CN101295024B - 一种测量粒子粒径的方法 - Google Patents

Abstract

利用双目视觉匹配与粒子图像灰度差异测量粒径的方法，属于粒径光学测量技术领域，本方法根据不同前向角散射光具有光强差异的特点，利用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统获得流场经单次曝光形成的两幅具有灰度差异的粒子图像，经图像处理技术预处理后，根据双目视觉匹配原理，实现同一粒子在两幅粒子图像上对应两粒子像点的配对，由两粒子像点的灰度值总和经粒径求解公式得到粒子粒径大小，从而获得整个流场的粒度信息，本方法对激光光强和稳定性要求降低，粒子配对方法简便，减少了系统误差、数字图像处理技术以及激光衍射对粒径测量结果的影响，克服了现有技术中的不足和缺陷，具有实质性特点和显著进步。

Description

一种测量粒子粒径的方法

技术领域

本发明属于粒径光学测量技术领域，涉及的是测量流场粒子粒径的方法，特别是一种使用配备双相机的粒子图像速度场仪(PIV)成像系统拍摄流场粒子图像，并利用双目视觉匹配与粒子图像灰度差异测量粒径的方法。

背景技术

粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry)是近二十年发展起来的一种全新的流场显示测量技术，融计算机图像处理与光学技术为一体，具有能测量研究空间全流场的瞬态速度和对流场干扰小的优点，成为流场测试和分析的一个非常有效的工具。

粒径和速度分布的实验测量是流场显示及其定量分析研究的主要内容，因而，研究人员通常都希望在获得流场速度特性的时候，同时得到流场粒子粒度信息。目前，相位多普勒技术PDA(Phase Laser Doppler Velocimetry)能够实现粒子尺寸与速度的同时测量，是非接触式测量技术，具有较高的时间和空间分辨率。但是，PDA技术只能实现流场的单点测量。基于PIV技术发展起来的各种速度粒度同场实时测量技术，如图像法、ILIDS(interferometric laser imagingfor droplet sizing)和GSV(Global Size and Velocity Measurement)等方法继承了PIV技术非接触式全场瞬态测量的优点，成为PIV技术研究的热点之一。

图像法将PIV图像上粒子像点面积等效为圆面积，计算圆直径作为粒子等效粒径。图像法受衍射、相机景深和空间分辨率等各种因素影响，粒径测量精度不高。ILIDS技术利用粒子反射光与折射光之间的相位差，在离焦平面上形成圆形干涉条纹图，粒子粒径不同，干涉条纹图的条纹数量不同，根据条纹数量即可得到粒径大小。GSV技术基于Mie散射理论：光线经圆形粒子散射后形成强烈角振荡特征，其角间距与粒子粒径成一定比例关系；GSV采用的拍摄角度为60度，在此角度下，振荡间距对折射率最不敏感，且与粒径关系最为简单；在相机前加装狭缝光圈，解决粒子浓度较高时振荡条纹重叠的问题；采用了窗口化FFT算法，以进一步提高粒径计算精度；GSV是目前速度粒度同场测量的最优技术。以上方法的测速部分使用的都是传统PIV技术。

已有技术中，张伟，吴志军在“基于灰度统计的粒子图像速度粒度实时测量新技术”(《应用激光》，Vol.25，No.2April2005)一文中介绍的数字PIV系统测量喷雾粒径的方法，是利用PIV系统两台激光器输出能量的差异，获得喷雾流场具有灰度差异的两次曝光粒子图像，在计算机上采用图像集合校正、平滑和去噪、二值化、元素分割以及膨胀和腐蚀等数字图像分析处理方法对粒子图像进行预处理后，进行粒子识别和统计，获得各个粒子像点位置、大小和灰度信息；统计粒子图像灰度直方图，根据平均灰度区分两次曝光粒子像点。计算粒子像点包含的像素个数作为粒子像点面积，将粒子像点等效为圆形粒子像点，借助圆面积计算公式得到相应的等效直径。比较两次曝光粒子像点等效直径以获得最优值。这种方法的缺点是各种数字图像分析预处理方法都会影响粒子像点的大小，从而影响到粒子直径真实尺寸的确定；同时，该方法对激光强度的稳定性要求很高，激光强度一旦改变，就需要对各种数字图像分析处理方法重新设定；两次曝光激光能量的波动容易使比较结果产生误差；另外，粒子成像还受激光衍射和PIV系统误差的影响。

发明内容

本方法的目的在于提供一种利用双目视觉匹配与粒子图像灰度差异测量粒径的方法，该方法以配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统作为成像设备，以激光片光脉冲照射流场，处于不同前向角的两相机同时单次曝光，获得两幅流场的具有灰度差异的粒子图像，经图像处理技术预处理后，利用双目视觉匹配实现同一粒子在两幅图像上对应两粒子像点的配对，由两粒子像点的灰度值总和经粒径求解公式得到粒子粒径大小，从而获得整个流场的粒度分布信息。

进一步，本发明可通过以下技术方案实现，具体包括：

(1)合理选择设定配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数：设定激光器发射的激光的波长λ、所用相机镜头前加装的孔板上的正方形小孔的边长b′、激光光路与两个相机光轴的夹角即前向角θ₁和θ₂、相机镜头中心至相机光轴与激光光路交点的距离d₁、激光片光脉冲宽度即相机曝光时间t；相机快门开启的持续时间T以及决定激光片光脉冲光强I的激光器输出功率P；并将各个参数输入计算机。

(2)获取两幅流场单次曝光的具有灰度差异的粒子图像：使用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统发射一束激光片光脉冲照明流场，两个具有不同前向角的相机伴随激光脉冲同时进行单次曝光，获得流场的两幅具有灰度差异的单次曝光粒子图像，输入计算机。

(3)粒子图像的预处理：针对本发明以粒子像点灰度值总和作为粒径计算主要参数，预处理必须尽可能保留粒子像点原始信息的要求，主要采用背景噪声和单点噪声降噪处理，根据不同流场特性及实际处理要求可进一步选择采用合适的图像几何校正、平滑和元素分割等数字图像处理技术中的一种或多种技术对粒子图像作预处理，改善图像质量。

(4)获取粒子图像上各个粒子像点的位置与灰度值总和信息：采用合适的算子与方法对粒子图像作边缘检测，区分出图像上的各个不同粒子像点，以粒子像点的重心作为中心点，得到粒子像点的中心位置x和y，统计粒子像点占据的像素数量作为粒子像点面积S；以粒子像点在预处理后粒子图像上对应各像素的灰度值之和作为粒子像点灰度值总和G。

(5)利用双目视觉匹配配对单个粒子在两幅图像上对应的不同灰度的粒子像点：粒子所成像点在粒子图像上的位置与相机前向角存在一定关系，根据这一关系可获得具有不同前向角两相机拍摄粒子图像上各像素对应关系，此即为双目视觉匹配关系，以此关系为基础，由(4)中所得真实粒子在一张图像上所成粒子像点的中心位置求得在另一张图像上的对应位置，中心点位于此对应位置的粒子像点便是真实粒子在另一张图像上所成的粒子像点，从而实现同一粒子在两幅图像上对应不同灰度粒子像点的配对，并扩展至整个粒子图像。

(6)根据各粒子成对的两粒子像点的不同灰度信息以及(1)中选择设定的成像系统的各个参数，得到整个流场的粒度信息：通过(1)中获得的配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数，利用公式(a)，求得粒径求解系数k，根据粒子图像上各粒子成对两粒子像点的不同灰度信息，利用基于粒子图像灰度差异的粒度求解公式(b)即可获得各个粒子的粒径大小，从而得到整个流场的粒度信息。

$\frac{K}{K_M}\frac{\mathrm{\λ}{b}^{\′2}I}{4{\mathrm{\π}}^2{d_1}^4}t=k---\left(a\right)$

$a=\frac{G_2-G_1}{k(\frac{1}{{{\mathrm{\θ}}_2}^3}-\frac{1}{{{\mathrm{\θ}}_1}^3})}---\left(b\right)$

其中：K为相机曝光能量转化为图像灰度的系数、K_M为功率当量、a为粒子直径；G₁是单个真实粒子在前向角为θ₁的相机获得的粒子图像上对应粒子像点的灰度值总和；G₂是同一真实粒子在前向角为θ₂的相机获得的粒子图像中对应粒子像点的灰度值总和。

进一步，还可包括：(7)输出粒径信息图像：将获得整个流场的粒度信息以图像的形式显示在计算机屏幕上，或由打印机输出。

本发明的有益效果：本发明根据不同前向角的粒子散射光光强有差异的特点，利用两个相机在不同前向角同时拍摄流场来获得两幅具有灰度差异的单次曝光粒子图像，单次曝光避免了两次曝光激光光强波动带来的误差；求解过程中将激光光强作为输入参数，光强的波动可以直接在粒径求解过程中体现出来，避免了粒子粒径测量的激光光强稳定性的限制；采用双相机的双目视觉匹配技术实现同一真实粒子在两幅粒子图像上对应粒子像点的精确配对，提高了粒子图像配对的准确性；利用相同光强激光片光脉冲照明下不同前向角的粒子图像灰度值相减求取粒径，最大程度地消除了系统误差影响；同一真实粒子在两幅图像上的粒子像点的灰度信息经过相同数字图像处理方法处理得到，因此各种图像处理误差在灰度值相减之下基本消除。克服了现有技术中的不足和缺陷，具有实质性特点和显著进步。

附图说明

图1是本发明一种实施例的脉冲激光照明流场的情况示意图。

具体实施方式

以下结合测量水槽流场中示踪粒子的粒径信息的实施例和附图1对本发明作进一步详细描述：

(1)由于水槽流场的流速较慢、流场内粒子较大且比较稀疏，测量分辨率要求不高，因而设定配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数如下：激光器发射的激光的波长为λ＝532nm、所用相机镜头前加装的孔板的正方形小孔的边长为b′＝14mm、激光光路与两个相机光轴的夹角即前向角分别为θ₁＝90°和θ₂＝60°、相机镜头中心至相机光轴与激光光路交点的距离d₁＝500mm、激光片光脉冲宽度即相机曝光时间t＝5ms、相机快门开启持续时间T＝10ms以及决定激光片光脉冲光强I的激光器输出功率P＝100mw；将参数数值输入计算机。

(2)配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统发射激光片光脉冲照射水槽流场，两个相机伴随激光脉冲同时进行单次曝光，获得流场的两幅具有灰度差异的粒子图像，传输至计算机。

(3)以T＝10ms拍摄未添加粒子的流场图像作为背景图像，粒子图像与背景图像上各像素灰度相减实现背景噪声降噪，以低灰度阈值与滤波处理实现粒子图像单点噪声降噪处理，不采取任何其它数字图像预处理技术，最大程度保留粒子图像原始信息。

(4)采用改进的微分算子进一步对两幅粒子图像作边缘检测，区分出各个粒子像点，以粒子像点的重心作为中心点，得到粒子像点的中心位置x和y，统计粒子像点占据的像素数量作为粒子像点面积S；以粒子像点在预处理后粒子图像上对应各像素的灰度值之和作为粒子像点灰度值总和G。

(5)以中心点位置像素替换粒子像点，采用双目视觉匹配方法，根据粒子与两个相机的空间关系，对替换后的图像作匹配，实现同一粒子在两幅粒子图像上对应不同灰度粒子像点的配对，并拓展至整个粒子图像。

(6)由(1)中获得的配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数，利用公式 $k=\frac{K}{K_M}\frac{\mathrm{\λ}{b}^{\′2}I}{4{\mathrm{\π}}^2{d_1}^4}t$ 求得粒径求解系数k值，然后根据各真实粒子的配对粒子像点的不同灰度值信息经粒径求解公式 $a=\frac{G_2-G_1}{k(\frac{1}{{{\mathrm{\θ}}_2}^3}-\frac{1}{{{\mathrm{\θ}}_1}^3})}$ 计算后得到各个粒子的粒径信息。(其中：K为相机曝光能量转化为图像灰度的系数、K_M为功率当量、a为粒子直径；G₁是单个真实粒子在前向角为θ₁的相机获得的粒子图像上对应粒子像点的灰度值总和；G₂是同一真实粒子在前向角为θ₂的相机获得的粒子图像中对应粒子像点的灰度值总和。)

(7)在计算机屏幕上显示获得的整个流场的粒子粒径分布信息或通过打印机输出。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量粒子粒径的方法，其特征在于：使用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统拍摄流场粒子图像，以激光片光脉冲照射流场，处于不同前向角的两相机同时单次曝光，获得两幅流场的具有灰度差异的粒子图像，经图像处理技术预处理后，利用双目视觉匹配实现同一粒子在两幅图像上对应两粒子像点的配对，由两粒子像点的灰度值总和经粒径求解公式得到粒子粒径大小，从而获得整个流场的粒度分布信息；

包括：

(1)设定激光器发射的激光的波长λ、所用相机镜头前加装的孔板上的正方形小孔的边长b′、激光光路与两个相机光轴的夹角即前向角θ₁和θ₂、相机镜头中心至相机光轴与激光光路交点的距离d₁、激光片光脉冲宽度即相机曝光时间t；相机快门开启的持续时间T以及决定激光片光脉冲光强I的激光器输出功率P；并将各个参数输入计算机；

(2)使用配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统发射一束激光片光脉冲照明流场，两个具有不同前向角的相机伴随激光脉冲同时进行单次曝光，获得流场的两幅具有灰度差异的单次曝光粒子图像，输入计算机；

(3)针对本发明以粒子像点灰度值总和作为粒径计算主要参数，预处理必须尽可能保留粒子像点原始信息的要求，主要采用背景噪声和单点噪声降噪处理，根据不同流场特性及实际处理要求可进一步选择采用合适的图像几何校正、平滑和元素分割数字图像处理技术中的一种或多种技术对粒子图像作预处理，改善图像质量；

(4)采用合适的算子与方法对粒子图像作边缘检测，区分出图像上的各个不同粒子像点，以粒子像点的重心作为中心点，得到粒子像点的中心位置x和y，统计粒子像点占据的像素数量作为粒子像点面积S；以粒子像点在预处理后粒子图像上对应各像素的灰度值之和作为粒子像点灰度值总和G；

(5)粒子所成像点在粒子图像上的位置与相机前向角存在一定关系，根据这一关系可获得具有不同前向角两相机拍摄粒子图像上各像素对应关系，此即为双目视觉匹配关系，以此关系为基础，由步骤(4)中所得真实粒子在一张图像上所成粒子像点的中心位置求得在另一张图像上的对应位置，中心点位于此对应位置的粒子像点便是真实粒子在另一张图像上所成的粒子像点，从而实现同一粒子在两幅图像上对应不同灰度粒子像点的配对，并扩展至整个粒子图像；

(6)通过步骤(1)中获得的配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数，利用公式(a)，求得粒径求解系数k，根据粒子图像上各粒子成对两粒子像点的不同灰度信息，利用基于粒子图像灰度差异的粒度求解公式(b)即可获得各个粒子的粒径大小a，从而得到整个流场的粒度信息；

$\frac{K}{K_M}\frac{{\mathrm{\λb}}^{\′2}I}{{4\mathrm{\π}}^2{d_1}^4}t=k---\left(a\right)$

$a=\frac{G_2-G_1}{k(\frac{1}{{{\mathrm{\θ}}_2}^3}-\frac{1}{{{\mathrm{\θ}}_1}^3})}---\left(b\right)$

其中，K为相机曝光能量转化为图像灰度的系数、K_M为功率当量、a为粒子直径；G₁是单个真实粒子在前向角为θ₁的相机获得的粒子图像上对应粒子像点的灰度值总和；G₂是同一真实粒子在前向角为θ₂的相机获得的粒子图像中对应粒子像点的灰度值总和。

2.根据权利要求1所述的测量粒子粒径的方法，其特征在于：还包括：将获得整个流场的粒子粒径信息以图像的形式显示在计算机屏幕上，或由打印机输出。

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