一種氣泡粒徑的反演計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣泡粒徑的反演計算方法，包括：將具有不同寬度等級的條紋組的分辨率板浸入到水體中；拍攝所述分辨率板上的所述條紋組，形成目標(biāo)條紋圖像；根據(jù)所述目標(biāo)條紋圖像計算出目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)；針對每一個寬度等級的條紋組，建立目標(biāo)條紋的寬度與像素個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，形成關(guān)系模型；計算待測氣泡的粒徑所對應(yīng)的像素個數(shù)；根據(jù)所述的關(guān)系模型計算出待測氣泡的粒徑。本發(fā)明的氣泡粒徑反演計算方法采用圖像標(biāo)定與反演計算相結(jié)合的方式，來生成氣泡粒徑的物理尺寸，精度高、實時性好，可以實現(xiàn)對氣泡物理參數(shù)的原位、實時測量，適合在科研、教學(xué)、海水監(jiān)測等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，尤其適合對海水氣泡的原位檢測。
【專利說明】
一種氣泡粒徑的反演計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于水體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種針對溶解在水體樣品中的 氣泡所提出的氣泡粒徑反演計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國城市湖泊存在富營養(yǎng)化的問題，根據(jù)調(diào)查資料和評價指標(biāo)，我國的37個主要 湖泊中，中營養(yǎng)型和中富養(yǎng)型的比例已經(jīng)超過了一半，其中，富營養(yǎng)型的占14.7%，重富營 養(yǎng)型的占8.8%?，F(xiàn)有的研究成果表明，適宜的溫度，緩慢的水流流態(tài)，相對充足的總磷、總 氮等營養(yǎng)鹽，都會導(dǎo)致浮游藻類爆發(fā)性增殖，從而產(chǎn)生了富營養(yǎng)化現(xiàn)象。氣浮技術(shù)是現(xiàn)有較 好的除藻凈水技術(shù)，在條件合適的情況下藻類去除率可以達(dá)到95%以上。因此，氣浮凈水技 術(shù)在氣泡產(chǎn)生方式以及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等方面都得到了突破性的進(jìn)步。但是，由于測試技術(shù)的 限制，對于各種氣泡特征的研究進(jìn)展得比較緩慢，從而導(dǎo)致兩者之間形成了巨大的差距。
[0003] 現(xiàn)有的氣泡分析方法大致分為聲學(xué)和光學(xué)兩類方法。其中，照相/攝像方法是光學(xué) 分析方法中最直接的氣泡測量方法，可以同時測量定量和非定量的水體。只要待測水體接 近測量系統(tǒng)的觀測端，無論氣泡濃度高低，光學(xué)系統(tǒng)都能夠透射，進(jìn)而在成像設(shè)備中形成氣 泡圖像。在采用照相/攝像方法對溶解在海水中的氣泡進(jìn)行分析時，首先需要從拍攝到的圖 像中提取出其中的氣泡圖像，即對圖像中的氣泡進(jìn)行識別，提取出氣泡的輪廓;然后，根據(jù) 提取出的氣泡輪廓計算出氣泡粒徑等參數(shù)，以分析出氣泡粒徑的分布狀況。
[0004] 目前，國內(nèi)外各大專院校和科研機(jī)構(gòu)提出的方法主要側(cè)重于通過圖像處理的技術(shù) 研究氣泡的形狀，較少涉及對氣泡粒徑的反演。而且，正在使用的氣泡粒徑反演裝置多為靜 態(tài)顯微測試裝置，該裝置操作相對復(fù)雜、反饋速度相對較慢、部分?jǐn)?shù)據(jù)需要人工測量進(jìn)行整 理與統(tǒng)計，耗時長，負(fù)荷大，精度低，累計誤差大，無法對富營養(yǎng)化水體處理狀況進(jìn)行客觀詳 實的評價。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種氣泡粒徑的反演方法，以實現(xiàn)對氣泡粒徑參數(shù)的準(zhǔn)確 計算。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] -種氣泡粒徑的反演計算方法，包括:將具有不同寬度等級的條紋組的分辨率板 浸入到水體中；拍攝所述分辨率板上的所述條紋組，形成目標(biāo)條紋圖像;根據(jù)所述目標(biāo)條紋 圖像計算出目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù);針對每一個寬度等級的條紋組，建立目標(biāo) 條紋的寬度與像素個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，形成關(guān)系模型：4 1 x凡；其中，i是條紋組編號，cU "'if 是第i個條紋組中的目標(biāo)條紋的寬度，A,:是寬度為cU的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的像素個數(shù)是 寬度為di的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的比例因子；拍攝待測水體，獲取氣泡圖像，并提取出氣泡輪 廓，計算出氣泡粒徑所對應(yīng)的像素個數(shù)P 找出像素個數(shù)與所述P '接近的目標(biāo)條紋所在的 條紋組j，利用第j個條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模型
，計算出所述氣泡粒徑的物理 尺寸
[0008] 優(yōu)選的，在所述分辨率板上設(shè)置有N個不同寬度等級的條紋組，在每一個條紋組中 設(shè)置有多條等寬度的直線條紋，所述N為大于1的正整數(shù);在所述拍攝所述分辨率板上的所 述條紋組，形成目標(biāo)條紋圖像的過程中，首先調(diào)節(jié)分辨率板的位置，將其中一個條紋組中的 多條等寬度的直線條紋置于拍攝的視場范圍內(nèi)，形成該條紋組所對應(yīng)的目標(biāo)條紋圖像;然 后，改變所述分辨率板的位置，依次將其余各個條紋組中的多條等寬度的直線條紋置于拍 攝的視場范圍內(nèi)，最終針對N個所述的條紋組形成與之一一對應(yīng)的N個目標(biāo)條紋圖像。
[0009] 優(yōu)選的，優(yōu)選將N個所述的條紋組自下而上平行排布在所述的分辨率板上;在每一 個條紋組中，優(yōu)選將多條等寬度的直線條紋設(shè)計成豎線條紋，且平行排成一行。
[0010] 為了提高拍攝精度和度量計算的準(zhǔn)確性，優(yōu)選采用工業(yè)相機(jī)配合遠(yuǎn)心鏡頭拍攝所 述分辨率板上的所述條紋組，形成所述的目標(biāo)條紋圖像;在所述調(diào)節(jié)分辨率板的位置的過 程中，保持分辨率板與所述遠(yuǎn)心鏡頭之間的距離不變，以確保成像的放大倍數(shù)相同。
[0011] 同時，在所述拍攝待測水體中的氣泡圖像的過程中，也最好采用同一臺工業(yè)相機(jī) 配合所述遠(yuǎn)心鏡頭進(jìn)行拍攝，并且保持所述工業(yè)相機(jī)和遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)置參數(shù)不變，以提高 氣泡粒徑計算的準(zhǔn)確度。
[0012] 為了獲得精度更高的像素個數(shù)，在所述根據(jù)所述目標(biāo)條紋圖像計算出目標(biāo)條紋的 寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)的過程中，針對每一個目標(biāo)條紋圖像中的Μ條等寬度的直線條紋分 別計算出其寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)，并采用對獲得的Μ個像素個數(shù)求取平均值的方式，生成 該目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)。
[0013] 為了提高氣泡粒徑參數(shù)計算的準(zhǔn)確性，將所述Ν個不同寬度等級的條紋組按照其 條紋寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)以從小到大的順序依次排列，形成Ν+1個區(qū)間；其中，寬度最小 的條紋所對應(yīng)的像素個數(shù)馬，與〇形成首區(qū)間（〇, A )，寬度最大的條紋所對應(yīng)的像素個 數(shù)/?與+〇〇形成尾區(qū)間（凡、，+_* )，中間的N-1個區(qū)間由相鄰的兩個像素個數(shù)形成，gp (Pd< - P,M ),i = U2,……、N-1;在所述找出像素個數(shù)與所述p'接近的目標(biāo)條紋所在的 條紋組j，利用第j個條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模型
，計算出所述氣泡粒徑的物理 尺寸
^的過程中，首先判斷所述P '落入所述N+1個區(qū)間中的哪一個區(qū)間內(nèi)；若所述 P'落入首區(qū)間（〇 ,Α,)內(nèi)，則利用第1個條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模型
*，計算出所 述氣泡粒徑的物理尺寸
丨若所述Ρ'落入尾區(qū)間（,+? )內(nèi)，則利用第Ν個 條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模型
，計算出所述氣泡粒徑的物理尺寸
若所述P'落入中間的某個區(qū)間內(nèi)，則分別計算所述P'與該區(qū)間的兩個端點的像素個數(shù) 為;、Α?+Ι的相對誤差，并選取相對誤差較小的一個像素個數(shù)所對應(yīng)的關(guān)系模型計算出所 述氣泡粒徑的物理尺寸。
[0014] 優(yōu)選的，采用光學(xué)系統(tǒng)配合成像設(shè)備的方式拍攝待測水體中的氣泡圖像，所述光 學(xué)系統(tǒng)與成像設(shè)備之間的距離最好限制在l〇cm-15cm之間，且所述分辨率板到所述成像設(shè) 備之間的距離限制在9cm-14cm之間，以確保拍攝到的氣泡圖像與目標(biāo)條紋圖像的放大倍數(shù) 基本相等。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:本發(fā)明的氣泡粒徑反演計算方法 采用圖像標(biāo)定與反演計算相結(jié)合的方式，來生成氣泡粒徑的物理尺寸，精度高、實時性好， 可以實現(xiàn)對氣泡物理參數(shù)的原位、實時測量，適合在科研、教學(xué)、海水監(jiān)測等領(lǐng)域中廣泛應(yīng) 用。
[0016] 結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將變得更 加清楚。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明所提出的氣泡粒徑反演計算方法的一種實施例的整體流程圖；
[0018] 圖2是圖1中標(biāo)定建模方法的一種實施例的流程圖；
[0019]圖3是分辨率板上條紋組的一種實施例的排布示意圖；
[0020]圖4是氣泡圖像采集設(shè)備的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖5是目標(biāo)條紋圖像的一種實施例的示意圖；
[0022] 圖6是圖1中氣泡輪廓的識別與提取方法的一種實施例的總體流程圖；
[0023] 圖7是圖6中氣泡建模方法的一種實施例的流程圖；
[0024] 圖8是圖6中輪廓識別方法的一種實施例的流程圖；
[0025] 圖9是圖6中氣泡判別方法的一種實施例的流程圖；
[0026] 圖10是判別方向的一種實施例的方向示意圖；
[0027]圖11是氣泡粒徑采集圖像示意圖；
[0028] 圖12是圖1中氣泡粒徑反演方法的一種實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)地描述。
[0030] 參見圖1所示，本實施例采用照相/攝像的氣泡光學(xué)分析方法反演計算氣泡粒徑的 物理尺寸，主要包括標(biāo)定建模S101、氣泡圖像識別與氣泡輪廓提取S102以及氣泡粒徑反演 S103三個階段。其中，在標(biāo)定建模S101階段，主要通過對分辨率板上的條紋組進(jìn)行拍攝，利 用寬度已知的條紋組建立起條紋寬度與像素個數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，形成關(guān)系模型，進(jìn)而為 后續(xù)氣泡粒徑的反演計算提供基準(zhǔn)。在氣泡圖像識別與氣泡輪廓提取S102階段，通過對待 測水體進(jìn)行拍攝，以獲取溶解在待測水體中的氣泡的圖像，通過對氣泡圖像進(jìn)行識別，以提 取出氣泡輪廓，用于后續(xù)的粒徑計算。在氣泡粒徑反演S103階段，根據(jù)提取出的氣泡輪廓計 算氣泡粒徑所對應(yīng)的像素個數(shù)，進(jìn)而結(jié)合在標(biāo)定建模S101階段所建立的關(guān)系模型，即可反 演計算出氣泡粒徑的物理尺寸。
[0031]下面首先對第一階段的標(biāo)定建模S101過程所涉及的具體方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，結(jié)合 圖2所示，具體包括以下步驟：
[0032] S201、制作分辨率板。
[0033] 結(jié)合圖3所示，設(shè)計一塊分辨率板1，在分辨率板1上刻蝕多個不同寬度等級的條紋 組，如寬度分別為 2以111、34111、44111、54111、74111、1(^111、2(^111、5(^111、10(^1]1等的條紋組。圖3中列舉了 寬度為lOwn的條紋組dl、寬度為20μηι的條紋組d2、寬度為50μηι的條紋組d3以及寬度為100μπι 的條紋組d4。
[0034] 作為本實施例的一種優(yōu)選設(shè)計方案，優(yōu)選將所述的多個條紋組按照條紋寬度由小 漸大的順序、沿自下而上的方向依次排布在分辨率板1上，如圖3所示，并且在每一個條紋組 中，最好設(shè)置多條等寬度的條紋，且將所述多條等寬度的條紋豎向設(shè)置，相互平行地排成一 行，以方便獲取所需的目標(biāo)條紋圖像。
[0035] S202、將分辨率板1浸入到水體中。
[0036] 所述水體可以是待測水體，也可以是具有較高透明度的其他液體。作為本實施例 的一種優(yōu)選設(shè)計方案，由于在對待測水體進(jìn)行氣泡檢測的過程中，需要使用專門的氣泡檢 測裝置對待測水體進(jìn)行氣泡圖像的攝取，如圖4所示的氣泡檢測裝置，主要包括成像設(shè)備2 和光學(xué)系統(tǒng)3。所述成像設(shè)備2和光學(xué)系統(tǒng)3均與待測水體5隔離，并分置于待測水體5的相對 兩側(cè)，利用光學(xué)系統(tǒng)3發(fā)出的光線照射待測水體5,使待測水體5的亮度足以滿足成像設(shè)備2 的拍攝要求。利用成像設(shè)備2拍攝待測水體5,形成氣泡圖像，以用于對待測水體5中所溶解 的氣泡特性的分析。
[0037] 為了實現(xiàn)成像設(shè)備2和光學(xué)系統(tǒng)3與待測水體5的隔離，對于適用于實驗室環(huán)境下 的氣泡檢測裝置，可以在成像設(shè)備2與光學(xué)系統(tǒng)3之間設(shè)置透明水槽，將待測水體5注入到透 明水槽中，然后啟動成像設(shè)備2和光學(xué)系統(tǒng)3拍攝待測水體5,以形成氣泡圖像。采用這種氣 泡檢測裝置，可以將分辨率板1放入到透明水槽中，并浸入到水槽內(nèi)部的水體中，將分辨率 板1上刻蝕有條紋組的一面正對成像設(shè)備2，以便于形成所需的目標(biāo)條紋圖像。
[0038] 對于適用于現(xiàn)場環(huán)境的氣泡檢測裝置，可以將成像設(shè)備2和光學(xué)系統(tǒng)3分置于一個 獨立的密封艙內(nèi)，在兩個密封艙彼此相對的一側(cè)安裝透明玻璃4,以便于光線的射出以及氣 泡圖像的攝取。采用這種氣泡檢測裝置，可以首先將所述氣泡檢測裝置投入到待測水體5 中，然后將分辨率板1浸入到所述待測水體5中，并位于成像設(shè)備2與光學(xué)系統(tǒng)3之間，且將分 辨率板1上刻蝕有條紋組的一面正對所述成像設(shè)備2，以便于形成所需的目標(biāo)條紋圖像。
[0039] 在本實施例中，無論采用何種氣泡檢測裝置，所述成像設(shè)備2和光學(xué)系統(tǒng)3之間的 距離應(yīng)盡量短，優(yōu)選限制在l〇cm-15cm之間，且所述分辨率板1到所述成像設(shè)備2之間的距離 限制在9cm-14cm之間，以提高氣泡粒徑的反演精度。
[0040] S203、啟動成像設(shè)備2,拍攝所述分辨率板1上的條紋組，以形成目標(biāo)條紋圖像。
[0041] 在本實施例中，所述成像設(shè)備2優(yōu)選采用工業(yè)相機(jī)配合遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計而成。選用工 業(yè)相機(jī)比選用普通相機(jī)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：（1)工業(yè)相機(jī)的快門時間非常短，可以抓拍快速 運動的物體；（2)工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃 描的，甚至是隔三行掃描的；（3)工業(yè)相機(jī)的拍攝速度遠(yuǎn)高于普通相機(jī)；（4)工業(yè)相機(jī)輸出的 是裸數(shù)據(jù)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法；（5)工業(yè)相機(jī) 可以長時間工作；（6)工業(yè)相機(jī)可以工作在比較惡劣的環(huán)境中。
[0042] 遠(yuǎn)心鏡頭是一種高端的工業(yè)鏡頭，通常有比較出眾的像質(zhì)，特別適合于尺寸測量 的應(yīng)用。而普通工業(yè)鏡頭拍攝目標(biāo)物體的工作距離越短，所成的像就越大。在使用普通鏡頭 進(jìn)行尺寸測量時，會存在5個問題：1)由于被測量物體不在同一個測量平面，而造成放大倍 率的不同；2)鏡頭畸變大;3)當(dāng)物距變大時，對物體的放大倍數(shù)也改變;4)鏡頭的解析度不 高;5)由于視覺光源的幾何特性，而造成的圖像邊緣位置的不確定性。而遠(yuǎn)心鏡頭就可以有 效解決普通鏡頭存在的上述問題，而且沒有此性質(zhì)的判斷誤差，因此適合應(yīng)用在高精度測 量、度量計量等方面。
[0043] 因此，本實施例優(yōu)選采用工業(yè)相機(jī)配合遠(yuǎn)心鏡頭拍攝浸入水體中的分辨率板1，以 有助于提高氣泡粒徑的計算精度。
[0044] 調(diào)節(jié)工業(yè)相機(jī)與遠(yuǎn)心鏡頭的位置，使工業(yè)相機(jī)置于工作距離。然后，調(diào)整分辨率板 1的位置，使待測的條紋組位于工業(yè)相機(jī)的視場范圍內(nèi)。
[0045] 在本實施例中，優(yōu)選通過調(diào)節(jié)分辨率板1的位置，首先讓分辨率板1上的其中一個 條紋組中的多條等寬度的直線條紋置于工業(yè)相機(jī)的視場范圍內(nèi)，形成該條紋組所對應(yīng)的目 標(biāo)條紋圖像。如圖5所示，圖5列舉了寬度為20μπι的條紋組所對應(yīng)的目標(biāo)條紋圖像，在所述目 標(biāo)條紋圖像中包括4條寬度d = 20ym的豎線條紋。
[0046]然后，改變所述分辨率板1的位置，依次將其余各個條紋組中的多條等寬度的直線 條紋置于工業(yè)相機(jī)的視場范圍內(nèi)，對于具有N(N為大于1的正整數(shù))個條紋組的分辨率板1來 說，將剩余的N-1個條紋組依次置于工業(yè)相機(jī)的視場范圍內(nèi)，最終即可針對N個所述的條紋 組形成與之--對應(yīng)的N個目標(biāo)條紋圖像。
[0047]在調(diào)節(jié)分辨率板1的位置時，為了保證所形成的N個目標(biāo)條紋圖像的成像放大倍數(shù) 相同，應(yīng)保持分辨率板1與所述遠(yuǎn)心鏡頭之間的距離不變。
[0048] S204、根據(jù)目標(biāo)條紋圖像，計算出目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)。
[0049] 在本實施例中，利用執(zhí)行步驟S203所獲得的N個目標(biāo)條紋圖像，分別計算N個條紋 組中的目標(biāo)條紋，其寬度d在目標(biāo)條紋圖像中所對應(yīng)的像素個數(shù)p。由于在每一個目標(biāo)條紋 圖像中均包含有多條等寬度的目標(biāo)條紋，如圖5所示，為了提高所述像素個數(shù)p計算的準(zhǔn)確 度，本實施例優(yōu)選采用取均值的方法生成所述目標(biāo)條紋的寬度d所對應(yīng)的像素個數(shù)p。
[0050] 具體來講，假設(shè)在某一個目標(biāo)條紋圖像中包含有Μ條等寬度的目標(biāo)條紋，則針對所 述的Μ條目標(biāo)條紋分別計算出其寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)，即獲得Μ個像素個數(shù);對所述的Μ個 像素個數(shù)求取平均值，將所述平均值作為該目標(biāo)條紋的寬度d所對應(yīng)的像素個數(shù)ρ，進(jìn)行記 錄保存。
[0051 ]其余的N-1個目標(biāo)條紋圖像均采用上述方法計算生成其目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的 像素個數(shù)。
[0052] S205、建立目標(biāo)條紋的寬度與像素個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，形成關(guān)系模型。
[0053]在本實施例中，針對每一個寬度等級的條紋組，分別建立目標(biāo)條紋的寬度（即目標(biāo) 條紋的實際物理尺寸)與像素個數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，形成關(guān)系模型：
3其中，i為 條紋組編號;CU是第i個條紋組中的目標(biāo)條紋的寬度;外,.是寬度為CU的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的像 素個數(shù)是寬度為CU的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的比例因子。由于cU和/?已知，因此結(jié)合關(guān)系模型
1即可計算出每一寬度等級的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的比例因子％的值。
[0054] 由此，完成標(biāo)定建模S101過程。
[0055] 拍攝待測水體，獲取待測水體的氣泡圖像，對氣泡圖像進(jìn)行識別并提取出其中的 氣泡輪廓，即執(zhí)行第二階段的氣泡圖像識別與氣泡輪廓提取S102過程，以計算出氣泡粒徑 的像素個數(shù)P'。
[0056] 對于氣泡圖像的識別與氣泡輪廓的提取方法，目前已有很多成熟的方法，作為本 實施例的一種優(yōu)選設(shè)計方案，優(yōu)選采用以下氣泡圖像識別與氣泡輪廓提取S102方法，以提 高氣泡輪廓提取的準(zhǔn)確度。
[0057] 下面對第二階段的氣泡圖像識別與氣泡輪廓提取S102過程所涉及的具體方法進(jìn) 行詳細(xì)闡述，結(jié)合圖6所示。
[0058] 本實施例的氣泡圖像識別方法為了能夠從待測水體中將氣泡與懸浮物準(zhǔn)確地區(qū) 分開來，以獲取準(zhǔn)確的氣泡輪廓，首先，采用氣泡建模的方法，如步驟S601，利用已知的氣泡 圖像樣本生成氣泡庫，作為模板保存起來;其次，采用輪廓識別的方法，如步驟S602,對待測 水體進(jìn)行原位采集，獲取待測水體的氣泡懸浮物圖像，并提取出其中的氣泡輪廓和懸浮物 輪廓;然后，利用生成的氣泡庫對所述氣泡輪廓和懸浮物輪廓進(jìn)行輪廓識別，具體可以采用 相似度比較法將提取出的每一個氣泡輪廓和懸浮物輪廓與所述氣泡庫中的氣泡輪廓樣本 進(jìn)行比較，篩選出相似度大于設(shè)定閾值的輪廓判定為疑似氣泡輪廓，完成一級篩選;最后， 采用氣泡判別方法，對篩選出的疑似氣泡輪廓進(jìn)行識別，即執(zhí)行氣泡識別過程，如步驟 S603,完成二級篩選。具體來講，可以采用灰度統(tǒng)計法，對每一個疑似氣泡輪廓的不同像素 點的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計，將灰度值從輪廓的中心向邊緣逐漸變小的輪廓判定為氣泡輪廓，最 終獲取到準(zhǔn)確的氣泡輪廓。
[0059] 下面首先對步驟S601的氣泡建模方法的具體過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，結(jié)合圖7所示，具 體包括以下步驟：
[0060] S701、獲取已知的背景圖像樣本和氣泡圖像樣本；
[0061] 所述的背景圖像樣本和氣泡圖像樣本可以直接從樣本庫中獲取，也可以從大量的 前期實驗中獲取。
[0062] S702、利用人工分割法在所述氣泡圖像樣本中分割出完整的氣泡圖像；
[0063]在本實施例中，為了保證氣泡圖像分割的完整性，在人工分割氣泡圖像樣本中的 氣泡圖像時，優(yōu)選根據(jù)氣泡外切矩形的尺寸，沿矩形邊界分割出完整的氣泡圖像。
[0064] S703、選擇類圓形（即近似圓形的形狀)和類橢圓形（即近似橢圓形的形狀）的單氣 泡圖像，作為所需的氣泡圖像；
[0065] 針對待測水體為海水的情況，由于溶解在海水中的氣泡基本上都是呈現(xiàn)類似圓形 或者類似橢圓形的形狀，因此，最好選擇類圓形和類橢圓形的單氣泡圖像作為樣本，以實現(xiàn) 對海水中氣泡圖像的準(zhǔn)確識別。
[0066] S704、結(jié)合所述的背景圖像樣本，采用背景減除法，從選取出的單氣泡圖像中去除 掉其中的背景圖像，從而獲得所需的氣泡輪廓樣本。
[0067] S705、利用獲取到的大量的氣泡輪廓樣本，生成氣泡庫，作為模板并保存起來。
[0068]其次，對步驟S602的輪廓識別方法的具體過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，結(jié)合圖8所示，具體 包括以下步驟：
[0069] S801、獲取待測水體的背景；
[0070]拍攝待測水體，提取待測水體的背景。在圖像識別領(lǐng)域，對于圖像中背景的提取方 法有很多種。本實施例針對待測水體為海水的情況，優(yōu)選采用高斯建模的方法或者差分圖 像的方法獲取待測海水的背景模型或者背景圖像。
[0071] S802、采集待測水體的氣泡圖像，這里的氣泡圖像是包含有氣泡輪廓和懸浮物輪 廓的圖像，為與上述氣泡建模方法所涉及的步驟中所出現(xiàn)的氣泡圖像進(jìn)行區(qū)別，以下將這 里的氣泡圖像稱之為氣泡懸浮物圖像；
[0072] 在本實施例中，針對待測水體為海水的情況，可以直接對待測海水進(jìn)行原位采集， 將采集到的海水原位圖像作為所述的氣泡懸浮物圖像。在本實施例中，優(yōu)選采用標(biāo)定建模 S101過程中所使用和調(diào)整后的氣泡檢測裝置對待測水體進(jìn)行拍攝，以獲取待測水體的氣泡 懸浮物圖像，進(jìn)而使得所述氣泡懸浮物圖像與目標(biāo)條紋圖像的成像比例相同（即放大倍數(shù) 相同）。
[0073] S803、采用背景減除法去除所述氣泡懸浮物圖像中的背景，提取出其中的氣泡輪 廓和懸浮物輪廓；
[0074]在本實施例中，可以結(jié)合步驟S801中建立的背景模型，利用背景減除法從所述氣 泡懸浮物圖像中提取出氣泡輪廓和懸浮物輪廓。
[0075] S804、對提取出的每一個氣泡輪廓和懸浮物輪廓利用相似度比較法與所述氣泡庫 中的氣泡輪廓樣本進(jìn)行比較，以獲取每一個氣泡輪廓和懸浮物輪廓的相似度閾值α ;
[0076]在本實施例中，優(yōu)選采用模式識別技術(shù)中的Hu不變矩相似度比較法，將提取出的 每一個氣泡輪廓和懸浮物輪廓分別作為一個目標(biāo)特征向量，分別與氣泡庫中的每一個氣泡 輪廓樣本所對應(yīng)的特征向量進(jìn)行比較，以獲取目標(biāo)特征向量與特征庫向量的相似性。
[0077] S805、識別氣泡輪廓；
[0078] 針對每一個氣泡輪廓和懸浮物輪廓的相似度閾值α，篩選出其中相似度閾值α大于 設(shè)定閾值的輪廓，將其作為疑似氣泡輪廓，完成一級篩選。
[0079] 在本實施例中，為了提高氣泡輪廓識別的準(zhǔn)確性，優(yōu)選將所述設(shè)定閾值設(shè)定在0.9 以上，例如將設(shè)定閾值定義為〇. 93。對于相似度閾值α>〇. 93的輪廓，判定為疑似氣泡輪廓;α <0.93的輪廓，判定為非氣泡輪廓，由此完成氣泡輪廓的初級篩選。
[0080] 最后，對步驟S603的氣泡判別方法的具體過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，結(jié)合圖9所示，具體 包括以下步驟：
[0081] S901、提取目標(biāo)的邊緣像素點；
[0082] 將每一個疑似氣泡輪廓作為目標(biāo)，提取出每一個疑似氣泡輪廓的邊緣像素點。
[0083] S902、計算目標(biāo)的質(zhì)心；
[0084] 通過質(zhì)心計算公式
，計算出每一個疑似氣泡輪廓的質(zhì)心。其中，（xc, y。)是質(zhì)心坐標(biāo)，Nb是輪廓邊界像素點的總數(shù)，（Xi，yi)是輪廓邊界點的坐標(biāo)。
[0085] S903、劃分判別方向；
[0086] 在本實施例中，可以以所述質(zhì)心為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系，并優(yōu)選按照45°夾 角在坐標(biāo)系中劃分出八個不同的判別方向，如圖10所示。
[0087] S904、對各判別方向進(jìn)行定義；
[0088] 在本實施例中，優(yōu)選以X軸方向為初始判別方向，定義為Do;然后，按照逆時針方 向，將其余的七個判別方向依次定義為……、D7,如圖10所示。
[0089] S905、對每一個判別方向上的灰度點的變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計；
[0090] 針對每一個疑似氣泡輪廓，分別獲取其在8個所述判別方向上的每一個像素點的 灰度值，并統(tǒng)計每一個判別方向上的灰度點的變化規(guī)律。
[0091] S906、區(qū)分氣泡輪廓和懸浮物輪廓；
[0092]根據(jù)步驟S905的灰度統(tǒng)計，對疑似氣泡輪廓進(jìn)行二級篩選，以篩選出其中真正的 氣泡輪廓。
[0093]具體來講，對于每一個疑似氣泡輪廓，若在其每一個判別方向D^Di、……、D7上，其 灰度值均是從質(zhì)心向輪廓邊緣逐漸變小的，即亮度從中心區(qū)域向輪廓邊緣逐漸變暗，則可 以判定為氣泡輪廓；否則，判定為懸浮物輪廓，因為懸浮物為固體，其亮度的變化率通常會 比較小。由此，便可以準(zhǔn)確地區(qū)分開哪些是氣泡輪廓，哪些是懸浮物輪廓。
[0094]根據(jù)提取出的氣泡輪廓，如圖11所示，即可計算出氣泡粒徑d'所對應(yīng)的像素個數(shù) P'。結(jié)合計算出的像素個數(shù)P'，采用第三階段的氣泡粒徑反演S103過程，即可計算出待測氣 泡的粒徑d'尺寸。
[0095]下面對第三階段的氣泡粒徑反演S103過程所涉及的具體方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，結(jié)合 圖12所示。
[0096] S1201、結(jié)合標(biāo)定建模S101過程所計算出的不同寬度d的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的像素個 數(shù)P，確定出與待測氣泡粒徑d '所對應(yīng)的像素個數(shù)P '最接近的目標(biāo)條紋。
[0097] 在本實施例中，首先將所述N個不同寬度等級的條紋組按照其條紋寬度d所對應(yīng)的 像素個數(shù)P以從小到大的順序依次排列，形成N+1個區(qū)間。其中，寬度最小的條紋所對應(yīng)的像 素個數(shù)與〇形成首區(qū)間（〇，)，寬度最大的條紋所對應(yīng)的像素個數(shù)夂^與+°°形成尾 區(qū)間（， +0° )，中間的N-1個區(qū)間由相鄰的兩個像素個數(shù)形成，即(以，辦;+1 },i = 1、2、……、N-1。以圖3所示的分辨率板1為例進(jìn)行說明，由于在圖3所示的分辨率板1上刻蝕 有4個寬度等級的條紋組，即對應(yīng)4個不同寬度的目標(biāo)條紋，從而可以對應(yīng)4個像素個數(shù)，分 別為PlQ、P2Q、P5Q、Pl()()，繼而可以形成5個區(qū)間：（0，PlQ)、（PlQ，P2Q)、（P2Q，P5Q)、（P5Q，PlQQ)、（PlOO， + °°) 〇
[0098] 在找出像素個數(shù)p與氣泡粒徑d'所對應(yīng)的像素個數(shù)p'最接近的目標(biāo)條紋所在的條 紋組j的過程中，首先判斷所述P'落入所述N+1個區(qū)間中的哪一個區(qū)間內(nèi)。若所述P'落入首 區(qū)間（〇 ,凡、）內(nèi)，則將第1個條紋組所對應(yīng)的目標(biāo)條紋確定為與待測氣泡粒徑d'所對應(yīng) 的像素個數(shù)P'最接近的目標(biāo)條紋;若所述P'落入尾區(qū)間:,+? )內(nèi)，則將第N個條紋 組所對應(yīng)目標(biāo)條紋確定為與待測氣泡粒徑d '所對應(yīng)的像素個數(shù)p '最接近的目標(biāo)條紋;若所 述P'落入中間的N-1個區(qū)間內(nèi)，則分別計算所述p'與該區(qū)間的兩個端點的像素個數(shù) 夂.、&, :+(的相對誤差，選取相對誤差較小的一個像素個數(shù)作為與所述P'最接近，繼而確定 出與待測氣泡粒徑d '所對應(yīng)的像素個數(shù)p '最接近的目標(biāo)條紋。
[0099] S1202、利用確定出的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的關(guān)系模型，反演出待測氣泡的粒徑d'。
[0100] 在本實施例中，根據(jù)步驟S1201所最終確定出的目標(biāo)條紋，確定所要使用的關(guān)系模 型
，進(jìn)而將待測氣泡粒徑d'所對應(yīng)的像素個數(shù)p'代入所述的關(guān)系模型，由于比 例因子心,已知，由此便可計算出待測氣泡粒徑d'的物理尺寸。
[0101]具體來講，若所述P'落入首區(qū)間（〇，)內(nèi)，則利用關(guān)系模型
，.計算 出所述氣泡粒徑d '的物理尺寸，即
[0102] 若所述P'落入尾區(qū)間（/\，+? )內(nèi)，則利用的關(guān)系模型
W計算出 所述氣泡粒徑d '的物理尺寸，即
[0103] 若所述P'落入中間的某個區(qū)間（A,，/>、）內(nèi)，則分別計算所述P'與該區(qū)間的兩 個端點的像素個數(shù)Λ,、，的相對誤差，即，
[0106] 比較相對誤差心、，選取相對誤差較小的一個所對應(yīng)的像素個數(shù)，確定出所 需使用的關(guān)系模塊，進(jìn)而計算出所述氣泡粒徑d '的物理尺寸。
[0107] 找出像素個數(shù)接近的目標(biāo)條紋所在的條紋組j，利用第j個條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模 型
，計算出所述氣泡粒徑的物理尺寸
[0108] 由此，便完成了對待測氣泡的粒徑參數(shù)的準(zhǔn)確計算。
[0109] 下面通過一個具體的實例，對本實施例的氣泡粒徑計算方法進(jìn)行舉例說明。
[0110] 以圖3所示的分辨率板1以及圖5所示的目標(biāo)條紋圖像為例，具體舉例說明如下：
[0111] (1)將分辨率板1置于水體中，調(diào)節(jié)工業(yè)相機(jī)的位置于工作距離；
[0112] (2)調(diào)節(jié)分辨率板1的位置，將寬度(12 = 20μπι的條紋組置于工業(yè)相機(jī)的視場范圍 內(nèi)；
[0113] (3)啟動工業(yè)相機(jī)和遠(yuǎn)心鏡頭拍攝該組條紋，形成如圖5所示的目標(biāo)條紋圖像；
[0114] (4)采用圖像處理的方法，分別獲得目標(biāo)條紋圖像中四條目標(biāo)條紋的寬度d2所對 應(yīng)的像素個數(shù)P2Q，例如，分別為5、5、6、5;
[0115] (5)對上述的四個像素個數(shù)求取平均值，作為寬度(12 = 20μπι的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的 像素個數(shù)
[0116] (6)計算寬度? = 20μπι的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的比例因子
，保 存Ρ2〇 = 5 · 25和a2〇 = 0 · 2625;
[0117] (7)調(diào)節(jié)分辨率板1的位置，將寬度為dhdhcU的條紋組依次置于工業(yè)相機(jī)的視場 范圍內(nèi)，然后按照步驟(3)-(6)分別計算出寬度為(11 = 1(^1]1、(13 = 5(^1]1、(14=10(^111的目標(biāo)條 紋所對應(yīng)的比例因子：
[0121 ]并保存ρι〇 = 3 · 33、aio = 0 · 3333 ;p5〇 = 10 · 39、a5〇 = 0 · 2078 ;ριοο = 22 · 48、aioo = 0.2248；
[0122] (8)根據(jù)保存的4個像素個數(shù)?1〇、？2〇、？5〇、？1()()，劃分出5個區(qū)間：（0，？1())、（？1()，？2〇)、 (P20，P50)、（P50，P100 )、（PlOO，+ °° );
[0123] (9)利用所述的工業(yè)相機(jī)和遠(yuǎn)心鏡頭獲取待測水體的氣泡圖像，提取出氣泡輪廓， 如圖11所示；
[0124] (10)采用圖像處理的方法計算出待測氣泡I的粒徑d'所對應(yīng)的像素個數(shù)p'；假設(shè) P ' = 8，則判定其所屬的區(qū)間為(P2Q，P5Q)，即（5.25，10.39);
[0125] (11)分別計算p'與P2Q、P5Q的相對誤差：
[0128] (11)比較相對誤差〇2〇、〇5()，選取相對誤差較小的像素個數(shù)P 5Q所對應(yīng)的比例因子 aso；
[0129] (12)將p'=8和比例因子a5Q代入寬度為50μπι的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的關(guān)系模塊，計算 出所述待測氣泡的粒徑的物理尺寸
[0130] 當(dāng)然，以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和 潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于，包括： 將具有不同寬度等級的條紋組的分辨率板浸入到水體中； 拍攝所述分辨率板上的所述條紋組，形成目標(biāo)條紋圖像； 根據(jù)所述目標(biāo)條紋圖像計算出目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)； 針對每一個寬度等級的條紋組，建立目標(biāo)條紋的寬度與像素個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，形成關(guān) 系模型：；其中，i是條紋組編號，Cl1是第i個條紋組中的目標(biāo)條紋的寬度，ft,是 寬度為Cl1的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的像素個數(shù)，％是寬度為山的目標(biāo)條紋所對應(yīng)的比例因子； 拍攝待測水體，獲取氣泡圖像，并提取出氣泡輪廓，計算出氣泡粒徑所對應(yīng)的像素個數(shù) P' ； 找出像素個數(shù)與所述P'接近的目標(biāo)條紋所在的條紋組j，利用第j個條紋組所對應(yīng)的關(guān) 系模g，計算出所述氣泡粒徑的物理尺勺2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于， 在所述分辨率板上設(shè)置有N個不同寬度等級的條紋組，在每一個條紋組中設(shè)置有多條 等寬度的直線條紋，所述N為大于1的正整數(shù)； 在所述拍攝所述分辨率板上的所述條紋組，形成目標(biāo)條紋圖像的過程中，包括： 調(diào)節(jié)分辨率板的位置，將其中一個條紋組中的多條等寬度的直線條紋置于拍攝的視場 范圍內(nèi)，形成該條紋組所對應(yīng)的目標(biāo)條紋圖像； 改變所述分辨率板的位置，依次將其余各個條紋組中的多條等寬度的直線條紋置于拍 攝的視場范圍內(nèi)，最終針對N個所述的條紋組形成與之一一對應(yīng)的N個目標(biāo)條紋圖像。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于，N個所述的條紋組自 下而上平行排布在所述的分辨率板上;在每一個條紋組中，多條等寬度的直線條紋均為豎 線條紋，且平行排成一行。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于，采用工業(yè)相機(jī)配合遠(yuǎn) 心鏡頭拍攝所述分辨率板上的所述條紋組，形成所述的目標(biāo)條紋圖像;在所述調(diào)節(jié)分辨率 板的位置的過程中，保持分辨率板與所述遠(yuǎn)心鏡頭之間的距離不變。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于，在所述拍攝待測水體 中的氣泡圖像的過程中，采用所述工業(yè)相機(jī)配合所述遠(yuǎn)心鏡頭進(jìn)行拍攝，并且保持所述工 業(yè)相機(jī)和遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)置參數(shù)不變。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于，在所述根據(jù)所述目標(biāo) 條紋圖像計算出目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)的過程中，包括： 針對每一個目標(biāo)條紋圖像中的M條等寬度的直線條紋分別計算出其寬度所對應(yīng)的像素 個數(shù)，并對獲得的M個像素個數(shù)求取平均值，記為該目標(biāo)條紋的寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于， 將所述N個不同寬度等級的條紋組按照其條紋寬度所對應(yīng)的像素個數(shù)以從小到大的順 序依次排列，形成N+1個區(qū)間；其中，寬度最小的條紋所對應(yīng)的像素個數(shù)&,與0形成首區(qū)間 (:〇，)，寬度最大的條紋所對應(yīng)的像素個數(shù)0'與+°°形成尾區(qū)間（~，+G0 )，:中間 的N-I個區(qū)間由相鄰的兩個像素個數(shù)形成，B[ 在所述找出像素個數(shù)與所述P '接近的目標(biāo)條紋所在的條紋組j，利用第j個條紋組所對 應(yīng)的關(guān)系模3，計算出所述氣泡粒徑的物理尺寸的過程中，包括： 判斷所述P '落入所述N+1個區(qū)間中的哪一個區(qū)間內(nèi)； 若所述P'落入首區(qū)間（〇，A1 )內(nèi)，則利用第1個條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模型，計算出所述氣泡粒徑的物理尺若所述P'落入尾區(qū)間（Asi，+? )內(nèi)，則利用第N個條紋組所對應(yīng)的關(guān)系模型，計算出所述氣泡粒徑的物理尺1若所述P '落入中間的某個區(qū)間內(nèi)，則分別計算所述P '與該區(qū)間的兩個端點的像素個數(shù) A.'、A4+l的相對誤差，并選取相對誤差較小的一個像素個數(shù)所對應(yīng)的關(guān)系模型計算出所 述氣泡粒徑的物理尺寸。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的氣泡粒徑的反演計算方法，其特征在于，采用光 學(xué)系統(tǒng)配合成像設(shè)備的方式拍攝待測水體中的氣泡圖像，所述光學(xué)系統(tǒng)與成像設(shè)備之間的 距離限制在l〇cm-15cm之間，且所述分辨率板到所述成像設(shè)備之間的距離限制在9cm-14cm 之間。
【文檔編號】G01N15/02GK106018198SQ201610305252
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】張 浩, 吳承璇, 楊倩, 曲君樂, 呂斌, 陳光源, 安泉, 雷卓, 祁國梁, 賀海靖, 劉杰
【申請人】山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所