CN110570391A - 一种基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其包括如下步骤：1)照片的采集：对装有惰性载体颗粒的托盘使用高清相机进行拍摄，保存图片；对空载的托盘进行拍摄，保存图片；2)图像处理过程：利用Image J软件，计算出照片像素点数与毫米之间的数量关系，设置照片的单位长度；将照片中需要处理的部分裁剪出来；将照片颜色分为256种，利用Image J软件将裁剪后的照片转化为8bit图；利用Image J软件将8bit图转化为二值图；统计二值图中黑色区域所占的图像面积比，即得到喷雾冷冻涂覆的投影面积；3)涂覆效果分析。本发明对高清相机拍摄的喷雾冷冻涂覆照片进行处理分析，得到惰性载体颗粒表面涂覆效果，结果可靠、准确客观、操作简单、容易实施。
Description
技术领域
本发明属于图像分析技术领域，特别是一种基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法。
背景技术
当今社会人民的经济水平日益提高，对高营养、高附加值类产品的需求也在不断上升，而喷雾冷冻干燥技术在制备这类产品方面有着独特的优势。喷雾冷冻干燥(Spray-Freeze Drying，简称SFD)是将液态物料通过雾化器雾化后，对雾化的液滴进行冷冻干燥从而得到粉体产品的一种新型干燥技术。SFD技术在制备粉体产品过程中，物料一直保持在较低的温度条件下，这可以有效保证一些热敏性物料的商业价值免受损失，但是低温条件下传热传质速率低，使得SFD技术的干燥时间较长，从而增加了生产成本，限制了该技术的发展。一种新型SFD技术：物料经过雾化器雾化后，将雾化的液滴先涂覆冻结在惰性冷载体颗粒表面上，然后对黏连着冻结物料的惰性载体颗粒进行冷冻干燥，最后经过分离得到粉体产品。该新型SFD技术中惰性载体颗粒的引入，强化了干燥过程的传热传质速率，为了进一步探究物料在惰性载体颗粒上的冻结及干燥机理，为SFD技术的发展和工业应用提供理论基础，研究惰性载体颗粒表面的喷雾冷冻涂覆效果有着十分重大的实际意义。
目前对于惰性载体颗粒表面喷雾冷冻涂覆效果的分析方法，大多是在涂覆过程中使用高速相机(CCD)进行拍摄，对得到的照片根据实验经验通过肉眼来判断分析，或者利用Photoshop图像处理软件对照片进行调色处理后进行直观分析。因此有着以下缺陷与不足之处：(1)实验过程存在诸多不确定因素与偶然情况，根据实验经验分析不具有足够的说服力；(2)通过肉眼分析则是会受到视力、光线等条件影响，人为因素的参与将会导致较大的误差；(3)使用Photoshop软件对照片进行处理时，没有固定的参数标准，不能保证对图像的处理客观一致。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于ImageJ的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，对使用高清相机拍摄的喷雾冷冻涂覆照片进行处理分析，从而得到惰性载体颗粒表面涂覆效果的一种方法，结果可靠、准确客观，有着操作简单、容易实施的特点。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于ImageJ的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)照片的采集：
①将惰性载体颗粒平铺在一个托盘中，置于冷柜中预冷至-20℃；
②将液态物料经过雾化器雾化后涂覆在惰性冷载体颗粒表面，待物料在惰性载体颗粒表面充分冻结后，对装有惰性载体颗粒的托盘使用高清相机进行拍摄，保存图片；
③将托盘中的惰性载体颗粒及冻结于其上的物料取出，对空载的托盘进行拍摄，保存图片；
2)图像处理过程：
①将高清相机拍摄的照片导出到电脑中，使用ImageJ软件打开要处理的照片；
②利用ImageJ软件，计算出照片像素点数与毫米之间的数量关系，设置照片的单位长度；
③使用图片剪切工具，将照片中需要处理的部分裁剪出来；
④将照片颜色分为256种，利用ImageJ软件将裁剪后的照片转化为8bit图；
⑤利用ImageJ软件将8bit图转化为二值图；
⑥打开ImageJ软件的统计工具栏，统计二值图中黑色区域所占的图像面积比，即得到喷雾冷冻涂覆的投影面积；
3)涂覆效果分析：
将拍得的照片经过ImageJ处理后，得到的载球涂覆投影面积记为S1,空载涂覆投影面积S2，则喷雾冷冻涂覆在惰性载体颗粒表面的投影面积S的计算公式为：S＝S1-S2。
而且，所述雾化器为静电雾化装置，雾化器利用压力式注射器推进形成层流液体喷射，并在静电电场中加以高频率振动，形成均匀液滴。
而且，所述托盘采用石英玻璃培养皿，惰性载体颗粒为玻璃球，液态物料选用的是黑色墨水，液态物料与惰性载体颗粒及托盘均具有明显色差。
而且，所述高清相机采用尼康D5300。
而且，所述静电雾化装置采用瑞士BUCHI微胶囊造粒仪。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，操作简单，准确客观，黑色墨水雾化后涂覆在经过预冷的玻璃球载体表面上时，会立刻发生冻结，冻结图像可准确表示液滴在颗粒表面的涂覆效果，经相机拍摄即可得到色差明显的涂覆效果图像，然后再将拍摄的照片利用Image J软件处理分析，就可以得到涂覆投影面积，方法简单易行。
2、本发明的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，用载球投影面积与空载投影面积之差来表示惰性载体颗粒上的喷雾冷冻涂覆的效果，可以有效减小误差，避免人为因素的影响，得到的结果更加精确。现有的涂覆效果分析方法，一种是直接通过肉眼进行观察，只能进行直观判断，无法进行定量的计算分析，而利用Photoshop软件分析的方式，对图像处理调色时，往往是通过人为的手动调节，这些方法都存在较大误差。Image J软件是利用自带的编辑器，并且导入了Java编译器，可实现简单的IDE功能，在处理图像时保证了统一性与标准性，可有效避免人为因素的影响。
3、本发明的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，高清相机采用尼康D5300，有效像素为2,416万，采用无OLPF(光学低通滤波器)设计，可充分发挥2,416万像素图像传感器的解像力，实现其分辨率和细节层次，生成品质量好的图像。
4、本发明的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，料液的雾化过程是十分短暂的，为此必须在最短时间内尽可能的增加料液的分散度，即增加单位体积溶液的表面积，才能加速传热和传质过程，可大幅缩短干燥时间。本发明试验中物料的雾化方式为静电雾化(微胶囊造粒仪，瑞士，BUCHI)，它利用压力式注射器推进形成层流液体喷射，并在静电电场中加以高频率振动，可制备出极其均匀的圆形微胶囊颗粒，其喷头有多种尺寸，可制备不同粒径大小的液滴，本发明试验中选择可制备液滴粒径为200μm的喷嘴。
5、本发明的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，对使用高清相机拍摄的喷雾冷冻涂覆照片进行处理分析，从而得到惰性载体颗粒表面涂覆效果的一种方法，结果可靠、准确客观，有着操作简单、容易实施的特点。
附图说明
图1为本发明的试验装置示意图；
图2为本发明的图像处理过程图；
图3为本发明的涂覆后图像；
图4a为流量6ml/min下，不同直径颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；
图4b为流量8ml/min下，不同直径颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；
图5a为粒径为3mm颗粒在不同流量下颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；
图5b为粒径为4mm颗粒在不同流量下颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；
图5c为粒径为5mm颗粒在不同流量下颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图。
附图标记说明
1-注射器、2-喷头、3-微胶囊造粒仪、4-开孔、5-冷柜、6-托盘架、7-颗粒托盘。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其包括以下步骤：
1、喷雾冷冻涂覆过程：
喷雾冷冻涂覆试验装置，如图1所示，包括：冷柜5、颗粒托盘7、托盘架6、微胶囊造粒仪3，在冷柜内部放置托盘架，在托盘架上部放置颗粒托盘，在冷柜顶面制有开孔4，冰柜上方放置微胶囊造粒仪，微胶囊造粒仪的喷头2与冷柜顶面所制开孔位置对应，喷头与注射器1连接。本发明试验中选用了海尔特种实验冷柜(DW-60W156)，设置温度为-20℃。本发明试验中物料的雾化方式为静电雾化(微胶囊造粒仪，瑞士，BUCHI)。冷柜提供低温，使得置于冰柜内颗粒托盘上的载体颗粒保持在-20℃的低温，微胶囊造粒仪为物料的雾化装置，注射器内的物料经过喷头雾化成小液滴后通过冷柜顶面的开孔，即可涂覆冻结在载体颗粒表面。
分别粒径选用了3mm、4mm、5mm的玻璃球作为惰性载体颗粒，试验前将惰性载体颗粒平铺于颗粒托盘，颗粒托盘采用玻璃培养皿(直径90mm)中，将其放置在冷柜里预冷至-20℃。分别设置雾化装置的进料流量为6mL/min和8Ml/min，喷嘴位置与玻璃培养皿中心对心放置，开始进行喷雾冷冻涂覆。
本发明的关键部分在于利用Image J软件对照片进行处理，然后根据计算得出的投影面积反应惰性载体颗粒上的喷雾冻涂覆效果。为了保证得到的投影面积的精确性，涂覆料液与托盘及惰性载体颗粒之间要形成明显的色差，因此托盘可选用高透光性的石英玻璃培养皿，惰性载体颗粒选择为玻璃球，液态物料选用的是黑色墨水。在拍摄时，将培养皿置于冷光灯上，可以避免冻结的物料因为温度升高而融化，利用黑色墨水的高遮光性，使用高清相机在培养皿正上面对着冷光灯进行面光拍摄，就可以得到色差明显的照片。
冷柜为试验提供冷环境，要保证惰性载体颗粒的温度足够低，在雾化液滴与惰性载体颗粒接触是可以瞬间冻结，不发生震荡与反弹。料液的雾化过程是十分短暂的，为此必须在最短时间内尽可能的增加料液的分散度，即增加单位体积溶液的表面积，才能加速传热和传质过程，可大幅缩短干燥时间。本发明试验中物料的雾化方式为静电雾化(微胶囊造粒仪，瑞士，BUCHI)，它利用压力式注射器推进形成层流液体喷射，并在静电电场中加以高频率振动，可制备出极其均匀的圆形微胶囊颗粒，其喷头有多种尺寸，可制备不同粒径大小的液滴，本发明试验中选择可制备液滴粒径为200μm的喷嘴。
2、照片的采集：
(1)待物料在惰性载体颗粒表面充分冻结后，将培养皿取出放置在冷光灯上，使用高清相机在培养皿正上方进行拍摄，保存照片，命名为照片A。
(2)将培养皿中的惰性载体颗粒及冻结在惰性载体颗粒表面上的物料小心取出，使用高清相机在培养皿正上方进行拍摄，保存照片，命名为照片B。
3、图像处理过程
(1)将高清相机拍摄的照片导出到电脑中，使用Image J软件打开要处理的照片；
(2)设定标尺参数，即根据图片本身的像素点与实际长度进行匹配计算，得出像素点数与毫米(mm)之间的数量关系，设置图片的单位长度；
(3)使用图片剪切工具，将照片中需要处理的部分裁剪出来，即将整个涂覆半径内的涂覆图像裁剪出来，得出涂覆颗粒原始图像，如图2-(a)所示；
(4)将图片颜色分为256种，设置为8bit格式的灰度图，如图2-(b)所示；
(5)将8bit图转换为二值图，并对比原始图像调节灰度，如图2-(c)所示。
(6)打开Image J软件的统计工具栏，统计黑色区域所占的图像面积比，即得到喷雾冷冻涂覆的投影面积。
4、涂覆效果分析：
其中照片A经过Image J处理后得到的投影面积为S1(载球涂覆投影面积),表示所有液滴喷雾冷冻涂覆在培养皿内的投影面积；照片B经过Image J处理后得到的投影面积为S2(空载涂覆投影面积)，表示所有液滴喷雾冷冻涂覆在惰性载体颗粒空隙之间的投影面积，处理后的图像如图3所示。
则喷雾冷冻涂覆在惰性载体颗粒表面的投影面积S的计算公式为：
S＝S1-S2
通过试验，并利用本发明提出的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，当进料流量为6mL/min和8mL/min时，随着涂覆时间的增加，即喷液量的增加，颗粒的涂覆投影面积S增大，涂覆量m(涂覆前后惰性载体颗粒质量差)也随之增大，如图4a、图4b所示，图4a为流量6ml/min下，不同直径颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；图4b为流量8ml/min下，不同直径颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图。表明随着涂覆过程的进行，当颗粒直径一定时，颗粒的涂覆投影面积增大速度减缓，这是由于涂覆刚开始时，雾化液滴直接涂覆冻结在颗粒表面，随着喷雾涂覆的进行，有一部分液滴涂覆在已经冻结在颗粒表面的液滴上，使得涂覆投影面积增长速率减小，并且逐渐趋近涂覆投影面积的最大值；但颗粒表面的涂覆量是线性增长的。
对比不同直径的惰性载体颗粒可以发现，随着喷雾冷冻涂覆的进行，惰性载体颗粒直径越小，涂覆投影面积越大，进料流量越大，涂覆投影面积越大，如图5所示。图5a为粒径为3mm颗粒在不同流量下颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；图5b为粒径为4mm颗粒在不同流量下颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图；图5c为粒径为5mm颗粒在不同流量下颗粒涂覆投影面积及涂覆量随喷液量的变化图。说明在直径小的颗粒表面进行涂覆时，液滴铺展更为充分，当进料流量增加时，液滴的初动能增大，也会使得涂覆的面积增大。
本发明的基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，对使用高清相机拍摄的喷雾冷冻涂覆照片进行处理分析，能够得到惰性载体颗粒表面涂覆效果，结果可靠、准确客观，有着操作简单、容易实施的特点。
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (5)
1.一种基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)照片的采集：
①将惰性载体颗粒平铺在一个托盘中，置于冷柜中预冷至-20℃；
②将液态物料经过雾化器雾化后涂覆在惰性冷载体颗粒表面，待物料在惰性载体颗粒表面充分冻结后，对装有惰性载体颗粒的托盘使用高清相机进行拍摄，保存图片；
③将托盘中的惰性载体颗粒及冻结于其上的物料取出，对空载的托盘进行拍摄，保存图片；
2)图像处理过程：
①将高清相机拍摄的照片导出到电脑中，使用ImageJ软件打开要处理的照片；
②利用ImageJ软件，计算出照片像素点数与毫米之间的数量关系，设置照片的单位长度；
③使用图片剪切工具，将照片中需要处理的部分裁剪出来；
④将照片颜色分为256种，利用ImageJ软件将裁剪后的照片转化为8bit图；
⑤利用ImageJ软件将8bit图转化为二值图；
⑥打开ImageJ软件的统计工具栏，统计二值图中黑色区域所占的图像面积比，即得到喷雾冷冻涂覆的投影面积；
3)涂覆效果分析：
将拍得的照片经过Image J处理后，得到的载球涂覆投影面积记为S1,空载涂覆投影面积S2，则喷雾冷冻涂覆在惰性载体颗粒表面的投影面积S的计算公式为：S＝S1-S2。
2.根据权利要求1所述基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其特征在于：所述雾化器为静电雾化装置，雾化器利用压力式注射器推进形成层流液体喷射，并在静电电场中加以高频率振动，形成均匀液滴。
3.根据权利要求2所述基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其特征在于：所述静电雾化装置采用瑞士BUCHI微胶囊造粒仪。
4.根据权利要求1所述基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其特征在于：所述托盘采用石英玻璃培养皿，惰性载体颗粒为玻璃球，液态物料选用的是黑色墨水，液态物料与惰性载体颗粒及托盘均具有明显色差。
5.根据权利要求1所述基于Image J的喷雾冷冻涂覆效果的图像分析方法，其特征在于：所述高清相机采用尼康D5300。
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