不同領(lǐng)域的研究，需要關(guān)注的顆粒特征是不同的。顆粒的基本物理特

34、性包括孔隙、形狀、粒徑以及顆粒分布等參數(shù)。孔隙反映了顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響到顆粒的相關(guān)特性，如在土壤研究中，孔隙結(jié)構(gòu)是研究的重要對(duì)象；而對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中由于顆粒多是作為材料、介質(zhì)出現(xiàn)，因此其外形特征較為受到關(guān)注。例如磨粒由于其形態(tài)與接觸表面的磨損信息有關(guān)，據(jù)此可以進(jìn)行機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，磨粒的形態(tài)研究則是非常重要的。</p><p>　　對(duì)于顆粒的分析，以往人們通常利用物理、化學(xué)的檢測(cè)方法對(duì)顆粒進(jìn)行研究，通

35、過顯微技術(shù)獲取了大量顆粒的顯微特性及規(guī)律，并將其應(yīng)用到了生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。為了掌握顆粒的基本特性，顆粒形狀特征一般由粒度、粒度分布、顆粒形狀、孔隙度、比表面積等參數(shù)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、檢測(cè)、分析。而在對(duì)顆粒的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，則由比孔容積、比表面積、孔徑分布和孔隙率等參數(shù)來描述孔結(jié)構(gòu)。我們可以通過獲得的顆粒參數(shù)結(jié)合描述顆粒的物理性質(zhì)。</p><p>　　顆粒測(cè)試方法很多[]，粒度及粒度分布是顆粒最重要的也是最基本的特性，常

36、用的測(cè)量方法有篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法等。目前普遍采用的測(cè)量孔結(jié)構(gòu)的方法則主要有：氣體吸附法、壓汞法和小角散射法。這些檢測(cè)方法都有自己的最佳適用情況，但又均存在一定的局限性，如：篩分法操作費(fèi)事，分析結(jié)果較粗糙，在實(shí)際生產(chǎn)中，一般是用于原料的分選及細(xì)粉碎前的預(yù)處理；沉降法限制太多、十分費(fèi)時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量；氣體吸附法對(duì)樣本要求較高，且無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)；采用電感應(yīng)法測(cè)定顆粒粒度和數(shù)目獲得的是顆粒尺寸的二次信息，必須通過轉(zhuǎn)換才能獲

37、得顆粒的尺寸信息；壓汞法中汞對(duì)孔結(jié)構(gòu)的侵入需要外界給予足夠的壓力，壓力的存在會(huì)使顆粒中的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此用壓汞法對(duì)顆粒的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定時(shí)，必須進(jìn)行必要的校正。</p><p>　　顯微鏡計(jì)數(shù)法則是唯一的一種通過直接觀察進(jìn)行的測(cè)試手段，采用的儀器有電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡。傳統(tǒng)的顯微鏡法測(cè)定顆粒粒度分布時(shí)，通常采用顯微拍照法將大量顆粒試樣照相，然后，根據(jù)所得顯微照片，采用人工的方法進(jìn)行顆粒粒度的分析統(tǒng)計(jì)。由

38、于測(cè)量結(jié)果受主觀因素影響較大，測(cè)量精度不高，而且操作繁重費(fèi)事，容易出錯(cuò)，另外由于其樣品制備復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、范圍窄等缺點(diǎn)，不適用于實(shí)際生產(chǎn)的需要。</p><p>　　壓汞法無法進(jìn)行微孔測(cè)量，我們將氣體吸附法與壓汞法結(jié)合使用，才能求得全范圍的孔徑分布。不同方法的結(jié)合能夠相互彌補(bǔ)各自的不足之處，同時(shí)使得研究結(jié)果更為充分、完整。</p><p>　　目前，利用顯微觀測(cè)與圖像處理技術(shù)的粉體顆粒分

39、析技術(shù)具有極大的潛力。可以通過從顆粒的顯微圖像中提取出的顆粒特性參數(shù)，如粒徑、形狀等直觀參數(shù)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙及其微觀結(jié)構(gòu)等。特性分析則可以掌握顆粒的性質(zhì)，因而對(duì)生產(chǎn)或試驗(yàn)過程產(chǎn)生有力影響，此技術(shù)亦可應(yīng)用于煤顆粒研究。因此本課題將圖像處理、分形理論應(yīng)用到對(duì)煤顆粒的顯微物理形態(tài)加以研究。</p><p><b>　　顆粒形態(tài)研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　顆粒形態(tài)學(xué)

40、的內(nèi)容包括顆粒大小的定義、測(cè)定以及顆粒群顆粒大小的分布、顆粒的形狀表征。在顆粒檢測(cè)過程中，顆粒的形態(tài)學(xué)研究是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，讓我們掌握了顆粒的基本信息。顆粒大小對(duì)顆粒特性有很大影響，大的顆粒表現(xiàn)出固體特性；隨著顆粒變小，流動(dòng)性明顯增強(qiáng)，很像液體；顆粒尺寸進(jìn)一步變小，它將像氣體一樣到處飛揚(yáng)；顆粒尺寸再小，它的表面積則迅速增大，表面的分子所處狀態(tài)與大顆粒完全不同，顆粒的性質(zhì)將發(fā)生突變，顯示出驚人的量子特性。</p><p&

41、gt;　　早前關(guān)于顆粒粒度及形狀的定義為顆粒占有的空間量和當(dāng)量形狀等，一般為定性分析，為了更好的對(duì)顆粒進(jìn)行研究，美國(guó)的 M. Taylor[]總結(jié)了顆粒分級(jí)的幾何概念：顆粒的形狀、粒度及表面結(jié)構(gòu)等，并提出了新的量化測(cè)量方法，將顆粒的形狀、尺寸重新定義，以一定的數(shù)學(xué)模型來描述顆粒，使人們?cè)陬w粒的檢測(cè)獲得更全面的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　另外在對(duì)顆粒的形態(tài)進(jìn)行分析的同時(shí)我們可以對(duì)顆粒的其他特性加以研究，如分形特性。

42、分形理論自創(chuàng)立以來，在工程領(lǐng)域應(yīng)用最多亦最成熟的領(lǐng)域是景像生成和圖像處理。分形學(xué)最早是由 Mandelbrot[]提出的，同時(shí)分形技術(shù)的兩個(gè)重要性質(zhì)：分形維數(shù)和自相似性，在顆粒的形態(tài)特征上均有一定的體現(xiàn)。</p><p>　　在顆粒檢測(cè)技術(shù)中分形技術(shù)的應(yīng)用通常是將分形維數(shù)作為分析顆粒的一項(xiàng)參數(shù)，除對(duì)顆粒的形狀參數(shù)的測(cè)量，還可對(duì)分形參數(shù)加以測(cè)量。顆粒的分形分別在以下方面均有一定的研究：具有分形特征的孔結(jié)構(gòu)研究；對(duì)加

43、工過程和生產(chǎn)過程中顆粒表面分形維數(shù)變化的研究；以及分形維數(shù)在顆粒分析中的應(yīng)用研究。</p><p>　　與任何顆粒一樣，顯微觀測(cè)是對(duì)煤顆粒顆粒的最直觀的檢測(cè)方法，通過顯微觀測(cè)我們能夠獲得煤顆粒顆粒的直觀信息：顆粒大小，形狀，分布特征等，但是單純的觀測(cè)只能定性的對(duì)顆粒的大小、形狀等加以描述，這些描述不是很具體，而且無法對(duì)顆粒做出準(zhǔn)確的計(jì)量。</p><p>　　前面我們提到的 M. Tayl

44、or總結(jié)出顆粒分級(jí)的幾何概念：顆粒的形狀、粒度及表面結(jié)構(gòu)等，并提出了新的量化測(cè)量方法，對(duì)顆粒的一些物理特征通過一定的數(shù)學(xué)模型來描述，使人們?cè)陬w粒的檢測(cè)獲得更全面的認(rèn)識(shí)。對(duì)于這些分級(jí)的幾何概念，我們知道單純的依靠顯微觀測(cè)是無法完成其定量分析的，因此通過圖像處理技術(shù)對(duì)顯微圖像的分析處理，這樣能夠得到顆粒物理形態(tài)的定量描述。</p><p>　　近幾十年來發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為粉體微結(jié)構(gòu)的研究提供了一種更加快速

45、、準(zhǔn)確、新穎的研究工具。采用綜合性圖像分析系統(tǒng)可以快速而準(zhǔn)確的完成顯微鏡法中的測(cè)量和分析統(tǒng)計(jì)工作。圖像分析是顯微鏡技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它利用攝像設(shè)備把顯微鏡和計(jì)算機(jī)連接起來，經(jīng)過圖像處理器對(duì)光電信息的處理，將顯微鏡中攝取的原始圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)值化圖像傳送到計(jì)算機(jī)中，再通過圖像處理軟件對(duì)數(shù)值化圖像進(jìn)行處理，獲得圖像的信息數(shù)據(jù)，該法可以自動(dòng)獲得顆粒的個(gè)數(shù)和每個(gè)顆粒的全面的特征參數(shù)，且可以對(duì)每個(gè)顆粒進(jìn)行測(cè)量，可以任意劃分粒級(jí)進(jìn)行分析，是一

46、種全新的、可信度高的顆粒群特征研究方法。</p><p>　　圖像處理技術(shù)與顯微觀測(cè)的結(jié)合使粉體顆粒結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行工程上在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且可以按照研究的不同需要，提取顆粒結(jié)構(gòu)的各種有用信息，定量的分析粉體性質(zhì)。在已有的研究中，人們通過對(duì)顆粒的顯微圖像的處理，同時(shí)結(jié)合形態(tài)學(xué)、分形學(xué)等對(duì)顆粒的物理形態(tài)進(jìn)行了研究，獲得了顆粒的相關(guān)特性，對(duì)顆粒分析起到了一定作用。在顆粒分析中由于研究的對(duì)象不同，所要觀測(cè)的參數(shù)也不同，因此

47、在顆粒檢測(cè)中應(yīng)用到不同的處理技術(shù)。針對(duì)煤顆粒顆粒的特性，在對(duì)其顯微圖像進(jìn)行觀測(cè)、提取以及背景去除、分割處理、邊緣提取之后，即可通過特征提取，可以獲得顆粒的形狀參數(shù)如面積、邊長(zhǎng)以及分形參數(shù)等特性參數(shù)。通過這些特征量就可以方便的進(jìn)行煤顆粒顆粒分析。</p><p>　　已有的研究中，通常通過灰度分析來辨識(shí)圖像中的不同目標(biāo)物[]。顆粒的形狀參數(shù)此外，還有多種分析顆粒特性的方法利用到了分形理論[]等理論分析，可以獲得更多

48、的顆粒特性信息。顆粒的分形維數(shù)在顆粒分析中是一個(gè)重要參數(shù)，Dellino 等人[]對(duì)顆粒輪廓的分形維數(shù)作了研究，并指出了分形分析在顆粒研究中的意義，分形維數(shù)從另外一個(gè)角度反應(yīng)了顆粒表面的粗糙度、凝聚性等，因而影響到顆粒的一些物理化學(xué)特性。</p><p>　　煤顆粒顆粒的物理結(jié)構(gòu)影響煤顆粒性能，因而形態(tài)研究對(duì)煤顆粒制備過程及煤顆粒的研究有著深刻意義。對(duì)于煤顆粒顆粒，可以從顯微圖像中獲得煤顆粒的顆粒特性參數(shù)，如粒徑

49、、形狀等直觀參數(shù)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙及其微觀結(jié)構(gòu)等。因此本文將應(yīng)用到圖像處理、分形理論對(duì)煤顆粒的物理形態(tài)加以研究，對(duì)煤顆粒的物理形態(tài)做出描述。</p><p>　　分形理論在煤炭科學(xué)中的應(yīng)用</p><p>　　關(guān)于煤顆粒的描述，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者已做了大量的工作，但由于煤炭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無法用常規(guī)數(shù)學(xué)手段實(shí)現(xiàn)定量描述，以至于一直局限在定性或者半定量的描述，這樣描述煤顆粒是不具體的。分形幾何學(xué)的出

50、現(xiàn)，為研究用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法不能描述的煤顆粒特征提供了全新的數(shù)學(xué)手段和理論基礎(chǔ)，并使得煤顆粒度的定量描述成為可能。</p><p>　　分形理論在煤炭研究中的應(yīng)用是廣泛的。煤本身是一種分形體,破碎后的煤顆粒作為最基本的單元體,其孔隙結(jié)構(gòu)分布具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律上的自相似性，因此,可以利用分形理論研究相同破壞條件下,煤體孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征。煤中斷裂分布具有良好的統(tǒng)計(jì)自相似性，可以用分維描述。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的王海燕等對(duì)煤巖粒度分

51、形分布的研究表明：煤巖粒度分布無論受采動(dòng)影響，或是受機(jī)械破碎影響，都具有分形特征;通過分維圖線的線性回歸，可求出煤樣的極限粒度;得出的煤巖粒度分形分布規(guī)律，對(duì)煤巖篩選，煤巖破壞機(jī)理研究有一定的指導(dǎo)意義[]。西安科技大學(xué)的王慶賢對(duì)煤自燃的研究表明：不論是實(shí)體煤還是碎裂煤體，其內(nèi)部都具有極不規(guī)則的空隙通道，它們?cè)诳臻g上的分布，粗糙的表面都具有分形特征，可以用分維數(shù)對(duì)其進(jìn)行定量描述；分維數(shù)的大小反映了煤氧化的不同程度，異常狀態(tài)下氣體時(shí)間序列分

52、維數(shù)明顯高于正常情況下的分維數(shù)，說明出現(xiàn)異常時(shí)井下氣體狀態(tài)更加復(fù)雜[]。還有煤微孔表明的分形維數(shù)是描述其表明規(guī)則程度的量，煤的各種工程參數(shù)，如燃燒速率，機(jī)械強(qiáng)度等均與之有關(guān)[]。</p><p>　　本文運(yùn)用分形幾何簡(jiǎn)單分維理論，建立煤顆粒的分形模型，并通過計(jì)算不同水分含量下煤顆粒的分形維數(shù)，研究水分含量對(duì)煤顆粒團(tuán)聚的影響。</p><p><b>　　分形理論</b>

53、;</p><p><b>　　分形理論簡(jiǎn)介</b></p><p>　　分形理論是法國(guó)數(shù)學(xué)家曼 德爾布羅特(Benoit B. Mandelbrot)在 1975 年正式提出與建立的一種探索復(fù)雜性的新的科學(xué)方法和理論。分形理論的研究對(duì)象是自然界和非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的不光滑和不規(guī)則的幾何形體，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是分形幾何學(xué)[]。</p><p>　　分形

54、理論的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段[]：</p><p>　　第一階段為 1872 年至 1925 年，在這一階段研究者們已經(jīng)提出了典型的分形對(duì)象及其相關(guān)問題并為討論這些問題提供了最基本的工具。1872 年 Weierstrass 證明了一種連續(xù)函數(shù)在任意一點(diǎn)均不具有有限或無限導(dǎo)數(shù)，由此人們開始了對(duì)這類不可微函數(shù)的應(yīng)用和推廣研究?，F(xiàn)在Weierstrass 函數(shù)已成為分形幾何經(jīng)典例子之一。1890 年 Peano 構(gòu)造

55、出填充平面的曲線圖，這一曲線出現(xiàn)后，人們提出應(yīng)正確考慮以往的長(zhǎng)度與面積的概念。1904 年 Von Koch 通過初等方法構(gòu)造了處處不可微的曲線即 Koch 雪花曲線，并討論了該曲線的性質(zhì)。1913 年 Perrin 對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的軌跡圖進(jìn)行了研究，明確指出布朗運(yùn)動(dòng)作為運(yùn)動(dòng)曲線不具有導(dǎo)數(shù)。其后的 1920 年左右[]，Wiener在 Perrin 理論的基礎(chǔ)上建立了很多布朗運(yùn)動(dòng)的概率模型，為了表明自然混亂的極端形式，Wiener 采用了“

56、混沌”一詞。由于非?！皬?fù)雜”的集合的引入，而且長(zhǎng)度、面積等概念必須重新認(rèn)識(shí)，為了測(cè)量這些集合，Minkowski 于 1901 年引入 Minkowski容度，Hausdorff 于 1919 年引入</p><p>　　第二階段大致為 1926 年到 1975 年，在這一時(shí)期，研究者們對(duì)分形集的性質(zhì)做了深入的研究，特別是維數(shù)理論的研究已獲得豐富的成果。Bouligand 于 1928 年引入 Bouligand

57、 維數(shù)，Poutrjagin 與 Schnirelman 于 1932 年引入了覆蓋維數(shù)，Kolmogorov 與 Tikomirov 于 1959 年引入熵維數(shù)。1967 年曼德爾布羅特(Benoit B.Mandelbrot)在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，發(fā)表了《英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)？統(tǒng)計(jì)自相似性與分形維數(shù)》，在這篇文章中，Mandelbrot 對(duì)海岸線的本質(zhì)作了獨(dú)特的分析，并具有了分形思想，分形概念便從此開始萌芽。自 60 年代以后，Mand

58、elbrot 系統(tǒng)、深入、創(chuàng)造性地研究了海岸線的結(jié)構(gòu)、具有強(qiáng)噪聲干擾的電子通訊、月球的表面、銀河系中星體的分布、地貌生成的幾何性質(zhì)等自然界中典型的分形現(xiàn)象，為分形從理論轉(zhuǎn)向應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第三階段為 1975 年至今，是分形幾何在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得全面發(fā)展并形成獨(dú)立學(xué)科的階段。1975 年 Mandelbrot 將前人研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，集其大成，發(fā)表了他的劃時(shí)代的專著《分形對(duì)象：形、機(jī)遇和

59、維數(shù)》[]，這篇具有劃時(shí)代意義的文章，首次系統(tǒng)地闡述了分形幾何的思想、內(nèi)容、意義和方法，提出了分形三要素：形、機(jī)遇和維數(shù)，標(biāo)志著分形幾何作為一門獨(dú)立學(xué)科正式誕生。1982 年 Mandelbrot 出版了另一部專著《自然界的分形幾何學(xué)》，進(jìn)一步闡述了他的觀點(diǎn)，形成了以分形維、自相似性和無限可分為特點(diǎn)的、以迭代算法描述的分形幾何的概念，開創(chuàng)了一門新的學(xué)科—《分形學(xué)》，從此分形幾何滲透到許多科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)推動(dòng)各學(xué)科的發(fā)展起到了重要的作用[]。

60、</p><p><b>　　分形幾何基本原理</b></p><p>　　分形幾何與歐幾里得幾何的區(qū)別</p><p>　　歐氏幾何學(xué)以規(guī)整幾何圖形為研究對(duì)象，構(gòu)成其幾何體的基本元素—線、面和實(shí)體都是光滑的，其幾何空間的維數(shù)也均為整數(shù)，即點(diǎn)、直線、平面和體積的維數(shù)分別為 0、1、歐氏幾何學(xué)可以很好地用來描述簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如直線、正方形、立方體、球

61、體等。而分形幾何描述的是自然界中許多不規(guī)則事物，即復(fù)雜的非規(guī)則線、平面和體積。分形幾何有兩個(gè)重要特征：一個(gè)是自相似性，指某一尺度下的空間變異行為在另一個(gè)或更小尺度下重復(fù)出現(xiàn)，即非規(guī)則程度不依賴于尺度的大??；另一個(gè)是分形維數(shù)，它是分形幾何學(xué)中最核心的概念和內(nèi)容，是度量不規(guī)則物體或分形體最主要的指標(biāo)[]，分形維數(shù)不同，物體的復(fù)雜程度或它們的動(dòng)態(tài)演化過程就不相同。分形維數(shù)與歐幾里得幾何學(xué)中維數(shù)的區(qū)別是它不是整數(shù)。</p><

62、;p><b>　　分形的概念</b></p><p>　　1986 年，Mandelbrot 把分形定義為“局部以某種方式與整體相似的形”。更數(shù)學(xué)化的分形定義是“其 Hausdorff 維數(shù)大于拓?fù)渚S數(shù)的集合”。給分形下一個(gè)精確的定義是很困難的，因?yàn)椴还苋绾味x，都要排除一些分形的例子。英國(guó)科學(xué)家 Falconer 認(rèn)為，分形的定義應(yīng)該以生物學(xué)家給出“生命”定義的類似方法給出，即不尋求

63、分形的確切簡(jiǎn)明的定義，而是尋求分形的特性，一般認(rèn)為分形具有以下典型性質(zhì)：</p><p>　　不規(guī)則，以至它的整體和局部都不能用傳統(tǒng)的幾何語言來描述。</p><p>　　具有精細(xì)結(jié)構(gòu)，即在任意小尺度下，都有同樣復(fù)雜的細(xì)節(jié)。</p><p>　　通常具有自相似的性質(zhì)，嚴(yán)格的自相似只出現(xiàn)在數(shù)學(xué)模型中，自然界中的分形是近似的或統(tǒng)計(jì)的自相似。</p><

64、;p>　　一般地，分形維數(shù)(以某種方式定義)大于它的拓?fù)渚S數(shù)。</p><p>　　在大多數(shù)的情況下，分形可以以非常簡(jiǎn)單的方式定義，并可由迭代產(chǎn)生。</p><p>　　可以看出，這一描述性的定義有較大的靈活性，對(duì)于各種不同的分形，有的可能具有上述全部的性質(zhì)，有的可能具有其中的大部分性質(zhì)而對(duì)某個(gè)性質(zhì)例外。</p><p><b>　　分形的特性<

65、;/b></p><p>　　自相似性。就是分形體的局部與整體在形態(tài)、功能和信息等方面具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性，適當(dāng)?shù)胤糯蠡蚩s小分形對(duì)象幾何尺寸，整體結(jié)構(gòu)并不改變。自然界中廣泛存在的幾何形體是不規(guī)則的，如地球表面的山脈、河流、海岸線等，這些形體具有統(tǒng)計(jì)意義下的自相似性，它們不是嚴(yán)格對(duì)稱的。數(shù)學(xué)上的許多不規(guī)則的但自相似的幾何圖形，如 Koch 曲線、Peano 曲線等都是按一定的數(shù)學(xué)法則生成的，它們具有嚴(yán)格的

66、自相似性。總之，自相似性是自然界中普遍存在的一個(gè)客觀規(guī)律，是分形的根本屬性之一。</p><p>　　標(biāo)度不變性。在分形上任選一局部區(qū)域，不管在多大的放大倍數(shù)下觀察，都會(huì)看到同樣相似的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，或者說是同樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而無法從圖象上斷定所用的觀測(cè)尺度，即分形沒有特征尺度。通常具有自相似特性的物體必定滿足標(biāo)度不變性，而任何規(guī)則的幾何形狀都具有一定的特征尺度。對(duì)于分形，不論將其放大還是縮小，它的形態(tài)、復(fù)雜程度、不規(guī)

67、則性等各種特性均不會(huì)發(fā)生變化。除了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型外，對(duì)于實(shí)際的分形體來說，這種標(biāo)度不變性只在一定的范圍內(nèi)實(shí)用。</p><p>　　分形維數(shù)。分形維數(shù)是分形理論中最核心的概念與內(nèi)容，它是度量不規(guī)則物體或分形體最主要的指標(biāo)，是定量描述分形所具有的自相似性的參數(shù)。分形維數(shù)和自相似性是分形理論最主要的特征。我們已經(jīng)知道：線是一維的，面是二維的，體是三維的。而在分形中，維有更廣的涵義，它不必是整數(shù)。比如，海岸線的分維通常

68、在 1.15 到 1.25 之間，雪花的分維接近 1.26。分形維數(shù)的定義有多種，且對(duì)于同一物體以不同方式定義的分形維數(shù)也各不相同。常用的分形維數(shù)有：自相似維數(shù)、豪斯道夫-別西科維奇維數(shù)、計(jì)盒子維數(shù)、信息維數(shù)等等。</p><p>　　顆粒分形分布的基本概念</p><p>　　分形幾何學(xué)最顯著的特征是將看起來十分復(fù)雜的事物，以含很少參數(shù)的簡(jiǎn)單公式予以描述，實(shí)現(xiàn)了由數(shù)表達(dá)的幾何體到函數(shù)式表

69、述幾何體之間的過渡，它的主要價(jià)值在于，它在極端有序和真正混沌之間提供了一種中間可能性。許多分形是由一定程度上與整體相似的各個(gè)部分組成，這種自相似性是分形所具有的重要性質(zhì)，通常也是用它來定義分形的。</p><p>　　如果具有特征線性尺度的客體數(shù)目滿足以下關(guān)系：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　那么便定義了一

70、個(gè)具有分維D及比例常數(shù)C的分形分布。</p><p>　　分形概念也用于客體的統(tǒng)計(jì)分布。如果具有大于r的特征線性尺度的客體數(shù)目N滿足以下關(guān)系式：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　則定義了一個(gè)分形分布。</p><p><b>　　顆粒的分維數(shù)</b></p&

71、gt;<p>　　顆粒數(shù)量—粒徑分布分維數(shù)</p><p>　　1986 年 Turcotte[]根據(jù)分形的概念提出的顆粒數(shù)量—粒徑的分形模型可表示為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中：N(r > R)為粒徑大于 R 的顆粒數(shù)量；D 為顆粒數(shù)量—粒徑分布分維數(shù)。</p>

72、<p>　　與上式相似的另外兩種顆粒數(shù)量—粒徑的分形模型可表示為[]：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：C = (3? D)/(DK L?D) 為常數(shù)；KV 為顆粒體積形狀因子； L為所考慮的巖土體的總尺度。</p&

73、gt;<p>　　上邊兩式成立條件是 ，Rmax 為最大顆粒粒徑。應(yīng)指出的是，有些學(xué)者的分維數(shù)大于3，沒有滿足這個(gè)條件。</p><p>　　顆粒質(zhì)量—粒徑分布分維數(shù)</p><p>　　正是因?yàn)轭w粒數(shù)量—粒徑分布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很難得到，在假設(shè)顆粒密度相同的條件下,Tyler 等人[]推導(dǎo)出顆粒質(zhì)量—粒徑分布的分形模型為：</p><p><b>

74、;　?。?-6）</b></p><p>　　式中：M(r < R)為顆粒尺度小于 R 的顆粒質(zhì)量；MT 為顆粒總質(zhì)量；RL 為最大顆粒尺度</p><p>　　由于顆粒的質(zhì)量分布很容易得到，故國(guó)內(nèi)外關(guān)于顆粒的分維數(shù)大多是利用式進(jìn)行計(jì)他們計(jì)算了不同質(zhì)地的土體的分維數(shù)的變化，認(rèn)為顆粒質(zhì)量—粒徑分布分維數(shù)隨粘粒的含量增大而增大，故有學(xué)者用此分維數(shù)來定量描述土體沙漠化程度，另外

75、一些學(xué)者認(rèn)為粒質(zhì)量—粒徑分布分維數(shù)與土壤有機(jī)含量等特性存在明顯的線性相關(guān)。</p><p>　　顆粒體積—粒徑分布分維數(shù)</p><p>　　利用顆粒粒徑分布密度函數(shù) f (R) [2]可得到顆粒尺度小于 R 的顆粒體積V (≤ R) ，進(jìn)行簡(jiǎn)單變形可得到：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>

76、;　　式中：V0 為顆?？傮w積； Rmax 為最大顆粒粒徑，這與王國(guó)梁提出顆粒體積—粒徑分布分形 模型一致。</p><p>　　利用激光粒度分析儀很容易得到顆粒體積—粒徑分布實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)王國(guó)梁對(duì)不同利用 方式下土壤的顆粒體積—粒徑分布分維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出了一些有益的結(jié)論[]。理論上講， 在相同體積形狀因子的情況下，上述公式計(jì)算的分維數(shù)應(yīng)該相等，實(shí)際測(cè)量的結(jié)果可能是不一樣的。</p><p&

77、gt;　　顆粒原狀面積(體積)分布分維數(shù)</p><p>　　上述顆粒分維數(shù)求解時(shí)都需要對(duì)土體顆粒進(jìn)行分散后測(cè)量顆粒分布情況，實(shí)質(zhì)上不能反應(yīng)土體原狀特性，反應(yīng)原狀特性的分維數(shù)應(yīng)為顆粒原狀面積(體積)分布分維數(shù)。顆粒原狀面積(體積)分布分維數(shù)的計(jì)算方法有兩種，一種是利用盒計(jì)數(shù)法，盒計(jì)數(shù)法是分形理論的一種 基本方法，它一般依靠土壤切片及數(shù)字圖像技術(shù)計(jì)算不同分辨率的情況下土體顆粒所占據(jù)的方格數(shù)，然后利用分形理論的基本知

78、識(shí)求得。這種方法已得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　另外，推導(dǎo)的一種分形模型為：</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　式中： A(≥ r ) 為孔徑大于或等于 r 的孔隙面積； Aa 為考慮范圍內(nèi)巖土體總面積；D 為顆粒原狀面積分布分維數(shù)。在已知孔隙分布的情況下可以通過上式求得顆粒原狀面積分布分維數(shù)。利用土壤切

79、片及數(shù)字圖像技術(shù)或汞壓技術(shù)都可以測(cè)量孔隙的分布，從而可以利用此式計(jì)算相應(yīng)的分維數(shù)。值得說明的是相同條件下盒計(jì)數(shù)法計(jì)算的顆粒原狀面積分布分維數(shù)比式此式的要稍大，因?yàn)楹杏?jì)數(shù)法可能把已經(jīng)辨別的孔隙的一部分面積計(jì)算在顆粒所占據(jù)的方格內(nèi)。</p><p>　　本文研究中采用Turcotte根據(jù)分形的概念提出的顆粒數(shù)量—粒徑的分形模型</p><p><b>　?。?-9）</b>

80、;</p><p>　　由顯微觀測(cè)拍攝不同粒徑和不同水分含量下的煤顆粒圖片，然后用圖像分析軟件imagepro分析所得圖片，統(tǒng)計(jì)出顆粒的粒徑（最大，最小，和平均）和長(zhǎng)寬比，然后再用excel統(tǒng)計(jì)出大于某粒徑或者長(zhǎng)寬比的顆粒數(shù)目，如此就可以用直線擬合的方法求出分形維數(shù)。</p><p><b>　　圖像處理</b></p><p><b&g

81、t;　　圖像中的基本概念</b></p><p>　　數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)，目前已廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、軍事、工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人視覺、公安司法、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等,已成為一門引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科，發(fā)揮著越來越大的作用[]。</p><p>　　圖像處理技術(shù)研究狀況</p>&l

82、t;p>　　數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程[]。</p><p>　　數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計(jì)算機(jī)來處理圖形圖像信息。數(shù)字圖像處理作為一門科學(xué)大約出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初期。早期的圖像處理的目的是改善圖片的質(zhì)量，它以人為對(duì)象，以

83、改善人的視覺效果為目的。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)，復(fù)原，編碼，壓縮等。</p><p>　　首次獲得實(shí)際成功應(yīng)用的是美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）。他們對(duì)航天探測(cè)器徘徊者7號(hào)在1964年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌怯昧藞D像處理技術(shù)，如幾何校正，灰度變換，去除噪聲等方法，進(jìn)行了處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計(jì)算機(jī)成功繪制出月球表面地圖，獲得巨大成功

84、，也推進(jìn)了數(shù)字圖像處理這么學(xué)科的誕生。在以后的宇航空間技術(shù)，如對(duì)火星，土星等星球的探測(cè)研究中，數(shù)字圖像處理技術(shù)都發(fā)揮了巨大的作用。數(shù)字圖像處理取得的另一個(gè)巨大成就是在醫(yī)學(xué)上。1972年英國(guó)EMI公司工程師housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT（computer tomograph）。CT的基本方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理來重建截面圖像，稱為圖像重建。1975年EMJ公司又成

85、功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。1979年，這項(xiàng)無損傷診斷技術(shù)獲得了獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，說明了它對(duì)人類作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就[]，屬于這些領(lǐng)域的有航空航天，生物醫(yī)學(xué)工程，工業(yè)檢測(cè)，機(jī)器人視覺，公安司法，</p><p>　　隨著圖像處理的深入發(fā)展，從70年代中期開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能，思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，

86、數(shù)字圖像處理向更高更深層次發(fā)展。人們已經(jīng)開始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界，這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。很多國(guó)家，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，投入更多的人力物力到這項(xiàng)研究，取得了不少重要研究成果。到了20世紀(jì)80年代，圖像處理技術(shù)進(jìn)入普及期，此時(shí)的微機(jī)已經(jīng)能夠擔(dān)當(dāng)起圖像處理的任務(wù)。20世紀(jì)90年代是圖像處理的實(shí)用化時(shí)期，圖像處理的信息量巨大，對(duì)處理速度的要求極高。圖像處理雖然在理論方法研究上取得了不少進(jìn)展，但它本身

87、是一個(gè)比較難的研究領(lǐng)域，存在不少困難，因此圖像處理技術(shù)是一個(gè)有待人們進(jìn)一步探索的新領(lǐng)域。</p><p>　　數(shù)字圖像顆粒研究現(xiàn)狀</p><p>　　在顆粒物性的描述中，尺寸是一個(gè)重要的參數(shù)[]。原始材料很少可以直接利用，往往需要進(jìn)行研磨，分解，氣化，加熱或化學(xué)反應(yīng)等方法轉(zhuǎn)換為精細(xì)的可用產(chǎn)品。在這一系列過程中，顆粒的尺寸具有重要的意義和影響。因此有關(guān)顆粒大小的測(cè)試技術(shù)和方法以及測(cè)試儀器就

88、大量涌現(xiàn)。現(xiàn)代顆粒測(cè)試技術(shù)和方法從原理上可分為幾類：篩分法，顯微鏡法，沉降法和電感應(yīng)法等。下面針對(duì)這些顆粒測(cè)試方法和技術(shù)的主要部分做一概述。[]</p><p>　　篩分法是最早最經(jīng)典的方法，將被測(cè)樣品經(jīng)過不同大小孔徑的篩網(wǎng)過篩，然后再稱量獲取粒子大小及重量分布。它的方法簡(jiǎn)單，但是準(zhǔn)確性差且較為耗時(shí)，尤其是對(duì)超細(xì)顆粒更是如此[]。</p><p>　　顯微鏡法最為直接，它是一種絕對(duì)的測(cè)量。

89、光學(xué)顯微鏡的方法是通過人眼直接觀察，人為因素引起的誤差較大；電子顯微鏡的方法是通過電子掃描獲取圖像，再結(jié)合圖像分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。它減少了人為觀測(cè)誤差，但它制樣要求高，復(fù)雜且設(shè)備昂貴。</p><p>　　沉降法是七八十年代用的最多的粒度分析技術(shù)，相應(yīng)的商用儀器也有許多。用沉降法測(cè)定顆粒時(shí)，細(xì)粉的沉降速度很慢，測(cè)定需要很長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)由于環(huán)境溫度的影響，超細(xì)顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)以及再凝聚等原因，得不到高的測(cè)量精度[]。&l

90、t;/p><p>　　采用電感應(yīng)法測(cè)定顆粒粒度和數(shù)目獲得的是顆粒尺寸的二次信息，必須通過轉(zhuǎn)換才能獲得顆粒尺寸信息。</p><p>　　傳統(tǒng)的顆粒分析方法十分繁多，這些檢測(cè)方法又都有自己的適用情況，但又都存在一定的局限性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)展了圖像顆粒測(cè)試技術(shù)。利用圖像處理技術(shù)，不僅可以對(duì)粉體顆粒進(jìn)行進(jìn)行亞微米甚至納米程度上的結(jié)構(gòu)觀測(cè)，定量的分析粉體的性質(zhì)，提取顆粒結(jié)構(gòu)的各種有用信息[

91、]，更可以對(duì)其工業(yè)過程進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前研究的粉體顆粒圖像分析系統(tǒng)經(jīng)實(shí)測(cè)證明其測(cè)量速度快，測(cè)量重復(fù)性好。利用圖像處理進(jìn)行顆粒分析由于其快速精確等特點(diǎn)有著極大的發(fā)展?jié)摿?，顆粒分析中圖像處理技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)有進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。</p><p>　　通過顆粒檢測(cè)掌握顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)，從而掌握大量顆粒特性的規(guī)律，并將其應(yīng)用到生產(chǎn)生活實(shí)踐當(dāng)中，有力的推動(dòng)了科技的發(fā)展。如：在地質(zhì)學(xué)中，通過對(duì)礦物顆粒的研究，可以獲取地質(zhì)

92、礦物信息，為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，尋找礦藏等提供有力的支持；在生命科學(xué)研究當(dāng)中，可以通過對(duì)細(xì)胞蛋白質(zhì)等微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[]，其結(jié)果可以直接指導(dǎo)臨床診斷和病理學(xué)的研究；工業(yè)生產(chǎn)方面，粉體顆粒的研究應(yīng)用更為廣泛，原料能源的合理利用與回收，新材料的生產(chǎn)，材料磨損的防止，都與顆粒研究相關(guān)。當(dāng)然對(duì)于不同的研究領(lǐng)域，需要關(guān)注的顆粒特征是不同的。</p><p>　　顆粒的基本物理特征包括，孔隙，形狀，粒徑以及顆粒分布等參數(shù)。孔隙反映了

93、顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響到顆粒的相關(guān)特性，如在土壤研究中，孔隙結(jié)構(gòu)是重要的研究對(duì)象；而對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中，由于顆粒多是作為材料介質(zhì)出現(xiàn)，因此其外形特征較為受到關(guān)注。例如磨粒由于其形態(tài)與接觸表面的磨損信息有關(guān)，據(jù)此可以進(jìn)行機(jī)器的狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷，磨粒的形態(tài)研究是非常重要的。</p><p>　　當(dāng)然不同的顆粒特性需要不同的檢測(cè)方法才能獲得，分析顆粒需要綜合相關(guān)的檢測(cè)方法以獲取全面的顆粒信息。根據(jù)顆粒分析的需要，確定顆

94、粒分析的方法是很有必要的。因此我們?cè)谶x擇顆粒測(cè)量方法時(shí)，一般是根據(jù)需要來確定方法。應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)煤顆粒顆粒進(jìn)行檢測(cè)與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比較：圖像處理技術(shù)使顆粒分析的結(jié)果，更為快捷、方便、準(zhǔn)確。從煤顆粒顆粒圖像中，我們可以獲得相關(guān)煤顆粒特性，粒徑、面積、周長(zhǎng)等形狀參數(shù)，粒徑分布、濃度分布和顆粒聚集等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以及一些復(fù)雜的特性參數(shù)。一般的分析過程是在對(duì)顆粒的圖像進(jìn)行觀測(cè)，提取及背景去除，分割處理和邊緣檢測(cè)之后，通過相關(guān)特征提取即可獲得顆

95、粒特性參數(shù)[]。對(duì)特征量的處理可以方便的進(jìn)行顆粒分析。用數(shù)字圖像處理技術(shù)作為研究煤顆粒顆粒的一種手段，使人們對(duì)煤顆粒顆粒的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有了更加深入的了解，這種研究方法的地位越來越高，已經(jīng)成了煤顆粒顆粒分析的必要手段之一。</p><p>　　用計(jì)算機(jī)可以對(duì)圖像作各種處理，即加快了圖像分析處理的速度，又突出了人們需要的信息。許多直接觀察不到的重要信息，通過計(jì)算機(jī)圖像處理后可以清楚的看到。煤顆粒的圖像可以通過數(shù)碼相機(jī)獲

96、得，再進(jìn)入計(jì)算機(jī)做圖像處理，將其中的煤粒信息進(jìn)行提取，最后將這些數(shù)據(jù)通過一系列的圖像處理方法，就可以得到滿足不要研究需要的各種關(guān)于顆粒物理結(jié)構(gòu)等方面的信息，從中我們不僅可以獲得顆粒外觀輪廓的信息[]，而且可以進(jìn)一步了解顆粒的分布情況，為我們更好的了解煤粒特性并對(duì)其進(jìn)行合理應(yīng)用創(chuàng)造了條件。</p><p><b>　　圖像分析</b></p><p>　　圖像分析就是通

97、過分析圖片的方法來測(cè)量圖片上測(cè)量對(duì)象的測(cè)量數(shù)值。 </p><p>　　圖像分析是一種間接的測(cè)量方法，在許多情況下，無法進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量時(shí)，使用圖像分析的方法能有效地完成準(zhǔn)確的測(cè)量。 </p><p>　　采用圖像分析的方法進(jìn)行測(cè)量分析時(shí)，一般是下列這個(gè)過程： </p><p>　　明確需要測(cè)量分析的對(duì)象。 </p><p>　　使用適當(dāng)?shù)姆椒?/p>

98、拍攝下這個(gè)對(duì)象。 </p><p>　　分析照片上的圖像元素，確定能反映測(cè)量對(duì)象的圖像圖形。 </p><p>　　測(cè)量照片上的圖形的測(cè)量參數(shù)，進(jìn)而得到測(cè)量對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)。 </p><p>　　對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 </p><p>　　明確圖像分析的測(cè)量過程對(duì)我們理解應(yīng)用圖像分析方法進(jìn)行測(cè)量分析是非常重要的。這有助于我們正確地設(shè)計(jì)圖像

99、分析過程。</p><p><b>　　圖像的基本概念</b></p><p><b>　　灰度</b></p><p>　　電子圖片通過屏幕上每個(gè)象素點(diǎn)的明暗不同來組成一張圖片。圖片上一個(gè)象素點(diǎn)的明暗程度對(duì)應(yīng)著圖片文件上的一個(gè)數(shù)值，這就是灰度值。這個(gè)灰度值是反映圖片上象素點(diǎn)的性質(zhì)的。通過灰度分析可以照片上表現(xiàn)的物體的亮度

100、性質(zhì)。</p><p>　　圖 3-1 灰度示意圖</p><p>　　如圖 3-1 灰度示意圖所示，對(duì)于圖片，最亮處是灰度最大值，白色?；叶葹?55。 </p><p>　　當(dāng)照片反應(yīng)的是光源發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，最亮度對(duì)應(yīng)的是亮度無窮大光源。此時(shí)光源亮度與灰度數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一個(gè)指數(shù)關(guān)系。 </p><p>　　當(dāng)照片反映的是透射物時(shí)，其遮擋光線透

101、過的性質(zhì)稱為光密度。黑色對(duì)應(yīng)的光密度值為無窮大，白色對(duì)應(yīng)于0 。 </p><p>　　作灰度分析時(shí)，首先要分清照片灰度所反映的拍攝對(duì)象的性質(zhì)，是光源亮度，還是透射密度還是反射的灰度。</p><p>　　這些是最基本的概念，對(duì)于彩色照片，先要把彩色轉(zhuǎn)換成灰度，然后用灰度照片來分析。</p><p><b>　　像素</b></p>

102、<p>　　像素，又稱畫素，為圖像顯示的基本單位，譯自英文“pixel”，pix是英語單詞picture的常用簡(jiǎn)寫，加上英語單詞“元素”element，就得到pixel，故“像素”表示“圖像元素”之意，有時(shí)亦被稱為pel（picture element）。每個(gè)這樣的信息元素不是一個(gè)點(diǎn)或者一個(gè)方塊，而是一個(gè)抽象的采樣。仔細(xì)處理的話，一幅圖像中的像素可以在任何尺度上看起來都不像分離的點(diǎn)或者方塊；但是在很多情況下，它們采用點(diǎn)或者

103、方塊顯示。每個(gè)像素可有各自的顏色值，可采三原色顯示，因而又分成紅、綠、藍(lán)三種子像素（RGB色域），或者青、品紅、黃和黑（CMYK色域，印刷行業(yè)以及打印機(jī)中常見）。照片是一個(gè)個(gè)采樣點(diǎn)的集合，故而單位面積內(nèi)的像素越多代表分辨率越高，所顯示的圖像就會(huì)接近于真實(shí)物體。</p><p>　　圖片分析測(cè)量的幾何數(shù)值單位是象素。這是電子圖片本身的性質(zhì)所決定。一個(gè)象素點(diǎn)只代表顯示屏上一個(gè)色點(diǎn)。一條線是由一串象素點(diǎn)所組成，它的長(zhǎng)度

104、就是多少個(gè)象素點(diǎn)。一個(gè)圓形的區(qū)域面積則是其外輪廓所圍住的象素點(diǎn)數(shù)量。</p><p>　　Image-pro plus圖像分析軟件</p><p>　　Media Cybernetics 公司是世界上圖像分析軟件領(lǐng)域中最好的公司之一。Image-Pro Plus, 是該公司著名的圖像處理分析軟件，支持圖像采集，增強(qiáng)，標(biāo)定，彩色圖像處理，計(jì)數(shù)，測(cè)量，分析，圖像標(biāo)注，圖像數(shù)據(jù)庫，報(bào)表生成器，宏

105、紀(jì)錄，VBA宏編程進(jìn)行功能擴(kuò)展，全面的Internet 支持; </p><p>　　同時(shí)，支持用C++,Vb等擴(kuò)展專對(duì)自己應(yīng)用的特定功能。支持各種輸入源，各種圖像格式，特別支持大尺寸圖像.特有熒光，材料分析模塊，以及顯微鏡控制模塊（用于自動(dòng)顯微鏡控制），適用于各種圖像分析處理的應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)，生命科學(xué)，工業(yè)應(yīng)用，以及各種科研應(yīng)用.相比較，其他公司的同類產(chǎn)品一般只是作為某個(gè)方面專門的系統(tǒng)，并且價(jià)格較貴。&l

106、t;/p><p>　　Image-Pro Plus 擁有優(yōu)秀的性能價(jià)格比，并且擁有專門的熒光分析軟件模塊，滿足熒光分析方面的特殊的需求。Image-Pro Plus 擁有友好、易用的界面，并且具有開放的體系結(jié)構(gòu)，易于擴(kuò)展。同時(shí)具有宏記錄功能，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人士，或者在用戶面對(duì)大量重復(fù)的工作時(shí)，能大大提高其工作效率.此外，Image-Pro Plus 支持的系統(tǒng)平臺(tái)、圖像輸入方式、圖像格式等，較之其它軟件都更為豐

107、富。</p><p>　　技術(shù)領(lǐng)先自1985年以來就對(duì)圖像分析軟件制定了高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，圖像和軟件工業(yè)中領(lǐng)先公司皆依賴他的技術(shù)，進(jìn)行圖像處理應(yīng)用，使用工具和客戶化 解決方法。每天成千上萬的科學(xué)家和工程師都在使用著這些強(qiáng)大的軟件功能，Image-Pro Plus 符合現(xiàn)代研究人員和圖像分析專家的嚴(yán)格要求。</p><p>　　其迅速、強(qiáng)大、準(zhǔn)確、可靠，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，能夠使您的工作更加容易，更加

108、有效！Image-Pro Plus 為圖像生成設(shè)備、圖像分析控制和自動(dòng)化提供了先進(jìn)，操作簡(jiǎn)便的解決方法。它為研究人員、科學(xué)家、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、工程師和質(zhì)量保證及研究等專家而設(shè)計(jì)，它給出更簡(jiǎn)便、更迅速及更準(zhǔn)確的方法以再現(xiàn)、收集、分析圖像中的細(xì)節(jié)。</p><p>　　應(yīng)用范圍：病理顯微圖像分析；面積形態(tài)和光密度分析；免疫組化；熒光圖像分析； 確定凝膠DNA中的含量；粒子計(jì)數(shù)分析；材料檢測(cè)；質(zhì)量QC；表面分析；圖文