【畢業(yè)學位論文】(Word原稿)野點檢測在圖像損傷實時監(jiān)控的研究和應用-民用飛機機務工程

編號 南京航空航天大學 畢業(yè)論文 題 目 野點檢測在圖像損傷實時監(jiān)控的研究和應用 學生姓名 楊飛益 學 號 070430125 學 院 民航學院 專 業(yè) 機務工程 班 級 0704301 指導教師 陳果 副教授 二 八年六月 南京航空航天大學 本科畢業(yè)設計（論文）誠信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）（題目： 野點檢測在圖像損傷實時監(jiān) 控的研究和應用 ）是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 作者簽名： 年 月 日 （學號）： 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - i - 野點檢測在圖像損傷實時監(jiān)控的研究和應用 摘要 在圖像損傷實時監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測中，野點對應著一個奇異狀態(tài)，往往表明該圖像在不正常狀態(tài)中。一般來說，大量的圖像結果為正常狀態(tài)，正常狀態(tài)的表現(xiàn)形式較為統(tǒng)一，異常狀態(tài)各種各樣，與正常狀態(tài)存在較大差 異。因而通過對狀態(tài)空間中的野點的捕捉，可以有效預防質(zhì)量問題，從而具有重要的現(xiàn)實意義。本文引入核方法下基于邊界的野點檢測，對香煙條包端面透明紙損傷檢測，結果表明該方法可以有效的對損傷圖像進行檢測。 首先，介紹了野點檢測的發(fā)展，基本原理和常規(guī)方法，以及核方法下基于邊界的野點檢測。 其次，介紹了香煙條包端面透明紙圖像損傷檢測系統(tǒng)，對正常和損傷圖像的特點進行了分析。 然后，研究主成分分析理論，利用主成分分析對圖像進行特征壓縮，提取圖像的主要特征。 最后，結合野點檢測和主成分分析原理利用香煙條包圖像進行實驗驗證，經(jīng)過 必要的分析得出研究結論。 關鍵詞 ： 野點檢測，核方法，主成分分析，圖像處理 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - is a in of is in an in is So it is to of in on to of on is to of we of on we to of it to we do to 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 目 錄 摘要 . i . 一章 緒 論 . 1 課題背景及意義 . 1 文研究中所用的方法原理 . 1 文主要研究工作 . 2 第二章 野點檢測基本原理 . 3 義與類型 . 3 規(guī)方法 . 3 于統(tǒng)計的野點檢測方法 . 3 于距離的野點檢測方法 . 4 于偏離的野點檢測方法 . 5 于神經(jīng)網(wǎng)絡的野點檢測方法 . 5 方法下基于邊界的野點檢測 . 5 第三章 應用實例分析 . 13 煙條包端面透明紙圖像損傷檢測系統(tǒng)硬件簡介 . 13 源系統(tǒng) . 14 機 . 14 像采集卡 . 15 發(fā)系統(tǒng) . 15 出裝置 . 16 像損傷分析 . 16 于主成分分析的圖像特征壓縮 . 18 離散 開式 . 19 于 換的特征提取 . 20 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 于野點檢測的香煙條包端面透明紙損傷檢測 . 21 第四章 結論與展望 . 24 論 . 24 望 . 24 參考文獻 . 25 致謝 . 26 附錄 1 野點檢測 程序 . 27 附錄 2 野點檢測 程序 1 . 31 附錄 3 野點檢測 程序 2 . 32 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 1 - 第一章 緒 論 課題背景及意義 隨著計算機技術的快速發(fā)展，基于計算機的圖像處理和分析技術也獲得了飛速的進步。圖像處理技術已進入了各個不同的領域，得到更加深入和廣泛的應用。但是在具體工程實踐應用中，由于具體問題的不同，圖像處理技術目前尚沒有統(tǒng)一的算法來解決實際問題，所以其運用仍存在著一定的限制。因此對具體問題的研究和解決方案的提出仍然是 一個及其具有挑戰(zhàn)性的課題。目前，圖像處理技術的應用研究已經(jīng)成為科學界的一個重要研究領域。 通過圖像分析和處理的方法實現(xiàn)產(chǎn)品包裝檢測和質(zhì)量監(jiān)控，目前得到了廣泛的應用和發(fā)展。如香煙外包裝質(zhì)量檢測，啤酒瓶包裝檢測等領域 1 這一領域與諸如人臉識別、文字識別等普通的模式識別問題相比，其特殊性主要體現(xiàn)在以下幾點：學習樣本集中，正常運行模式樣本多而故障運行樣本少；兩類誤判會產(chǎn)生不同程度的損失，一般情況下將正常運行模式判為故障運行模式（簡稱判錯）所造成的損失遠比將故障運行模式判為正常運行模式（簡稱判漏）所造成的損失 ?。簧a(chǎn)設備剛投入運行的一段時間內(nèi)，表現(xiàn)出來的狀態(tài)一般僅有正常運行模式一種，隨著時間的推移，其它運行模式才可能相繼出現(xiàn)；隨著生產(chǎn)設備的長時間使用和其它一些因素的出現(xiàn)，設備的運行參數(shù)會發(fā)生改變，因此，各運行模式之間的劃分標準可能改變；設備運行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷中存在較強的模糊性；診斷理論具有廣泛的通用性而具體樣本數(shù)據(jù)和各種參數(shù)適用面卻很窄 3。 因此，在將一般模式識別理論和方法應用與故障診斷時必須進行一定的調(diào)整，才能符合監(jiān)測與診斷的要求?；谶@一問題，本文引入了野點檢測方法。 文研究中所用的方法原 理 本文主要應用了野點檢測的方法，對于野點（又稱為劣值、奇異值， 研究，長期以來受到統(tǒng)計學界的廣泛重視。然而，在通常的 處理 方法中，往往把野點作為 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 2 - 噪聲信息進行處理，如常規(guī)的主成分分析、投影尋蹤等。并由此提出各種所謂“穩(wěn)健的”處理方法，用于克服野點數(shù)據(jù)的干擾，甚至將野點數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)集中剔除。 然而，正如 人指出：“ s is s ,相同的一個數(shù)據(jù) 點，對不同的應用對象和應用目的可能產(chǎn)生截然不同的作用。的確，在一些應用領域中，如機械設備運行狀態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)等，野點能提供比正常數(shù)據(jù)點更多，更重要的信息，是發(fā)現(xiàn)新知識，確定新狀態(tài)的有力手段。 文主要研究工作 本文以野點檢測理論為基礎，對其在香煙條包端面透明紙圖像損傷檢測中的應用進行了探討，全文共分四章，具體內(nèi)容安排如下： 第二章詳細介紹了野點檢測的發(fā)展和基本原理，常規(guī)方法，以及核方法下基于邊界的野點檢測，這是本文的理論依據(jù)。 第三章，介紹了香煙條包端面透明紙圖像損傷檢測系統(tǒng)，對正常和損傷 圖像的特點進行了分析，利用主成分分析對圖像進行特征壓縮，提取圖像的主要特征，最后利用香煙條包圖像進行了實驗驗證。 第四章，為全文總結，并對今后工作進行了展望。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 3 - 第二章 野點檢測基本原理 義與類型 盡管野點檢測是新知識、新類別發(fā)現(xiàn)的一條有效途徑，并已成功應用于電子商務、偽造信用卡檢測、機械設備運行監(jiān)測與故障診斷等領域，然而至今尚沒有一個廣為接受的關于野點的定義。 野點的定義最早由 1887 年給出：野點是顯然嚴重偏離了樣本集合中其他觀測值的數(shù)據(jù)點。從區(qū)別程度上出發(fā)， 的定義為： An is an so as to it by a 于離的太遠以致于產(chǎn)生懷疑，認為它是由一個不同的機制產(chǎn)生的。 我國學者范金城等人在分析、綜合國內(nèi)外多種定義的基礎上，從工程信號處理的實際出發(fā)，建議野點的定義為：集合中嚴重偏 離大部分數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)趨勢的小部分數(shù)據(jù)點。 時間序列分析的穩(wěn)健性分析出發(fā)，首次提出了野點的生成模型，并將動態(tài)測量數(shù)據(jù)中的野點分成三種類型： 1 ）離群點。出現(xiàn)在簡單隨機抽樣的情況中，是統(tǒng)計診斷領域中研究最多也最成熟的一類。 2 ）孤立點。其基本特征是在某一時刻 3 ）斑點。是指成片出現(xiàn)的一場數(shù)據(jù)。其特 點是在可能導致以下 p 個時刻1成為野點 3 規(guī)方法 于統(tǒng)計的野點檢測方法 基于統(tǒng)計的野點檢測方法，首先必須確定概率密度分布函數(shù)和野點數(shù)據(jù)的個數(shù)，進而在 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 4 - 此基礎上用不一致性檢驗（ 定野點數(shù)據(jù)。 概率密度分布函數(shù)的確定方法一般有兩種途徑：一是根據(jù) 經(jīng)驗知識，假設以致數(shù)據(jù)集符合某種概率分布；而是根據(jù)已知數(shù)據(jù)集對概率密度進行估算，估算方法包括混合高斯分布密度估計和 法等，前一種估算方法不需要太多的樣本，但要對分布密度函數(shù)的形式作一假設，屬于參數(shù)估計的一種； 法的一種常用的非參數(shù)概率密度估計方法，這種方法適合于概率密度分布不是典型分布或?qū)γ芏确植紱]有先驗知識的情況，它需要大量的樣本。 不一致性檢驗包含兩個假設：零假設和獨立假設。零假設是描述總體性質(zhì)的一種想法，它認為全體樣本數(shù)據(jù)滿足同一個分布模型 F: 0H：F （ i=1， 2， N）。 （ 2 不一致性檢驗驗證 的數(shù)據(jù)相比是否顯著大或小。檢驗統(tǒng)計量的選取取決于先驗知識。對立假設是描述總體性質(zhì)的另外一種想法，它認為數(shù)據(jù)來自另外的分布模型 G，對立假設是非常重要的，它決定了檢驗的準確性，包括以下兩種形式： （ 1）內(nèi)在的對立分布（ 零假設被拒絕，所有的數(shù)據(jù)來自另外的分布 G: aH：G (i=1,2,， N) 。 （ 2 （ 2）混合的對立分布 (，不一致的值不是野點數(shù)據(jù)，但它包含了另外一種分布的影響： aH：（ 1- ） F+ G （ i=1， 2， N）。 （ 2 統(tǒng)計方法發(fā)現(xiàn)離群數(shù)據(jù)主要有兩種方法，一是塊處理步驟，即將所有的有疑問數(shù)據(jù)當作野點數(shù)據(jù)或正常數(shù)據(jù)；二是連續(xù)步驟，將最不可能是野點數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)首先進行檢驗，若此數(shù)據(jù)是野點數(shù)據(jù)，則其它數(shù)據(jù)當然也是野點數(shù)據(jù)，或?qū)⒆羁赡苁且包c數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)首 先進行檢驗，若此數(shù)據(jù)不是野點數(shù)據(jù)，則其他數(shù)據(jù)也不是野點數(shù)據(jù)。 于距離的野點檢測方法 基于距離的野點檢測方法由 人于 1998 年首先提出，主要是針對多維大量數(shù)據(jù)。 由此方法檢測出的野點稱作 點 ( 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 5 - 定義 ：如果數(shù)據(jù)集 T 至少存在對象 p 與對象 O 的距離超過 D,那么數(shù)據(jù)集 T 中的對象 B（ P， D）野點。 基于距離的野點檢測的具體算法包括： 法， 法和 基于距離的 野點檢測方法在于應用于大型數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)（ in ,一次性地面對海量數(shù)據(jù)，因此這種算法主要考慮算法的復雜度。 于偏離的野點檢測方法 基于偏離的野點數(shù)據(jù)檢測方法由 1996 年提出，其原理是模仿人類的思維方式，即在觀察一個連續(xù)序列后，及時不清楚地規(guī)則，也能迅速發(fā)現(xiàn)其中一個數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)明顯不同。 已知數(shù)據(jù)集中包含 N 個數(shù)據(jù)，可以建立數(shù)據(jù)子集 1x , 2x , , ,2 s=i; v=x0(s,:); gs=(2); ; k=1:ak=k)*(k,:)*(k,:)/); gs=; 畢業(yè)設計（論文）報告紙 - 30 - i=1:40 a=F:香煙端面透明紙圖像 異常 ,i),); b=a(1:50*50); % *N， N=2500，提取順序是先列后行，即從上到下，從左到右 b=b); b; % *中 M=10 x= i=1:40 j=1:p x(i,j)=x(i,j)/10000; ; i=1:40 m=x(i,:); gz=(2); ; k=1:ak=k)*(k,:)*(k