CN102288522A

CN102288522A - 基于数字图像技术的泥沙颗粒分析装置及分析方法

Info

Publication number: CN102288522A
Application number: CN2011101811289A
Authority: CN
Inventors: 唐洪武; 刘云; 肖洋; 唐立模
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析装置，包括采集箱体、图像采集单元、泥沙颗粒分析系统；其中图像采集单元设置在采集箱体中，用于采集泥沙样品的图像；所述泥沙颗粒分析系统包括输入模块、图像预处理模块、图像二值化模块、边缘检测及轮廓提取模块、统计输出模块。本发明还公开了一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析方法，通过摄像机采集泥沙颗粒样品图像，然后对图像进行预处理、二值化、边缘轮廓提取，计算出每个颗粒的投影面积，根据等效投影面积得出每个颗粒的粒径，进而得到一系列颗粒信息，实现了泥沙颗粒特征参量的快速测量。

Description

基于数字图像技术的泥沙颗粒分析装置及分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析装置及分析方法，属于粉体测试技术领域。

背景技术

水位、流量、泥沙是水文测量的三大基本要素。当前，水位、流量的测验通过引进新的设备，已取得一定的成效，但河流泥沙颗粒的测验依然应用传统方法。随着社会经济的快速发展，河流泥沙治理开发的任务愈来愈重，对水文工作的要求也愈来愈高。无论是防洪、水资源统一管理，还是生态环境的建设，都需要水文信息的快速、准确、及时，泥沙颗粒分析工作更是如此。传统的泥沙颗粒级配测量方法操作过程繁琐、费工费时，生产周期长、不能满足在短时间内完成大批量泥沙颗粒级配测量任务的需要，并严重制约了水文测验技术向数字化、信息化发展的步伐。为了提高泥沙颗粒级配测量技术的科技含量和水文测验市场的竞争力，需要探求能替代传统方法测量泥沙颗粒级配的新技术。

数字图像检测的基础是数字图像采集和数字图像处理部分，随着其它学科如光学镜头、CCD器件、CMOS图像传感器等的发展，以及数字图像处理理论中各种算法的改进与完善，使得基于数字图像检测的技术应用越来越广，在很多领域，数字图像检测的应用极大的改进了检测系统的准确性与速度性，能够提高检测的速度与准确性，减少了检测的不确定度。

数字图像检测技术的发展为基于数字图像处理的颗粒分析提供了可能，利用图像处理技术可以对颗粒进行亚微米甚至纳米程度上的结构观测，定量的分析颗粒性质，提取颗粒结构的各种有用信息。传统的颗粒检测方法存在着准确度低，可重复性差，速度慢等缺点。通过采用数字图像处理的方法可以大幅度提高速度，减少所用时间，提高准确性，可进行极窄级别的精细粒度分析，并且通过软件分析可以实现各种参数的实时分析，图像曲线显示，存储打印等各种功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中传统的泥沙颗粒级配测量方法的缺陷，提出一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析方法及分析装置，可快速而准确的对颗粒进行统计和分析，提高了工作效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析装置，包括采集箱体、图像采集单元、泥沙颗粒分析系统；其中图像采集单元设置在采集箱体中，用于采集泥沙样品的图像；所述泥沙颗粒分析系统包括输入模块、图像预处理模块、图像二值化模块、边缘检测及轮廓提取模块、统计输出模块；

其中，图像采集单元将采集到的泥沙样品图像由输入模块发送至图像预处理模块，图像预处理模块对图像进行预处理后发送至图像二值化模块，图像二值化模块对预处理后的图像进行二值化操作后发送至边缘检测及轮廓提取模块，边缘检测及轮廓提取模块对图像进行边缘检测、轮廓提取后得到泥沙颗粒的各项特征参数，然后发送至统计输出模块进行数据统计和输出显示。

进一步的，本发明的一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析装置，所述图像采集单元包括摄像机和光源，其中所述摄像机固定在采集箱体的侧壁上，所述光源包括两个灯管，分别平行设置在采集箱体的两侧壁上。

本发明还提供一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析方法，包括如下步骤：

步骤101，采集泥沙颗粒图像，并对颗粒图像进行预处理；

步骤102，利用阈值分割方法进行阈值分割得到泥沙颗粒的二值图像；

步骤103，对颗粒进行边缘检测，通过对目标颗粒进行递归法标号统计得到泥沙颗粒的边缘轮廓信息；

所述递归法具体分步骤为：

A、扫描图像，当遇到一个颗粒像素，对其进行八链码区域扫描，直至形成封闭区域；

B、将步骤A形成的封闭区域内的像素均赋予同一个标号N；

C、继续扫描，当形成第二个封闭区域后，对这个区域内的像素均赋予一个新的标号N+1；

D、继续扫描，依此类推，直至扫描完图像中的所有颗粒像素，最后最大的标号就代表着图像中颗粒的数目；

E、分别统计每个标号的像素数，得到每个颗粒所占的像素数；

步骤104，将像素点总数乘以单个像素点所对应的实际面积，得到每一个泥沙颗粒的投影面积A；对图像的边缘像素进行统计，再乘以单个像素点的长度，得到每一个泥沙颗粒的投影轮廓周长

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE002

；

步骤105，根据泥沙颗粒的投影面积A，采用下式得到泥沙颗粒的等效圆直径D，

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE004

步骤106，通过对泥沙颗粒进行边缘跟踪，找出最长两点间的距离，得到所测泥沙颗粒对象的长径

，记下这两个边缘点坐标；

步骤107，将颗粒图像中与长径接近垂直的轴当中最长的轴作为所测泥沙颗粒对象的短径B；

步骤108，以等效圆直径D为横坐标，以小于等于等效圆直径D的颗粒占颗粒总质量的百分比为纵坐标，做出级配曲线；

步骤109，根据所测泥沙颗粒的投影面积A、投影轮廓周长，得到其圆形度

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE008

：

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE010

步骤110，根据泥沙颗粒的短径

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE012

、长径得到泥沙颗粒的形状系数SF：

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE014

步骤111，将以上步骤得到的数据及统计结果输出。

进一步的，本发明的一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析方法，步骤101所述预处理包括选择图像区域、剪切合并图像、放大缩小和平移图像、图像增强处理；所述图像增强处理包括调节图像对比度和亮度、图像的平滑和锐化。

进一步的，本发明的一种基于数字图像技术的泥沙颗粒分析方法，步骤102所述阈值分割方法包括改进的灰度直方图分析法以及Otsu自适应阈值分割法。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用摄像机获取泥沙颗粒图像，通过优化图像处理技术，结合图像分割技术和八链码递归扫描法获得了泥沙颗粒的粒径、累积频率、形状系数、圆度等参量，实现了泥沙颗粒特征参量的快速测量。

附图说明

图1是本发明的泥沙颗粒分析装置结构图。

图2是本发明的泥沙颗粒分析系统工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计的装置如图1所示，由采集箱体、图像采集单元、泥沙颗粒分析系统组成。其中图像采集单元设置在采集箱体中，用于采集泥沙样品的图像；泥沙颗粒分析系统包括输入模块、图像预处理模块、图像二值化模块、边缘检测及轮廓提取模块、统计输出模块。

实施例：

采集箱体的外壳部分由有机玻璃做成，长36cm，宽32cm，高30cm，在右侧下方有1cm开槽，泥沙样品托盘由此处放进拍摄区域；光源为两根10W的日光灯，长为36cm，平行分布在两侧，经反复调试，将光源放置在距离装置最下方18cm处，这个位置能保证颗粒图像没有阴影，拍摄效果较好。摄像机为PENTAX CCD 数字相机，由固定在装置中间的侧板固定，侧板上钻有小孔5个，间隔2cm，实现摄像机的上下移动及固定。本装置采用的灯管长度较长，覆盖了拍摄区域，且平行分布在两侧，一定程度上解决了光照不均的现象。

泥沙颗粒分析系统能实现对泥沙颗粒图像进行变换和处理，实现图像分割和目标参数测量分析、结果打印输出等功能。

泥沙颗粒分析系统主要由输入模块、图像预处理模块、泥沙颗粒检测模块、统计输出模块四大部分组成，如图2所示。

(1) 输入模块：

包括图像输入、图像保存和系统退出四项功能；输入的图像可以是256色或32位真彩色图像。

(2) 图像预处理模块：

图像的预处理包括选择区域、剪切、合并图像、图像的放大缩小和平移。在图像打开后可进行图像增强处理，包括调节对比度和亮度、图像的平滑和锐化等处理。

(3) 泥沙颗粒检测模块包括图像二值化模块、边缘检测及轮廓提取模块：

1) 图像二值化模块

对于图像的二值化，根据泥沙颗粒图像的特点，采用了两种阈值分割方法，一种是改进的灰度直方图分析法，一种是Otsu自适应阈值分割法。

2) 边缘检测及轮廓提取模块：

主要完成颗粒的编号，同时完成颗粒的形貌分析，提取颗粒的各项特征参数。

(4) 统计输出模块：

统计输出模块主要是泥沙颗粒各种参数的显示和一些统计结果的显示，如颗粒粒度分布，特征粒径等；另外还可将测得的数据及统计结果以txt或excel格式导出并保存供后续处理。

本发明的泥沙颗粒分析方法如下：

在样本托盘上放一张干净的白纸，仔细将泥沙颗粒分散在白纸上，尽量避免颗粒重叠在一起放入拍摄区域。在放置好泥沙颗粒以后，调整摄像机焦距使得泥沙颗粒图像清晰，采集泥沙颗粒图像并进行处理。为得到泥沙颗粒的实际尺寸需要对本装置进行标定，选用固定大小的规则目标物，目标物为变长 5cm*5cm 的正方形，调整并固定摄像头进行拍摄，将拍摄的图像保存，打开拍摄的标定目标物，通过鼠标选定正方形的对角线两点就能得到这两点的以像素为单位的坐标A(x₁, y₁)，B(x₂, y₂)，则转换公式为：

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE018

为1个像素对应的实际毫米单位长度。

采集泥沙颗粒图像，对颗粒图像进行增强提高图片质量，之后利用改进的阈值分割方法进行阈值分割得到泥沙颗粒的二值图像。为了得到颗粒的周长面积等相关信息，需要对颗粒进行边缘检测，经典边缘检测算子在抗噪声干扰方面存在不足，针对泥沙颗粒图像特点，在得到泥沙颗粒的二值图像后，通过对目标颗粒进行递归法标号统计得到泥沙颗粒的边缘轮廓信息，实现边缘检测。递归法的思想是扫描图像，遇到一个颗粒像素，对它进行八链码区域扫描，直至形成封闭区域，这个区域内的像素为同一个编号，然后跳出后继续扫描，遇到第二个封闭区域后，对这个区域内的像素赋予一个新的编号，依此类推，最后最大的编号就代表着图像中颗粒的数目。分别统计每个标号的像素数，就代表了每个颗粒所占的像素数。

泥沙颗粒特征参量分析表示如下：

(1) 面积

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE020

二值图像中的颗粒的面积

，即为单个目标颗粒所占像素点数目的总和。对相同标号的对象进行统计，得到每个对象的像素点的总和，将像素点总数乘以单个像素点所对应的实际面积，即可得到每一个泥沙颗粒实际的面积。

(2) 周长

颗粒的周长

，就是围绕其边界像素的长度。对图像的边缘像素进行统计，再乘以单个像素点的长度，所得就是图像的周长。

(3) 等效圆直径

Figure 2011101811289100002DEST_PATH_IMAGE022

表示与颗粒投影面积相等的圆的直径，如下

(4) 长径

、短径

通过对泥沙颗粒进行边缘跟踪，找出最长两点间的距离，即为所测泥沙颗粒对象的长轴，记下这两个边缘点坐标。

颗粒的长径与短径要求是垂直的，而在颗粒图像中两弦绝对垂直的情况很少。本文在求短径时是找出与长径接近垂直的轴当中最长的轴作为短径B。

(5) 粒度分布（级配曲线）

以粒径为横坐标，以小于粒径

的百分比为纵坐标，做出级配曲线。

(6) 圆形度

式中，

表示目标颗粒的圆形度，

为颗粒投影面积，为颗粒投影轮廓的周长，

值越大，表明颗粒越接近圆形。

圆形度

表示颗粒的投影和圆接近的程度。在图像法中，它是通过颗粒的投影面积和颗粒投影的轮廓而得到，该指数在粒度测定的图像分析中有着广泛的应用且颗粒投影面积和颗粒的周长是最直接，最容易测量的参数。

(7) 形状系数

对于泥沙颗粒的二维投影，形状系数SF表示为短径与长径之比。

式中：

为短径，

为泥沙颗粒的长径。

本发明通过CCD摄像机、图像采集卡等图像采集的硬件装置进行图像采集得到泥沙颗粒的图像，将其转化为数字量后，输入计算机，由计算机对这些图像进行边缘轮廓提取，计算出每个颗粒的投影面积，根据等效投影面积得出每个颗粒的粒径，从而得到一系列颗粒信息，如等面积圆、等效短径、粒度分布，且能直接观察颗粒状况、粒度范围。另外还可用来观察和测试颗粒的形貌，同时完成了颗粒的大小和形态的测量，配套使用光学显微镜或者电子显微镜，可以对泥沙表面微结构有更详尽的了解。