圖像處理在等離子體物理中的實(shí)際應(yīng)用

1、圖像處理在等離子體物理中的應(yīng)用摘要Sobel算子、Roberts算子、閾值分割法被應(yīng)用于托卡馬克放電期間彈丸消融圖像的分割實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究表明分水嶺分割算法得的圖像與原始圖像疊加獲得了良好的計(jì)算結(jié)果為研究等離子體物理中的彈丸消融機(jī)制提供了有力數(shù)據(jù)和證據(jù).關(guān)鍵詞：等離子體；彈丸消融；圖像分割；邊緣檢測(cè)；分水嶺分割；SobeloperatRobertsoperatThresholdSegmentationareusedtoreserchi

2、magesofpelletablationcloudduringdisge.TheexpeimentalresearchresultsshowthatWatershedsegmentationAlgithmfImageThresholdingwasanExcellentmethodtoreserchplasmavisibleimage.medatawereprovidedinpelletablationexperiment。Abstra

3、ct：Plasmapellet；ablation；ImageSegmentation；EdgeDetection；Watershedsegmentation1.引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對(duì)于能源需求的加大以及我國(guó)加入ITER計(jì)劃進(jìn)行開發(fā)研究我國(guó)加大力度研究核聚變?cè)诰圩兊姆磻?yīng)研究中聚變?nèi)剂系难a(bǔ)充是核聚變反應(yīng)研究所面臨的一個(gè)首要解決的重要問(wèn)題近年來(lái)在大型托卡馬克裝置上的實(shí)驗(yàn)證明了彈丸注入是解決這一問(wèn)題的重要手段但是彈丸在其消融過(guò)程中與等離子

4、體相互作用的物理機(jī)制非常復(fù)雜已成為聚變研究中的重大課題之一。本文采用高速CCD拍攝機(jī)并實(shí)時(shí)記錄彈丸加料實(shí)驗(yàn)中彈丸消融云的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)彈丸消融云的數(shù)字圖像進(jìn)行研究繼而研究彈丸消融過(guò)程與等離子體的相互作用的物理機(jī)制和提取極向場(chǎng)信息研究等離子體磁流體穩(wěn)定性。本文所采用圖像分割技術(shù)將為彈丸注入實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩個(gè)方面的研究提供理論依據(jù)一是由彈丸消融速度和軌跡研究彈丸與等離子體相互作用的物理機(jī)制；二是由彈丸消融云的演變提取彈丸在飛越等離子體過(guò)程中的極向

5、場(chǎng)信息推算托卡馬克物理實(shí)驗(yàn)中非常重要物理參數(shù)等離子體電流分布。研究彈丸跨越有理磁面過(guò)程消融云圖像的演變直接獲取到關(guān)于磁流體穩(wěn)定性的信息特別是在q=1磁面內(nèi)外極向場(chǎng)的變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行磁流體穩(wěn)定性理論研究。數(shù)字圖像處理在該領(lǐng)域扮演著舉足輕重的作用。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來(lái)有意義的特征有圖像中的邊緣和區(qū)域等這是進(jìn)一步進(jìn)行圖像識(shí)別、理解和分析的基礎(chǔ)。雖然目前已研究出不少區(qū)域分割、邊緣提取的方法但是還沒(méi)有一種普遍適用于所有圖像

6、的有效方法。在等離子物理方面圖像分割也擁有著其重要的作用國(guó)際熱核聚變堆(ITER)的芯部加料問(wèn)題是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。我們?cè)诒疚闹袑⒁榻B關(guān)于某些新型的靶丸注入方式和最佳的芯部加料的最佳工作方式。在HL2A上我們已經(jīng)對(duì)5種氫同位素組合的固態(tài)靶丸T2DTD2HDH2進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)字模擬。他們的模型對(duì)ITER作了數(shù)值計(jì)算模擬并且設(shè)計(jì)了參數(shù)。但由于靶丸消融過(guò)程非常的短暫所以不容易分析極向場(chǎng)故而對(duì)于這一過(guò)程采用CCD進(jìn)行圖像信息采集通過(guò)圖像分割將靶丸

7、消融時(shí)產(chǎn)生的彈丸消融云從圖像中分割出來(lái)進(jìn)而分析彈丸消融的梭型云從而提取彈丸運(yùn)行軌跡進(jìn)而進(jìn)行極向場(chǎng)的進(jìn)一步確定。2.圖像分割算法圖像分割算法從整體上可分為兩大類即基于區(qū)域跟蹤的算法和基于邊緣檢測(cè)的算法。對(duì)圖像分割算法的選擇和確定需要根據(jù)不同的分割目的和目標(biāo)圖像與相關(guān)的一些特點(diǎn)綜合運(yùn)用各種圖像分割算法和技術(shù)相101202101?????????????121000121?????????????圖1Sobel算子2.2.2.Roberts算

8、子Roberts算子是一種利用差分算子來(lái)進(jìn)行邊緣尋找的局部的算子[2]算子由下式給出：(3)22()[()(11)][(1)(1)]gxyfxyfxyfxyfxy????????其中和分別是4個(gè)鄰域的坐標(biāo)并且是輸入具有整數(shù)像素坐()(1)(1)fxyfxyfxy??、、(11)fxy??標(biāo)的圖像其中平方根運(yùn)算使得該處理類似于人類視覺(jué)系統(tǒng)中發(fā)生的過(guò)程。Roberts算子是濾波算子模22?板。Roberts算子是由圖2所示的2個(gè)卷積核形成的

9、。圖像中的每一個(gè)點(diǎn)都使用這2個(gè)核來(lái)做相應(yīng)的卷積。1001???????0110???????圖2Roberts算子2.2.3.Canny算子Canny算子是一個(gè)高斯一階算子[3]。其方法的實(shí)質(zhì)是利用1個(gè)準(zhǔn)高斯函數(shù)對(duì)圖像做相應(yīng)的濾波平滑運(yùn)算即然后再利用帶方向的一階微分算子來(lái)進(jìn)行導(dǎo)數(shù)最大值的定位。經(jīng)過(guò)高斯平滑后的圖()()sffxyGxy??像函數(shù)的梯度可以使用一個(gè)的一階有限差分來(lái)近似：()sfxy22?(4)[]([1]()[11][1]

10、)2ssssPijfijfijfijfij????????(5)[]([](1)[1][11])2ssssQijfijfijfijfij????????在這個(gè)的矩陣內(nèi)求這個(gè)有限差分的均值以便于在數(shù)字圖像中的同一點(diǎn)分別計(jì)算x和y的偏導(dǎo)數(shù)梯度。22?幅值和方向角都可利用直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系來(lái)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算：(6)22[][][]MijPijQij??(7)[]arctan([][])ijQijPij??反映了該圖像的邊緣信息強(qiáng)度；反

11、映了圖像邊緣的方向。使得的方向角在局[]Mij[]ij?[]Mij[]ij?部取得最大值這樣就反映了數(shù)字圖像邊緣的方向。Canny算子也可用高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)來(lái)進(jìn)行近似這個(gè)也在理論上這很接近4個(gè)相關(guān)指數(shù)函數(shù)的線性組合所形成的最佳邊緣算子。2.3.基于區(qū)域跟蹤的圖像分割方法基于區(qū)域跟蹤的算法是將像素按照某種特征的連續(xù)性或相似性歸于不同的區(qū)域之中但在相鄰區(qū)域間具有不同的相對(duì)均勻性。包括各種的區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)區(qū)域的分裂與合并技術(shù)?，F(xiàn)簡(jiǎn)要的介紹其中