流体力学的应用领域

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流体力学的应用领域范文第1篇

关键词:多媒体教学;工程流体力学;教学效果

中图分类号:G642.0　文献标志码:A　文章编号:1673-291X(2010)03-0247-01

一、前言

随着计算机技术的普及和网络技术的迅速发展,多媒体教学已被高等院校广泛采用,并深受广大师生的欢迎。因此,利用多媒体教学手段开发学习资源,构建新的教学模式,达到最佳教学效果,成为国内外提高教学质量、改革教学方式的重要手段。

本文通过工程流体力学教学实践,探讨多媒体教学在授课过程中产生的效果。提出了在工程流体力学教学活动中将多媒体技术与传统教学手段相结合,活跃课堂气氛,提高学生学习的积极性和主动性。达到优化教学效果的目标。

二、传统教学模式的利与弊

传统教学模式历史悠久,教育理论成熟,已经积累了丰富的经验。在传统教学中,通过教师的形象、生动的讲述,学生易于接受,师生之间可以面对面地探讨疑难问题。对于工程流体力学而言,教学内容不可避免地会涉及到数学公式的推导,传统的板书教学方式即可以留给学生更多的思考时间,同时又可以加深学生对公式推导过程的理解,加强记忆。然而传统式教学主要依靠粉笔与黑板的教学条件,是以教师为主体的教学模式,从而大大降低了教学效率,也扼杀了学生个性的发挥和创意的产生。

三、多媒体教学的特点

多媒体教学以其鲜明的教学特点,丰富的教学内容,形象生动的教学情景,在教学过程中发挥了重要的作用:

第一,激发学习兴趣,有利于提高课堂效率。兴趣是学生获取知识、拓宽视野、丰富心理活动最主要的推动力。多媒体技术综合应用文字、图片、动画和视频等资料来进行教学活动,激发学生的学习兴趣,从根本上改变了传统教学模式的单调性。而且多媒体教学可以充分发挥学生听觉、视觉等器官对信息的接收,对学生的眼、耳等器官进行多重刺激,从而活跃学生的思维,增强学生记忆力,提高课堂效率。第二,直观、易懂,有利于提高教学质量。流体力学是从力学的观点出发,主要研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用规律的科学,在日常生活和各种工程实际中具有广泛的应用领域,是动力工程和流体机械专业一门重要的专业基础课。与固体的运动规律相比,流体在运动过程中存在诸如激波、接触面间断、两相流体之间相互掺混等复杂现象。多媒体教学手段能够通过图片、动画和视频资料等直观、清晰地观看复杂的流动现象,使学生较容易地掌握相关内容,提高教学质量。第三,增加教学容量,节约空间和时间。工程流体力学研究内容较多,涉及范围较广,在有限的课时内传授给学生的信息量较大。传统教学中知识的传播主要靠教师的口授与黑板板书,在一定程度上限制了课堂信息的含量,多媒体教学充分地利用了电脑能够存贮大量信息的优势,授课的信息量明显增多,教学内容更加丰富,使学生在有限的时间内接收更多的知识,开阔了学生视野,增加课堂知识的容量,提高了教学的效率。

四、多媒体教学手段与传统教学方式相结合

多媒体教学的发展并不意味着摒弃一切传统的教学方法和手段,而是将多媒体教学与传统教学方式相结合,扬长避短,发挥各自的优势,更好地服务于教学工作。

工程流体力学教学内容主要包括两大部分,理论教学和流体力学实验教学。

工程流体力学理论教学部分包含大量流体力学的基本概念、基本方程和一些复杂的流动现象。例如在教学过程中,流体静力学基本方程的推导过程依然使用传统教学中的板书,这样既可以留给学生足够的思考时间,又可以加深学生对公式推导过程的理解,加强学生的记忆能力。而对于某些基本概念和特定的流动现象,可以通过多媒体教学手段,加深学生对基本概念和流动现象的理解。

流体力学实验是流体力学教学中的重要组成部分之一,贯穿于课程始终。现行流体力学教学实验多为验证性实验,实验方法单一,同时,还受实验老师较少、实验课时有限以及设备等多种因素的影响,学生选择的范围极小,在很大程度上制约了学生思考问题、分析问题、解决问题的能力,不能很好地达到流体力学实验教学的要求。然而引入多媒体教学手段以后,学生可以灵活地改变实验条件,演示各种实验现象。

参考文献:

流体力学的应用领域范文第2篇

关键字：有限元法 基本原理结构分析 解题步骤

中图分类号：TU318文献标识码： A

1有限元法简述

有限元法是结构分析的一种数值计算方法 ,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。有限元法借助于矩阵等数学工具 ,尽管计算工作量很大 ,但是整个的分析是一致的 ,有很强的规律性 ,因此特别适合于编制计算机程序来处理 。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。

2有限元法的基本原理

有限元法通常分为线性有限元法和非线性有限元法。线性有限元法是一种利用位能变分和分割近似原理求解线性弹性力学问题的数学方法。它首先把连续弹性体分割为在节点上相连的单元组合体，然后以节点位移为基本未知量，分别在各单元内选取位移函数，并按线性弹性力学的几何方程、本构方程和虚功方程或位能变分方程，建立并求解关于位移的线性代数方程组，把无限个自由度的问题化为有限个自由度的问题。

有限元处理问题的基本思路是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定的方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，故可以模型化几何形状复杂的求解域。利用在每一单元内假设的单元函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。故一经求解出这些未知量就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解遇上的近似解。因此，有限元法实质上是一种力学模型上进行近似的数值计算方法。

3有限元法的解题步骤

任何一种方法或思路在处理具体问题时总有它处理问题的先后顺序。同理，有限元在处理实际问题时也有其一定的顺序，步骤如下：

3.1 结构离散化

应用有限元法分析工程问题的第一步,是将结构进行离散化。其过程就是将待分析的结构用一些假想的线或面进行切割,使其成为具有选定切割形状的有限个单元体。使整个结构离散为由各种单元体组成的计算模型,这些单元体被认为仅仅在单元的一些指定点处相互连接,这些指定的点称为单元的节点,这个过程就是单元划分。离散后单元与单元之间通过单元的节点相互连接起来。单元体的设置、性质、数目应根据实际物体的性质、所描述的变形形态的要求和计算结果的精度来确定,单元划分越细则描述变形情况越精确,越接近实际的结构变形,但计算量越大。有限元中分析的结构已不是原有的结构,而是由众多单元以一定的方式连接起来的离散物体。用有限元分析计算结果只是近似值,如果划分单元非常多且又合理,则所获得结果就会与实际情况相符合。

3.2 单元特性分析

(1)选择位移模式结构离散化后,接下来的工作就是对结构离散化所得的任一典型单元的特性进行分析。在有限单元法中,选择节点位移作为基本未知量时称为位移法;选择节点力作为基本未知量时称为力法;选择一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化,所以,在有限单元法中,位移法应用最为广泛。当采用位移法时,首先必须对单元中任意一点的位移分布做出假设,即在单元内用只具有有限自由度的简单位移代替真实位移。对位移元来说,就是将单元中任意一点的位移近似地表示成该单元节点位移的函数。位移函数的假设合理与否,将直接影响到有限元分析的计算精度、效率和可靠性。目前比较常用的方法是以多项式作为位移模式,这主要是因为多项式的微积分运算比较简单,而且从泰列级数展开的意义来说,任何光滑函数都可以用无限项的泰列级数多项式来展开。

(2)分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等,找出单元节点力和节点位移的关系式,这是单元分析的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式,从而导出刚度矩阵,这是有限元法的基本步骤之一。

(3)计算等效节点力物体离散化后,假定力是通过节点从一个单元传送到另一个单元。但是,对于实际的连续体,力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而,这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地移到节点上去,也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

3.3单元组集

有了单元特性分析的结果,像结构力学中解超静定的位移法一样,对各单元仅在节点相互连接的单元集合体用虚位移原理或最小势能原理进行推导,利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来,形成整体的有限元方程。

3.4求未知节点的位移

在有限元的发展过程中,人们通过研究,建立了许多不同的存储方式和计算方法,目的是节省计算机的存储空间和提高计算效率,根据方程组的具体特点选择合适的计算方法,即可求出全部未知的节点位移。

4有限元法的优点

(1)有限元法具有极大的通用性和灵活性。它不仅能成功地处理如应力分析中的非均质材料、各向异性材料、非线性应力―应变关系及复杂边界条件等难题,而且随着其理论基础和方法的逐步改进和完善,还成功地用来求解热传导、流体力学以及电磁场领域的许多问题,现在它几乎适用于求解所有的连续介质及场问题。

(2)对同一类问题的有限元法,可以编制出通用的程序,应用计算机进行计算。

(3)只要适当加密单元的网格,就可以达到工程要求的精度。

(4)有限元法采用矩阵形式的表达,便于编程序,可以充分利用高速电子计算机所提供的方便。

5 有限元法的应用现状

目前的商用有限元程序不仅分析功能几乎覆盖了所有的工程领域,其程序使用也非常方便。当前,在我国工程界比较流行、被广泛使用的大型有限元分析软件主要有:MSC /Nastran、Ansys、Abaqus、Marc、Adina和Algor等。随着电子计算机速度、容量的提高,商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受,人们不必再在编写程序上花费大量的精力。目前的商品化有限元程序一般分为3个部分,即前处理部分、处理部分和后处理部分。它们通过互交式计算机图形集中到CAD /CAM系统。

(1)有限元前处理部分,在前处理部分,都设有与CAD /CAM程序包(如Auto CAD, Pro /ENGINEER等)的接口,可以直接读取这些程序产生的几何模型,并允许用户快速生成所希望的单元网格模型,自动进行网格划分,自动输入结点信息和单元信息,并核实用户所确定的网格,如图1所示。

(2)有限元处理部分在有限元处理部分,目前的商品化有限元程序一般具有静力分析、动力分析、线性分析、非线性分析、塑性分析以及对断裂力学、热应力与蠕变、结构稳定性、振动、疲劳、热传导、流体力学、电磁场等的分析及优化设计等功能。

(3)有限元后处理部分在后处理部分,为了提高用户解释有限元分析结果的能力,出现了很多用图形提取和绘出结果的方法,并可以通过色彩来增强显示效果,使用户能够清楚地看到各层应力、温度变化等的分布。

6有限元法的发展趋势

有限元法经过20多年的发展,已经趋于成熟,但在巩固有限元法的物理、数学基础方面,扩大其应用领域以及求解诸如非线性、不同物理作用相互耦合,多体结构动态分析以及由材料微观结构计算其力学性能等复杂问题方面,有限元法将会不断发展并取得成功。

有限元法未来的发展主要在于工程领域中的应用和提高,并完善有限元法的基本技巧。随着计算机辅助设计在工程中日益广泛的应用,有限元程序包已成为CAD常用计算方法中不可缺少的内容之一,并与优化设计集成系统,通过计算机建立计算模型,对计算模型进行有限元分析,根据有限元分析的结果进行结构优化改进,再进行有限元分析,如此反复进行,直至结构达到最优化为止。有限元法与传统的机械结构优化方法相比,具有无可比拟的优越性,必然会得到越来越广泛的应用和发展。

7结束语

结构分析的有限元法作为一种成熟的结构分析方法,已广泛应用于土木建筑结构工程的各类问题中。工程师不仅需要懂得工程专业知识、有限元分析知识,还需要懂得计算机软件设计知识,才能主动应用现代工程设计方法来解决工程中遇到的各种力学问题。

[1]凌复华,殷学纲.常微分方程数值解法及其在力学中的应用[M].重庆:重庆大学出版社, 1996:75- 78.

[2]崔俊芝,梁俊.现代有限元软件方法[M].北京:国防工业出版社, 1995:35- 41.

流体力学的应用领域范文第3篇

关键词：图形实时绘制 自然景物仿真

计算机图形学(ComputerGraphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。本文将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史，应用和图形学前沿的方向。

1 计算机图形学的发展简史

1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风号—(Whirlwind)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似示波的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。在整个50年代，只有子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期并称之为：“被动式”图形学。1963年，伊凡•苏泽兰在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，计算机图形学的建立意义重大。

2 计算机图形学的应用

2.1计算机辅助设计与制造

CAN/CAN是计算机图形学在工业界最广泛，最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程，机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统，产品和工程的相关图形进行人—机交互设计和修改，经过反复的选代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板，电子线路和网络分析等方面的优势十分明显。在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已成为CAD领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域，相关过程，相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。

CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类，综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关素，从而实现形体的重建。

2.2科学计算可视化

目前科学计算可视化广泛应用于医学，流体力学，有限元分析，气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。当我们做脑部手术时，可视化技术技术将医用CT扫描的数据转化成图象，使得医生能够看到并准确的判别病人的体内患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。我们利用了可视化技术。天气气象站将大量数据，通过可视化技术转化成形象逼真的图形后，经过仔细的分析就可以清晰的预见几天后的天气情况。

2.3图形实时绘制与自然景物仿真

重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制主要是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。在自然景物仿真这项技术中我们需要过行消除隐藏线及面、明暗效应、颜色模型、纹理、光线跟踪，辐射度等工作。这其中光照和表面属性是最难摸拟的。而且还必须处理物体表面的明暗效应，以便用不同的色彩灰度来增加图形的真实感。自然景物仿真在几何图形、广告影视、指挥控制，科学计算等方面应用范围很广。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法，力求能在最短的时间内绘制出最真实的场景。

2.4计算机动画

随着计算机图形和计算机硬件的不断发展，计算机动画应运而生。事实上动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅小部分修改，如何修改便是计算机动画的研究内容，这样，当这些连续播放时，整个场景就动起来。

早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称作“关健帧”，连续播放时2个关健帧就被有机的结合起来了。计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法，三维自由形体变形等。近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。这是一种崭新的方法，该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真实运动是很难的，比如人的行走或跑步，要实现很自然的人走路的画面，计算机方程非常复杂和计算量极大，基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究。

2.5计算机艺术

用计算机从事艺术创作，计算机图形学除了广泛用于艺术品的制造，如各种图案、花纹及传统的油画、中国国画等。还成功的用来制造广告、动画片甚至电影，其中有的影片还获得了奥斯卡奖。这是电影界最高的殊荣。目前国内外不少人士正在研制人体模拟系统，这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视明星重新搬上新的影视片成为可能。这是一个传统的艺术家无法实现也不可想象的。

流体力学的应用领域范文第4篇

2相关研究分析

2.1国外研究现状及发展动态

2.1.1研究技术的发展国外学者从1960年代开始研究街谷空气流场及其污染状况，主要使用实地测试法、物理模拟法和数值模拟法。实地测试法始于1970年代，Kennedy的实测结果表明:街谷内部污染物浓度随街道高宽比(H/W)的增加而提高，在固定H/W下，污染物浓度在垂直方向上呈指数下降。DePaul的实测表明:影响街谷污染物扩散最重要的因素是街谷几何结构及街道两侧建筑物屋顶风速［6］。物理模拟法始于1980年代，DabberdtWF等通过风洞试验发现污染物分布取决于街谷的对称性和H/W［7－8］。数值模拟法始于1990年代，Hitoshill用有限差分法，Lee等用逐步超松弛迭代法模拟不同街谷结构下的污染物分布，结果表明:污染物浓度在地面达到最高值，背风侧高于迎风侧［9－11］。此后，基于计算流体力学(CFD)的数值模拟方法逐渐成为街谷污染物扩散研究的主要方法。相关研究中，实地测试法和风洞试验的应用相对较少。但实地测试和风洞试验的数据更为真实可靠，并能为数值模拟提供重要的校核。

2.1.2研究内容的扩展一方面，数值模拟法广泛应用于街谷污染物扩散研究，BerndLM等(2008)采用标准k－ε模型和RNGk－ε模型对街谷内的污染物浓度进行了模拟［12，13］。另一方面，开始研究影响街谷污染物扩散的其他因素，例如:街道空间布局、屋顶风、热、植被和化学反应等［14－19］。但根据文献，研究大多是对抽象的二维街谷断面和单车道以及单因子的街谷内建筑物附近污染物浓度的分析，对街谷污染的三维模拟和整体污染程度的研究较少，未涉及街谷两侧行人与建筑的污染物暴露浓度特征和风险评价的内容。

2.1.3小结技术方法方面:对街谷空气污染物扩散机制的研究需要实地测试法、物理模拟法和数值模拟法的有机结合，实地测试法、物理模拟法对数值模拟结果的科学性具有重要的验证作用。研究内容方面:除街谷形态之外，影响污染物扩散及分布的因素还包括街道植被、交通性态等多种因素。研究应用方面:对街道峡谷两侧行人和建筑的污染物暴露特征与影响评价的研究较少，缺少实际应用环节的研究，没有为城市规划提供降低市民污染物暴露水平的技术工具。

2.2国内研究现状及发展动态分析

2.2.1研究技术与特点我国此项研究始于1990年代，主要采用实地测试法和物理模拟法［20－21］。随着计算机技术发展，目前研究主要集中在数值模拟和模型优化方面。数值模拟方面:朱国成(2010)、何泽能(2008)等在数值模拟的基础上，对街谷形态与流场分布、污染物扩散的关联性进行了研究［22－25］。模型优化方面，黄远东等(2008)利用CFD软件，用7种模型对污染物扩散进行了模拟，与风洞试验数据的对比显示:标准k－ε模型的模拟效果最好，RNGk－ε模型、realizablek－ε模型、RSM模型的效果次之，标准k－ω模型、SSTk－ω模型、Spalart-Allmaras模型的效果较差［26］。该研究成果为街谷污染数值模拟的模型选择提供了重要的参考和指导。

2.2.2研究成果与应用机动车尾气污染已成为我国城市环境研究的热点［27－29］。程云章(2009)的研究对环境容量和交通容量双约束条件下交通流量分配方案的制定提供了大气质量评价信息，指出“目前的数值模拟多侧重探究街谷结构对污染物扩散的影响，对污染物排放源强则采取某一定值的简单处理”这一关键问题［30］。徐伟嘉等(2010)研究了街谷内不同车道污染物扩散的特征，并提出降低行人交通源暴露水平的途径。谢海英、陈康民(2006)研究了街谷污染对临街建筑室内空气质量的影响［31－32］。此类研究实现了由街谷污染机制向污染受体保护研究的跨越，为本领域的研究提供了重要的发展导向作用。在城市规划与建筑学的学科领域，刘加平等拓展建筑物理的研究范畴，较早开展了城市街谷的相关研究。王翠萍等(2003)［33］的研究显示:车流量是行道树树冠的净化功能和对污染物扩散的阻碍作用所占权重的主要影响因素，街道绿化应根据车流量的大小采取不同绿化方案。赵敬源、刘加平(2007、2009)［34－35］的研究给出了最佳高宽比的推荐范围，为优化建筑及城市绿化设计和改善城市户外环境提供了理论基础。邱巧玲、王凌(2007)［36］研究了街谷形态、街谷外部环境与街谷内污染浓度变化的关系，提出了合理的街道几何结构和理想状态下的城市街道布置模式。王纪武、王炜(2010)对街谷流场进行了三维模拟，提出了促进街谷污染物扩散、稀释的规划设计策略［37］。但相关研究在规划和建筑类期刊中仅发表了6篇论文［33－38］。城市规划与建筑学等应用类学科对街谷污染物扩散及对策的研究薄弱，制约了研究成果在城市规划与设计中的实际应用。

2.2.3小结技术方法方面:数值模拟的研究成果提供了科学的计算模型，但实地测试法、物理模拟法的应用较少。研究内容方面:除街谷形态之外，道路断面、交通性态、街道绿化、下垫面材料、临街建筑内部空气质量等的研究逐步完善了街谷污染物扩散机制及其影响的研究内容。研究应用方面:应用领域的研究很少，多学科协作机制的欠缺使研究成果与实际应用之间的联系薄弱。

流体力学的应用领域范文第5篇

关键词：数字图像 处理技术 特点 应用分析

中图分类号：TM206 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0231-02

图像处理技术基本可以分成两大类：模拟图像处理（AnalogImage Processing）和数字图像处理（DigitalImage Processing）。数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机进行处理的过程。其优点是处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。困难主要在处理速度上，特别是进行复杂的处理。数字图像处理技术的发展涉及信息科学、计算机科学、数学、物理学以及生物学等学科，因此数理及相关的边缘学科对图像处理科学的发展有越来越大的影响。近年来，数字图像处理技术日趋成熟，它广泛应用于空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多领域，并促使这些学科产生了新的发展。

1 数字图像的主要特点

1.1 图像质量稳定

传统的模拟图像因分辨率的不同会造成图像质量的变化，在存储和复制等操作过程中，有可能会因影响图像本身的一些操作造成图像质量降低，因此图像质量稳定性能差；而如果图像经过准确的数字化之后，就可以在进行任何与图像相关的操作，都不会改变图像质量，提高了图像质量的稳定程度。

1.2 图像分辨率高

当前针对模拟图像的数字化转换技术已经逐渐成熟，针对模拟图像高精度数字化的设备也在市场上逐渐推广使用，通过该设备能够将任何一幅模拟图像转换为数组，最先进的扫描仪已经可以将单个像素的灰度区分为16个区间甚至更精细，因此目前数字化的精度已经能够满足商业需求和各领域的应用需求。影响数字图像精度的主要是单个像素的位数，位数越多，也就意味着单个像素的细分程度越高，相对应的计算数组也就越多，而对计算机而言，数组的多少并不影响其数字化计算程序的运行步骤，因此从理论上讲，数字图像的精度是可以无限提高的，且对设备的要求并不会出现质的提高，这从经济学角度奠定了高精度数字图像的推广价值。而传统的模拟图像质量提高方法主要是通过复杂的精度等级提高来实现，所要更改的是数量级的变化，因此对设备的要求也会出现大幅的提高，难以在实际应用中获得认可。

1.3 应用范围广

这里所指的应用范围不是针对数字图像处理设备而言，单纯的指可数字化的模拟图像范围，从可见光的各类图像到不可见的长、短波图像，都可以是数字化技术的应用对象，如X射线、超声波信号图像以及远红外射线图像等都可以进行数字化；从数字化图像的显示规模来看，由于其精度可以无限提升，因此其反映的图像可以是视野极其广阔的太空图片、航空图片以及大面积的图像压缩，也可以是显微镜下的高精度图像扩放，从光学显微镜到电镜下的图像。综上可以看出，数字图像处理技术的应用对象非常广泛，通过将模拟图像的信息（即灰度信息）进行分级后数字编码，然后将数字编码进行精准排列和色彩校准，就可以完美的再现模拟图像信息，并获得高精度的分辨率和稳定的输出质量，目前已知的所有图像都可以通过数字化技术来进行处理。

1.4 图像处理自由度高

图像的处理主要是通过像质改善、图像分析和图像重建三个步骤来改善图像的质量，三个步骤相互独立且内部包涵复杂的细节处理。如果单纯利用光学手段对图像进行处理，那么由于光的线性特征将导致图像的处理只能进行线性计算，因此其处理手段有限，处理效果和可操作范围都存在局限性；而数字图像处理则不受线性约束，任何的线性和非线性处理都可以非常顺利的实现，且非线性操作能够通过内置的数据分析系统来事先编制非线性轨道，从而对图像信息进行精准的操作。

2 数字图像处理技术的主要内容

数组图像处理技术不是一门简单的学科，而是综合性的研究领域，其处理技术包括不同的步骤和单项技术支持，详述如下：

2.1 图像变换

由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效地处理（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）。目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。

2.2 图像编码压缩

图像数字处理之后就将图像的模拟信息转换为数字信息，而数字信息在计算机中所占的存储空间最小，因此能够实现图像的不失真压缩，在确保图像质量的前提下降低图像的存储要求，因此该技术对需要处理大量图片的行业有重要作用。

2.3 图像增强和复原

图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般讲应根据降质过程建立降质模型，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。

3 数字图像处理技术的应用领域

图像是人类社会进行交流和沟通的主要途径，图像在各领域的发展中不可或缺，因此图像处理技术的发展关系着各行各业，当前图像处理技术一经广泛的应用于许多领域，现分述如下：

3.1 航天航空

数字图像处理技术在航天航空领域的主要功能是保证图像信息传递的真实性，首先将外太空采集到的图像信息进行数字编程，然后将编码用信号传递至地面控制站，由于数字不存在失真问题，所以只要将数字编码进行逆处理，就可以完成图片的完整还原，从而避免了图像的失真。目前在遥感航拍、地质勘探、城市规划和气象预报等方面已经广泛使用该技术。

3.2 通信工程方面

目前通信范围已经从原始的文字、声音、图像转向综合性的信息交流，尤其是在图像传递过程中，既要避免信息失真，又要确保庞大的图像信息顺利传送，因此可以通过数字图像处理技术将图像信息进行压缩编码后以数字形式传递，这样能够极大的提高传输效率，并确保图像信息的真实度。

3.3 工业工程方面

在工业工程领域中图像处理技术有着广泛的应用，它大大提高了工作效率，如自动装配线中质量检测，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些恶性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进设计和制造技术中采用工业视觉等等。其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和触觉功能的智能机器人，将会给工农业生产带来新的面貌，目前已在工业生产中的喷漆、焊接、装配中得到有效的利用。

3.4 军事公安方面

在军事领域，数字图像处理技术主要用于精确的判断目标区域的信息，并实现高精度的准确打击，并可以根据高精度的环境再现制作模拟军事演习软件，能够实现动态的军事战斗信息传输、自动化管理等功能。在案件侦破方面，高精度指纹识别、脸部鉴定、残缺图像修复以及事故原因调查等都可以通过该技术实现。

3.5 其它方面的应用

数字图像处理技术已经渗透到社会生活的各个领域，如地理信息系统中二维、三维电子地图的自动生成、修复等；教育领域各种辅助教学系统研究、制作中；流媒体技术领域等等。

4 结语

虽然当前数字图像处理技术已经在航天航空、工业生产、通信工程、军事、文化以及教育等领域广泛应用，且对推动上述领域的发展起到了明显的效果，但是由于目前视觉成像技术的研究还不够深入，因此电子图像的处理技术受到了一定程度的限制，并且该技术等复杂性也造成了研究难度的加大。因此必须不断深入的对数字图像处理技术进行研究和探索，为提升图像质量提供技术保障，进而推动与之相关的各领域建设与发展。

参考文献

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[3]张维峰，刘萌，杨明慧.基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技术[J].现代交通技术.2008（05）.

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