CN109741282B - 一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对当前帧气泡阴影图像进行处理，得到当前帧气泡的弧段图像；2)根据已知帧气泡阴影图像中各目标气泡质心和大小数据，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心大小；3)根据预估的当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，对弧段图像中的各弧段进行分组匹配；4)校正弧段图像中各目标气泡的质心和大小；5)将校正后各目标气泡的质心和大小作为已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，进入步骤1)，对其他帧气泡阴影图像进行处理，直至完成多帧气泡阴影图像中所有目标气泡的质心和大小的校正，本发明可广泛用于环境模拟实验技术领域中。
Description
技术领域
本发明是关于一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，属于环境模拟实验技术领域。
背景技术
气泡流的动力学特性研究在环境、化工等领域均有广泛的应用背景。在实验室条件下，常采用高速相机拍摄记录气泡流运动的高频图像。对气泡阴影图像进行进一步处理，得到气泡的形态信息和运动特征，进而研究气泡流的内部结构和发展规律。在气泡流的实验研究中，图像处理方法是核心，合理有效的图像处理方法可以为气泡流研究提供高效率、高精度的测量手段。
目前，低含气率气泡流实验的图像处理已有较成熟简单的方法，而高含气率气泡流实验由于气泡图像重叠程度高，气泡形状复杂，其图像处理一直是研究人员努力解决的问题之一。近年来，不少学者提出各种重叠气泡图像处理方法，但是对于气泡重叠度高、甚至发生完全遮挡的情况，仍存在识别率和准确率不高的问题，且已有的相关研究大多基于单帧气泡阴影图像信息。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种识别率和准确率高的基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对当前帧气泡阴影图像进行处理，得到当前帧气泡的弧段图像；2)根据已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小；3)根据预估的当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，对弧段图像中的各弧段进行分组匹配；4)采用最小二乘法，对同组弧段进行椭圆拟合，校正弧段图像中各目标气泡的质心和大小；5)将校正后各目标气泡的质心和大小作为已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，进入步骤1)，对其他帧气泡阴影图像进行处理，直至完成多帧气泡阴影图像中所有目标气泡的质心和大小的校正。
进一步，所述步骤1)中对当前帧气泡阴影图像进行处理，得到当前帧气泡的弧段图像，具体过程为：1.1)对当前帧气泡阴影图像依次进行滤波和二值化处理，得到当前帧气泡的二值数字图像；1.2)提取二值数字图像中各目标气泡连通区域的边界，得到当前帧气泡的边界图像；1.3)获取边界图像中的边界连接点，并根据获取的边界连接点，将边界分成若干弧段，得到当前帧气泡的弧段图像。
进一步，所述边界连接点为边界上各点曲率的曲率变化极值点。
进一步，当边界连接点的个数为0时，该边界仅包含一个弧段。
进一步，所述步骤2)的具体过程为：2.1)根据相邻两帧气泡阴影图像中各目标气泡的位置，得到各目标气泡的速度；2.2)根据各目标气泡的速度，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小。
进一步，所述步骤3)的具体过程为：3.1)根据当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，生成各目标气泡的对应预估泡。3.2)将包含在同一预估泡内的弧段划分为同组弧段，每一同组弧段均属于一相应目标气泡。
进一步，对于未匹配到任何弧段的目标气泡，在当前帧气泡阴影图像中的质心和大小采用预估的质心和大小表示。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明综合已知帧气泡阴影图像中目标气泡的信息，运用曲率法对重叠目标气泡进行边界分割，采用预估校正法对弧段进行分组，能够处理高含气率时气泡图像高重叠和气泡形状复杂的情况，提高气泡识别率和准确率，实现气泡的全过程追踪。2、本发明采用最小二乘法对气泡进行椭圆拟合重构，能够提高重叠目标中气泡的还原程度，为气泡流实验提供一种高精度的观测分析手段，可用于研究气泡羽流的内部结构及其输移扩散规律，适用于更大的初始流量范围。此外，本发明还可拓展应用于鱼卵输移运动、泥沙输移运动、海底溢油水下运动过程等基于高速摄像观测的实验研究中。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明方法的预估原理示意图；
图3是本发明方法的弧段分组方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，包括以下步骤：
1)对当前帧气泡阴影图像进行处理，得到当前帧气泡的弧段图像，具体为：
1.1)对当前帧气泡阴影图像依次进行滤波和二值化处理，得到当前帧气泡的二值数字图像。
1.2)提取二值数字图像中各目标气泡连通区域的边界，得到当前帧气泡的边界图像。
1.3)采用曲率法，获取边界图像中的边界连接点，并根据获取的边界连接点，将边界分成若干弧段，得到当前帧气泡的弧段图像，即：
计算各目标气泡连通区域的边界上各点的曲率，将曲率变化极值点作为边界连接点，当边界连接点的个数为0时，该边界仅包含一个弧段。
2)基于图像中目标气泡运动的连续性，根据已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，具体为：
2.1)根据相邻两帧气泡阴影图像(即当前帧气泡阴影图像与位于当前帧后一帧的气泡阴影图像)中各目标气泡的位置，得到各目标气泡的速度，其中，位于最后一帧的气泡阴影图像可以与第一帧气泡阴影图像相邻，或者与最后一帧的前一帧气泡阴影图像相邻。
2.2)根据各目标气泡的速度，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小。
如图2所示，W1表示目标气泡W在帧1(即当前帧)中的位置，W2表示目标气泡W在帧2(即当前帧的后一帧)中的位置，根据两帧气泡阴影图像中目标气泡W的位置和两帧时间差，计算得到的气泡速度，近似估算当前帧气泡阴影图像中目标气泡的质心位置。考虑目标气泡的大小形态变化不大，因此，当前帧气泡阴影图像中的目标气泡具有前一帧中目标气泡的特征尺度。
3)根据预估的当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，对弧段图像中的各弧段进行分组匹配，具体为：
根据当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，生成各目标气泡的对应预估泡(图3中的虚线所示)，与弧段图像中的弧段匹配，即将包含在同一预估泡内的弧段划分为同组弧段，每一同组弧段均属于一相应目标气泡。
如图3所示，弧段S1属于目标气泡W，弧段S2属于目标气泡X，弧段S4属于目标气泡Z，弧段S3和弧段S5同属于目标气泡Y。
对于未匹配到任何弧段的目标气泡，即被完全遮挡的目标气泡，在当前帧气泡阴影图像中的质心和大小采用预估的质心和大小近似表示。
4)采用最小二乘法，对同组弧段进行椭圆拟合，重构弧段图像中的各目标气泡，校正各目标气泡的质心和大小，其中，最小二乘法可以采用现有技术公开的方法，具体过程在此不做赘述。
5)将校正后各目标气泡的质心和大小作为已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，进入步骤1)，对其他帧气泡阴影图像进行处理，直至完成多帧气泡阴影图像中所有目标气泡的质心和大小的校正。
6)输出校正后所有气泡阴影图像中所有气泡的运动速度场和形态分布等分析数据。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对当前帧气泡阴影图像进行处理，得到当前帧气泡的弧段图像；
2)根据已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小；
3)根据预估的当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，对弧段图像中的各弧段进行分组匹配，具体过程为：
3.1)根据当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小，生成各目标气泡的对应预估泡；
3.2)将包含在同一预估泡内的弧段划分为同组弧段，每一同组弧段均属于一相应目标气泡；
4)采用最小二乘法，对同组弧段进行椭圆拟合，校正弧段图像中各目标气泡的质心和大小；
5)将校正后各目标气泡的质心和大小作为已知帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小数据，进入步骤1)，对其他帧气泡阴影图像进行处理，直至完成多帧气泡阴影图像中所有目标气泡的质心和大小的校正。
2.如权利要求1所述的一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，所述步骤1)中对当前帧气泡阴影图像进行处理，得到当前帧气泡的弧段图像，具体过程为：
1.1)对当前帧气泡阴影图像依次进行滤波和二值化处理，得到当前帧气泡的二值数字图像；
1.2)提取二值数字图像中各目标气泡连通区域的边界，得到当前帧气泡的边界图像；
1.3)获取边界图像中的边界连接点，并根据获取的边界连接点，将边界分成若干弧段，得到当前帧气泡的弧段图像。
3.如权利要求2所述的一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，所述边界连接点为边界上各点曲率的曲率变化极值点。
4.如权利要求3所述的一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，当边界连接点的个数为0时，该边界仅包含一个弧段。
5.如权利要求1所述的一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：
2.1)根据相邻两帧气泡阴影图像中各目标气泡的位置，得到各目标气泡的速度；
2.2)根据各目标气泡的速度，预估当前帧气泡阴影图像中各目标气泡的质心和大小。
6.如权利要求1所述的一种基于预估校正的多帧气泡流图像处理方法，其特征在于，对于未匹配到任何弧段的目标气泡，在当前帧气泡阴影图像中的质心和大小采用预估的质心和大小表示。
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