CN106290360A - 一种水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置及方法，装置包括可调式潜水机构、竖向伸缩机构、横向伸缩机构、监测机构、计算机；可调式潜水机构通过竖向伸缩机构与横向伸缩机构呈“工”字型连接在一起，横向伸缩机构两端底部均固定设置有监测机构；可调式潜水机构、竖向伸缩机构、横向伸缩机构、监测机构均通过导线与计算机连接通信。本发明可以利用多个该装置组成阵列，分布在水体中不同高度的不同位置，可以同时对水体内不同位置的凝聚态物质演变进行监测,建立区域水体状态微观层面的预警和干预机制；与传统的测量方法相比，提高了精度。

Description

一种水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置及方法

技术领域

本发明属于水的凝聚态结构演变监测技术领域，具体涉及一种远程水体中的凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别的无人潜水装置及方法。

背景技术

普通水体不是纯物质,而是存在各种物质的动态凝聚过程,一般包括晶核的成核过程和不断长大的过程。天空中的云、雾、雨、燃烧生成的烟，水体中冰的结晶，一些化学反应过程中新物质的形成，均为成核现象。成核是相变初始时的“孕育阶段”，也即生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。之后,晶核不断长大形成晶体。目前对流体中的凝聚态结构演变规律的监测主要采用以小试样测量的实验室测量，但这种方法不适用于现场测试,效率较低，精度较低，并且误差大,测量结果往往不能反映现实环境流体中的动态凝聚规律,不能及时对有害物生成产生最早期微观层面的预警和干预。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种远程水体中的凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别的无人潜水装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种水体凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别的无人潜水装置，其特征在于：包括可调式潜水机构、竖向伸缩机构、横向伸缩机构、监测机构、计算机；所述可调式潜水机构通过竖向伸缩机构与所述横向伸缩机构呈“工”字型连接在一起，所述横向伸缩机构两端底部均固定设置有所述监测机构；所述可调式潜水机构、竖向伸缩机构、横向伸缩机构、监测机构均通过导线与所述计算机连接通信。

作为优选，所述横向伸缩机构为两组，成“十”字型固定装安装在一起。

作为优选，所述监测机构包括PVC套筒、照明机构、防水镜头、微型温度计、信号传输导线；所述PVC套筒上顶面密封，其内侧壁上设置有若干照明机构、防水镜头、微型温度计，所述照明机构、防水镜头、微型温度计均通过所述信号传输导线和计算机连接通信。

作为优选，所述微型温度计与防水镜头一一配对设置，位置等高；防水镜头一方面具有防水功能，可以避免外界流体对镜头内部的影响；另一方面该镜头为电子显微镜头，具有足够大的放大倍数，可以保证拍到流体的凝聚态结构及其变化过程。

作为优选，所述PVC套筒顶部两侧设置有排气孔，在对液体的凝聚态结构进行监测时，可以保证装置顺利沉入液体之中。

作为优选，所述PVC套筒的底部设置有铅锤，一方面可以确保该装置保持水平，另一方面可以增加该装置的重量，使其更容易沉入流体之中。

作为优选，所述照明机构为LED白光灯。

作为优选，所述PVC套筒中心还设置有一实心套筒，所述实心套筒外侧壁上设置有若干照明机构、微型温度计，所述照明机构、微型温度计均通过所述信号传输导线和计算机连接通信。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种水体凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据微距微观视频图像采集的最优确定值，利用计算机调整竖向伸缩机构、横向伸缩机构的伸出长度和照明机构的亮度，利用防水镜头对不同温度水的凝聚状态进行微距微观拍摄成像，并记录此时每个防水镜头旁边微型温度计的示数，然后，将原始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰度图像；

步骤2：二值化微距微观视频灰度图像，然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理，得到流体中晶体核的轮廓；

步骤3：根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数，并且建立该形态学参数与温度的对应关系；

步骤4：建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系，根据事先设置的凝聚态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值；

步骤5：在对流体进行监测的过程中，当监测的温度与温度阈值相差大于预设值时，采集此时的凝聚状态图像；

步骤6：输入待监测流体的原始真彩微距微观视频图像，经过步骤1-3处理得到晶体核的形态学参数，然后，将其与形态学参数临界值比较，如果大于阈值，立即建立微观层面预警机制，并根据其成长状态，实施即时干预机制，在微观层面及时采取有效措施阻止有害物质的凝聚。

作为优选，步骤3中所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t；所述晶体核的形态学参数与温度T(℃)的对应关系为：

$r=k_1{e}^{k_{2}T}$

$t=k_3{e}^{k_{4}T}$

其中：k₁，k₂，k₃和k₄均为常数；

步骤4中所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为：

c＝k₅πr²/t

其中：k₅为常数。

本发明的优点是：

1、该一种无人远程水体中凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别方法和装置,一方面可以对水体中凝聚态结构发展进行远程快速监测，另一方面能得到待监测水体中凝聚态结构的实时演变规律。与传统的测量方法相比，提高了精度；

2、设置了凝聚态浓度阈值和形状参数阈值，建立微观层面预警机制，并进一步在微观层面建立干预机制,及时采取有效措施阻止有害物质的凝聚；

3、可以调节LED白光灯灯光的强弱，进而调高采集图像的质量；

4、可以利用多个该装置组成阵列，分布在水体中不同高度的不同位置，可以同时对水体内不同位置的凝聚态物质演变进行监测,建立区域水体状态微观层面的预警和干预机制。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图；

图2为本发明实施例的监测机构的放大图；

图3为本发明实施例的监测机构的纵剖面图；

图4为本发明实施例的监测机构沿A-A的横剖面图；

图5为本发明实施例的监测机构沿B-B的横剖面图；

图中，1为可调式潜水机构，2为竖向伸缩机构，3为横向伸缩机构，4为监测机构，5为计算机，6为排气孔，7为PVC套筒、8为LED白光灯、9为防水镜头、10为微型温度计、11为信号传输导线、12为铅锤。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2、图3、图4和图5，本发明提供的一种水体凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别的无人潜水装置，其特征在于：包括可调式潜水机构1、竖向伸缩机构2、横向伸缩机构3、监测机构4、计算机5；可调式潜水机构1通过竖向伸缩机构2与横向伸缩机构3呈“工”字型连接在一起，横向伸缩机构3为两组，成“十”字型固定装安装在一起；横向伸缩机构3两端底部均固定设置有监测机构4；监测机构4包括PVC套筒7、LED白光灯8、防水镜头9、微型温度计10、信号传输导线11；PVC套筒7上顶面密封，其内侧壁上设置有若干照明机构8、防水镜头9、微型温度计10，微型温度计10与防水镜头9一一配对设置，位置等高；LED白光灯8、防水镜头9、微型温度计10均通过信号传输导线11和计算机5连接通信；PVC套筒7顶部两侧设置有排气孔6，PVC套筒7的底部设置有铅锤12。PVC套筒7中心还设置有一实心套筒，实心套筒外侧壁上设置有若干LED白光灯8、微型温度计10，LED白光灯8、微型温度计10均通过信号传输导线11和计算机5连接通信。可调式潜水机构1、竖向伸缩机构2、横向伸缩机构3、监测机构4均通过导线与计算机5连接通信。

本发明提供的一种水体凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别方法，包括以下步骤：

步骤1：根据微距微观视频图像采集的最优确定值，利用计算机5调整竖向伸缩机构2、横向伸缩机构3的伸出长度和照明机构8的亮度，利用防水镜头9对不同温度水的凝聚状态进行微距微观拍摄成像，并记录此时每个防水镜头9旁边微型温度计10的示数，然后，将原始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰度图像；

步骤2：二值化微观视频灰度图像，然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理，得到水中晶体核的轮廓；

本实施例在二值化过程中将水中的凝聚态的晶体核和其他物质各视为一种物质，再进行其后的操作；桥接和去杂处理是通过开操作和闭操作去除凝聚态图像中孤立的噪声点，同时保留图像中本来的细节结构；细化处理是将图像中晶体核的轮廓变成单像素厚度组成的细线，骨化处理是保留图像中心线的细化。

步骤3：根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数，并且建立该形态学参数与温度的对应关系；

所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t；所述晶体核的形态学参数与温度T(℃)的对应关系为：

$r=k_1{e}^{k_{2}T}$

$t=k_3{e}^{k_{4}T}$

其中：k₁，k₂，k₃和k₄均为常数；

步骤4：建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系，根据事先设置的凝聚态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值；

所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为：

c＝k₅πr²/t

其中：k₅为常数；

假设凝聚态浓度阈值为c₀时，晶体核的形态学参数临界值r₀和t₀，温度阈值为T₀。

将步骤3中的两个公式代入步骤4中的公式可得：

$\begin{array}{c}{c}_0=k_5{\mathrm{\πr}}_0^2/t_0=k_5\mathrm{\π}{\left(k_1{e}^{k_2{T}_0}\right)}^2/\left(k_3{e}^{k_4{T}_0}\right)\\ =\frac{k_1^2{k}_5{\mathrm{\πe}}^{2k_2{T}_0}}{k_3{e}^{k_4{T}_0}}=\frac{k_1^2{k}_5\mathrm{\π}}{k_3}{e}^{(2k_2-k_4)T_0}\end{array}$

解得温度阈值为

$T_0=ln\left(\frac{k_3{c}_0}{k_1^2{k}_5\mathrm{\π}}\right)/(2k_2-k_4)$

故晶体核的形态学参数临界值r₀和t₀为

$r_0=k_1{e}^{k_2{T}_0}$

$t_0=k_3{e}^{k_4{T}_0}$

步骤5：在对水体中凝聚态进行监测的过程中，当监测的温度与温度阈值相差大于预设值时，利用微观视频图像采集设备对其进行拍摄成像；

步骤6：输入待监测水体中凝聚态结构的原始真彩微距微观视频图像，经过步骤1-3处理得到晶体核的形态学参数，然后，将其与形态学参数临界值比较，如果大于阈值，立即采取有效措施，从而在微观层面建立预警机制,并进一步在微观层面建立干预机制。

尽管本说明书较多地使用了可调式潜水机构1、竖向伸缩机构2、横向伸缩机构3、监测机构4、计算机5、排气孔6、PVC套筒7、LED白光灯8、防水镜头9、微型温度计10、信号传输导线11和铅锤12等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：包括可调式潜水机构(1)、竖向伸缩机构(2)、横向伸缩机构(3)、监测机构(4)、计算机(5)；所述可调式潜水机构(1)通过竖向伸缩机构(2)与所述横向伸缩机构(3)呈“工”字型连接在一起，所述横向伸缩机构(3)两端底部均固定设置有所述监测机构(4)；所述可调式潜水机构(1)、竖向伸缩机构(2)、横向伸缩机构(3)、监测机构(4)均通过导线与所述计算机(5)连接通信。

2.根据权利要求1所述的水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述横向伸缩机构(3)为两组，成“十”字型固定装安装在一起。

3.根据权利要求1所述的水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述监测机构(4)包括PVC套筒(7)、照明机构(8)、防水镜头(9)、微型温度计(10)、信号传输导线(11)；所述PVC套筒(7)上顶面密封，其内侧壁上设置有若干照明机构(8)、防水镜头(9)、微型温度计(10)，所述照明机构(8)、防水镜头(9)、微型温度计(10)均通过所述信号传输导线(11)和计算机(5)连接通信。

4.根据权利要求3所述的水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述微型温度计(10)与防水镜头(9)一一配对设置，位置等高。

5.根据权利要求3所述的水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述PVC套筒(7)顶部两侧设置有排气孔(6)。

6.根据权利要求3所述的水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述PVC套筒(7)的底部设置有铅锤(12)。

7.根据权利要求3所述的水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述照明机构(8)为LED白光灯。

8.根据权利要求3-7任意一项所述的流体凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于：所述PVC套筒(7)中心还设置有一实心套筒，所述实心套筒外侧壁上设置有若干照明机构(8)、微型温度计(10)，所述照明机构(8)、微型温度计(10)均通过所述信号传输导线(11)和计算机(5)连接通信。

9.一种水体凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据微距微观视频图像采集的最优确定值，利用计算机(5)调整竖向伸缩机构(2)、横向伸缩机构(3)的伸出长度和照明机构(8)的亮度，利用防水镜头(9)对不同温度水的凝聚状态进行微距微观拍摄成像，并记录此时每个防水镜头(9)旁边微型温度计(10)的示数，然后，将原始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰度图像；

步骤2：二值化微距微观视频灰度图像，然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理，得到流体中晶体核的轮廓；

步骤3：根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数，并且建立该形态学参数与温度的对应关系；

步骤4：建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系，根据事先设置的凝聚态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值；

步骤5：在对流体进行监测的过程中，当监测的温度与温度阈值相差大于预设值时，采集此时的凝聚状态图像；

步骤6：输入待监测流体的原始真彩微距微观视频图像，经过步骤1-3处理得到晶体核的形态学参数，然后，将其与形态学参数临界值比较，如果大于阈值，立即建立微观层面预警机制，并根据其成长状态，实施即时干预机制，在微观层面及时采取有效措施阻止有害物质的凝聚。

10.根据权利要求9所述的流体凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法，其特征在于：步骤3中所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t；所述晶体核的形态学参数与温度T(℃)的对应关系为：

$r=k_1{e}^{k_{2}T}$

$t=k_3{e}^{k_{4}T}$

其中：k₁，k₂，k₃和k₄均为常数；

步骤4中所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为：

c＝k₅πr²/t

其中：k₅为常数。