第一篇：掃描電鏡及其在儲層研究中的應用分析

掃描電鏡測試技術原理及其在儲層研究中的應用

1、掃描電鏡的結構和工作原理

掃描電鏡的主要構成分為四部分：鏡筒、電子信號的顯示與記錄系統、電子信號的收集與處理系統、真空系統及電源系統(圖 1)。以下是各部分的簡介和工作原理。1.1 掃描電鏡結構 1.1.1鏡筒

鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統，其作用是產生很細的電子束(直徑約幾個nm)，并且使該電子束在樣品表面進行掃描，同時激發出各種信號。1.1.2電子信號的收集與處理系統

在樣品室中，掃描電子束與樣品發生相互作用后產生多種信號，其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇(Auger)電子等。在上述信號中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發出來的樣品原子中的外層電子，產生于樣品表面以下幾nm 至幾十nm 的區域，其產生率主要取決于樣品的形貌和成份。通常所說的掃描電鏡圖像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器的探頭是一個閃爍體，當電子打到閃爍體上時，就在其中產生光，這種光被光導管傳送到光電倍增管，光信號即被轉變成電流信號，再經前置放大及視頻放大，將電流信號轉變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極。

1.1.3電子信號的顯示與記錄系統

掃描電鏡的圖像顯示在陰極射線管（顯像管）上，并由照相機拍照記錄。顯像管有兩個，一個用來觀察，分辨率較低，是長余輝的管子；另一個用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子。1.1.4真空系統及電源系統

掃描電鏡的真空系統由機械泵和油擴散泵組成，其作用是使鏡筒內達到 10 托的真空度。電源系統則供給各部件所需的特定電源。

圖1 掃描電鏡結構圖

1.2掃描電鏡的基本原理

掃描電鏡的電子槍發射出電子束，電子在電場的作用下加速，經過兩次電磁透鏡的作用后在樣品表而聚焦成極細的電子束。該細小的電子束在末透鏡的上方的雙偏轉線圈作用下在樣品表而進行掃描，被加速的電子與樣品相互作用，激發出各種信號，如二次電子，背散射電子，吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發光等。這些信號被按順序、成比例的交換成視頻信號、檢測放大處理成像，從而在熒光屏上觀察到樣品表而的各種特征圖像。

2、掃描電鏡在礦物巖石學領域的應用 2.1礦物研究

不同礦物在掃描電鏡中會呈現出其特征的形貌，這是在掃描電鏡中鑒定礦物的重要依據。如高嶺石在掃描電鏡中常呈假六方片狀、假六方板狀、假六方似板狀；埃洛石常呈管狀、長管狀、圓球狀;蒙脫石為卷曲的薄片狀；綠泥石單晶呈六角板狀，集合體呈葉片狀堆積或定向排列等。王宗霞等在掃描電鏡下觀察了硅藻上的形貌，硅藻上多呈圓盤狀、板狀，根據這一特征即可將它鑒定出來。

礦物特征及殘余結構可以推斷其成巖環境和搬運演化歷史，掃描電鏡可對礦物的結構和成分進行分析，為推斷礦物的成巖環境和搬運演化歷史提供基礎資料。礦物顆粒脫離母巖后，在搬運和沉積的過程中必然會受到外界環境的影響。不同的搬運介質、搬運形式以及不同的沉積環境常會在礦物顆粒表而留下反映搬運和沉積的痕跡，因而礦物表而就會具有不同的形狀及外貌特征。光學顯微鏡、差熱、化學分析等傳統分析方法往往無法將其加以識別，而配接有X射線的能譜儀的掃描電鏡能直接觀察到礦物變化過程中所發生的結構、形貌等微觀現象的變化和形成新礦物的特點，并且可以同時確定其化學元素組成及相對含量的變化，為研究礦物的變化提供了良好的途徑。2.2包裹體研究

包裹體是成礦時留在礦物中的遺跡化石，其物質組成反映了成巖成礦時期的介質環境，掃描電鏡為分析包裹體物質提供了良好條件。首先，掃描電鏡的形貌分析使我們能準確觀察包裹體；其次，掃描電鏡的能譜分析可以直接對已經打開的包裹體進行分析，從而確定了包裹體的物質組成。單強等利用掃描電鏡對四川冕寧稀土礦床早期螢石的單個流體—熔融包裹體進行研究，為進一步證實四川冕寧稀土礦床是一個與鹽熔體有關的熱液礦床打下堅實的基礎。謝玉玲等利用掃描電鏡對銅官山銅礦床矽卡巖礦物中的包裹體進行研究，發現其中的石榴石存在二相包裹體，并在透輝石中發現流體包裹體及子礦物。

3、掃描電鏡在粘土礦物方面的研究

由于粘上礦物在石油生成、運移、聚集及油氣勘探開發研究中的重要作用，利用掃描電鏡研究粘上礦物的優越性尤其明顯。以往對粘土礦物的分析手段著重于精確分析粘上礦物的成分和晶體結構（如X粉晶衍射等），但對其形態特征及分布研究不多，而粘上礦物在儲層中的分布及存在狀態、成巖作用的影響、油氣運移及開發的影響，使得粘上礦物的形態、分布及其變化的研究更加深入。粘上礦物是以微米為計量單位的質點，一般粘上礦物僅為幾個微米，用普通的光學顯微鏡已經很難區分粘上礦物的成分、形態及分布特征，利用掃描電鏡完全可以彌補這一不足。

（1）研究粘上礦物的形態及分布，確定成巖作用過程、成巖階段及次生變化；

（2）研究粘上礦物的共生組合及變化，確定成巖環境及地球化學背景，如溫度、壓力、酸堿度；（3）對粘上礦物的成分分析（結合X衍射分析），確定埋藏深度、恢復盆地埋藏史及熱演化史、反映油氣成熟度。3.1粘土礦物的顯微形貌特征

一般來說，在碎屑巖儲層中常見的粘土礦物主要有高嶺石、伊利石、綠泥石及伊蒙混層等粘土。根據粘土礦物分析結果，24-3構造韓江組和珠江組儲層中的粘土礦物主要以伊利石和高嶺石為主（圖2）。

伊利石：伊利石在24-3構造韓江組和珠江組儲層中是較為常見的粘土礦物。在電鏡掃描下，其單晶形態呈絲帶狀，其集合體呈絲縷狀（圖2-A），通常包裹在顆粒的表面，形成粘土薄膜。

高嶺石：高嶺石晶體呈假六角片狀、假六角板狀、假六角似板狀，它們依次具有良好的假六角薄片狀晶形，部分完整假六角形晶形和表面稍彎曲的較差六角晶形，它們大小約為1-5μm，個別見團粒狀，高嶺石團粒大小不一，約為0.2-0.7 μm，為細小高嶺石晶粒集合體。但西江24-3構造韓江組和珠江組儲層中的高嶺石，在電鏡掃描下常見的單體形態呈假六角片狀、假六角板狀和微晶粒狀（圖2-B），集合體形態呈疊片狀和扇狀、疊板狀、蠕蟲狀。高嶺石往往在孔隙中形成定向排列或者雜亂堆積狀態充填或半充填著儲集層的孔隙。

圖2顆粒表面貼附和粒間充填的粘土礦物

3.2粘土礦物在儲層中產狀特征

電鏡掃描下可以直觀地看到，粘土礦物的空間分布特征，24-3構造韓江組和珠江組砂巖儲層中粘土礦物的產狀主要有:孔隙襯墊式、孔隙充填式及粘土橋式。（1）孔隙襯墊式

這種產狀是指粘土礦物在碎屑巖顆粒表面呈定向排列，組成連續的貼附于孔隙壁上的薄膜。在鏡下看，粘土礦物在顆粒表面排列具明顯的方向性，根據其排列方向與顆粒表面夾角的關系，可分為兩種：一種是其排列與顆粒表面近于平行另一種是垂直于顆粒表面向孔隙內生長，即櫛殼狀。

在24-3構造韓江組和珠江組砂巖儲層中，具有此類產狀的代表性粘土礦物為皺晶狀高嶺石（圖3）和絲縷狀伊利石（圖2-A）。在鏡下，可以觀察到高嶺石和伊利石主要覆于顆粒表面，在粒間孔隙邊緣形成孔隙襯邊（圖3）。但是由于沒有完全把孔隙充填，還保留了一定量的粒間孔隙。

圖3高嶺石、伊利石在粒間孔隙邊緣形成孔隙襯邊

（2）孔隙充填式

孔隙充填式是指粘土礦物以分散質點形式充填于孔隙之中。在鏡下可以觀察到粘土礦物往往以集合體形態充填于孔隙內，按其充填的程度可分為完全充填與不完全充填。在24-3構造韓江組和珠江組砂巖儲層中，具有此類產狀的較為常見的粘土礦物為高嶺石（圖4）。在24-3構造中，粘土礦物充填孔隙較為嚴重，對該區塊的儲層物性有一定的影響。（3）搭橋式

搭橋式產狀是指粘土礦物晶體自孔隙壁向孔隙空間內生長，并在孔隙內形成粘土橋。通過電鏡掃描可以看到，在24-3構造韓江和珠江組儲層中，粘土薄膜具有明顯的由孔隙邊緣向孔隙中央生長的特征，有的已形成網格狀或橋接型膠結（圖5）。

圖4 24-3油田中的粘土礦物充填孔隙

圖5粘土薄膜及形成的“粘土橋”

4、掃描電鏡在儲層研究中的應用

掃描電鏡在碎屑巖及碳酸鹽巖儲層研究中具非常廣泛的應用。掃描電鏡研究儲層結構，評價儲層質量。它可以對儲集巖的礦物成分、結構構造、孔隙類型及成因、膠結程度及次生變化作深入系統的研究，并對儲層優劣提供評價，其應用主要包括如下幾個方面：

（1）研究分析儲層的膠結類型，膠結物種類及次生變化；

（2）研究儲層的孔隙結構，分析孔隙成因類型及成巖作用和膠結作用對孔隙度、滲透率變化的影響，預測孔隙演化方向；

（3）利用圖像分析軟件測量孔隙、喉道大小，綜合評價儲集性能；

（4）掃描電鏡在微孔隙、微裂隙發育的儲集巖研究中得到廣泛應用。微孔隙、微裂隙在油氣運移、聚集中起很大作用，微孔隙的發育與連通常形成良好的油氣儲集層，掃描電鏡微觀分析，可以非常直觀、有效地對微孔、微隙進行分析；

（5）掃描電鏡對儲層巖石鑄體的分析研究，運用掃描電鏡背散射電子成分圖像，可以決速、直觀地反映孔隙喉道分布情況，精確計算而孔隙，對酸溶孔隙鑄體的二次電子形貌圖像分析，可以綜合評價儲層質量；

（6）掃描電鏡分析在儲層巖石物理流動單元研究中的應用，同一巖石物理流動單元具有相對一致的（相似的）孔隙喉道分布及相似的性質，儲層巖石物理流動單元的研究在油藏描述及油田開發中具有重要的意義。運用掃描電鏡對儲層結構的分析，通過對巖石微觀分析結果的綜合，結合測井等資料，可以在宏觀上將儲層劃分為性質相對獨立的多個流動單元組合。

5、掃描電鏡在油氣層保護研究中的應用

保護油氣層是石油勘探開發過程中的重要技術措施，保護油氣層技術立足于預防為主，解堵為輔的原則。巖心分析是認識油氣層地質的基礎，油氣層敏感性評價、損害機理的研究、保護油氣層技術方案的設計都必須建立在巖心分析基礎上。而儲層巖石微觀特征分析又是油氣層保護研究的重點，因此掃描電鏡微區分析在油氣層保護研究之中具有非常重要的作用。

（1）利用掃描電鏡研究儲層巖石學特征，從微觀形態及微區成分上對儲層巖石進行巖石礦物成分及結構分析，膠結特征及充填作用分析，孔隙及喉道連通性分析等，并預測儲層敏感性；

（2）儲層敏感性掃描電鏡分析，通過酸、水、速、堿、鹽及溫度敏感性試驗，利用掃描電鏡分析儲層樣品敏感性試驗前后的變化，分析儲層樣品的粘上礦物的變化，膠結物及儲層格架的變化，孔隙及喉道的變化，確定儲層敏感性發生的類型和程度，并采取預防措施；

（3）在油氣田開發過程中，對儲層巖心樣品進行開發前后的微觀分析，可以判斷儲層損害程度，提出改進措施，提高產量。特別是注水、注氣開發中，運用掃描電鏡的分析，可以觀察到粘土礦物的膨脹，粘土礦物及其它微粒的遷移，水巖反應形成新礦物等各種現象，而使孔隙喉道變小或堵塞而造成儲層的損害，進而研究采用添加降粘劑，防膨脹劑及控制溫度、酸堿度等措施，而使儲層損害的程度降到最低。掃描電鏡在油氣層保護研究上具有重要作用，應用前景十分廣闊，能夠解釋油氣開采中遇到的諸如引起孔喉堵塞、滲透率降低等原因，進而提出油氣層保護措施，提高采收率，降低成本，增加產量。

6、小結

掃描電鏡可以直觀再現有機質富集的顯微組分、干酪根、煤及富含有機質的全巖樣品在地層條件下的動態生氣過程，對于評價不同地質樣品的產氣潛力提供了一種行之有效的新手段。另外，掃描電鏡在礦物巖石學、粘土礦物分析、儲層研究、油氣層保護等方面已經發揮了重要作用。掃描電鏡在反映物質微區信息方面具有分辨高、放大倍數大、景深大、立體感強、樣品制備簡單的優點，因而廣泛應用于不同領域的研究，在地學微區信息提取方面有不可代替的優勢。隨著掃描電鏡性能的提高，掃描電鏡高溫熱臺及微注入系統的使用，環境掃描電鏡出現，使掃描電鏡在油氣領域中的應用進一步擴大。

參考文獻：

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第二篇：掃描電鏡的發展特點及在紡織材料研究中的應用

掃描電鏡的發展特點及在紡織材料研究中的應用

0 前言

當今，隨著電子源、掃描以及圖像采集和處理系統等的發展，掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，簡寫為SEM)已成為紡織、生物學、醫學、冶金、機械加工、材料、半導體制造、微電路檢查，甚至月球巖石樣品分析等領域的主要研究手段。同時它還在向復合型方向發展，即和X射線能譜分析技術(簡稱EDS)進行結合，成為研究分析物品表面結構與微區化學成分的最有效的工具。

當前產業用紡織品已廣泛應用于工業、農業、環境保護、生物工程、化學化工、醫療衛生以及汽車等領域，其應用范圍不斷擴大，大大拓展了新的應用領域，開拓出新的市場和高新技術的特殊產品，如電子紡織材料、智能紡織材料、細胞組織支架材料和纖維織物柔性[1]顯示器等。因此，利用先進的掃描電鏡等工具研究紡織產品極其材料的化學與機械物理性能創造產業用紡織品材料就顯得至關重要。可以說，掃描電鏡的未來有著廣闊的發展與應用前景。1 掃描電鏡和X射線能譜儀原理

掃描電鏡：其場深大約三百倍于光學顯微鏡，適用于表面形貌觀察，特別是粗糙表面的觀察和分析，圖像富有立體感、真實感、易于識別和解釋。放大倍數范圍大，一般為50～20000倍，對于相組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。它具有相當的分辨率，可達2～6nm。掃描電子顯微鏡主要是利用二次電子成像，由聚光鏡和物鏡構成的電子光學系統[2]，把電子槍發射出來的電子聚集成為一束極細的電子束，并聚焦于樣品的表面，同時按順序對樣品表面進行逐行掃描[3]。用檢測器收集從樣品表面發射出來的二次電子，經視頻放大形成圖像信號，再經顯像管顯示。所獲得的圖像可以直接進行觀察，也可以照相或者存儲記錄，它還可對試樣進行成分、晶格、陰極發光、感應電導等多方面分析。

X射線能譜儀：電子束轟擊樣品時，產生彈性散射和非彈性散射兩類物理過程，當兩者相互作用發生具有能量交換的非彈性散射時會產生二次電子、俄歇電子、特征X射線、連續X射線，以及在可見光和紫外、紅外波段的長波長電磁輻射。X射線能譜分析就是取出樣品所產生的X射線作為信號進行分析的。分析這些X射線的能量就可知道組成樣品的元素，即可實現對樣品的定性分析；根據X射線能量不同的強度就可知道各種非導體與半導體的含量，即實現對樣品的定量分析。由于電子顯微鏡具有很高的空間分辨率，它可以捕捉能譜分析儀在微米和亞微米尺度下的粒子，同時在與計算計配合后，通過線掃描也就可以獲得直觀的微區元素分布數據。掃描電鏡和X射線能譜儀的發展特點

掃描電鏡的設計思想早在1935年便已提出，但受各種技術條件的限制，進展一直很慢。只是在近20年，掃描電鏡才在提高分辨率方面取得了較大進展。現在，使用最常規掃描電鏡分辨率可達3.5nm左右。上世紀90年代中期，它與高速發展的計算機技術對接，實現了電腦控制和信息處理。之后，掃描電鏡在二次電子像分辨率、非導體與半導體的掃描成像上取得了突破。特別是針對過去非導體與半導體材料需噴金后才能電描的技術改進

為在低真空和低電壓下的電鏡掃描，為產業用紡織品的出新提供了良好的檢測手段與保證。

目前，使用最廣的常規鎢絲陰極掃描電鏡的分辨率為3.5nm左右，加速電壓范圍為0.2～30kV。掃描電鏡配備X射線能譜儀后發展成分析掃描電鏡。它比X射線波譜儀分析速度快、靈敏度高、還可進行定性和無標樣定量分析。但是，這種分析型掃描電鏡也存在不足之處，如能量分辨率低，一般為129—155eV，以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。所以未來的掃描電鏡發展主要在：

（1）高分辨率和分析型兩類電鏡的合并，同時實現用計算機控制，發展成多功能高分辨率的分析電鏡。

（2）更大限度地滿足大量多元素試樣的超輕元素，低含量，高速定性、定量常規分析的需求。提高常規加速電壓時的分辨本領，改善低壓性能，減少直至消除對樣品的破壞、損傷。無需先噴涂導電層或冷凍干燥處理，保持樣品的原樣進行觀察。

（3）研制新的綜合型的電鏡附件設備，以便取得更多的試樣信息。

國內中國科學院北京科學儀器研制中心生產的X射線能譜分析系統Finder-1000，已經開發出自己的圖形化能譜分析系統程序，分析元素從鈹Be(4)元素到鈾U(92)元素，實現了高精度的無標樣及全標樣定量分析。其分析速度極快，10種元素分析時間不足1秒鐘。目前，國際最先進的采用超導材料生產的能譜儀，分辨率業已高達5～15eV，已超過了25eV分辨率的波譜儀。掃描電鏡和X射線能譜儀在紡織材料研究中的應用 3.1纖維表面形貌觀察和元素成分分析

纖維材料的表面物理形態和化學結構是決定材料性能的基本因素，也是影響纖維材料的表面的摩擦性能、光學性能、吸水性和生物相容性等性能的主要因素。用掃描電鏡觀察、分析纖維表面形貌特征，如圖

1、圖2所示。樣品噴金后可直接放入樣品室進行觀察。根據纖維的微觀結構不同，即細度不同，鱗片不同等形態特征區分各種纖維，同時纖維表面的各種元素產生具有不同能量的特征X射線，分析這些X射線的能量就可知道組成的元素，可看出各種纖維微量元素成分的差別，從這兩方面對纖維進行種屬鑒定和纖維鑒別，在鑒別基礎上可通過熒光屏準確地測定各類纖維的直徑和根數，得出各類纖維的定量分析。還可應用電鏡觀察織物結構特征、紗線中纖維排列形態、纖維徑向分布等項目來分析紗線的物理機械性質、耐磨、染色性能。

3.2紡織材料失效分析

紡織材料失效分析主要包括磨損、腐蝕和斷口分析[5]，利用SEM主要對磨損表面及磨損產物等進行分析，磨損、腐蝕的表面攜帶了最主要的信息，可利用SEM結合EDS進行表面形貌分析和微區成分定性、半定量分析(如圖4所示)，可以優先了解腐蝕的因素(如夾雜物類型、材料缺陷等)，由此鑒別材料失效的形成原因；利用掃描電鏡觀察、分析材料的斷口特征(如圖3所示，針毛尖部3～4mm鱗片破損嚴重)，對斷裂機理分析歸類，明確斷裂類型，其次是對裂紋源位置和擴展方向的判定，可根據斷口學原理判斷斷裂性質，追溯斷裂原因，調查斷裂是跟原材料質量有關還是跟后續加工或使用情況有關等等。減少缺陷數目和尺寸，改善織物性能。

3.3超微尺寸材料的研究

掃描電鏡可以在比微米尺寸更小的范圍內獲得高倍率、立體感強、直觀的二次電子圖像。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子。應用在紡織品上具有拒水、拒油、防靜電、防污、抗菌、柔軟等功能。通過掃描電鏡，可以較直觀地觀察到超微納米材料的表面形貌，可以看到納米結構、看出顆粒的均勻度(例如圖5，為納米SiO2粉體小顆粒分散情況)，也可以用這種方法來改變顆粒的孔分布，解決顆粒的團聚問題等。

而研發功能性紡織材料是未來發展趨勢，所以掃描電鏡的作用在這個領域會越來越突顯出來。3.4表面整理劑研究

使用各種表面整理劑可以提高織物的耐磨、耐洗、抗皺、抗靜電、防水拒油等性能，對于它的研究也越來越重要。而在研究纖維的表面性能和表面結構，以及分析整理劑在纖維表面的結合狀態，研究它的分散情況與纖維性能之間的關系，探討特色整理劑的作用機理，以及開發新型整理劑等方面，掃描電鏡起著越來越重要的作用。尤其是能譜技術，它可以對整理劑處理過的纖維表面元素成分進行定性和半定量分析，給出該元素濃度分布的掃描圖像，并對其中所含元素濃度進行定量分析。

例如：圖

6、圖7所示，這是滌綸纖維表面經防油劑改性后的電鏡照片，可以看出防油改性絲的表面已經發生了根本性的變化。

3.5表面改性處理的研究

表面改性處理的手段主要包括化學氧化法、低溫等離子體改性、輻射接枝法等。經過改性處理的纖維可用SEM和EDS來觀察其微觀結構組成以及表面化學成分、濃度分布，這樣就可以用它測定紗線接觸表面上的沉積物以及由于磨損、刻蝕、沉淀、輻射等而導致的表面性質的變化。還可以為評定材料表面性質的專家提供相關的技術支持。對研究改性的生產工藝，開發新用途都具有重要的意義。3.6顯微組織研究

在掃描電鏡的高倍觀察條件下，材料的顯微組織十分清晰。可用來觀察纖維的孔洞結構，分析不同的孔洞結構與纖維性能之間的關系。或在多相結構材料[4]中，特別是在某些共晶材料和復合材料的顯微組織和分析方面，由于可以借助于掃描電鏡景深大的特點，所以完全可以采用深浸蝕[4]的方法，把基體相溶去一定的深度，使得欲觀察和研究的相顯露出來，這樣就可以在掃描電鏡下觀察到該相的三維立體的形態，這是光學顯微鏡和透射電鏡無法做到的。3.7斷裂過程的動態研究

掃描電鏡的大場深和大視場可清晰顯示纖維斷裂的三維形貌，而在較高放大倍數下又能觀察斷裂面局部區域的微細結構，這種圖像有助于研究裂縫的產生、發展以及尋找裂縫源。有的型號的掃描電鏡帶有較大拉力的拉伸臺裝置，這就為研究纖維斷裂過程的動態過程提供了很大的方便。可用來研究纖維的機械力學性能等。在試樣拉伸的同時既可以直接觀察裂紋的萌生及擴展與纖維顯微組織之間的關系，又可以連續記錄下來，為紡織材料研究提供最直接的證據。4 結束語

進入90年代以來，世界紡織工業和紡織品市場發生了深刻變化，紡織工業作為傳統的勞動密集型加工產業，在信息產業的推動下，正向技術密集型、知識密集型產業發展。為了研究高技術含量、信息含量和高附加值的紡織產品，就需要結合高科技的檢測分析手段，新型掃描電鏡和X射線能譜儀及其附件設備在新型紡織材料的研究和開發中有著廣闊的應用前景。

第三篇：基于相關投影分析的特征提取研究及在圖像識別中的應用

基于相關投影分析的特征提取研究及在圖像識別中的應用

摘 要：特征抽取是模式識別研究中的基本。就圖像識別而言，抽取有效的圖像特征在完成識別任務中十分重要。線性和非線性投影分析在特征抽取中是比較經典且應用范圍最廣的方法，且取得了成功，在線性和非線性投影分析中主要是處理模式中的特征，不適合大量的表示數據特征中的融合與抽取。

關鍵詞：圖像識別；特征提取；圖像識別

中圖分類號： TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）14-158-2

0 引言

主成分分析的基本思路是找出最優的單位正交矢量集，在線性組合下重建原始樣本，重建后樣本和原樣本間會出現比較小的誤差。一般情況下會采用訓練樣本協方差矩陣方法作為開展基，選擇適合的若干最大非零特征的特征向量最終成為主成分或是主分量，模式樣本在主成分中的投影系數被稱為主成分特征。非線性投影分析

1.1 在流形基礎上的特征提取

復雜高維模式樣本可能會通過一組維數中出現嚴重低于樣本特征維數實現確定。就幾何學而言，上述屬性數據簡稱為流形。將流形假設當成基礎，利用流形中的基本性質，研究高維空間數據并簡化數據，降低維數，對復雜式的內在規律學習方法進行探尋叫作流形學習。更加嚴格的表述是：假設數據是均勻采樣在一個高維空間中的低維流形，求得對應的嵌入映射，目的是實現維數約減或者是對其可視化需求進行滿足。Seung等人在2000年站在的認知角度上對流形角度開展了討論，確定感知是在流形的方式下存在，并在實驗中證明了人腦的確存在穩態流形，這就是在模式識別以及人類的感知中構架其連同橋梁，使得流形學習存在了較為堅實的理論基礎。主流行、譜分析以及變分法在本世紀初流形的學習研究中是三個熱點，具有代表性的方法是同構映射、局部線性嵌入和拉普拉斯本征映射等。通過以上方法會獲取較好的低維可視效果，針對映射非線性，如何得到測試樣本低維將會存在一定的困難，對此不適合對特征降維實現直接性的應用。

此時需要注意，若將流形的學習映射轉為限制線性投影，流形學習方法線性化方式，取得測試樣本低維表示形式會更加容易。在如此的初衷基礎上，He等人提出了局部的保持投影以及鄰域保持嵌入等，分別通過LE和LLE的線性化方法的基礎上，成功應用在人臉識別當中。

1.2 稀疏學習上特征中的提取

針對以上線性投影方法，學習投影向量在所有原始特征變量基礎上實現線性組和，做出特征和變量層方面的解釋含義較為困難，這是其不能說明什么變量在數據中的表示和分類中的十分關鍵作用的原因。實踐性利用線性投影抽取特征，不但會獲取最有效低維特征，還能更清楚了解什么樣的維數在壓縮中的作用更加關鍵，進而對未來的數據特征的采集當作指導和參考，同時也可以進一步加深人們對數據的更深層次的理解。一方面可以對關鍵特征進行少量的收集，降低工作難度及強度；此外還能對算法的時間以及空間效應進行提升。也就是在這一應用背景下，提取樣本稀疏特征，正確方式是模式的識別舞臺。[1]對系數特征進行提取，在一定基礎上引入L0和L1范數同時對其實現優化，其中的一部分表征變量權重系數將0作為目的。0元素對應的變量在特征提取中未做到貢獻，因此，稀疏特征就提取本質上可看作特征選擇。相關投影分析

2.1 典型相關分析的基本理論和研究

典型相關分析屬于經典的多元統計方法，該方法的首次提出者是Hotelling，CCA在很多的領域中都被進行了應用，除了應用價值，在理論上也存在著較為深刻的意義，因而被研究學者所重視，多元回歸分析在某種意義上，可以判別分析等數據，被看作歸結典型分析的特例。

典型相關分析主要是研究兩組的隨機矢量數據相關性問題，具體來講，已經存在的兩個已被去掉的均值隨機矢量樣本X=[x1，x2，…，xn]∈Rp×N和Y=[y1，y2，…，yn]∈Rp×N，CCA的目的是要找出一對投影的方向w和u，對投影后的樣本特征進行滿足后，z1=wTX和z2=uT之間是存在最大相關性的。通常情況下，投影方可以在最大化準則下將得到函數：

2.2 偏最小二乘基本理論

偏最小二乘的回歸分析是在應用領域中對新型多元數據分析法來提取，該理論是Word等人在1983年提出的。近20年后，PLS通過方法、理論、應用取得了十分快速的發展。PLS模型的魯棒性使得其出現了回歸性的分析以及維數壓縮分類中的有力工具，在最近幾年被廣泛應用在了程序控制、圖像處理等領域內。

偏最小二乘的基本思想是對兩個去掉均值的隨機樣本X=[x1，x2，x3，…，xN]∈Rp×N和Y=[y1，y2，y3，…，yN]∈Rq×N，找出一對投影方向上w和u，對于投影后樣本特征z1=wTX與Z2=uTY相互的最大協方差系數。在投影的方向選擇中，可以在最優化情況獲得最優的目標函數：

JPLS（w，u）=Cov（z1，z2）=wTSxyu

上式中的約束條件為：wTw=uTu=1，Sxy表示的為兩組特征相互間的協方差矩陣。對函數極值準則進行優化，轉為兩組特征矩陣下SxyTSxy和SxySxyT最大本征值同本征向量的求解相關問題。[3]

圖像識別中的應用

3.1 人臉識別

人臉識別是在計算機作為輔助手段下，對靜態人臉圖像以及動態序列圖像實現各種人臉圖像的匹配和分類。人臉識別技術可以被看做是模式識別研究中的重點研究內容，這是圖像處理、模式識別和計算機視覺較差影響的最為積極的研究方向。人臉識別中的關鍵性問題是如何在人臉圖像中抽取穩定有效的個體特征，并且使其可以和其他個體之間進行區別。這一方式存在多種運用優勢。

無侵犯性是人臉識別技術中最大的優點，該技術可在不被識別察覺中實行，基本上不需要被識別者進行合作，更不會造成反感情緒，進而被廣泛的運用在安全監控和嫌疑人認定等場景內。

較為自然，人臉識別方式和人類識別特征相互之間有著較高相似度。日常生活中人們相互間的身份識別最直接且對常用的手段就是人臉識別。因此對于其他的生物特征，該方式更易被人接受。

性價比高，在人臉識別中運用的硬件設備十分簡單，基本上只需要對普通攝像頭進行使用就可以，并且可以利用人臉識別的數據庫資源，這種情況下引起的系統成本往往比較低。

交互性強，就人臉識別來看，授權用戶交互和配合可有效提升系統可靠性與可用性，就虹膜和指紋等識別系統而言，一般的用戶識別并不會發揮正常的作用。

3.2 手寫字體識別

在獲得字符的特征表示之后，我們可以對投影分析實行二次特征抽取和分類，通過這一方式可以消除原始特征變量的相關性，隨后降低特征空間的維數，并且在識別的過程中可以在低維特征空間內實施，進而提升識別的速度。

3.3 圖像集的匹配和分類

匯總識別圖像的過程，就單復圖像的目標可能會遭遇各種問題引起的結果不穩定情況，并且圖像會受到光照、視覺以及姿態和距離等多種因素的影響，進而出現鑒別信息不穩定的情況，或是在出現突發事件后造成目標特征不顯著的問題。在現實的生活中總是會出現大量的圖像資源，并且多數場合是在視頻序列下通過多模態的形式而出現的，常見的有多方位以及全天候的視頻監控，就相同的監控以及考察對象而言，其中是會存在各種不同的視角以及多個成像方式的問題的。[4]傳統的識別方法是在多個圖像資源中選取比較高的成像質量，且目標十分明確的一張或者是多個圖片，實現分別判斷。小結

文章在投影特征的分析基礎上開展深入的研究與分析，同時對圖像識別在一般情況下的運用進行了詳細的介紹，希望可以為相關工作者和研究者提供一定的參考。

參 考 文 獻

[1] 施展.圖像特征提取與識別的跡空間投影方法研究[D].華南理工大學，2012：10-24.[2] 侯書東.基于相關投影分析的特征提取研究及在圖像識別中的應用[D].南京理工大學，2012：15-29.[3] 胡俐蕊.非負矩陣分解方法及其在選票圖像識別中的應用[D].安徽大學，2013：21-39.[4] 湯德俊.人臉識別中圖像特征提取與匹配技術研究[D].大連海事大學，2013：14-27.

第四篇：X射線衍射分析在材料研究中的應用作業

X射線衍射在材料科學中的應用

X射線衍射分析法是研究物質的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(晶體或非晶體)進行衍射分析時,該物質被X射線照射產生不同程度的衍射現象,物質組成、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質產生特有的衍射圖譜。

X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點。因此,X射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現代科學方法,已逐步在各學科研究和生產中廣泛應用。現在，X射線分析的新發展使得金屬、無機材料的X射線分析由于設備和技術的普及已逐步變成金屬研究和無機材料測試的常規方法。早期多用照相法，這種方法費時較長，強度測量的精確度低。50年代初問世的計數器衍射儀法具有快速、強度測量準確，并可配備計算機控制等優點，已經得到廣泛的應用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強度X射線源（包括超高強度的旋轉陽極X射線發生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測器的出現以及電子計算機分析的應用，使金屬無機材料X射線學獲得新的推動力。這些新技術的結合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進行瞬時的動態觀察以及對更為微弱或精細效應的研究。

參考文獻：[1]、X射線衍射在材料結構表征中的應用 馬禮敦 2009-08-08 [2]、X射線衍射在材料分析中的應用 張小輝 2006-07-01

第五篇：《Flash中遮罩層的應用》教案

《Flash中的遮罩層的應用》教案

授課題目

遮罩動畫 教學目標

1．通過實例教學使學生理解Flash中遮罩的含義及原理；

2．通過實例教學使學生學會遮罩圖層的建立和遮罩效果的實現方法； 3．學會分析他人的Flash作品并學習其中使用的技術、技巧 4．利用遮罩圖層實現文字特效，獨立完成一個動畫制作。

教學內容

1．FLASH中遮罩動畫效果； 2．FLASH中遮罩動畫的原理； 3．遮罩層的定義； 4．遮罩動畫的實現過程。

教學重點及難點

1．遮罩原理；

2．遮罩動畫的制作步驟。

教學方法

1．利用多媒體課件教學； 2．以實例演示為設計思想；

3．通過實例教學，使學生掌握設計方法。

課時安排：2課時 教學過程

一、教學引入：

展示遮罩動畫作品。

1、探照燈效果。

2、電影文字。

3、MTV字幕。

4、百葉窗效果。

二、教學內容：

（一）“探照燈效果”的實現 1．“探照燈效果”的實現步驟

步驟一：先啟動FLASH cs3，在啟動界面中選擇“創建新項目”→“FLASH文檔”； 步驟二：點擊“修改”→“文檔”（或CTRL+J），設置文檔屬性如圖1所示；

圖 1 步驟三：選擇文字工具

，并在屬性面板，設置文字的屬性，如圖2所示；

圖 2 步驟四：新建一個層，在這一層用畫圓工具

繪制一個不帶邊線的圓形做為遮罩，顏色可任選；并將繪制好的圓轉換成“圖形類圖符”；

步驟五：設置新建層的屬性為“遮罩層”，并改圖層名稱為“遮罩層”； 注：在此處注意觀察遮罩效果，解釋遮罩原理。步驟六：把實例圓拖到文字的左面，如圖3所示；

圖 3 步驟七：在文字層的第25幀單擊鼠標右鍵插入幀（或按F5鍵），如圖4所示；

圖 4 步驟八：在遮罩層的第25幀單擊鼠標右鍵插入關鍵幀（或按F6鍵），并將圓拖至文字的右端；

步驟九：“遮罩層”設置補間動畫（動作動畫），如圖5所示；

圖 5 步驟十：保存FLASH文檔，測試、導出影片。2．遮罩的原理：

（1）遮罩是需要通過兩層實現的，上一層叫遮罩層，下一層叫被遮罩層。（2）遮罩結果顯示的是二層的疊加部分，上一層決定看到的形狀，下一層決定看到的內容。我們通常也把遮罩層叫做“透通區”，即透過上一層看下一層的內容。

（3）遮罩顯示結果的色彩由被遮罩層的色彩決定，即可通過辯別色彩的來源來確定哪一層為被遮罩層。

3．提出問題：（1）在剛才的動畫中，如果改變兩層的順序，再利用“遮罩”效果，制作出的動畫會有什么改變？

4．給出5 分鐘時間由學生動手仿照老師完成探照燈效果。

5．選擇優秀作品展示并回答所提出的問題。

（二）“電影文字”動畫的實現 1．電影文字的操作步驟：

步驟一：新建“FLASH文檔”，按CTRL+J電影幕布屬性修改為長條形。寬為400像素、高為100像素；

步驟二： 單擊矩形工具在舞臺中畫一個無邊框的矩形，并填充線性漸變色。如圖所示。

步驟三：單擊工具欄里面的【填充變形工具】巴舉行的垂直填充改變為水平填充。如圖所示。

步驟四：新建一個新圖層，命名為“文字層”，在第1幀鍵入靜態文本“古典主義創作方法產生于十七世紀的法國，隨后風靡于整個歐洲，十七世紀的法國，資本主義有了相當的發展。當時，法王路易十四壓制了政治上的反對派，實行中央集權的君主專制統治，同封建割據狀態作斗爭……”文本顏色隨意，并轉化為圖形元件。如圖所示。

步驟五：在“文字層”的第60幀插入關鍵幀，并創建補間動畫。

步驟六：單擊 “文字層”第1幀，把“文字”圖形元件移動到舞臺的下方。如圖所示。

步驟七：在第60幀把“文字”圖形元件移動到舞臺的上方。把圖層1延長至第60幀。

步驟八：選中“文字層”，單擊右鍵【遮罩層】命令，創建遮罩效果。如圖所示。

步驟九：保存測試，完成。參看源文件1．提出問題：只有遮罩層才能設置動畫嗎？

電影字幕效果

2．遮罩原理的補充：遮罩層與被遮罩層都可以設置動畫。

作業：學生在課堂上獨立完成Flash遮罩層動畫的制作。