一种改进的高效粒子水平集法及其应用

针对传统粒子水平集法效率较低,难以应用于复杂工程问题的不足,基于积分平均法及局部粒子初始化方法提出一种改进的高效粒子水平集法.将虚拟粒子引入水平集法不仅可以抑制数值扩散,而且可以降低传统方法对高精度离散格式的依赖性,从而使得引入低阶、高效的积分平均法后界面捕捉精度仍保持二阶.通过将粒子布置于界面局部曲率较大的区域,有效地提高了粒子对界面的修正效率,增加了界面光顺性.改进的高效粒子水平集法能保持良好的鲁棒性,在保证界面捕捉精度的同时显著提高计算效率,计算效率约提高90%.     

水平集方法数值模拟单液滴的生成过程

液滴生成的动力学过程和机理，对溶剂萃取、喷墨打印机设计、飞行嚣保护等有重要意义。虽然已有很多相关的实验、理论和计算研究，但对涉及拓扑变形界面的该问题研究仍富有挑战性，常用的有限元等模拟方法还有待改进。1988年提出的水平集（Level set）方法，可以比较简方便地模拟多相变形界面问题。已成功用于多相流、结晶、浇铸、模式识别等过程的计算。作者在对水平集方法进行改进并用于相间传质模拟的基础上，本文数值模拟了单个液滴在毛细管口的生长和脱离过程。假设流体均为不可压缩液体或气体作层流流动。采用二维轴对称欧拉坐标和交错网格，利用控制客积法和SIMPLE算法离散求解藕合水平集函数的运动方程组。水平集函数的发展方程和重新初始化方程的空间与时间离散格式，分别采用5阶WENO（Weighted essentially nonoscillmory）和3阶TVD（Total variation diminishing）Runge-Kutta格式。初步计算了不同参数的单液滴在气体或另一不互溶液体中的生成过程，液滴的拓扑形状、两相流场和液滴大小与实验或文献报道的模拟结果基本吻合。为今后拓展模拟三维空间的不稳定运动液滴或气泡生成过程的流动和传递奠定了基础。     

界面演化的局部水平集算法

水平集算法主要是从界面传播等研究领域中逐渐发展起来的一类算法,是处理封闭运动界面随时间演化过程中几何拓扑变化的有效计算工具.论文基于界面演化过程中的复杂拓扑变化,提出一种界面演化的局部水平集算法,解决了不具全局速度的特殊问题的求解问题,也提高了在处理复杂界面的能力和计算效率.     

应用改进粒子水平集法对液滴碰撞的数值研究

为了准确捕捉自由面运动,求解液滴的碰撞过程,针对传统粒子水平集法不适用于待修正网格包含在虚拟粒子内部的情况,在充分分析以上问题的基础上提出一种新的局部距离函数定义方式.经测试问题验证,改进方法可降低由于粒子沿非界面法线方向运动对界面修正的干扰,显著提高界面捕捉精度及守恒性.应用改进粒子水平集法对二维液体碰撞过程进行数值模拟,计算结果显示:相对速度是正碰过程是否发生分离的决定因素,空气中两个直径为3mm的正碰水滴的临界韦伯数为13.79;偏心程度和相对速度共同影响偏心碰撞的液滴形态;给定相对速度时存在两个临界偏心程度,偏心程度介于临界值之间时碰撞后不发生分离.     

基于深度学习和水平集的彩色图像分割方法

图像分割作为图像的分析与理解的基础环节,受到了诸多学者的广泛关注。本文结合了基于全卷积神经网络的语义分割技术与基于水平集方法的图像分割技术,使用DeepLab V2与 Distance Regularized Level Set Evolution(DRLSE)模型对一般的彩色图像进行分割。此外,本文还在 DRLSE 模型中加入了一个新的形状能量项,提高了零水平集的演化速度。数值实验结果验证了本文方法的有效性。     

基于水平集方法的多运动目标分割

给出了一种对光照变化等实际环境中干扰不敏感的基于水平集和背景减的运动目标检测与分割方法。首先建立了当前帧图像与背景参考帧图像间的纹理差，并将其与灰度差相结合构成差图像；然后，分析了纹理特征，并采用适当措施减小由场景中杂乱运动产生的不利影响，从而实现运动目标的鲁棒检测；最后采用了基于区域的水平集方法，将多个信息有机地结合在一起，实现对多个刚体或非刚体运动目标的分割。实际采集序列图的仿真实验验证了该方法的有效性。     

水平集方法及其在柔顺机构拓扑优化中的应用

由于具有跟踪拓扑结构变化、优化边界清晰光滑等优点,水平集方法作为一种新颖的机构拓扑优化方法近来受到了重视.文中首先讨论了水平集方法中Hamilton-Jacobi方程的求解、水平集函数的重新初始化、速度场扩展等出现的问题.在此基础上,给出了应用逆风差分格式求解Hamilton-Jacobi方程的数值方法,并采用改进的符号函数有效解决了数值的不稳定问题,提出的快速扫描法可以对速度场进行有效扩展.最后,建立了基于水平集方法的柔顺机构拓扑优化模型,利用水平集法对反位移柔顺机构进行了拓扑优化设计.     

无需重新初始化水平集的多相水平集图像分割方法

笔者提出了一种无需重新初始化水平集函数的多相变分水平集图像分割方法.根据Vese -Chan提出的多相模型的区域竞争思想,结合图像区域全局信息的能量函数作为模型的外部能量项,引入内部变形能量约束水平集函数来逼近符号距离函数,避免了重新初始化水平集函数的过程,提高了计算速度和分割效果.实验结果表明,笔者提出的模型有效地克服了传统模型需重新初始化和构造符号距离函数计算量大的缺点,而且具有全局最优分割能力和较强的抗噪性能.     

Stokes问题形状优化中自适应水平集方法的应用

提出了一种基于水平集的自适应网格方法,并将其应用于求解由Stokes方程控制的不可压缩流体阻力最小问题。推导出了目标泛函的形状灵敏度分析。在优化过程中,采用在整个计算区域上定义的用于演化水平集函数的均匀粗网格和细网格。均匀的细网格是以水平集函数作为细化指标,由含界面的粗网格进一步划分得到,从而使得计算主要集中在界面附近。因此,与为实现相同数值精度把整个计算区域均匀细分的网格相比,该方法计算成本大大降低,特别是边界上的形状导数值可以隐式求得,这在经典的形状优化设计问题中是一项非常困难的任务。     

基于C-V模型的运动目标水平集提取方法

针对视频图像中的运动目标检测问题,提出了一种基于C-V模型的运动目标水平集提取新方法：使用改进的帧间差分法对运动区域进行初始检测,通过相邻视频帧的相减,选用自适应阈值判断出当前视频帧中的运动目标像素;经形态学处理后通过定义最小化能量函数构建运动目标轮廓提取的水平集C-V模型,实现运动目标轮廓的提取。实验结果表明,本文所提方法的边缘准确率和检出率更高,能够更有效地提取运动目标。     

基于水平集方法的共轴流型液滴形态关键参数研究

采用水平集方法对共轴流形的液滴成形进行计算和研究.以液-液两相流为研究对象,离散相为石蜡和庚烷混合物,连续相为纯水溶液.对离散相液体的进样速度、黏度和进样孔径大小分别进行了计算分析.离散相液体分别以15 ~ 48mm/s的速度进入半径1mm的圆孔通道,随着流速增大,喷射高度变长,周期规律性降低.同时提高离散相溶液的黏度可以有效降低液滴张力与拖曳力之间的作用时间,增大液滴生成频率和改善液滴均匀性.孔径大小直接影响进样口层流的入口速度,缩小孔径将使进样流速变化剧烈,挤压后的液滴生成尺寸相对较小.     

基于IFSM改进水平软集的群决策方法

研究了在直觉模糊软矩阵环境下改进水平软集的群决策方法.首先利用直觉模糊软矩阵给出了在专家权重未知情况下的集成算法,并对λmid（E）-水平软集进行改进,提出了λnew（E）-水平软集；同时对λmed（E）-水平软集进行改进,提出了三均值水平软集.然后利用水平软集计算各对象的选择值,得出最优决策.最后,通过实例验证了决策方法的可行性和合理性.     

水平集方法在两相体系颗粒运动数值模拟中的应用

两相体系中颗粒或颗粒群的运动存在于许多工业过程中,建立了描述两个颗粒(液滴或气泡)在另一液相中运动和变形的三维模型,颗粒的界面用水平集方法捕获,耦合了水平集函数的Navier-Stokes方程用控制容积法和SIMPLEC算法进行求解. 用所建立的模型和算法研究了两种情形下的颗粒运动:两个空气气泡在玉米糖浆溶液中的运动和凝并过程,及两个煤油液滴在静止水相中的运动和变形过程,同时也做了两气泡运动的二维模拟. 两气泡运动的三维模拟结果与他人的实验结果比较一致,二维模拟结果与他人的二维数值模拟结果也比较一致,说明所建立的三维模型及算法能够描述两个气泡或液滴在另一液相中的运动和变形过程.     

集重货物分载计算方法的探讨

本文对装载集重货物采用的分载托架进行了受力分析,对分载后车板车架的弯矩进行了比较。结果表明,合理加长货物与车板接触长度,可以减小车架的弯曲应力和剪力,减小车板的变形,从而可以保证运输车辆和货物的安全。     

水平集方法中曲线跟踪算法的改进

水平集算法是一种解决曲线演化问题的有效方法，它能够解决一般方法难以处理的拓扑结构变化问题。在水平集算法中，跟踪曲线经过一步演化后的当前位置是一个很重要的步骤，它直接关系到下一次演化计算的精确程度，以往采用的跟踪算法一般是步进方格（Marching Square）算法，这种算法中存在计算重复问题。本文根据图像中曲线跟踪的特点，改进了步进方格算法，减少了其中的重复计算。实验表明，这种改进的算法具有简单实用的特点。     

基于水平集方法的肿瘤图像识别

图像处理在计算机辅助医疗诊断系统中有着广泛的应用,本文在水平集方法的基础上,提出了一种肿瘤图像识别方法。首先,采用改进的水平集方法对肿瘤图像进行分割,获得肿瘤轮廓特征;其次,提取肿瘤的轮廓特征参数,对贝叶斯分类器进行训练,然后用训练的分类集进行肿瘤良恶性分类识别。通过对CT图像的肝脏肿瘤进行良恶性诊断,显示所开发的计算机辅助诊断系统是有效的。     

基于KHM的多层采样粒子滤波算法

文章通过多层采样方式,将样本空间划分为多个部分,集中采样点到使概率密度函数值大的地方,大大减小了采样误差;在重采样阶段嵌入KHM聚类算法,通过将空间特征与权重分布近似的粒子进行聚类,降低总的样本数,提高了计算效率。样本经聚类处理后,在保持粒子状态后验分布的几何特征的同时,状态空间中的粒子数明显降低,计算效率显著提高。     

基于水平集方法的传动带轮拓扑优化设计

为了使扫路车传动带轮在轻量化下加强静态刚度及提升抑制外界激励的能力,将基于水平集方法的拓扑优化技术应用到传动带轮的结构设计中。依据传动带轮的真实工况条件,利用HyperMesh对传动带轮进行有限元前处理,以目标函数选择小型扫路车主动带轮具有的刚度值最大化,约束条件为结构的体积比,对其进行水平集方法的拓扑优化设计,获得最优的主动带轮结构排布。结果表明,该传动带轮的静态刚度得到了一定的提升且消除应力集中现象。     

一种基于犹豫中智集和水平集的图像分割方法

皮肤镜图像分析技术的第一步为图像分割,分割的结果会直接影响到后续的处理过程,针对具有背景噪声、模糊边缘和灰度不均的皮肤镜图像,提出了一种新的结合水平集的犹豫中智集图像分割方法;首先利用犹豫中智集理论将图像转换为犹豫中智集图像,其中犹豫中智图像由三类子集组成(T、I、F),利用犹豫中智集图像突出表达图像的目标信息和边缘信息;然后针对传统 DRLSE 水平集的不足进行改进,构造新的边缘停止函数,并增加灰度驱动能量项,最后通过改进的DRLSE 水平集对 ISIC(2018)皮肤镜图像进行分割测试;实验结果的交并比(Jaccard Index)值均大于 95%,且均方误差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)和结构性相似指数(SSIM)均表现良好,表明方法能够准确、有效的分割具有模糊边缘和灰度不均的皮肤镜图像,对后续的皮肤镜图像的处理与诊断奠定了基础。