拼接方式范文
拼接方式范文（精选9篇）
拼接方式 第1篇
随着我国社会经济和科学技术水平的不断提高, 在技术思想、建设水平以及经济条件的制约下, 过去建成投入运营的高速公路道路指标与现代公路技术要求逐渐偏离, 越来越大的交通需求量、经济的迅猛发展、城市的不断扩张, 使原先的高速公路已经不能满足现代人出行需求, 对此, 扩建高速公路是解决该问题的有效方法。与扩建随之而来的问题就是路面拼接, 路面拼接质量的好坏决定了公路安全性, 因此, 非常有必要对路面拼接的方式进行探讨。
1 路面拼接施工问题
1.1 刚度差异
旧路基填土在新路基开工前, 已长年承受了地下水升降, 气候变迁, 无数次行车荷载的压实、振动、冲击等很多方面影响, 可以说已经达到最优密实状态。新填路基并未充分受到外部环境及荷载的作用与影响, 尽管按照施工设计与规范来碾压新填路基, 但新路基的密度一定低于旧路基, 但从整体刚度上来看, 这仍是新路基的软肋。如果在强度上新旧路基存在过大差别, 那么在新路基建成后, 经过长期外部环境、交通压力等影响下, 一系列问题就会随之出现了, 如裂缝反射、纵向开裂、积累性不均匀塑性变形等等。
1.2 拼接位置发生不均匀沉降
经过长年累月的荷载作用及运营后, 旧路基沉降已经处于或接近稳定状态, 但新建路基在竣工后还未经历过沉降过程, 因此, 不均匀沉降很容易形成于新旧路基的交接位置, 不仅如此, 还会进一步产生纵向开裂, 严重时裂缝还会向路面延伸, 这样就会对扩建公路的使用造成不良影响, 大大降低了使用性能。若地基段为软土, 那么该问题更加严重了。
1.3 龟裂及离析
龟裂出现的形状有很多, 不规则裂纹和平行纵向裂纹较为常见, 因原因不同, 裂纹的出现情况也多变。现代建筑工程对沥青使用相当频繁, 因此还应考虑到沥青离析对路面产生的影响, 因为对于高速公路而言, 该问题始终是隐患。
1.4 坑洞
产生路面坑洞的原因很多, 最为常见的是沥青混合料松散。沥青混合料松散的原因分为两种, 一种是不同于传统坑洞, 为内部坑洞, 它的形成是最先产生于坑洞内, 之后再逐渐向上延伸, 最终形成坑洞;另一种就是传统坑洞, 这种坑洞的出现原因在于集料与沥青的黏稠性差, 长期处于日晒、雨淋的自然环境下, 路表面的集合物与沥青就会渐渐脱落, 路表面的集合物被破坏, 大小不一的坑洞就出现在路表面上。经过以上分析得知, 内部坑洞口小底大, 而传统坑洞口大底小。为降低损失, 防范于未然, 在设计、施工的过程中应尽可能避免产生坑洞, 在对路面拼接时, 应针对坑洞的产生进行必要考虑。
2 填充路基
2.1 填石路基
一般情况下, 填石路基所用填石粒径最大不能超过2/3, 要求极其严格。在路基施工的过程中, 土石一起进行填充, 但该方法对石块强度有着相应的要求, 具体为石块强度超过20 MPa时, 石块不能大于压实层的2/3因为当石块强度大于20 MPa时, 不容易被压路机压碎, 这样不仅有利于路基稳定, 而且还能够压实路基。在进行压实过程中, 如果石块强度不大, 石块可相平于压实层, 但注意不能超过压实层。若因施工需要, 石块必须超过压实层时, 必须打碎石块。
2.2 土质路基
土质路基所应用的填料有稳定性差的、密实后稳定的以及最稳定的三种填料。
2.2.1 稳定性差的填料
粉质土、高液限黏土等材料稳定性差。粉质土具有一定黏性, 空气干燥时为尘土飞扬状, 水分大时又会形成流体状, 具有很大的毛细水上升高度, 是最差的填料。高液限黏土虽有较大的塑性强度与黏性, 但是透水性不好, 不利于干燥, 干燥后很硬, 不容易压实、打碎, 其体积在浸湿循环中会产生很大变化, 若在水分很大的条件下进行压实, 压缩作用下高液限黏土会成为弹簧土, 该材料极不稳定, 也不利于控制。
2.2.2 密实后稳定的填料
通常情况下, 填土过程中应对水分进行控制, 在水分控制好的基础上实施分层填充, 压实也分层进行, 为增强路基稳定性, 可适当填充黏土, 以防止沙粒较小时路基产生松散, 可将路面稳定性提高。值得注意的是, 在对工业废渣使用前, 为了防止有害物质超标, 对环境产生污染, 应对废渣中的有害物质含量进行检查。
2.2.3 稳定性最好的填料
工业材料和石质材料可作为路基填料, 具有高稳定性的特点。工业材料包括建筑废材、钢渣等等;石质材料有粗砂、中砂、漂石土、大砂粒、鹅卵石等。工业材料和石质材料优点很多, 如不易受水影响、透水性好、抗压性强、摩擦系数大等是最好的填充材料。
3 处理拼接部位
3.1 新旧路堤错台台阶法
在可适当占用旧路基、施工场地宽敞的施工条件下, 适合采用新旧路堤错台台阶法施工。在填筑新路路基时, 为了控制、减少沉降不均匀现象出现在新旧路基交界面, 应将一定宽度的台阶开挖于旧路基边坡处, 然后进行碾压, 这样, 交错的施工缝就形成于新旧路基的交界面上, 且上部荷载由新旧路堤共同承担, 这样的方法既减少发生路面反射裂缝的几率, 还能有效控制路基不均匀沉降。
3.2 处理软基方法
为了减少新旧路基发生不均匀沉降和扩建高速公路总沉降量, 必须进行软基处理。处理软基时为降低地基压缩性, 可选择软基处理方法, 如疏桩型地基或复合型地基, 进一步降低地基压缩性。在进行施工的过程中, 为确保道路的顺利运行、克服工期紧张、施工场地较窄等因素, 加固扩建公路时应尽可能加快速度。除此之外, 在考虑不同路段的路基填筑高度、类型结构、地质条件等因素后, 再合理选择软基处理。在高填方以及软基路段采用轻质路堤能够显著降低附加影响及沉降。在结合其他巩固措施的条件下, 复合型地基能够降低工程成本, 同时将地基沉降有效控制住。
4 新旧面层拼缝技术
在大气自热因素的长期作用以及各种车辆荷载的反复作用下, 路面层必须为交通提供耐久、稳定、舒适、安全等方面服务, 同时也是对高速公路路面材料、性能、技术的考验。随着社会稳步发展, 在大力推动经济发展过程中, 交通占据着重要位置, 促进了地区之间、地区内的经济繁荣。随着城市化进程加快, 道路顺应着时代的变迁, 在旧路的基础上, 一条条新路带领着人们的步伐, 让生活变得更加积极与充实。在进行道路扩建工程中, 新旧路面层的拼接是一项技术活, 其拼接质量直接关系着道路安全, 因此非常重要。拼接过程中, 新旧路面层的拼缝会削弱面层整体强度, 如果未能将拼缝处理好, 不断渗入的雨水会损害道路、路堤, 集中应力还会破坏路面结构, 因此, 为了不使扩建完成后, 路面使用性能造成影响, 应提高拼接质量。以我国某地区高速公路扩建工程为例, 该高速公路原有路面为4~6 cm粗粒式沥青混凝土, 28~35 cm二灰砂或石灰土底基层, 18~20 cm水泥稳定级配碎石。主线路段及匝道采用沥青混凝土路面。在多年的运营及使用中, 个别路段路表面存在车辙、坑槽、网裂等病害, 采用新旧路面拼接技术施工后, 病害解除。
4.1 拼接沥青混凝土路面
4.1.1 拼接方式
为避免裂缝、断裂等现象出现, 确保新旧路面能够均匀受力, 应对路面构造措施和接缝位置进行确定, 这样路面才会真正具备耐久性、防裂、抗车辙等特性。为了避免重车道轮迹带上置入两道拼接缝, 可将拼接宽度设计为120~300 cm。在对路基拼接、控制旧路挖出量、尽可能缩短拼接宽度等因素进行考虑后, 结合保通方案和处治旧路方案。项目中设置第一级台阶宽度155 cm, 第二级、第三级、第四级台阶宽度均为30 cm, 在第二、第三车道标志线处设置顶层接缝位置。
4.1.2 拼接
开挖路面时, 开挖厚度为8 cm, 由旧路路肩向内325cm处至中面层顶面, 垂直向下开挖。之后, 由第一道切缝外侧至基层顶面向下垂直开挖, 厚度为11 cm。再由第二道切缝外侧向下垂直开挖, 深度为18 cm, 接着由第三道切缝外侧30 cm处向下垂直开挖, 深度18 cm。由第四道切缝外侧至底基层底面向下垂直开挖, 厚度20 cm。路面可在路基拼接完成后逐层拼接, 按照施工顺序进行铺筑, 先铺低剂量水泥稳定碎石底基层, 之后铺水泥粉煤灰碎石下基层和水泥粉煤灰碎石上基层等。
4.2 接缝
4.2.1 拼接基层
采用设计标高进行新基层铺筑。因薄弱夹层、局部沉降等因素, 旧路基层标高不同于新路基层标高, 需要顺接新旧路基层。新基层内侧为旧路基层标高, 而外侧为设计标高, 采用新基层标高逐步向旧基层标高过渡的方法。为增加层间粘结效果, 将水泥浆喷洒到新旧基层层间, 水泥浆喷洒量不应低于2.5 kg/m2, 为水泥净浆水灰比1∶2。水泥浆喷洒长度以小于摊铺机前35 m为适宜, 在洒布水泥净浆之后, 紧跟着摊铺新水稳层。将5 mm的乳化沥青稀浆铺筑于基层上, 之后再铺沥青面层, 这样可确保路面基层与沥青面层之间有良好的结合, 且不会因汽车外力作用使面层和基层产生层间位移。使用水泥混凝土界面剂进行新旧基层侧向拼缝拼接, 应涂刷均匀界面剂, 并采用人工方式将细集料混合料填补于拼缝侧。进行碾压时, 将距离接缝50 cm处的新铺料密实碾压。之后每次向内碾压10 cm, 不断地向接缝处推挤新铺料, 密实嵌挤接缝处。上基层接缝可采用聚酯玻纤布处置, 将聚酯玻纤布铺设与水泥粉煤灰基层顶面, 并以3 cm为准, 延伸至新旧路面部分。
4.2.2 拼接面层
采取旧路就新路的原则, 新拼路面的横向标高与纵向标高须调整至中面层及以下各层次, 采用设计标高进行铺筑新路, 与旧路在接缝处顺接。先对接缝面进行清理, 不能有污染、灰尘以及松动抛散的集料, 上层残留的杂物不能在夹层和夹层不应存在台阶面上存在。应均匀喷洒粘层油, 接缝面应避免流淌与露白。新旧面层接缝粘结料可使用SBS改性热沥青, 新旧面层接缝可采用冷拼接的方式。为了获取较好压实度, 采用跨缝碾压方法处理接缝处:将聚酯玻纤布铺设于新建路面拼接缝处, 同时延伸至新旧路面各部分100 cm。为确保道路的及时畅通, 将聚酯玻纤布铺设于第二条拼接缝处, 并延伸至新旧路面部分100 cm。使用该方法的效果明显优于挤压密实法。
4.3 拼接混凝土路面
高速公路扩建工程中, 相对于旧路的设计, 交通量的最新预测可能会出现较大的改变和调整, 因此互通匝道收费站车道数的调整也是不可避免的。拼接路面基层采用相错搭接的方法。需要加宽的水泥混凝土面板的横缝、路拱、厚度均等同于原混凝土面板, 面板拼宽采用增设拉杆方法。将直径为18 mm、深度30 cm的水平孔打入原面板外侧板厚处, 每间隔60 cm打一个水平孔, 将孔内混凝土碎渣清除后, 把高强砂浆压入孔内, 之后将螺纹钢筋插入。
5 实例应用
沪宁高速公路西段路面总厚度为76 cm, 其中SMA13上面层4 cm、SUP20中面层8 cm, SUP25下面层8 cm、稀浆封层为0.5 cm、水泥稳定碎石基层36 cm、铣刨旧料底基层20 cm。保留旧路硬路肩下底基层, 其宽度为1.25 cm, 行车道中上面层需要刨除, 留下面层, 超车道结构层保留, 在此基础上加铺厚度4 cm的SMA13。具体施工工序如下:第一, 暂时封闭该路段交通。第二, 检查病害。第三, 采用垂直接缝方法处理拼接缝, 位置边缘线与新旧路的拼接线重叠。第四, 加固路床, 先取样、测定含水量, 铺水泥, 在对加水量进行控制的前提下, 对路床的石灰土进行铣刨, 在新路边堆放铣刨料, 对加固路床进行清扫, 适当洒水, 不能有积水现象, 静压两至三遍, 铺设单向土工格栅, 在路床的加固槽中充填水泥土, 振压成型后对压实度进行测定。第五, 在底基层中加入铣刨旧料, 还可将水洗砂适当加入混合铣刨旧料中, 以满足生产需求。第六, 碎石基层可用水泥稳定, 为设计强度3.0 MPa。在强度达标的前提下, 应尽可能选取低水泥剂量进行配比。第七, 稀浆封层。第八, 混凝土施工, 先对基层作业面进行清扫、湿润, 之后配置混合液, 并给基层和界面层涂刷。在基层顶面还铺设了聚酯玻纤布, 以对基层拼接缝进行加固。为提高路面抗车辙能力, 选取SUPERPAVE作为中下面层的沥青混合料, 同时选用改性沥青作为中面层的胶结材料, 在该工程沥青混凝土路面施工中, 为防止路面渗水度和压实度受到影响, 不应使用冷接缝, 而应采用热拼接, 因为热拼接能够将路面粘结度有效提升, 将聚酯纤维加入中、下面层, 能够增加混合料的高温稳定性及反射裂缝的抵抗力。第九, 标志标线施工。第十, 施工完毕, 开放交通。
6 结束语
伴随我国经济的快速发展, 人们物质生活水平普遍提高, 对交通的要求不断提高。为将交通的经济效益和价值充分发挥出来, 必须要扩建公路。施工中路面拼接的质量离不开正确、科学的路面拼接方法和技术, 本文以此为基础展开了简要探讨, 以提升路面安全性。旧路基填土在新路基开工前, 已长年承受了地下水升降, 气候变迁, 无数次行车荷载的压实、振动、冲击等很多方面影响。而新填路基并未充分受到外部环境及荷载的作用与影响, 相对于旧路的设计, 高速公路扩建工程中, 交通量的最新预测都会出现较大的改变和调整, 在施工过程中需要经过很多处理, 施工工序较为复杂, 从路面拼接存在问题入手分析, 并介绍了工程实例的应用, 希望为类似工程提供参考。
[ID:001125]
摘要：在我国城市建设如日中天的背景下, 为了满足日益增长的交通需求, 对高速公路的建设提出了更高要求, 高速公路拉近了城市之间的距离, 而车辆的增加促进了高速公路的发展。在对高速公路进行扩建时, 往往存在一些施工问题, 如老路与新路拼接等。为确保高速公路行车的安全性与舒适性, 探讨了高速公路扩建前提下路面拼接方式。
关键词：施工技术,路面拼接,城市,扩建,高速公路
参考文献
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《图形拼接》教案 第2篇
教学目标：
1、知识目标：对特殊四边形包括平行四边形、矩形、菱形、正方形、梯形的性质有充分应用能力及平行线、角分线、三角形的性质能够灵活的应用。
2、能力目标：让学生经历观察、思考、分析、交流、归纳、抽象等活动，进一步培养学生的应用知识的能力及动手操作能力。
3、情感目标：让学生体验从身边得到数学规律的成就感，在解题中感受动手操作带来的成就感体验数学充满探索和创造。
教学重难点：
1、图形分割与拼接的认识过程的体验；
2、平行四边形的性质及三角形中位线的应用；
3、分割线的确立与拼接中应用图形特殊性质灵活应用。
4、分割线的确立与拼接中应用图形特殊性质灵活应用。
教学过程：
导入：
利用教学工具，如多媒体等，通过对拼接作品的展示、评价引入本课——《图形拼接》，是同学们认识图、了解图形拼接，发现图形拼接的美，培养图形拼接的兴趣。展示课件，开始新课的讲授。
教学活动：
（1）、利用身边的工具，如挂历、废旧报纸、树叶等材料，教师现场制作一幅拼接画。（2）、以上面制作的拼接画为例，进一步讲解拼接画应该注意事项，如形象的设计、颜色的运用等。
（3）、讲解图形拼接能给同学们带来的好处，如培养创新能力、设计能力等。实践活动：
优派拼接屏 第3篇
此项目中, 优派OP4635D拼接屏主要是实现远程视频会议的图像画面、水利水文数据、地震预防预报信息内容的显示。优派有业内领先的大屏拼接技术, 并能完好的实现拼接墙与信号源的完美显示。
在此次优派为云南水利厅提供的OP系列的整体大屏拼接设计方案之中, 优派的6.7mm的极限拼接技术、多显示器控制、远程工业控制、矩阵显示、多屏图像处理等技术将拼接墙综合为一体, 形成一个拥有高亮度、高清晰度、高智能化控制、操作方法先进的大屏幕显示系统, 带给云南水利厅全面多元的信息显示方式。
优派OP系列的大屏全面支持各种数字和模拟的信号输出, 以OP系列大屏为单元的多屏拼接系统支持全制式视频信号、摄像机、录像机、大小影碟机等各类信号源, 通过多屏处理器的集中分配, 信号以窗口形式在显示墙上实现任意位置移动、无级缩放、跨屏或重叠等功能。再加上优派独特的视频墙矩阵显示功能, 其OP系列的大屏内置的图像放大处理器支持各种规格, 不必添加任何其他视频控制设备, 信号接收器只需使用视频和PC接口。
液晶拼接屏优点总结 第4篇
一、液晶拼接屏无故障时间长，维护成本低。
液晶是目前最稳定最可靠的显示设备，由于发热量很小，器件很稳定，不会因为元器件温升过高损坏而造成故障。
二、液晶拼接屏分辨率高、画面亮丽。
液晶的点距比等离子小得多，物理分辨率都可以轻易达到和超过高清标准，液晶的亮度和对比度都很高，色彩鲜艳亮丽，纯平面显示完全无曲率，图像稳定不闪烁。
三、液晶拼接屏可视角度大。
对于早期的液晶产品而言，可视角度曾经是制约液晶的一个大
问题，但随着液晶技术的不断进步，目前已经完全解决了这个问题。液晶拼接幕墙采用的DID液晶屏，其可视角达到双178度以上，已经达到了绝对视角的效果。
四、功耗小，发热量低。
液晶显示设备，小功率，低发热一向为人们所称道。小尺寸液晶屏功率不大于35W，40寸以上液晶屏，其功率也只有150W左右，大约只有等离子的三分之一至四分之一。
五、液晶拼接屏，寿命长，维护成本低。
液晶是使用寿命最长的显示设备，其本身寿命非常长，即使是寿命最短的背光源部分，也高达50000个小时以上，而且即使使用了超过这样长的时间，也只会对其亮度造成影响，只需更换背光灯管，便可恢复原来亮丽的色彩。这与背投是有本质的区别的，液晶背光源寿命是背投灯泡的十倍；与投影的最大区别在于，BSV液晶拼接技术更加成熟，节电明显，其优劣不言而明。
六、创新、先进性
46寸超窄边液晶拼接屏，只有6.7mm拼缝，目前55寸LED背光源超窄边液晶拼接仅有5.5mm，这是目前最先进的液晶拼接。三星公司也正在研制通过一种类似玻璃类型能透过边缝的拼接，那将成为DID液晶拼接的跨时代时期。
七、液晶拼接屏超薄轻巧。
液晶具有厚度薄，重量轻的特点，可以方便地拼接和安装。40寸专用液晶屏，重量只有12.5KG，厚度不到10公分，这是其它显示器件所不能比拟的。
8、经济性
考虑系统的经济性，应从性价比来考量，只有在高性能、高质量的前提下，系统的经济性才有意义。（http://）
目前市面上的等离子（PDP）的拼接幕墙，但其价格较高，一般一平方米的价格高达十几万，比液晶拼接幕墙还要贵，并且由于其固有的缺陷，性价比较低。而DLP电视墙虽然价格比较低，但一年光灯泡的更换费用就高达几千块每块屏，一个幕墙加起少则几万，多则十几万，几年下来，其费用惊人。
当然，由于目前液晶产品的背光源发光体仍采用阴极真空管
（CCFL），其灯管两端的灯丝及管座限制了液
晶板的尺寸，目前拼屏所用的DID液晶屏的边框仍有4mm-10mm的宽度，因此拼接缝稍大是液晶拼接幕墙唯一的缺点，但随着BSV-LED背光源技术的投入，这一缺陷将会得到明显的改善。
液晶拼接幕墙，以其优异的性能，合理的价格在国内外受到了广泛的欢迎。其高达5～8万小时的使用寿命，质量稳定，维护费用低，是目前最具性价比的幕墙。
液晶拼接幕墙的出现，解决了传统电视幕墙的各种缺陷，为方便、全面、实时地显示各系统视频信息，特别是远程实时指挥，调度等工程应用提供了最好的大屏幕显示系统。
一台拼接器只能指定一个窗口为CBD显示区域；设定为CBD区域的窗口，可以实现对CBD输入信号的所有窗口进行叠加显示；CBD信号区域的显示窗口可以是某个独立显示单元，也可以是一个完整的显示拼接墙，或者由某些独立显示单元组成的部分拼接墙；CBD显示窗口的最大开窗数目，取决于CBD输入的硬件输入数目。标准配置为：同时显示4路的VGA或者视频信号；CBD输入的信号，只能在CBD窗口内移，不能超越CBD所输出的窗口范围；
CBD显示区域可以和其他子输入通道构成更多模式的显示方式；多台IWS-4P拼接器级联后，可以在大拼接墙上开设多个CBD信号显示窗口；使用单独的带有RS232接口或者网络插口的电脑连接到大屏幕图像处理器进行窗口操作：透视，画外画平铺，画中画，窗口叠加，窗口漫游，窗口透视和缩放；
CBD的输入路数，可以预先进行配置，最多可以达到12路；分布式控制技术
分布式信号控制技术是IWS拼接处理器的专利控制技术之一，拼接器内部采用各个独立模块，并行处理，信号在输入拼接器之前，需要通过专有技术完成信号的调度和控制，实现各通道信号传输与硬件带宽之间的平衡问题。
基因序列拼接算法设计 第5篇
基因芯片测序是建立于杂交测序SBH (sequencing by hybridization) 基础上的一种测序方法[1]。它是用一系列较短的已知序列的寡核苷酸探针, 与较长的待分析DNA序列杂交, 寻找其互补序列, 根据杂交结果分析待测DNA序列。这是基因芯片技术的一个重要应用。同现有的PCR等测序技术相比, 基因芯片测序能节省大量的试剂消耗和仪器占用, 而且省时, 因而是一种很有发展前景的测序技术[2]。
基因芯片测序的基本原理可用图1表示。在一块基片表面上固定了序列已知的八核苷酸的探针, 设溶液中的DNA序列为TCAGAAACGGGATCC, 且带有荧光标记。DNA序列与基因芯片上对应位置的核苷酸探针进行互补杂交, 在杂交点处荧光强度最强。通过确定荧光强度最强的探针位置, 获得一组序列完全互补的匹配探针序列, 然后据此可重组出与靶核酸互补的序列, 最后由互补原理得出靶DNA序列。
从匹配探针重组拼接得到待测DNA序列的互补序列, 是通过软件重组拼接得出的, 其基本原理如图1右侧所示。实际的重组拼接过程涉及到拼接分支、假阳性、假阴性等复杂问题, 为此, 本文就这些问题及软件的算法设计方法进行了讨论。
1 软件主要功能模块与结构
1.1 数据输入模块
该模块实现匹配探序列的输入功能, 由于测序结果通常是以文本文件提交, 因此设计了可读入文本格式数据的功能。
另外, 为了验证软件的分析是否正确, 还设计了随机生成给定长度DNA序列的功能, 同时根据生成的DNA序列和设定的探针长度, 自动得出匹配探针, 以便后续的拼接处理使用。
1.2 分析模块
分析模块包括对输入的数据进行预处理如数据中小写字母统一转换为相应的大写字。然后根据杂交匹配出的探针, 利用字符串的相关操作命令, 拼接重组出靶序列的互补序列, 再对互补序列字符串中的A与T、G与C进行互补替换, 得到靶序列。
1.3 拼接的处理过程
根据图1所示的DNA芯片测序基本原理, 可得出拼接的处理过程, 如图2所示。从匹配探针中依次选一个作为起始探针, 以它为起点进行拼接, 一直到所有匹配探针都使用完, 并且匹配出的DNA链符合给定长度时, 就输出结果。
2 拼接实现算法
拼接的基本原理如图1所示, 而在实际拼接过程中, 很可能会出现分支的情况, 如图3所示。图中所用到的核苷酸探针长度为5。左边是杂交匹配出的探针列表, 为了方便, 只列出了部分相关的探针;右边是根据匹配探针进行拼接时, 出现分支的情况。
以第一个匹配探针ACGGC开始, 则第二个探针的前4个字符为CGGC, 从匹配探针列表中可找到唯一合适的CGGCA, 类似地可找到GGCAC、GCACT、CACTT。从匹配探针列表可以看出, 紧接的下一个匹配探针则有可能是ACTTG或ACTTA, 即当拼接到ACGGCACTT处时, 出现了拼接分支。从图中可以看到, 如果由ACTTG继续拼接下去, 则在ACGGCACTTGCCAT处又出了分支。
可以利用堆栈技术对拼接分支进行处理。由于在拼接过程中可能会多次出现分支的情况, 则在处理分支时适宜从后往前的顺序进行, 即先处理最后的分支, 而最先出现的分支则最后处理。
建立PUSH和POP两个自定义函数, 其中PUSH函数有一个输入参数, 表示分支位置。如果遇到分支, 则将分支位置压入堆栈, 并将分支处的字符按升序进行排序, 选择排在前面的那个分支继续进行拼接。例如在图3中, 分支点1处的位置为10, 用PUSH函数将数字10压入堆栈, 然后将分支点1处的A、G字符排序, 选择字符A继续进行拼接。到分支点2处时, 该处位置为15, 将该数字压入堆栈, 选择字符C继续进行拼接。
当拼接出来的DNA链满足一定条件 (此条件将在第3节中讨论) , 则输出结果并存入列表框控件中。并且检查堆栈中有无数据, 如果有, 则弹出堆栈中最上面的数据 (即最后压入栈的) , 得到分支位置。然后根据此位置数据, 进行如下操作:
(1) 从已拼接的DNA链中获取该位置前的字符串, 以便从该处开始拼接;
(2) 从已拼接的DNA链中获取该位置前4个字符 (即探针长度减1) ;
(3) 从匹配探针列表中, 查找前4个字符与第2步中所得的字符串相同的匹配探针, 从已拼接的DNA链中判断该探针是否已使用, 如果未使用, 则用该探针继续拼接。
重复按上面的步骤, 直到堆栈为空, 拼接结束。
这一算法是将所有匹配探针作为起始探针进行尝试拼接, 计算量明显比较大, 可以考虑在靶DNA链的5’端挂一较短长度且碱基序列已知的寡核苷酸片段。由于DNA链的5’端是起始端, 因此该链和基因芯片进行杂交匹配后, 起始匹配探针必定是所挂的寡核苷酸片段互补序列的前端部分, 从该探针开始拼接, 可以大幅减少拼接运算的计算量。
3 拼接合法的判断标准
当拼接出来的DNA链符合要求之后, 就可以结束该次拼接过程。而拼接出来的DNA链是否正确, 则需要根据一些已知信息进行判定, 下面给出几种判定方法。
方法1 检查匹配探针是否已全部使用。匹配探针是根据靶序列杂交出来的, 每一个探针都必须使用上, 如果还有探针未使用上, 则表明拼接还未完成。
方法2 检查是否匹配出合适长度的DNA链。
靶基因长度, 即其碱基数可以通过所给的DAN分子量测算出来, 当匹配出的DNA链达到给定长度, 且匹配探针都用过时, 则匹配结果合法。
方法3 匹配DNA链长度已满足给定的长度, 但是匹配探针还没用完, 则匹配结果不合法。
匹配探针是从原DNA链通过杂交得到的, 在拼接过程中必定都要用到。如果拼接出的DNA链长度已满足要求, 但仍有匹配探针没用到, 则表明该拼接过程是不合法的。
方法4 检查重复匹配的探针数。
靶DNA链中很可能有重复片段, 导致出现重复匹配探针的情况, 可以通过靶基因长度、探针长度及匹配探针数估计出重复探针数。根据杂交匹配原理可得匹配探针总数 (含重复数) , 应为靶基因长度减去探针长度再加上1, 则可得出重复探针数的公式为:
重复探针数=靶基因长度―探针长度―独立的匹配探针数+1
在拼接过程中, 可记录重复使用探针的重复次数, 如果最终结果与上面计算出的数值不吻合, 则表明该拼接过程不合法。
方法5 在原DNA链的3’端挂一较短长度且碱基序列已知的短链。3’端是DNA链的末端, 在该端挂上一短链后, 最终匹配出的DNA靶序列末端, 应该与挂上去的链碱基序列短链吻合, 反之则不合法。
4 假阳性与假阴性[3,4]
基因芯片测序中, 杂交的特异性仍不够高, 存在假阳性和假阴性现象, 影响这一技术的应用。所谓假阳性与假阴性, 在DNA芯片上假阳性位点处, 部分地杂交了不少数目的待测DNA链, 而使该点有较强荧光;而假阴性位点处, 则是杂交DNA链数目较少使荧光较弱, 在进行图像识别处理时被忽略掉。反映到匹配探针中则为:假阳性是出现了不该有的匹配探针, 假阴性则是该有的匹配探针没出现。假阳性和假阴性探针的数目显然无法确切得到, 只能根据杂交测序过程和基因芯片荧光强弱情况进行估计。
对于假阳性的处理, 先设置假阳性数估计值, 然后依次将相应数目的匹配探针移除, 用剩下的匹配探针进行拼接, 看能否得出满足要求的结果。如果仅有假阳性而无假阴性情况, 则匹配探针是完备的, 对计算时间的影响不会太大。
对于假阴性的处理, 人工判断假阴性位点 (即基因芯片上荧光强度较弱的点) , 将该点处的探针输入程序, 将它们作为匹配探针进行拼接, 看能否得出满足条件的结果。如果存在假阴性, 有可能会因为匹配探针不是完备的, 而使计算时间明显变长。
一般来说, 由于假阳性和假阴性的影响, 有可能会得出较多的拼接结果, 但仍有一定的参考意义, 因为正确的结果必在其中。要求在前端的DNA芯片测序过程中, 尽量严格操作, 从源头减少假阳性和假阴性的发生几率, 使其影响减到最小。
5 结果与讨论
完成软件设计和实现后, 进行系统测试和实例计算验证。输入一个长度为100个碱基的DNA链 (CCTGGCTGCCAGCCTGGCTGTCGCACGTCGCCAGTTCAGCA CGCTCCACTCGTGCGGCGA CCACGGGCGGTCCAGATGTTCCTCCAGTATTACCACTCA C) , 根据该DNA链及设定的探针长度自动生成匹配探针, 然后再进行拼接。结果表明, 当匹配探针是完备的时候, 本软件能非常好地完成拼接工作, 所花时间为0.024秒 (CPU频率为2GHz) 。而当增加某个非匹配探针以模拟假阳性时, 由于匹配探针是完备的, 计算量增加还不明显。而删去某个匹配探针以模拟假阴性时, 计算时间则明显增加, 为1.012秒。当5’端挂上一已知短链后, 计算时间则显著缩短为0.003秒。
6 结束语
进入后基因组时代, 人类对于测序技术的需求有增无减, DNA 测序技术必将得到更普遍的应用[5]。芯片制备技术极大地推进了生物芯片的发展, 已从几百个点的芯片发展到几百万点的高密度芯片, 海量的DNA芯片测序数据需要计算机技术的介入才能完成处理。本文为了分析基因片测序结果的需要, 用Visual C++语言编写的分析软件, 仅是把计算机编程技术运用到DNA 序列分析的一个小尝试, 在以后工作中还有更多的数据分析处理, 例如直接影响拼接的实现、复杂性的数据纠错算法[6]等。
摘要：对DNA芯片测序所得到的匹配探针, 设计算法进行拼接。采用堆栈的结构很好地处理了拼接过程中出现的分支问题, 根据靶基因的长度范围和探针长度等数据提出了一系列较完整的拼接正确性判定方法, 讨论了假阳性和假阴性的影响及处理方法。该算法能很好地根据DNA芯片杂交出的匹配探针拼接还原出DNA靶序列。
关键词：基因芯片,测序,算法
参考文献
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[3]Aubert J, Bar-Hen A, Daudin J, et al.Determination of the differentiallyexpressed genes in microarray experiments using local FDR[J].BMCBioinformatics 2005, 6:42.
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[5]Fredlake C P, Hert D G., Mardis E R, et al.What is the future of electro-phoresis in large-scale genomic sequencing[J].Electrophoresis, 2006, 27:3689-3702.
数据拼接算法的研究 第6篇
1 投影栅线法基本公式
光栅投影图像法测量物体表面三维外形是一种非接触光学测量方法。它以测量投影到物体上变形光栅像的相位为基础,通过相位与高度的映射得到被测量物体的三维轮廓。用栅线投影对物体进行轮廓测量时,通常把已知的调制栅线(通常是正弦栅)投影到被测物体表面。投影场受物体三维形貌的调制而发生变形,通过采集到的变形光栅图像进行处理、标定,解调出代表物体高度信息的相位,再对相位进行展开就可以获得物体的三维形貌信息[8]。如图1是投影栅线检测系统示意图,图中S(L,YS,0)是投影器透镜中心,P(L0,0)是CCD成像透镜中心,两个光轴相交于坐标轴原点O。A(XA,YA,ZA)是物体表面上任一点,YS=Ltgθ,投影栅线方向与XY平面垂直[3]。
经过简单的几何关系推导,可以导出物体表面上任一点A的高度XA及其坐(XA,YA,ZA):
式中,M0是对参考平面成像的放大倍数。
像平面内栅线偏移量ΔY Ai可以按下式求得:
式中,ΔφAi是像平面内栅线偏移引起的位相差,由相移法或F.F.T法求得;P Ai是像平面内的栅线节距[3]。
2 柱坐标变换及数据拼接
对于大物体或回转体三维表面的形状测量,需要从不同角度投影及拍摄多幅投影栅线图,才能获得整个物表面的全部形状。为此,必须对测试数据进行坐标变换,并将从不同角度检测到的多个测量数据进行拼接[4]。
坐标变换及数据拼接的基本原理可简述如下:
(1)首先采集第一幅投影栅线图,在按公式(1)、(2)、(3)进行计算获得物体表面高度XA及其坐标(XA,YA,ZA)以后,再按下式转换成柱坐标:
(2)在完成了第一部分表面形状的检测以后,将三维物体围绕回转体旋转轴,也即Z轴逆时针旋转Δα角,检测第二部分表面的形状,然后再按下式转换成柱坐标:
(3)继续按上述步骤进行检测,直到全部检测完所需测量的三维物表面。
3 柱坐标变换算法拼接实验结果
3.1 实验一
为了检验本文的柱坐标数据拼接算法,文中对一个经过精细加工的标准圆柱的表面形状进行了全表面测量。圆柱高为10cm,半径为5cm;测量分四次进行,每次转动90°,共获得4组数据。应用F.F.T位相分析法分析处理投影栅线图,并求出对应表面的高度分布。再按本文的数据拼接算法,将4组测量结果拼接成360°全表面的高度分布数据,并与实际的高度分布进行了比较。
图2是参考平面投影栅线图;图3、图4、图5、图6是四幅物体表面投影栅线图;图7是第一幅物面投影栅线图的位相分布(已展开);图8是拼接后的柱面三维形状分布图;图9是检测结果与标准值的比较。
检测结果与标准值的比较表明,平均偏差为0.08mm;最大偏差为0.14mm。
3.2 实验二
试件二是某飞机发动机燃烧室的过渡段。生产厂方从生产该发动机燃烧室过渡段的工艺设计需要,急需从委托方提供的实际样品上精确测量出全表面的三维形状数据。该试件尺寸大,外形尺寸为400500800mm。该试件外型复杂,没有较为规则的参考面,且开有窗口,给实验检测带来了困难。现有的检测仪器很难对其进行全表面的三维形状检测。
实验前加工了专用夹具及旋转台,实验分四次进行测量,每次转动角度为90°。应用相移位相技术分析处理投影栅线图,求出对应表面的高度分布。再按本文阐述柱坐标变换的数据拼接法,将4组测量结果拼接成360°全表面的高度分布数据。
图10,图11,图12,图13是4幅投影栅线图;图14是拼接后的发动机燃烧室过渡段的表面高度分布。该发动机燃烧室过渡段的径向尺寸最大达250mm,按委托方要求检测数据的最大偏差不得大于3mm。实际检测结果与委托方提供的数据相比,最大偏差为2.3mm,误差小于1%。
4 结论
通过对标准圆柱和某飞机发动机燃烧室过渡段两个回旋体全表面的形状检测表明,本文阐述的基于柱坐标变换的回旋体三维形状检测中的数据拼接法,能较好地解决回转体或大物体全表面的三维形状测量问题。对标准圆柱全表面三维形状进行检测的结果表明,对于100mm100mm的试件,最大偏差约为014 mm,误差在0.2%以内。对某飞机发动机燃烧室过渡段全表面三维形状进行检测的结果表明,对于800mm500mm400mm的试件,最大径向偏差约为2.3mm,误差在1%以内。
摘要：阐述了一种基于柱坐标变换的数据拼接算法,根据大物体或回转物体表面形状无法一次测量的特征,采用了分段测量方法,将分段测量的结果通过柱坐标变换的数据拼接算法,把大物体或回转体的三维表面形状立体显示出来,较好地解决了其形状测量问题。简述了两个实验例子,并给出了柱坐标变换的数据拼接算法实现过程。
关键词：柱坐标变换,数据拼接,分段测量
参考文献
[1]陈文艺,田丰.一种用于复杂形面测量的三维检测系统研究[J].计量学报,2006,17(4):256～260.
[2]范华,赵宏,谭玉山.光纤投影双频自动轮廓测量术[J].光学学报,2001,18(1):86～89.
[3]王昭,赵宏,谭玉山.相移阴影莫尔轮廓术的位相去包裹处理新技术[J].半导体光电,200519(5):347～350.
梁式体系桥梁拼接施工分析 第7篇
关键词：老桥,拓宽,抬梁,叠合,植筋,沉降
随着国内经济的高速发展,城市交通量不断增加,许多原有道路的通行能力已不能满足要求,亟待拓宽、改建。如何利用以前的老桥,在满足拓宽后桥梁承载力的情况下降低工程造价,是老桥在拓宽改造中面临的主要问题。在江苏省312国道常州段梁式体系桥梁的拼接施工中采用了抬梁法和叠合梁法两种施工工艺,现对两种施工工艺的特点、适用范围及施工过程中应注意的问题作以下探讨。
1 抬梁法施工工艺分析
1.1 设计原则
采用抬梁法施工就是将原有的墩台帽抬到新的桥梁设计高程后与加宽部分同时施工桥梁上部,老桥的梁板部分可重新利用。
1.2 拓宽段
1.2.1 施工拼宽段基础及下部
为了避免出现老桥与拼宽段桥梁的不均匀沉降,拼宽段桥梁的基础和下部应尽早安排施工。新老桥桩基础采用系梁进行横向联系,对U形桥台新老桥之间通过植筋技术连为整体,植筋钢筋直径为25 mm,间距30 cm,深度40 cm。桥梁下部施工完成到桥梁上部开始施工的间隔时间,应保证有3个月以上的沉降期,施工桥面铺装时,沉降量应满足小于2 mm/月。同时为避免墩台帽因新老桥的不均匀沉降出现拉裂,拼宽段与老桥的墩台帽中间设沉降缝。
1.2.2 拼宽段架梁及桥面铺装的施工
拼宽段在支座垫石施工完成并在强度满足设计要求的前提下进行架梁、绞缝及桥面铺装的施工。桥面铺装施工完成达到设计要求的强度后可开放交通,然后进行老桥的抬梁施工。
1.3 老桥部分
1.3.1 老桥梁板的拆除
施工第一步是凿除老桥桥面铺装层、护栏等桥面系工程。凿除桥面铺装层时,应注意控制凿除时避免对梁板顶板的破坏。如老桥梁板设计为重复利用,在凿除桥面铺装后应对全桥的老梁板进行全面检查,检查老梁板的质量情况,对确定重复利用的老梁板进行编号;第二步工作为凿除绞缝混凝土,凿除时应特别注意避免破坏重复利用梁板的马蹄角,在凿除时风镐应贴近废弃梁板的侧面进行凿除。由于绞缝凿除势必会破坏一侧梁板的马蹄角,因此梁板的重复利用率最多达到50%。
1.3.2 移梁
绞缝凿除后将老梁板移走,对重复利用的老梁板现场编号,按指定的位置进行临时存放。临时存放时应注意临时存放的支点和放置的层数满足规范要求,防止因存放不当造成对梁体的破坏。
1.3.3 对老桥墩、台帽按设计图纸进行改造
在将老桥梁板抬移后,下步工作就是调整老桥墩、台帽的顶面标高,先将老桥墩台帽的钢筋保护层凿除,再根据新的设计尺寸和标高重新浇筑调平层,在浇筑调平层前根据调平层的厚度布设构造钢筋。为防止破坏老桥墩、台帽的主筋,对老桥受力情况造成影响,在对墩、台帽钢筋保护层凿除时应严格控制凿除的施工质量。上述施工方法一般应用于抬高老桥标高的情况下。
1.3.4 进行老桥架梁及桥面铺装的施工
在浇筑的调平层及支座垫层的强度满足规范要求的情况下,进行老桥的架梁、绞缝及桥面铺装的施工。在老桥与拼接段梁板之间绞缝施工前,应保证拼装段桥面铺装已完成时间为3个月以上,且拼装段桥梁的沉降期已结束,拼装段桥梁沉降已稳定,我们在312常州段桥梁施工中控制指标为沉降量小于2 mm/月。绞缝施工完成后进行桥面铺装的施工,新老桥的桥面铺装钢筋网片搭接长度不小于40 cm,以保证桥面铺装的整体性。
2 叠合梁施工工艺分析
2.1 设计原则
叠合梁计算时考虑两阶段受力。首先在施工阶段将叠合梁作为二期恒载考虑,验算老板梁的承载能力,然后在使用阶段将叠合部分与老板梁作为整体断面共同承受活载,进行承载力、裂缝、挠度验算。
2.2 拼宽段
叠合梁拼宽段的施工工艺同抬梁法拼宽段施工桥梁工艺。
2.3 老桥部分
1)对于跨径较小的桥梁(单跨≤13m),采用叠合梁法施工,首先凿除老桥桥面、护栏、安全带,凿除桥面连续,将两侧边板吊离,露出中板的绞缝钢筋,通过与加宽的中板绞接钢筋连接成整体,凿去原墩台帽挡块、耳、背墙和帽梁凸出部分,割除外露钢筋并用环氧砂浆封闭,在老桥墩台帽两侧新建加宽部分柱式墩台,新老桥墩台帽之间设沉降缝,间距1 cm。老桥部分采用叠合梁法调整横坡,施工工艺为:a.凿除原桥面铺装混凝土,露出顶板,并注意凿除过程中不要破坏老梁板,特别注意梁板的顶板不被破坏,清除残碎混凝土,保证新浇桥面调平层混凝土与老桥梁板紧密结合共同受力。b.在梁板腹板、中心位置各植入一排剪力筋,采用直径12 mm的钢筋,植入深度为12 cm。为保证植入筋的施工质量,应首先用电钻打眼,灌满环氧砂浆后插入植入筋,纵桥向间距50 cm。为减轻加铺层自重,在调平层较厚的地方每隔20 cm加一排直径为10 cm的PVC塑料管,但需保证塑料管上混凝土最小厚度为7 cm,管下混凝土最小厚度为6 cm。经计算和桥梁通车两年后的使用情况表明,老桥经叠合后承载力可达到设计要求。
2)对于跨径较大的桥(单跨>13m),采用叠合梁法的施工工艺为:a.拆除护栏、安全带,凿除桥面铺装,凿除桥面连续,并冲洗干净,然后在桥孔中搭设支架,支架的强度要足以支撑全部梁板的自重以及叠合的钢筋混凝土的自重,利用“对板楔块”相互挤紧使支架真正抬起全部自重;b.在桥面上布设横向分布钢筋,布设纵向受力钢筋,并且控制好保护层厚度,整体浇筑混凝土。叠合梁面层的纵坡、横坡、标高均按设计图纸要求,经养生后,待混凝土强度达到100%设计强度时再拆除支架。此时结构原有的恒载(叠合梁部分的自重),以及使用中的活载由叠合后的连续梁承担,充分达到了提高承载能力的目的。
如若叠合前不设支架或支架支撑的不密实,则原结构自重以及叠合部分的自重全部由原简支梁承担,仅使用时的活载由叠合后的连续梁承担,大大影响了叠合的效果,所以支撑好支架是非常关键的。叠合梁法确保施工质量的另一个关键是原桥桥面铺装要敲凿彻底并将预制梁板顶面全部凿毛冲洗干净,使新老桥混凝土紧密结合成整体。
3)叠合梁混凝土的浇筑。为保证叠合效果,在浇筑前,原板梁顶面严格凿毛并清除残碎混凝土,为防止混凝土运输车辆对钢筋骨架的破坏,叠合层混凝土的浇筑应采用混凝土输送泵送料。同时严格控制混凝土的水灰比,为防止表面干缩裂纹的出现,应采用二次收浆工艺,即在混凝土振捣、整平、抹光进行第一次收浆后,在混凝土快初凝还未初凝前再进行一次收浆抹面,并在表面拉毛后及时进行养护。
4)老桥桥面铺装层的施工。在拼宽段桥梁架梁施工完成3个月且月沉降量小于2 mm的情况下,进行老桥桥面铺装的施工。施工前应注意新老桥桥面铺装层钢筋网片的搭接长度大于40 cm,以防止出现纵向裂缝。
3 结语
在梁式体系桥梁的拼接施工中可以采用抬梁法施工,也可采用叠合梁施工,两种方法的应用有如下特点:1)在桥梁改造中纵断高程调整小于40 cm的情况下,既可采用叠合梁施工工艺也可采用抬梁法工艺;在纵断高程调整大于40 cm的情况下应采用抬梁法施工工艺。2)在同样的情况下采用叠合梁施工方法造价、工期都优于抬梁法。3)从312国道通行两年的桥梁观测情况来看,无论叠合梁施工还是抬梁法施工,都取得了成功,桥梁使用过程中未发现由于差异沉降引起的纵向裂缝。
参考文献
[1]JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].
拼接网格通量守恒插值算法研究 第8篇
在科学计算领域中,结构网格由于技术成熟、网格拓扑结构简单、流场计算精度高、边界处理能力强等优点而大量应用于科学计算。在结构网格问题的数值模拟计算中,某些计算样例需局部加密,例如求解局部存在梯度变化剧烈的区域问题,需要捕捉此类变化剧烈的物理现象,若采用对接网格基于结构网格进行数值模拟,对接网格在两物理块公共边界面处网格点需位置相同且一一对应,必须进行全局加密,网格量将急剧增加。因此,需局部加密的计算问题往往采用拼接网格[1,2]。由于在拼接网格的拼接处通常会造成流量损失,对流场的模拟程度不如对接网格精确,一般只能控制在某精度范围内,所以不可选择在流场变化激烈处作拼接面。
在拼接网格的处理过程中,首先需要判断某个区块拼接面上网格点或网格单元处于另一个区块拼接面上的哪几个网格单元中,我们称为“找重”。找重方法一般分为两个阶段:第一个阶段是粗选找重,第二个阶段是精确找重。由于网格单元尺度很小,对于三维问题,拼接面上网格单元面可简化为平面上的多边形,一般为四边形。“找重”过程完成以后,该拼接面上某点物理量的值由相邻面上对应拼接点物理量的值插值求得。因此,拼接网格预处理技术需解决两大关键问题:(1) 提高找重效率,减少预处理时间;(2) 提高插值精度,尽可能减少拼接面上流场计算精度损失,即需解决拼接面的通量守恒问题[2]。在提高找重效率方面,文献[3]已有详细研究和较完善的解决方法;但随着研究的深入和设计需求的拓展,我们发现复杂飞行器内外流数值模拟等实际重点课题的拼接网格计算中对流场模拟的精度要求非常高,亟需解决插值计算方法精度,因此本文将重点放在插值计算方法研究上。
本文首先介绍了目前常用拼接网格插值算法的基本原理及优缺点,并提出了一种新的通用的通量守恒型插值算法应用于拼接网格预处理过程,该算法复杂度低,实现简单,健壮性较好,能够处理结构网格的拼接问题;本文提出的方法都通过了实际算例验证,实验结果表明,对于大网格数据量的复杂拼接网格计算问题,该拼接网格插值方法仍能得到较理想的计算结果。
1 常用拼接网格插值计算方法简介
目前拼接网格插值方法主要分为两大类:非守恒型插值方法和守恒型插值方法。非守恒型插值方法主要有逆距离加权插值方法和双线性插值方法两种。守恒型插值方法主要以网格单元面为单位,计算相邻网格单元面相交面积,以通量守恒为理论依据得到守恒型插值方法;非守恒型插值方法以网格中心点或网格点为单位,该点物理值由其落入的相邻面上贡献单元的几个网格顶点或网格中心点上的物理值插值得到,可采用数学上的插值公式。守恒型插值方法和非守恒型插值方法各有利弊,守恒型插值方法物理概念清晰,但计算过程中需要得到多边形面积,算法复杂度高、计算量大,非守恒型插值方法直接利用数学插值公式进行计算,计算简单,但无法保证拼接面上通量守恒,可能在流场变化较为剧烈的地方效果不佳。
图1为拼接面处某网格单元中心点取值分别采用守恒型和非守恒型插值方法时的插值方法示意图。守恒型插值如图1(a)所示,由相邻面上贡献单元中与网格单元P相交的区域流过来的通量与流经网格单元P的通量需相等,以通量守恒为理论依据得到守恒型插值方法;非守恒型插值方法如1(b)所示,网格中心点P上的物理值由其所落入的相邻面上贡献单元的四个网格顶点的物理值插值得到。
(a) 守恒型拼接网格 单元插值示意图 (b) 非守恒型拼接网格 单元插值示意图
2 通量守恒算法
2.1 基本步骤
守恒型插值方法物理概念清晰,但计算过程中需要得到多边形面积,算法复杂度高、计算量大,存在很多技术难点。由于实际课题拼接面上的网格单元面一般是三维空间曲面,守恒型插值方法中利用网格单元求相交之前,需将三维空间曲线变换为二维图形,即投影变换。对同一平面中的图形求相交,可通过图形学中的“多边形裁减”实现,这里我们基于“多边形裁剪”原理,提出一种通用的任意多边形求相交算法和面积计算方法,能够完成结构网格和非结构网格的拼接网格预处理,详细实现见下文。如果在两拼接物理块网格单元尺度相差较大的情况下,相邻块中存在多个网格单元与同一网格单元相交,为减少计算量,一般取面积最大的前几个网格单元用于插值。
算法基本步骤如下:
步骤1 对需求相交的网格单元部分进行局部投影变换;
步骤2 采用网格单元求相交,取出该网格中心点所在的网格单元,找到相邻块中m个与其相交的网格单元;
步骤3 计算相交面积;
步骤4 由m个网格单元中找到m0个相交面积最大的网格单元;
步骤5 计算权值:
求得该网格中心点上物理量的值ϕ*为:
其中ϕi为相邻块中与其相交的网格单元的网格中心点上的物理值,Si为相交的面积。
2.2 网格单元拼接面法向投影算法
在实际课题中,网格单元拼接面或相邻面的4个顶点一般是不共面的,拼接面与相邻面在法向应该紧贴在一起,但由于拼接面与相邻面在法向的曲率的不同,以及拼接面两边网格尺度差异可能较大,致使拼接面与相邻面在法向不能紧贴在一起,所以需要进行坐标变换[5]。设原始全局坐标(x,y,z),变换后局部坐标为(X,Y,Z),X指向P1P2,Z是网格单元拼接面的法向,P1是局部坐标系(X,Y,Z)的原点,如图2所示。投影算法主要将网格单元拼接面及所有相邻面的顶点坐标都变换到局部坐标系(X,Y,Z)中,在(X,Y,Z)平面内进行多边形裁剪。
令原始坐标(x,y,z)的单位向量为(
其中
因为
有了X、Y的单位向量(
类似的,相邻面各网格点在当前拼接面局部坐标(X,Y)也由上述关系式计算。
2.3 网格单元(任意四边形)求相交算法
2.3.1 问题提出和部分基本定义
将拼接单元变换到同一坐标系以后,需要对网格单元求相交及相交面积比。如图3所示。设有四边形P、Q,其顶点分别为(P1,P2,P3,P4)、(Q1,Q2,Q3,Q4),两四边形相交于(Q1,M2,P3,M1),设四边形P面积为Sp,四边形P与Q的相交面积为SPQ,问题归结为求解WPQ=SPQ/SP。这一问题与计算机图形学的窗口多边形裁剪算法十分类似,不同的是这个问题的两个多边形是任意多边形,而且需要考虑多边形的顶点不共面和凹型的情况,这增加了算法的复杂度。顶点不共面问题前面已经通过投影算法解决,这里我们着重解决共面情况下的任意四边形求相交问题,首先引入一些定义:
定义1 边的始点与终点
设某一条边的两端点是Pm与Pm+1,方向由Pm指向Pm+1,则称Pm是该边的始点,Pm+1是该边的终点。
定义2 内点、边界点或外点
内点:如果一个多边形A的顶点Pm在相邻多边形B内,则称点Pm为多边形B的内点;内点也属于交点;边界点:如果一个多边形A的顶点或其边与相邻多边形B的交点Pm在多边形B的边界上,则称点Pm为多边形B的边界点;外点:如果一个多边形A的顶点Pm在相邻多边形B区域外,则称点Pm为多边形B的外点。
定义3 相邻交点
如果两个交点或内点处于多边形同一条边上,且两交点之间不再有别的交点,则称这两个交点是相邻交点。
定义4 交点有向图G(V,E)
交点有向图的顶点V由两多边形各边的交点和内点组成,如果图中两个相邻交点Vm、Vm+1组成的连线上的任意一个点都处于两个多边形内,则这两个相邻交点构成一条有向边,边的方向与多边形原始方向相同。
由此我们可以得到如下结论,两个多边形相交部分由一个或多个任意多边形组成,如果两个原始多边形都是凸的,则相交部分由一个任意多边形组成,如果至少有一个原始多边形是凹的,则相交部分可能由一个或多个任意多边形组成;相交多边形的顶点一定是原始多变形的内点或它们的边的交点;相交多边形的边的两个顶点一定是相邻交点;相交多边形的顶点编号和边的指向如果采用原始多边形的规则,则相交多边形一定与原始多变形同向,其顶点和边的有向图构成一个回路。
求相交部分基本步骤如下:
1) 求拼接网格面单元的各顶点标号、全局坐标、局部坐标、局部坐标下的面积SP;
2) 对相邻拼接面每个网格单元遍历求相交,记录相交单元数和对应相交单元信息;
3) 对所有相邻面相交单元进行循环:
(1) 求相邻网格面单元的顶点标号、全局坐标、局部坐标、局部坐标下的面积;
(2) 利用网格点与网格单元求相交算法(详见2.3.2节),测试单元P顶点是否处于单元Q内,如果有符合条件的点,则记为相交多边形的顶点;同理,采用该算法测试单元Q顶点是否处于单元P内,如果有符合条件的点,也记为相交多边形的顶点;
(3) 利用两线段求相交算法(详见2.3.3节),得到两网格单元拼接面的各边交点,与上面步骤求出的顶点构成交点有向图;
(4) 由交点有向图求两网格单元拼接面的相交面积SPQ(算法详见2.3.4节),由此可计算得到WPQ=SPQ/SP。
2.3.2 网格点与网格单元求相交算法
主要用来确定网格单元拼接面的4个顶点是否处于相邻网格单元的拼接面内。设点P (xc,yc),网格单元G的四个顶点为P1,P2,P3,P4,若点P在网格单元G中,需满足:
SG=SPP1P2+SPP2P3+SPP3P4+SPP4P1 (6)
式中,SG是网格单元G的面积,SPPiPj是三角形PPiPj的面积。根据平面几何知识,任意平面四边形的面积是它的两个对角线矢量叉积模的一半,任意三角形PPiPj的面积是它的相邻两边矢量叉积模的一半。即:
2.3.3 两线段(两网格单元边)求相交算法
设P1(Xp1,Yp1)、P2(Xp2,Yp2)是四边形P的某条边,Q1(xq1,yq1)、Q2(xq2,yq2)是四边形Q的某条边,求P1P2与Q1Q2的交点M的坐标(XM,YM)。设直线方程为aX+bY=c,则交点M的坐标(XM,YM)由下面方程组得到:
其中,ap=Yp2-Yp1bp=-(Xp2-Xp1) cp=Xp1Yp2-Xp2Yp1
aq=Yq2-Yq1bq=-(Xq2-Xq1) cq=Xq1Yq2-Xq2Yq1
且满足:(Xm-Xp1)(Xm-Xp2)0 (Ym-Yp1)(Ym-Yp2)0
(Xm-Xq1)(Xm-Xq2)0 (Ym-Yq1)(Ym-Yq2)0
如果顶点P1、P2都是四边形Q的内点,或者Q1、Q2都是四边形P的内点,两线段一定不相交,不必求解方程组;如果行列式
,即两方程线性相关,两线段平行,方程组无解。
2.3.4 平面多边形面积求解方法
设有m条边的任意平面多边形P,其顶点为(P1,P2,,Pm,P1),顶点在局部坐标系(X,Y,Z)中(X,Y)平面内坐标分别为(Xi,Yi),i=1,m;边P1P2,P2P3,,Pm-1Pm,PmP1构成一个封闭回路,求多边形面积Sp。由于是平面多边形,可以采用边组成的封闭回路曲线积分公式求其面积,算法简单,通用性好,适用于任意平面多边形:
将平面多边形各边的方程代入积分得到:
注:Xm+1=X1,Ym+1=Y1。
3 基于网格kd树的找重方法
kd树[6]又称多维二叉树,因其高效的查询算法而得到了广泛应用。kd树的结构类似于普通二叉树,区别之处在于每个节点增加了左右子树区域描述信息。提高kd树搜索效率的关键是要使kd树便于搜索,且接近严格的二叉树。
为提高找重效率、减少预处理时间,本文利用拼接网格问题的特点,采用基于网格的kd树,建树区域由拼接处网格单元阵列isiie,jsjje,kskke(ke-ks=1)对应的外接长方体组成。设相互有拼接关系的两个面F1、F2,F1内相交区域网格单元数为N,F2内相交区域网格单元数为M。F1中的网格单元中心点到F2中查找拼接点,若借助于基于拼接面上网格的kd树搜索,算法复杂度为Nlog2M;否则,采用线性搜索,算法复杂度为N(M/2)。当M>4时,Nlog2M<N(M/2)。一般情况下,拼接面的网格单元数远远大于4,所以借助于基于拼接面上网格单元的kd树大大减少了搜索计算量。
4 实验结果
4.1 三维高超声速进气道
算例来自中国空气动力研究与发展中心超高速所,计算网格参见图4,网格总数为43.2万,采用32核并行计算。如图5所示在拼合处情况较为复杂,一个物理块与两个物理块拼接,且拼接处存在坐标旋转。由于模型关于Z轴是对称的,因此只计算了一半外形。来流条件为马赫数6,压强为3114.3Pa,温度为229.4K,壁面采用无滑移绝热壁面条件。计算方法采用粘性NS方程,MUSCL外插,无粘通量分别采用AUSMPW+格式,粘性项采用Gauss定理计算,时间推进采用LU-SGS,湍流模型采用SST双方程湍流模型。
质量流量沿流向的分布以及壁面压强如图6、图7所示,这里我们详细比较了四种插值方法的计算结果:基于网格中心点的逆距离加权插值方法(center)、基于网格点的逆距离加权插值方法(node)、基于网格中心点的通量守恒插值方法(flux0)、基于网格点的通量守恒插值方法(flux1)。可以看出,各种插值方法的计算结果与实验结果(或理想值)基本符合。
4.2 某二维一体化飞行器计算结果
计算网格参见图8,拼接区域放大图参见图9。共有15块网格,拼接网格2块,网格总数为10.6万,对接网格13块,网格总数26万,采用32核并行计算。该一体化飞行器还在设计阶段,无实际风洞实验结果对比,因此除上文提到的四种插值方法外,我们还完成了对接网格(1-to-1)的计算,并以对接网格计算结果为基准进行比较。燃烧室质量流量沿流向的分布以及质量加权Mach数沿流向的分布如图10、图11所示。可以看出,各种拼接网格插值方法的计算结果与对接网格的计算结果基本一致,在燃烧室质量流量沿流向的分布图中,通量守恒插值方法的效果略优于逆距离插值计算方法。
5 结 语
在拼接网格预处理过程中,本文提出了一种通用的拼接网格通量守恒插值算法,主要利用图形学中“多边形裁剪”原理求出拼接处网格单元相交部分,利用曲线积分公式求出相交部分的面积,算法适应于任意平面多边形,能够为拼接网格预处理提供高效、可靠的插值方法,复杂度低,实现简单,健壮性较好,能够通用于结构网格问题;在提高找重效率方面,建立基于网格的kd树加快了找重过程。实验结果表明在大网格量、复杂拼接区域时该拼接网格插值计算方法仍能得到较理想的结果。目前结构网格问题的流场计算中,通量守恒插值计算方法与逆距离插值计算方法的计算结果差别不大;但随着设计需求的拓展,非结构网格与结构网格耦合计算是下一步研究的重点,在非结构网格拼接问题计算中,拼接处网格单元形状不规则,逆距离线性插值方法不能满足精度需求,必须采用通量守恒插值方法,因此该方法在非结构网格CFD计算方面有着广泛的应用前景。
摘要：提出一种通用的拼接网格通量守恒算法应用于拼接网格“找重”过程,为拼接网格预处理提供了高效、可靠的插值方法。该算法灵活利用图形学中“多边形裁剪”原理和曲线积分公式得到拼接面上相交多边形及其面积,算法实现复杂度低,简单并健壮性较好,能够通用于结构网格和非结构网格问题。实验结果表明在大网格量、复杂拼接区域时该拼接网格插值计算方法仍能得到较理想的结果。
关键词：拼接网格,CFD计算,插值算法,通量守恒,多边形裁剪,曲线积分
参考文献
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[3]张娟,陆林生.运动拼接网格中搜索拼接点对算法研究[J].计算机应用与软件,2010,27(6):50-52.
[4]刘鑫,陆林生.重叠区域找重策略和插值方法的研究[J].计算机应用研究,2006,23(7):26-28.
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基于模板匹配的全景图像拼接 第9篇
关键词：全景图,图像拼接,Moravec算子,特征模板
1. 引言
相邻图像的配准及拼接是全景图生成技术的关键, 有关图像配准技术的研究至今已有很长的历史, 其主要的方法有以下两种:基于两幅图像的亮度差最小的方法和基于特征的方法。本文采用基于特征模板匹配特征点的拼接方法。该方法允许待拼接的图像有一定的倾斜和变形, 克服了获取图像时轴心必须一致的问题, 同时允许相邻图像之间有一定色差。试验证明采用该方法进行全景图拼接有较好的效果。
全景图的拼接主要包括以下4个步骤[1]:图像的预拼接, 即确定两幅相邻图像重合的较精确位置, 为特征点的搜索奠定基础。特征点的提取, 即在基本重合位置确定后, 找到待匹配的特征点。图像矩阵变换及拼接, 即根据匹配点建立图像的变换矩阵并实现图像的拼接。最后是图像的平滑处理。
2. 基于特征模板匹配的图像拼接
2.1 基本原理
对于待拼接的两幅图像, 在第二幅图像的左侧选取一定大小的模板矩阵 (一般为5×5到21×21个像素) , 在第一幅图的右侧搜索找到与其相关性最大的模板矩阵, 然后计算出两幅图像重叠的位置。通过坐标映射, 最终实现拼接。
2.2 Moravec选取特征模板
采用Moravec算子进行特征区域提取的依据是对于一个模板窗口计算其X方向、Y方向及正负45度方向的最小灰度方差值, 并与预先设定的阈值进行比较。对于彩色图像可以采用将图像转化为灰度图来处理。在模板窗口选择时可以采用5×5到21×21。窗口越大, 抗噪声能力越强同时运算量也越大。本文选用7×7窗口。
公式 (1) 中g (i, j) 为窗口内图像坐标 (i, j) 的像素值, (m, n) 为窗口中心点处的坐标, i=m-3, …, m+3;j=n-3, …, n+3若!值大于预先设定的阈值, 即该区域可跟踪, 则得到特征模板。
2.3 模板相关性的计算
如图1所示, 设两幅图像A和B具有水平方向的重叠区域 (阴影部分) , 其中图像B中有一模板图像块T, 图像A中阴影部分为搜索区域S, 设模板T叠放在搜索区域S上平移, 模板覆盖下的那块搜索图叫作子图Si, j, 其中 (i, j) 为子图Si, j的左上角像素的坐标, 若S的大小为M×N, T的大小为X×Y, 则i, j的取值范围分别为:1<i<M-X+1, 1<j<N-Y+1。
理想情况下一定有一块子图Si, j和T一致, 则T和Si, j之差为零。但由于光照条件、器件光电噪声等因素影响, 二者之差不可能为零。可以用最小平方误差D (i, j) 来恒量T和Si, j的相似程度:
展开公式 (2) 得:
公式 (3) 中第一项是子图像Si, j的能量, 它随 (i, j) 缓慢变化;第三项表示模板的总能量, 一旦模板确定后就是一个常量;第二项是子图像Si, j和模板T的互相关系, 随 (i, j) 变化而变化, 当二者配准后此项取值最大。因此, 可以用下面的归一化后相关函数R (i, j) 做相似性测度。
根据施瓦兹不等式可知0<R (i, j) <1, 模板在 (M-X+1) × (N-Y+1) 个位置上移动一遍后所得最大R (i, j) 处的 (i, j) 就是最佳匹配点, 这就是用最大相似性准则来进行模板匹配的基本原理[2]。
2.4 图像的平滑
得到两幅具有重叠区域图像的最佳配准点后, 进行拼接的方法主要有三种[3]: (1) 重叠区域图像数据的拼接时只使用一次。 (2) 重叠区域图像数据在拼接时简单取平均。 (3) 重叠区域图像数据在进行数据融合时采用淡入淡出的思想, 使拼接后的图像过渡区平滑自然。图3为采用像素值直接平均方法拼接后的图像:
通过观察不难发现直接拼接后的彩色图像出现比较明显的边界或颜色偏差, 使人感觉上难以接受。本文中采用了最后一种方法, 即重叠区域图像采用图像融合方法。在得到最佳匹配点后, 两幅图像的水平重叠距离L就被确定。根据L自动计算左幅图像的渐变因子d (i) , d (i) =i/L, (i为离重叠区域的距离) 。右幅图像的渐变因子为1-d (i) 。设左右图像的重叠部分的像素值分别为c1和c2, 则拼接后图像的像素值可表示为c2×d (i) +c1× (1-d (i) ) 。通过该方法, 左幅图像就逐渐地过渡到右幅图像, 实现了左右幅图像的平滑连接。图4为该方法拼接后得到的图像。
不难发现, 与直接拼接得到的图像图3比较, 该方法得到的图像在边界处彩色过渡平滑自然, 有较好的拼接效果。
3. 拼接实例及分析
通过普通数码相机进行连续360度的旋转拍摄, 可以得到两两之间有一定重叠的10张连续图像 (如图5所示) 。通过反复采用前一部分介绍的拼接方法, 可以将这10张图像拼接成一幅完整的全景图 (如图6所示) 。
光学镜头的几何畸变对拼接有一定的影响。但实践证明, 这种影响可以忽略不计。此外, 由于拍摄时相机的水平位置不能完全保证, 且每次连续拼接时两幅图像的重叠部分距离值不为定值, 该算法仍能较准确地进行拼接, 说明该算法具有较好的抗干扰性。当然, 该算法也有一定的局限性, 由于没有进行图像的校正, 拼接得到的全景图在拼接处有一定的失真。
4. 小结
本文基于Windows2003环境, 采用.net的Visual C++实现了图像的拼接以及全景漫游, 底层图形绘制及操作通过调用.net的Gdiplus图形库。拼接使用的图像可直接由普通数码照相机进行简单的360度旋转拍摄得到。图像可自动拼接成较好的全景图, 且可连续、平滑地对场景进行全景显示。在进一步的工作中, 将通过采用图像校正方法, 减少图形拼接后的失真。
参考文献
[1].漆驰, 刘强.摄像机图像序列的全景图拼接.计算机辅助设计与图形学学报, 2001, 12 (5) :15～17
[2].何斌, 马天予, 王运坚.Visual C++数字图像处理 (第二版) .人民邮电大学出版社, 2002.12 ISBN7-115-10955-9
拼接方式范文
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