专利名称：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. Imm至几毫米)和一定光强，且分布均勻的平面光；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 禾口 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5μπι ΙΟμπι，纸浆纤维粒子粒径范围为20μπι 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勻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勻性和浓度是否合适，可以通过拍摄后照片的图像效果进行示踪粒子均勻性和浓度的调整。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5 μ m 10 μ m，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。
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+ Δ 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+ Δ 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。
具体实施例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(XD、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CXD 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Dynamidtudio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)；选择单帧拍摄模式一采集图片数输入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)一切换到Acquired Data (采集数据) 栏一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一Measure Scale Factor (测量比例)一把图片中的A和B分别拖到两个刻度上一选择 Absolute Distance (绝对距离)一输入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10 μ m的示踪粒子，利用卸料器4将其搅拌均勻，由于研究的是搅拌流场，所以很快可以达到搅拌均勻；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45 μ m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勻的，示踪粒子的直径为5 μ m 10 μ m，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 45 μ m和3. 5mm,但是大多数纸浆纤维粒子的尺寸范围分布在20 μ m和4. 5mm之间，所以将粒径在20 μ m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)进行描述如下为了确定在At时间内粒子图像的位移，PIV数字记录中的窗口尺寸为(《Χ〃像素)。假定选取的是两个连续的单帧，gl、&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
权利要求
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5 μ m 10 μ m，纸浆纤维粒子粒径范围为20 μ m 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。
全文摘要
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。
文档编号G01P5/22GK102331510SQ201110153110
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者冯郁成, 曾劲松, 李军, 石先成, 陈克复 申请人:华南理工大学