CN105181538A - 带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪及方法，X轴移动机构和Y轴移动机构分别以横向和纵向的方式安装在显微镜载物台上，Z轴移动机构安装在镜架上；CCD相机安装在显微镜的第三目位置上，其数据线连接至计算机；步骤为：通过计算机控制显微镜载物台在X、Y、Z三方向的移动，实时判断图像的清晰度实现自动对焦；对图像进行拼接形成全景图像进行分析，实现颗粒图像分析；计算机控制平台X、Y轴移动对图片进行多线程分析，对全景图像进行单独快速分析。本发明解决了手动显微镜带来的不足，提高了测量精度，改善了图像清晰度，解决了分析视场范围有限的问题，实现图像的实时自动对焦，保证图像时刻都是最清晰的。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态颗粒图像粒度分析技术，具体的说是一种带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪及方法。
背景技术
以往的显微图像颗粒粒度粒形分析仪都是在传统的显微镜下，需要人为去移动显微平台来捕捉颗粒图像信息，非常繁琐，而且人为因素的干扰对测量结果的精度影响较大。显微物镜的视场有限，对于放大后超出视场范围的大颗粒无法分析，影响了仪器单物镜倍数下的测量动态范围。如不具备扫描拼接功能的20倍物镜，分析的粒径范围仅仅为1-100微米，不具备扫描功能的显微颗粒分析仪测试10000个颗粒大概要几十分钟，并且颗粒的清晰度需要人为手动的去对焦，精度不够，不具备实时对焦功能，图像清晰度差、分析视场范围有限的问题。
发明内容
针对现有技术中显微图像颗粒粒度粒形分析仪精度低、图像清晰度差、不具备实时对焦功能等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪，具有三目显微镜和载物台，还包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构以及CCD相机，其中X轴移动机构和Y轴移动机构分别以横向和纵向的方式安装在显微镜载物台上，Z轴移动机构安装在镜架上；CCD相机安装在显微镜的第三目位置上，其数据线连接至计算机。
所述载物台具有三层结构，原有载物台在底层，与镜架转动连接，在底层上方加装了中层和顶层，Y轴移动机构中的丝杠安装在中层的下端面上，丝杠端部与一步进电机输出轴连接，丝母与底层固定连接；X轴移动机构中的丝杠安装在中层的端面上，丝杠端部与另一步进电机输出轴连接，丝母与上层固定连接，上层上设有压片夹；底层与中层、中层与顶层之间设有导轨；Z轴移动机构安装在镜架上，通过第三步进电机驱动；三层结构共同作为一个整体，沿Z轴移动机构上下运动，进行焦距调整。
本发明带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法包括以下步骤：
通过计算机控制显微镜载物台在X、Y、Z三方向的移动；
计算机控制载物台Z轴移动机构上下移动，实时判断图像的清晰度，实现自动对焦功能；
对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接，形成一幅全区域范围的全景图像；
在二维平面内的全区域扫描，对全景图像进行分析，实现快速的、大量的颗粒图像分析。
计算机控制平台X、Y轴移动，在二维平面内的全区域进行扫描，扫描过程中对实时图片进行多线程分析；
扫描结束后拼接成全景大图像，再对全景图像进行单独快速分析；
扫描过程的多线程分析结果和全景图像的分析结果合为一个结果，实现了快速的、大量的颗粒图像分析。
计算机控制载物台Z轴移动机构上下移动，实时判断图像的清晰度，实现自动对焦功能包括以下步骤：
控制Z轴移动机构复位到顶点；
向下移动到最低点；
计算每张图像的清晰度，并移动到最清晰图像的坐标位置；
一次向上移动M个步长，再向下移动N次，每次一个步长，每移动一次拍摄图像，记录每个图像的坐标；N≤10，M≤100；
向下移动一个步长N次；
再次计算每张图像的清晰度，并移动到最清晰图像的坐标位置；
一次自动对焦过程结束。
对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接包括以下步骤：
计算图像的当前坐标，如果没有到达预先设置的终点，则移动载物台，拍摄多个图像；
拼接左、右相邻两张图像，直到一行图像拼接完成；
换行，拼接上、下两行图像；
返回计算图像的当前坐标步骤；
如果未抵达预先设置的终点，则接续移动载物台，拍摄多个图像步骤；
反之，如果抵达预先设置的终点，一次拼接过程结束。
扫描过程中对实时图片进行多线程分析包括以下步骤：
将采集到的图像保存到图像队列；
读取一组图像，对该组图像中的每个图像同时启动图像分析线程；
该组图像分析完成后，到图像队列中读取下一组图像，再同时启动图像分析线程，直到全部图像分析完成，结束。
对全景图像进行单独快速分析包括以下步骤：
将拼接后的全景图像由硬盘存储区载入到软件内存中；
将拼接后的全景图像进行二值化处理得到黑白图像，其中颗粒为黑色，背景为白色；
建立链表，用于存放颗粒边缘像素的信息，并对链表初始化；
扫描一行图像，找到黑色段；
如果链表不为空，则取一条段线，与链表的每个节点中上一行线段进行比较；
连通节点个数，如果连通节点个数大于1，将连通的所有节点合并，将线段加入到合并后的节点，回到取一条线段步骤；
如果没有取到线段，则返回扫描一行图像步骤；
如果已到图像终点，则求各个节点中线段长度之和，得到颗粒像素面积，一次全景图像分析过程结束。
如果连通节点个数等于1，则将线段加入到连通节点，接至取一条线段步骤。
如果通节点个数为0，则线段作为新增节点存入链表，返回取一条线段步骤。
如果链表为空，则每条线段作为新增节点存入链表，返回扫描一行图像步骤。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明将X、Y、Z三方向可以控制自动移动平台的显微镜应用到颗粒的粒度粒形分析系统中，很好的解决了手动显微镜带来的不足，提高了测量精度，改善了图像清晰度，解决了分析视场范围有限的问题；控制平台Z轴上下移动可以实现自动对焦功能，而且软件可以实时判断图像的清晰度，从而实现图像的实时自动对焦，保证图像时刻都是最清晰的。
2.本发明计算机控制平台X、Y轴移动，可以实现二维平面内的全区域扫描，从而实现快速的、大量的颗粒图像进行分析，提高了代表性，同时可以对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接，形成一幅全区域范围的全景图像，然后再对全景图像进行分析，可以很好的扩大单物镜下的颗粒粒径分析范围，如不具备扫描拼接功能的20倍物镜，分析的粒径范围是1-100微米，那么具备扫描拼接功能后，粒径的分析范围可以扩大到1-50000微米。
3.本发明方法结合多线程的快速颗粒识别软件技术，大大的提高了分析速度，如不具备扫描功能的显微颗粒分析仪测试10000个颗粒大概要几十分钟，而具备扫描功能后分析10000个颗粒只需要2-3分钟。
4.本发明在对颗粒测量时，从准确性、重复性、测量精度、分辨率、测量时间上都有非常大的提高，是以往显微图像颗粒分析仪不能比拟的。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图4为本发明方法中图像对焦程序流程图；
图5为本发明方法中图像拼接程序流程图；
图3为本发明方法中快速分析程序流程图；
图2为本发明方法中多线程分析程序流程图。
其中，1为显微镜，2为Z轴移动机构，3为Y轴移动机构，4为X轴移动机构，5为CCD相机，6为计算机。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪，具有三目显微镜，载物台以可移动方式安装在镜架上，还包括X轴移动机构4、Y轴移动机构3、Z轴移动机构2以及CCD相机5，其中X轴移动机构4和Y轴移动机构3分别以横向和纵向的方式安装在显微镜1的载物台上，Z轴移动机构2安装在镜架上；CCD相机5安装在显微镜的第三目位置上，其数据线连接至计算机6。
所述载物台具有三层结构，原有载物台在底层，与镜架转动连接，在底层上方加装了中层和顶层，Y轴移动机构3中的丝杠安装在中层的下端面上，丝杠端部与一步进电机输出轴连接，丝母与底层固定连接；X轴移动机构4中的丝杠安装在中层的端面上，丝杠端部与另一步进电机输出轴连接，丝母与上层固定连接，上层上设有压片夹；底层与中层、中层与顶层之间设有导轨；Z轴移动机构2安装在镜架上，通过第三步进电机驱动；三层结构共同作为一个整体，沿Z轴移动机构2上下运动，进行焦距调整。
本实施例中，Z轴移动机构2沿用原有的斜齿轮齿条，原有显微镜的两个对称手轮，其中一个更换为步进电机驱动Z轴移动机构2的齿轮传送机构上下运动，进行焦距调整。X、Y、Z三个方向行程的极限位置处安装有限位开关。
底层与中层、中层与顶层之间的导轨采用交叉滚柱导轨，特点是无间隙，高刚性，低摩擦。
本发明将具有X、Y、Z三方向可以控制自动移动平台的显微镜应用到颗粒的粒度粒形分析系统中来，、很好的解决了手动显微镜测量精度低、图像清晰度差、分析视场范围有限的问题。
本发明带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法包括以下步骤：
通过计算机控制显微镜载物台在X、Y、Z三方向的移动；
计算机控制载物台Z轴移动机构上下移动，实时判断图像的清晰度，实现自动对焦功能；
对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接，形成一幅全区域范围的全景图像；
在二维平面内的全区域扫描，对全景图像进行分析，实现快速的、大量的颗粒图像分析。
计算机控制平台X、Y轴移动，在二维平面内的全区域进行扫描，扫描过程中对实时图片进行多线程分析；
扫描结束后拼接成全景大图像，再对全景图像进行单独快速分析；
扫描过程的多线程分析结果和全景图像的分析结果合为一个结果，实现了快速的、大量的颗粒图像分析。
本实施例中，计算机软件控制显微镜载物台的X、Y、Z三方向的移动，移动精度可以到达微米以下(<1微米)。
计算机控制平台Z轴上下移动可以实现自动对焦功能，而且软件可以实时判断图像的清晰度，从而实现图像的实时自动对焦，保证图像时刻都是最清晰的。计算机控制载物台Z轴移动机构上下移动，实时判断图像的清晰度，实现自动对焦功能如图2所示，包括以下步骤：
控制Z轴移动机构复位到顶点；
向下移动到最低点；
计算每张图像的清晰度，并移动到最清晰图像的坐标位置；
一次向上移动M个步长，再向下移动N次，每次一个步长，每移动一次拍摄图像，记录每个图像的坐标；N≤10，M≤100；
向下移动一个步长N次；
再次计算每张图像的清晰度，并移动到最清晰图像的坐标位置；
一次自动对焦过程结束。
本发明方法可以对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接，形成一幅全区域范围的全景图像，然后再对全景图像进行分析，可以很好的扩大单物镜下的颗粒粒径分析范围，如不具备扫描拼接功能的20倍物镜，分析的粒径范围是1-100微米，那么具备扫描拼接功能后，粒径的分析范围可以扩大到1-50000微米。对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接如图3所示，包括以下步骤：
计算图像的当前坐标，如果没有到达预先设置的终点，则移动载物台，拍摄多个图像；
拼接左、右相邻两张图像，直到一行图像拼接完成；
换行，拼接上、下两行图像；
返回计算图像的当前坐标步骤；
如果未抵达预先设置的终点，则接续移动载物台，拍摄多个图像步骤；
反之，如果抵达预先设置的终点，一次拼接过程结束。
对全景图像进行单独快速分析如图4所示，包括以下步骤：
将拼接后的全景图像由硬盘存储区载入到软件内存中；
将拼接后的全景图像进行二值化处理得到黑白图像，其中颗粒为黑色，背景为白色；
建立链表，用于存放颗粒边缘像素的信息，并对链表初始化；
扫描一行图像，找到黑色段；
如果链表不为空，则取一条段线，与链表的每个节点中上一行线段进行比较；
连通节点个数，如果连通节点个数大于1，将连通的所有节点合并，将线段加入到合并后的节点，回到取一条线段步骤；
如果没有取到线段，则返回扫描一行图像步骤；
如果已到图像终点，则求各个节点中线段长度之和，得到颗粒像素面积，一次全景图像分析过程结束。
如果连通节点个数等于1，则将线段加入到连通节点，接至取一条线段步骤。
如果通节点个数为0，则线段作为新增节点存入链表，返回取一条线段步骤。
如果链表为空，则每条线段作为新增节点存入链表，返回扫描一行图像步骤。
结合多线程的快速颗粒识别软件技术，大大的提高了分析速度，如不具备扫描功能的显微颗粒分析仪测试10000个颗粒大概要几十分钟，而具备扫描功能后分析10000个颗粒只需要2-3分钟。
扫描过程中对实时图片进行多线程分析如图5所示，包括以下步骤：
将采集到的图像保存到图像队列；
读取一组图像，对该组图像中的每个图像同时启动图像分析线程；
该组图像分析完成后，到图像队列中读取下一组图像，再同时启动图像分析线程，直到全部图像分析完成，结束。
本发明方法在扫描过程中对实时图片进行多线程分析、拼接成全景大图像、对全景大图像分析、把扫描过程的多线程分析结果和全景图像的分析结果合为一个结果，这样就实现了快速的、大量的颗粒图像分析，并扩大了分析颗粒的粒度范围。
Claims (10)
1.一种带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪，具有三目显微镜和载物台，其特征在于：还包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构以及CCD相机，其中X轴移动机构和Y轴移动机构分别以横向和纵向的方式安装在显微镜载物台上，Z轴移动机构安装在镜架上；CCD相机安装在显微镜的第三目位置上，其数据线连接至计算机。
2.按权利要求1所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪，其特征在于：所述载物台具有三层结构，原有载物台在底层，与镜架转动连接，在底层上方加装了中层和顶层，Y轴移动机构中的丝杠安装在中层的下端面上，丝杠端部与一步进电机输出轴连接，丝母与底层固定连接；X轴移动机构中的丝杠安装在中层的端面上，丝杠端部与另一步进电机输出轴连接，丝母与上层固定连接，上层上设有压片夹；底层与中层、中层与顶层之间设有导轨；Z轴移动机构安装在镜架上，通过第三步进电机驱动；三层结构共同作为一个整体，沿Z轴移动机构上下运动，进行焦距调整。
3.一种带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于包括以下步骤：
通过计算机控制显微镜载物台在X、Y、Z三方向的移动；
计算机控制载物台Z轴移动机构上下移动，实时判断图像的清晰度，实现自动对焦功能；
对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接，形成一幅全区域范围的全景图像；
在二维平面内的全区域扫描，对全景图像进行分析，实现快速的、大量的颗粒图像分析。
计算机控制平台X、Y轴移动，在二维平面内的全区域进行扫描，扫描过程中对实时图片进行多线程分析；
扫描结束后拼接成全景大图像，再对全景图像进行单独快速分析；
扫描过程的多线程分析结果和全景图像的分析结果合为一个结果，实现了快速的、大量的颗粒图像分析。
4.按权利要求3所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于：计算机控制载物台Z轴移动机构上下移动，实时判断图像的清晰度，实现自动对焦功能包括以下步骤：
控制Z轴移动机构复位到顶点；
向下移动到最低点；
计算每张图像的清晰度，并移动到最清晰图像的坐标位置；
一次向上移动M个步长，再向下移动N次，每次一个步长，每移动一次拍摄图像，记录每个图像的坐标；N≤10，M≤100；
向下移动一个步长N次；
再次计算每张图像的清晰度，并移动到最清晰图像的坐标位置；
一次自动对焦过程结束。
5.按权利要求3所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于对X、Y轴自动移动时拍摄的图像进行拼接包括以下步骤：
计算图像的当前坐标，如果没有到达预先设置的终点，则移动载物台，拍摄多个图像；
拼接左、右相邻两张图像，直到一行图像拼接完成；
换行，拼接上、下两行图像；
返回计算图像的当前坐标步骤；
如果未抵达预先设置的终点，则接续移动载物台，拍摄多个图像步骤；
反之，如果抵达预先设置的终点，一次拼接过程结束。
6.按权利要求3所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于扫描过程中对实时图片进行多线程分析包括以下步骤：
将采集到的图像保存到图像队列；
读取一组图像，对该组图像中的每个图像同时启动图像分析线程；
该组图像分析完成后，到图像队列中读取下一组图像，再同时启动图像分析线程，直到全部图像分析完成，结束。
7.按权利要求3所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于对全景图像进行单独快速分析包括以下步骤：
将拼接后的全景图像由硬盘存储区载入到软件内存中；
将拼接后的全景图像进行二值化处理得到黑白图像，其中颗粒为黑色，背景为白色；
建立链表，用于存放颗粒边缘像素的信息，并对链表初始化；
扫描一行图像，找到黑色段；
如果链表不为空，则取一条段线，与链表的每个节点中上一行线段进行比较；
连通节点个数，如果连通节点个数大于1，将连通的所有节点合并，将线段加入到合并后的节点，回到取一条线段步骤；
如果没有取到线段，则返回扫描一行图像步骤；
如果已到图像终点，则求各个节点中线段长度之和，得到颗粒像素面积，一次全景图像分析过程结束。
8.按权利要求7所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于：
如果连通节点个数等于1，则将线段加入到连通节点，接至取一条线段步骤。
9.按权利要求7所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于：如果通节点个数为0，则线段作为新增节点存入链表，返回取一条线段步骤。
10.按权利要求7所述的带有扫描、拼接的动态颗粒图像粒度粒形分析仪控制方法，其特征在于：如果链表为空，则每条线段作为新增节点存入链表，返回扫描一行图像步骤。
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