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)首要解決的重要問題近年來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題的重要手段但是彈丸在其消融過程中與等離子

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)的芯部加料問題是一個(gè)熱點(diǎn)問題。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)于這一過程采用CCD進(jìn)行圖像信息采集通過圖像分割將靶丸

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系統(tǒng)中發(fā)生的過程。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進(jìn)行導(dǎo)數(shù)最大值的定位。經(jīng)過高斯平滑后的圖()()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