編號(hào) 南京航空航天大學(xué) 畢業(yè)論文 題 目 野點(diǎn)檢測(cè)在圖像損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究和應(yīng)用 學(xué)生姓名 楊飛益 學(xué) 號(hào) 070430125 學(xué) 院 民航學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)務(wù)工程 班 級(jí) 0704301 指導(dǎo)教師 陳果 副教授 二 八年六月 南京航空航天大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書(shū) 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目： 野點(diǎn)檢測(cè)在圖像損傷實(shí)時(shí)監(jiān) 控的研究和應(yīng)用 ）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 作者簽名： 年 月 日 （學(xué)號(hào)）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - i - 野點(diǎn)檢測(cè)在圖像損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究和應(yīng)用 摘要 在圖像損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，野點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)奇異狀態(tài)，往往表明該圖像在不正常狀態(tài)中。一般來(lái)說(shuō)，大量的圖像結(jié)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(guò)對(duì)狀態(tài)空間中的野點(diǎn)的捕捉，可以有效預(yù)防質(zhì)量問(wèn)題，從而具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文引入核方法下基于邊界的野點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)香煙條包端面透明紙損傷檢測(cè)，結(jié)果表明該方法可以有效的對(duì)損傷圖像進(jìn)行檢測(cè)。 首先，介紹了野點(diǎn)檢測(cè)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(diǎn)檢測(cè)。 其次，介紹了香煙條包端面透明紙圖像損傷檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)正常和損傷圖像的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。 然后，研究主成分分析理論，利用主成分分析對(duì)圖像進(jìn)行特征壓縮，提取圖像的主要特征。 最后，結(jié)合野點(diǎn)檢測(cè)和主成分分析原理利用香煙條包圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò) 必要的分析得出研究結(jié)論。 關(guān)鍵詞 ： 野點(diǎn)檢測(cè)，核方法，主成分分析，圖像處理 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(diǎn)檢測(cè)基本原理 . 3 義與類型 . 3 規(guī)方法 . 3 于統(tǒng)計(jì)的野點(diǎn)檢測(cè)方法 . 3 于距離的野點(diǎn)檢測(cè)方法 . 4 于偏離的野點(diǎn)檢測(cè)方法 . 5 于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的野點(diǎn)檢測(cè)方法 . 5 方法下基于邊界的野點(diǎn)檢測(cè) . 5 第三章 應(yīng)用實(shí)例分析 . 13 煙條包端面透明紙圖像損傷檢測(cè)系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介 . 13 源系統(tǒng) . 14 機(jī) . 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(kāi)式 . 19 于 換的特征提取 . 20 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - 于野點(diǎn)檢測(cè)的香煙條包端面透明紙損傷檢測(cè) . 21 第四章 結(jié)論與展望 . 24 論 . 24 望 . 24 參考文獻(xiàn) . 25 致謝 . 26 附錄 1 野點(diǎn)檢測(cè) 程序 . 27 附錄 2 野點(diǎn)檢測(cè) 程序 1 . 31 附錄 3 野點(diǎn)檢測(cè) 程序 2 . 32 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - 1 - 第一章 緒 論 課題背景及意義 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的圖像處理和分析技術(shù)也獲得了飛速的進(jìn)步。圖像處理技術(shù)已進(jìn)入了各個(gè)不同的領(lǐng)域，得到更加深入和廣泛的應(yīng)用。但是在具體工程實(shí)踐應(yīng)用中，由于具體問(wèn)題的不同，圖像處理技術(shù)目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的算法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，所以其運(yùn)用仍存在著一定的限制。因此對(duì)具體問(wèn)題的研究和解決方案的提出仍然是 一個(gè)及其具有挑戰(zhàn)性的課題。目前，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用研究已經(jīng)成為科學(xué)界的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。 通過(guò)圖像分析和處理的方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品包裝檢測(cè)和質(zhì)量監(jiān)控，目前得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。如香煙外包裝質(zhì)量檢測(cè)，啤酒瓶包裝檢測(cè)等領(lǐng)域 1 這一領(lǐng)域與諸如人臉識(shí)別、文字識(shí)別等普通的模式識(shí)別問(wèn)題相比，其特殊性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：學(xué)習(xí)樣本集中，正常運(yùn)行模式樣本多而故障運(yùn)行樣本少；兩類誤判會(huì)產(chǎn)生不同程度的損失，一般情況下將正常運(yùn)行模式判為故障運(yùn)行模式（簡(jiǎn)稱判錯(cuò)）所造成的損失遠(yuǎn)比將故障運(yùn)行模式判為正常運(yùn)行模式（簡(jiǎn)稱判漏）所造成的損失 ??；生產(chǎn)設(shè)備剛投入運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)，表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)一般僅有正常運(yùn)行模式一種，隨著時(shí)間的推移，其它運(yùn)行模式才可能相繼出現(xiàn)；隨著生產(chǎn)設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間使用和其它一些因素的出現(xiàn)，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，因此，各運(yùn)行模式之間的劃分標(biāo)準(zhǔn)可能改變；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷中存在較強(qiáng)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(shí)別理論和方法應(yīng)用與故障診斷時(shí)必須進(jìn)行一定的調(diào)整，才能符合監(jiān)測(cè)與診斷的要求?；谶@一問(wèn)題，本文引入了野點(diǎn)檢測(cè)方法。 文研究中所用的方法原 理 本文主要應(yīng)用了野點(diǎn)檢測(cè)的方法，對(duì)于野點(diǎn)（又稱為劣值、奇異值， 研究，長(zhǎng)期以來(lái)受到統(tǒng)計(jì)學(xué)界的廣泛重視。然而，在通常的 處理 方法中，往往把野點(diǎn)作為 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - 2 - 噪聲信息進(jìn)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(diǎn)數(shù)據(jù)的干擾，甚至將野點(diǎn)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(gè)數(shù)據(jù) 點(diǎn)，對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用目的可能產(chǎn)生截然不同的作用。的確，在一些應(yīng)用領(lǐng)域中，如機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)等，野點(diǎn)能提供比正常數(shù)據(jù)點(diǎn)更多，更重要的信息，是發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，確定新?tīng)顟B(tài)的有力手段。 文主要研究工作 本文以野點(diǎn)檢測(cè)理論為基礎(chǔ)，對(duì)其在香煙條包端面透明紙圖像損傷檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，全文共分四章，具體內(nèi)容安排如下： 第二章詳細(xì)介紹了野點(diǎn)檢測(cè)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(diǎn)檢測(cè)，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(cè)系統(tǒng)，對(duì)正常和損傷 圖像的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，利用主成分分析對(duì)圖像進(jìn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 第四章，為全文總結(jié)，并對(duì)今后工作進(jìn)行了展望。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - 3 - 第二章 野點(diǎn)檢測(cè)基本原理 義與類型 盡管野點(diǎn)檢測(cè)是新知識(shí)、新類別發(fā)現(xiàn)的一條有效途徑，并已成功應(yīng)用于電子商務(wù)、偽造信用卡檢測(cè)、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷等領(lǐng)域，然而至今尚沒(méi)有一個(gè)廣為接受的關(guān)于野點(diǎn)的定義。 野點(diǎn)的定義最早由 1887 年給出：野點(diǎn)是顯然嚴(yán)重偏離了樣本集合中其他觀測(cè)值的數(shù)據(jù)點(diǎn)。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(yuǎn)以致于產(chǎn)生懷疑，認(rèn)為它是由一個(gè)不同的機(jī)制產(chǎn)生的。 我國(guó)學(xué)者范金城等人在分析、綜合國(guó)內(nèi)外多種定義的基礎(chǔ)上，從工程信號(hào)處理的實(shí)際出發(fā)，建議野點(diǎn)的定義為：集合中嚴(yán)重偏 離大部分?jǐn)?shù)據(jù)所呈現(xiàn)趨勢(shì)的小部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)。 時(shí)間序列分析的穩(wěn)健性分析出發(fā)，首次提出了野點(diǎn)的生成模型，并將動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)中的野點(diǎn)分成三種類型： 1 ）離群點(diǎn)。出現(xiàn)在簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的情況中，是統(tǒng)計(jì)診斷領(lǐng)域中研究最多也最成熟的一類。 2 ）孤立點(diǎn)。其基本特征是在某一時(shí)刻 3 ）斑點(diǎn)。是指成片出現(xiàn)的一場(chǎng)數(shù)據(jù)。其特 點(diǎn)是在可能導(dǎo)致以下 p 個(gè)時(shí)刻1成為野點(diǎn) 3 規(guī)方法 于統(tǒng)計(jì)的野點(diǎn)檢測(cè)方法 基于統(tǒng)計(jì)的野點(diǎn)檢測(cè)方法，首先必須確定概率密度分布函數(shù)和野點(diǎn)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，進(jìn)而在 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - 4 - 此基礎(chǔ)上用不一致性檢驗(yàn)（ 定野點(diǎn)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(yàn)知識(shí)，假設(shè)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(duì)概率密度進(jìn)行估算，估算方法包括混合高斯分布密度估計(jì)和 法等，前一種估算方法不需要太多的樣本，但要對(duì)分布密度函數(shù)的形式作一假設(shè)，屬于參數(shù)估計(jì)的一種； 法的一種常用的非參數(shù)概率密度估計(jì)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](méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況，它需要大量的樣本。 不一致性檢驗(yàn)包含兩個(gè)假設(shè)：零假設(shè)和獨(dú)立假設(shè)。零假設(shè)是描述總體性質(zhì)的一種想法，它認(rèn)為全體樣本數(shù)據(jù)滿足同一個(gè)分布模型 F: 0H：F （ i=1， 2， N）。 （ 2 不一致性檢驗(yàn)驗(yàn)證 的數(shù)據(jù)相比是否顯著大或小。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的選取取決于先驗(yàn)知識(shí)。對(duì)立假設(shè)是描述總體性質(zhì)的另外一種想法，它認(rèn)為數(shù)據(jù)來(lái)自另外的分布模型 G，對(duì)立假設(shè)是非常重要的，它決定了檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，包括以下兩種形式： （ 1）內(nèi)在的對(duì)立分布（ 零假設(shè)被拒絕，所有的數(shù)據(jù)來(lái)自另外的分布 G: aH：G (i=1,2,， N) 。 （ 2 （ 2）混合的對(duì)立分布 (，不一致的值不是野點(diǎn)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(jì)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(wèn)數(shù)據(jù)當(dāng)作野點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行檢驗(yàn)，若此數(shù)據(jù)是野點(diǎn)數(shù)據(jù)，則其它數(shù)據(jù)當(dāng)然也是野點(diǎn)數(shù)據(jù)，或?qū)⒆羁赡苁且包c(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)首 先進(jìn)行檢驗(yàn)，若此數(shù)據(jù)不是野點(diǎn)數(shù)據(jù)，則其他數(shù)據(jù)也不是野點(diǎn)數(shù)據(jù)。 于距離的野點(diǎn)檢測(cè)方法 基于距離的野點(diǎn)檢測(cè)方法由 人于 1998 年首先提出，主要是針對(duì)多維大量數(shù)據(jù)。 由此方法檢測(cè)出的野點(diǎn)稱作 點(diǎn) ( 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 - 5 - 定義 ：如果數(shù)據(jù)集 T 至少存在對(duì)象 p 與對(duì)象 O 的距離超過(guò) D,那么數(shù)據(jù)集 T 中的對(duì)象 B（ P， D）野點(diǎn)。 基于距離的野點(diǎn)檢測(cè)的具體算法包括： 法， 法和 基于距離的 野點(diǎn)檢測(cè)方法在于應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)（ in ,一次性地面對(duì)海量數(shù)據(jù)，因此這種算法主要考慮算法的復(fù)雜度。 于偏離的野點(diǎn)檢測(cè)方法 基于偏離的野點(diǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)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(gè)連續(xù)序列后，及時(shí)不清楚地規(guī)則，也能迅速發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)（論文）報(bào)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