CN102331510B

CN102331510B - 纸浆两相流piv测量的图像处理方法

Info

Publication number: CN102331510B
Application number: CN2011101531108A
Authority: CN
Inventors: 陈克复; 曾劲松; 冯郁成; 李军; 石先成
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: CN102331510A

Abstract

本发明的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，包括：测量前标定：在纸浆纤维悬浮液中待测量的片光平面中放入标定板，运行PIV操作平台，完成测量前标定；流场中示踪粒子的布撒和流场测量：在纸浆纤维悬浮液中布撒水的示踪粒子进行流场测量，得到纸浆纤维粒子和水的示踪粒子的结合图像；对结合图像通过阈值确定并结合掩模技巧进行图像分离，分别得到纸浆纤维和水的示踪粒子的图像。本发明采用PIV这种非侵入式测量方法，得到纸桨纤维粒子和示踪粒子的多帧结合图像，通过对图像分离和处理，可以分别得到纸桨纤维粒子和示踪粒子的图像，从而得到每一相的速度流场。本发明操作简单，能比较准确的测量两相流的速度场。

Description

纸浆两相流PIV测量的图像处理方法

技术领域

本发明涉及两相流的图像处理方法，具体涉及纸浆两相流PIV测量的图像处理方法。

背景技术

目前， PIV（颗粒图像测速）测量技术是测量流场的一种非侵入式技术，是一种不干扰流场的流动特性和获得两相速度的测量技术，可以较为精确地反映瞬间流场，是目前国内比较先进的流场局部测量技术。PIV系统主要包含记录仪器、同步器、电脑、激光器及其连接的电缆和接线盒， PIV的工作原理是：一组球面和圆柱面组合透镜可将激光束展成具有一定厚度（0.1mm至几毫米）和一定光强，且分布均匀的平面光；以此照射流场某断面，便可得断面上相应流场的二维图像。为使图像清晰，在被测流场中播入示踪粒子，从而以粒子运动替代流体质点的运动。对于二维流动，通过调整平面光的位置，可使示踪粒子（是一种与流体的密度相等的粒子，具有良好的对光散射性，反应流体流动特性的粒子）在光平面内运动。记录仪器（相机或CCD相机）置于与光平面垂直的位置，用来拍摄平面流场的颗粒瞬态图像，这就是PIV系统的工作原理。

PIV测量技术如何能够较为精确地反映瞬间流场和获得两相流的速度，这与PIV测量技巧很有关系。国内外的学术报道介绍较多的是：将PIV系统作为一种测量工具，直接利用和分析PIV测量后的研究结果，但是具体应该怎么测量，怎么得到比较精确的结果报道却较少。在国内有江苏大学杨敏官（盐析液固两相流场的PIV测量方法，江苏大学学报(自然科学版), 2007, 28(4): 324-327）等人研究盐析液液固两相流场时采用在WINDOWS平台上自己开发的软件进行粒子的图像分离和处理，实现两相流流场测量，而对纸浆两相流实现图像分离和处理未见报道。

在国外，目前研究纸浆悬浮液的流场报道较多， Pettersson 和 Anders Rasmuson（LDA Measurements on a Turbulent Gas/Liquid/Fibre Suspension，LDA Laser Doppler anemometry，2004:265-274）在2004年采用了由玻璃纤维、空气和酒精组成的模型悬浮液，可以形成透明悬浮液，从而进行对纸浆悬浮液的替代测量。John A.Wiklund 和Mats Stading （A Comparative Study of UVP and LDA Techniques for Pulp Suspensions in Pipe Flow，AIChE Journal, 2006,52(2): 484-495）于2006年采用了LDA（激光多普勒测速技术）对0.74%～7.8%的纸浆悬浮液进行测量。这些测量方法都是将纸浆悬浮液作为单相流来研究，无法得到两相流的速度场。

从国内外关于PIV测量方法的报道来看，有以下几个问题：1）没有纸浆两相流的PIV测量方法的介绍。2）虽然有其他类型的两相流测量方法的介绍，但是由于纸浆纤维两相流的纸浆纤维粒子是长圆柱状，具有自己独特的特点，无法借鉴其他两相流的PIV测量方法。

发明内容

为克服现有技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，能够较好的将水的示踪粒子和纸浆纤维粒子实现图像分离，为图像进一步处理和计算提供较好的图像前处理，是最终获得较准确的两相速度流场的关键步骤。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

（1）测量前的标定：在纸浆纤维悬浮液中待测量的片光平面中放入标定板，运行PIV中的操作平台系统采集、储存数据，完成测量前的标定；

（2）流场中示踪粒子的布撒和流场测量：在纸浆纤维悬浮液流场中布撒水的示踪粒子，然后运行PIV中的操作平台进行流场测量，得到纸浆纤维粒子和水的示踪粒子的结合图像；

（3）阈值确定结合掩模技巧作为基本方法的图像分离：将上述结合图像通过阈值确定并结合掩模技巧作为基本方法进行图像分离，分别得到纸浆纤维和水的示踪粒子的图像。

所述标定板为有机玻璃尺子，比标定板要方便和简单。

掩模技巧是一种减相关法，在PIV系统的图像处理技巧中，用的较多的是减相关法中的一种差平方和法，即最小二次偏差法（MQD法）互相关算法，本发明中掩模技巧就是采用这种最小二次偏差法（MQD）定义处理区域的一个数据，将这个数据覆盖下的东西处理，它之外的区域不做处理。

所述阈值确定是利用示踪粒子与纸浆纤维粒子的尺寸相差比较大的特点，从而区分两种粒子的图像。阈值确定水的示踪粒子粒径范围为5μm～10μm，纸浆纤维粒子粒径范围为20μm～4.5mm。

为进一步实现本发明目的，所述纸浆悬浮液为低浓纸浆，其质量浓度范围小于1%，如果纸浆浓度较大，激光的强度有限，将无法透过测量的纤维悬浮液，不能完成测量。

所述实验前的标定过程是在静止的状态中进行，采用“自由运行模式和单帧拍摄模式”相结合的方法，运行PIV中的操作平台系统采集、储存数据。标定过程是为了确定测量比例和测量表面。

所述示踪粒子的布撒可以在示踪粒子布撒后采用搅拌均匀或者多处布撒等方法；同时要注意放入示踪粒子的数量，控制其浓度。其布撒后的示踪粒子均匀性和浓度是否合适，可以通过拍摄后照片的图像效果进行示踪粒子均匀性和浓度的调整。

所述流场测量时PIV中的图像采集装置与激光器是相互垂直的，放入标定板的片光表面就是激光照射出的表面，而图像采集装置拍摄的也就是这个表面。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明采用有机玻璃尺子标定的方法，操作简单，容易找到片光表面；

（2）本发明采用阈值确定的方法，对于圆球形的示踪粒子和长圆柱状的纸浆纤维粒子来说是很容易的事情，因为示踪粒子的直径为5μm～10μm，对于大多数纸浆纤维粒子来说，无论是长度和宽度都会比这大得多；而跟示踪粒子的直径差不多，或者比他小的纸浆纤维粒子是极少数，当被掩模掉时，不会影响纸浆纤维粒子的流场特性；

（3）本发明采用的掩模技巧可以很好地去除不需要的那一相的图像，这样两相之间不会或者很少给对方的图像带入噪音，可以让各自速度场的测量结果比较准确。

附图说明

图1为本发明的纸浆两相流PIV测量系统的实验室安装简图；

图2（a）为本发明的PIV记录两相流t时刻的连续图像；

图2（b）为本发明的PIV记录两相流t+△t时刻的连续图像；

图2（c）为本发明隐藏了小示踪粒子后的掩模形状图；

图2（d）为本发明采用二次方掩模方法测量大分散相粒子t时刻的位移图像；

图2（e）为本发明采用二次方掩模方法测量大分散相粒子t+△t时刻的位移图像；

图3（a）为本发明纸浆两相流PIV测量的第一帧原始图像；

图3（b）为本发明纸浆两相流PIV测量的第二帧原始图像；

图3（c）为本发明纸浆两相流PIV测量的第一帧纤维粒子图像；

图3（d）为本发明纸浆两相流PIV测量的第二帧纤维粒子图像；

图3（e）为本发明纸浆两相流PIV测量的第一帧示踪粒子图像；

图3（f）为本发明纸浆两相流PIV测量的第二帧示踪粒子图像；

图4（a）为本发明纸浆两相流PIV测量的纸浆纤维粒子的速度流场图像；

图4（b）为本发明纸浆两相流PIV测量的水示踪粒子的速度流场图像。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要求的保护的范围并不局限于实施方式中所描述的范围。

本发明的纸浆两相流PIV测量时的实验室安装简图，如图1所示：1为有机玻璃塔、 2为喷液管、3为CCD、 4为卸料器、 5为离心泵、 6为长方形进口、 7为 PC机、 8 为PIV同步器、9为激光器、10为片光、11为拍摄区域。

在PIV系统操作平台上安装Dynamic Studio软件dynamicstudio V3.0（由香港麦迪技术有限公司提供），将CCD 3、PC 7、PIV同步器8、激光器9按照PIV系统的要求连接好，在有机玻璃塔1中加入纸浆纤维悬浮液，开始进行标定。将CCD3相机盖盖上，打开激光器9，用片光10找到要测量的平面；在片光平面中放入一把有机玻璃尺子，并关闭激光，打开相机盖；运行DynamicStudio软件，新建一个数据库（Database）并切换到采集模式，运用“自由运行”模式来调焦，使相机尽可能清楚的拍到尺子（此时相机不用滤光镜）；选择单帧拍摄模式→采集图片数输入1→点击Acquire采集图片（此时激光器可以用内触发，用自然光拍摄；也可以用外触发，但相机要加上滤光片）→切换到Acquired Data（采集数据）栏→然后将数据存为标定数据；采集并存储完成后，切换到分析模式，在所得图片上点击右键→Measure Scale Factor（测量比例）→把图片中的A和B分别拖到两个刻度上→选择Absolute Distance（绝对距离）→输入A到B的距离，完成实验的标定。图片中的A和B是用来标定的任意两个刻度点。

撤走有机玻璃尺子后，在静止的纸浆悬浮液中撒入粒径为10μm的示踪粒子，利用卸料器4将其搅拌均匀，由于研究的是搅拌流场，所以很快可以达到搅拌均匀；为了形成稳定的循环过程进行拍摄，有机玻璃塔1中的纸浆悬浮液在离心泵5的抽吸下，从旋转的卸料器的长方形进口6进入，经过泵所在的管路后，通过位于上方的喷液管2返回到有机玻璃塔1中。

在设定好跨帧时间、拍摄频率、拍摄照片对的数量后，采用双帧模式，先用preview（预览）进行预拍摄，通过拍摄的图像调整激光能量和所加粒子浓度，如果拍摄图像不合格，可以增加激光能量，同时减少或者增加粒子数量。合适后再采用Acquire进行正式数据采集，首先通过相互垂直安装的CCD3和激光器9确定拍摄区域11，然后进行预览和采集，此时需要安装滤光镜，采用激光拍摄，得到纸浆纤维粒子和示踪粒子的结合图像。

对于结合图像，需要采用阈值确定和掩模技巧进行图像处理。由于拍摄的纸浆纤维粒子的平均宽度和长度分别为45μm和3.5mm，都比圆形的示踪粒子大很多，而示踪粒子的大小通常是比较均匀的，示踪粒子的直径为5μm～10μm，所以将粒径在这个范围内的粒子作为示踪粒子的图像；按照纤维分析图分析，尽管纤维粒子的平均宽度和长度分别为45μm和3.5mm，但是大多数纸浆纤维粒子的尺寸范围分布在20μm和4.5mm之间，所以将粒径在20μm至4.5mm之间的粒子图像作为纸浆纤维粒子的图像。然后采用掩模技巧进行图像分离，具体分离过程如图3a至图3f所示。

在PIV系统的图像处理技巧中，用的较多的是减相关法中的一种差平方和法，即最小二次偏差法（MQD法）互相关算法，本发明掩模技巧就是采用的这种最小二次偏差法（MQD）定义处理区域的一个数据，将这个数据覆盖下的东西处理，它之外的区域不做处理。

对PIV记录进行估计，对掩模技巧采用最小二次偏差法（MQD）进行描述如下：

（1）

为了确定在△t时间内粒子图像的位移，PIV数字记录中的窗口尺寸为（

像素）。假定选取的是两个连续的单帧，g_1、g₂分别是两帧图像的灰度值。从原理上MQA是一种跟踪计算法则，可用于PIV的双帧模式，也可用于连续的单帧。

假定A为分散相，在这里分散相为纸浆纤维粒子；B为放入小示踪粒子的连续相，连续相为水。为了分散两相的信息，将掩模（mask）叠加在像素为

的窗口上，采用以下方程进行定义：

（2）

为了只得到A相的速度分布，掩模被叠加在第一帧图像上，然后应用到方程（1），就可以得到方程（3），方程右边分母是A相所有像素的总和。

（3）

根据方程（3），只有A相窗口被追踪，而代表连续相B的粒子图像在第一帧就被掩模了，也就是被移除了。

结合图2（a）至图2（e）对掩模技巧进行详细说明。图2（a）和图2（b）分别表示在t时刻和t+△t时刻的连续图像，是采用二次偏差法得到的时间间隔为△t的两张连续图像；图像中包括了大量的示踪粒子和两个与其速度不同的分散相粒子。当选择

的二次方形式，在图2（a）和图2（b）中未被掩模的部分将受大粒子的影响，小示踪粒子图像可被当做某种噪音，所以这样形成的平均速度与大分散粒子的速度有显著不同。当小示踪粒子图像被当成噪音后，就只剩下大粒子，如图2（c）所示就是隐藏了小示踪粒子的掩模形状；图2（d）和图2（e）为二次方的掩模方法测量大分散相粒子的位移图像，这是两张时间间隔为△t的连续图像，除了少数几个示踪粒子与大分散粒子部分重合在一起，也被看做是大分散粒子的一部分，其余的被当作噪音影响在掩模中移除掉。

通过图像2（d）和2（e）可以得到大分散粒子（纸浆纤维粒子）的两帧连续图像，从而利用这两帧图像进一步经过图像处理和图像计算，就可以得到其速度流场。同理，按照这种方法也可以得到B相（示踪粒子）的速度流场。

实施例1

按照前面介绍的方法进行测量前的标定和示踪粒子的布撒后，设定跨帧时间为2000us，拍摄频率为7Hz(赫兹)、拍摄照片的数量为10对，然后采用CCD的双帧模式连续拍摄，拍摄安装图如图1所示。

实验中使用水的示踪粒子为聚酰胺粒子，密度为1.0x10³kg/m³，示踪粒子图像尺寸为5～10μm，纸浆纤维粒子的平均宽度和长度分别为45μm和3.5mm，都比圆球形的示踪粒子大很多，而示踪粒子的大小通常是比较均匀的，按照上述具体实施方式的描述，将5μm和10μm之间的粒子作为示踪粒子的图像，而将20μm和4.5mm之间的粒子图像作为纸浆纤维粒子的图像。在拍摄过程中，纤维粒子是可见的，所以可以充当自身的示踪粒子。采用阈值确定和掩摸技巧对一、二帧原图像（如图3（a）、图3（b））进行图像分离后，结合DynamicsStudio 图像平台 (由香港麦迪公司提供)的IPL软件对分离的图像分别进行腐蚀、去除异常值、prewitt 过滤、中值过滤等过程的图像处理，就得到了大尺寸的纤维粒子的一、二帧图像(如图3c和图3d)，然后用原图像减去图3（c）和图3（d）的图像就可以得到小尺寸的示踪粒子的一、二帧图像，如图3（e）和图3（f）。通过纤维粒子和示踪粒子的一、二帧图像，就可以得到图4（a）和图4（b），它们分别为纸浆纤维粒子和水的示踪粒子的速度流场。

Claims

1.纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：具体步骤为：

测量前的标定：在纸浆纤维悬浮液中待测量的片光平面中放入标定板，运行PIV中的操作平台系统采集、储存数据，完成测量前的标定；

流场中示踪粒子的布撒和流场测量：在纸浆纤维悬浮液流场中布撒水的示踪粒子，然后运行PIV中的操作平台进行流场测量，得到纸浆纤维粒子和水的示踪粒子的结合图像；

阈值确定结合掩模技巧作为基本方法的图像分离：将上述结合图像通过阈值确定并结合掩模技巧作为基本方法进行图像分离，分别得到纸浆纤维和水的示踪粒子的图像。

2.根据权利要求1所述的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：所述标定板为有机玻璃尺子。

3.根据权利要求1或2所述的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：所述掩模技巧采用最小二次偏差法。

4.根据权利要求3所述的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：所述阈值确定水的示踪粒子粒径范围为5μm～10μm，纸浆纤维粒子粒径范围为20μm～4.5mm。

5.根据权利要求4所述的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：所述流场测量时PIV中的操作平台的图像采集装置与激光器相互垂直。

6.根据权利要求5所述的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：所述纸浆悬浮液为低浓纸浆，其质量浓度小于1％。

7.根据权利要求6所述的纸浆两相流PIV测量的图像处理方法，其特征在于：所述测量前的标定在静止状态中进行，采用“自由运行模式和单帧拍摄模式”相结合的方法。