一种测量水体中气泡的方法

一种测量水体中气泡的方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量水体中气泡的方法，主要包括气泡图像识别过程、非球形气泡的等效粒径转换过程以及气泡粒径的反演计算过程。采用本发明的气泡图像识别过程可以将水体中的气泡图像和悬浮物图像准确地区分开来，以获得准确的气泡轮廓。采用本发明的非球形气泡的等效粒径转换过程可以降低等效转换过程中的误差，提高等效球体气泡粒径计算的精度。采用本发明的气泡粒径反演计算过程，通过将图像标定与反演计算相结合来生成气泡粒径的物理尺寸，精度高、实时性好，可以实现对气泡物理参数的原位、实时测量，适合在科研、教学、海水监测等领域中广泛应用。
【专利说明】
-种测量水体中气泡的方法
技术领域
[0001 ]本发明属于水样检测技术领域，具体地说，是设及一种用于对溶解在水体中的气 泡进行采集、识别W及粒径参数计算的技术。
【背景技术】
[0002] 气泡与海洋相互依存，密不可分。它在海洋遥感学、海洋声学、海洋动力学、海洋化 学、海洋生物学和海洋气象学等方面具有举足轻重的作用，影响着许多海洋物理过程的演 变，例如海气交换、海表浮质生成、海面微表层粒子富集和海流演变等。
[0003] 现有的气泡分析技术大致分为声学和光学两类方法。声学方法通过测量气泡对声 信号的衰减或对声速的改变，利用声学数据与气泡粒径分布之间的关系，反演获得气泡粒 径的分布。光学方法主要包括照相/摄像、全息术和激光测量法。其中，照相/摄像是最直接 的气泡测量方法，可W同时测量定量和非定量的水体。只要待测水体接近测量系统的观测 端，无论气泡浓度高低，光学系统都能够透射，进而在成像设备中形成气泡图像。
[0004] 在采用照相/摄像方法对溶解在海水中的气泡进行测量时，首先需要从拍摄到的 图像中提取出其中的气泡图像，即对图像中的气泡进行识别，提取出气泡轮廓;然后，根据 提取出的气泡轮廓计算出气泡粒径等参数，W分析出气泡粒径的分布状况。现有采用照相/ 摄像方法测量气泡参数的技术，普遍存在气泡粒径的测量精度不高等问题。究其原因：一方 面，是在对气泡图像进行识别的过程中，海洋中的固体悬浮物(粒子和微生物)会对气泡的 提取产生干扰，导致气泡识别的准确度降低。另一方面，在对气泡粒径进行计算的过程中， 目前的计算方法大多都是将提取出的气泡轮廓看作球体进行粒径参数的计算。但是，受重 力、海水张力等外界因素的影响，从气泡图像中提取出的气泡轮廓并不可能完全都是规则 的球体，如果将非规则的气泡轮廓简单地按照球形气泡的粒径计算方法来计算其物理参 数，很显然会导致粒径计算结果的不准确。此外，目前的气泡测量方法主要侧重于通过图像 处理技术研究气泡的形状，较少设及对气泡粒径的反演计算。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于提供一种对溶解在水体中的气泡进行测量的方法，W提高气泡 粒径测量的准确性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用W下技术方案予W实现：
[0007] -种测量水体中气泡的方法，包括:利用已知的气泡轮廓样本生成气泡库;采集待 测水体的气泡悬浮物图像，提取出其中的气泡轮廓和悬浮物轮廓;对提取出的每一个气泡 轮廓和悬浮物轮廓利用相似度比较法与所述气泡库中的气泡轮廓样本进行比较，筛选出相 似度大于设定阔值的轮廓判定为疑似气泡轮廓;对每一个所述的疑似气泡轮廓进行灰度统 计，将灰度值从轮廓的中屯、向边缘逐渐变小的轮廓判定为气泡轮廓;根据所述气泡轮廓计 算出气泡粒径所对应的像素个数P'；将具有不同宽度等级的条纹组的分辨率板浸入到水体 中，拍摄所述分辨率板上的所述条纹组，形成目标条纹图像，并根据所述目标条纹图像计算 出目标条纹的宽度所对应的像素个数;针对每一个宽度等级的条纹组，建立目标条纹的宽 度与像素个数的对应关系，形成关系模型：
！其中，i是条纹组编号，dl是第i个 条纹组中的目标条纹的宽度，A/,是宽度为dl的目标条纹所对应的像素个数，^.是宽度为dl 的目标条纹所对应的比例因子;找出像素个数与所述气泡粒径所对应的像素个数P'接近的 目标条纹所在的条纹组j，利用第j个条纹组所对应的关系模聖
，计算出所述 气泡粒径的物理尺4
[000引进一步的，在所述利用已知的气泡轮廓样本生成气泡库的过程中，包括:获取已知 的背景图像样本和气泡图像样本;利用人工分割法在所述气泡图像样本中分割出完整的气 泡图像;选择类圆形和类楠圆形的单气泡图像，结合所述的背景图像样本，采用背景减除法 去除所述单气泡图像中的背景，获得所述的气泡轮廓样本，生成所述的气泡库。
[0009] 进一步的，在所述采集待测水体的气泡悬浮物图像，提取出其中的气泡轮廓和悬 浮物轮廓的过程中，包括:获取待测水体的背景;采集待测水体的气泡悬浮物图像;采用背 景减除法去除所述气泡悬浮物图像中的背景，提取出其中的气泡轮廓和悬浮物轮廓。
[0010] 进一步的，在判定所述疑似气泡轮廓的过程中，采用化不变矩相似度比较法将提 取出的每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓分别作为一个目标特征向量，分别与气泡库中的每一 个气泡轮廓样本所对应的特征向量进行比较;假设气泡库中存在N个气泡特征向量，则通过 比较，每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓分别对应N个相似度阔值;从所述的N个相似度阔值中 选择最大值作为该气泡轮廓和悬浮物轮廓的相似度阔值〇,与所述的设定阔值进行比较，若 a大于设定阔值，则判定为疑似气泡轮廓。
[0011] 进一步的，在所述对每一个所述的疑似气泡轮廓进行灰度统计的过程中，包括:提 取每一个疑似气泡轮廓的边缘像素点；计算每一个疑似气泡轮廓的质屯、，W所述质屯、为坐 标原点建立直角坐标系，并按照45°夹角划分出八个不同的判别方向；统计每一个判别方向 上的灰度点的变化规律，若在每一个判别方向上，其灰度值均从质屯、向轮廓边缘逐渐变小， 则判定当前的疑似气泡轮廓为气泡轮廓;否则，为悬浮物轮廓。
[0012] 非球形气泡的等效粒径转换方法，为了进一步提高气泡粒径参数计算的准确性， 本发明对非球形气泡的粒径进行等效转换，即，在根据所述气泡轮廓计算出气泡粒径所对 应的像素个数P'的过程中，包括:针对每一个所述的气泡轮廓，计算所述气泡轮廓的质屯、坐 标；W所述质屯、为坐标原点，建立平面直角坐标系，分别计算出所述气泡轮廓在X轴和Y轴方 向上的半径所对应的像素个数，并分别记为。Jy;若rx = ry，则判定所述气泡为球形气泡， 生成所述气泡的粒径所对应的像素个数P'=。;若。声ry，则判定所述气泡为非球形气泡， 分别选择。和ry作为所述气泡轮廓在空间直角坐标系中Z轴方向上的半径所对应的像素个 数按照楠球计算公式
ft，心。/;，计算出两个楠球体积;求取两个楠球体积的平 均值作为所述非球形气泡的体积V;利用球形体积公式
，计算出所述非球形气泡的 等效粒径所对应的像素个数P ' =r。
[0013] 为了提高气泡粒径物理尺寸计算的准确性，本发明在所述分辨率板上设置有N个 不同宽度等级的条纹组，所述N为大于1的正整数;将所述N个不同宽度等级的条纹组按照其 条纹宽度所对应的像素个数W从小到大的顺序依次排列，形成N+1个区间；其中，宽度最小 的条纹所对应的像素个数坑,与0形成首区间（0，/，,，），宽度最大的条纹所对应的像素个数 A/、与+ -形成尾区间（&,，+?'），中间的N-I个区间由相邻的两个像素个数形成，即 (斬，/?, )，1=1、2、……、N-1巧所述找出像素个数与所述P'接近的目标条纹所 在的条纹组j，利用第j个条纹组所对应的关系模型
，计算出所述气泡粒径的 物理尺寸
的过程中，包括:判断所述P'落入所述N+1个区间中的哪一个区间内； 若所述P'落入首区间（0，化，）内，则利用第1个条纹组所对应的关系模聖
， 计算出所述气泡粒径的物理尺4
；若所述P'落入尾区间（化., +W )内，则利 用第N个条纹组所对应的关系模型
，计算出所述气泡粒径的物理尺寸 '
若所述P '落入中间的某个区间内，则分别计算所述P '与该区间的两个端点的 像素个数扣，、的相对误差，并选取相对误差较小的一个像素个数所对应的关系模型 计算出所述气泡粒径的物理尺寸。
[0014] 为了进一步提高气泡粒径反演计算的准确性，在每一个所述的条纹组中均设置有 M条等宽度的直线条纹，所述M为大于1的正整数;在所述拍摄所述分辨率板上的所述条纹 组，形成目标条纹图像的过程中，包括:调节分辨率板的位置，将其中一个条纹组中的M条等 宽度的直线条纹置于拍摄的视场范围内，形成该条纹组所对应的目标条纹图像;改变所述 分辨率板的位置，依次将其余各个条纹组中的M条等宽度的直线条纹置于拍摄的视场范围 内，最终针对N个所述的条纹组形成与之一一对应的N个目标条纹图像。
[0015] 为了获得精度更高的像素个数，在所述根据所述目标条纹图像计算出目标条纹的 宽度所对应的像素个数的过程中，包括:针对每一个目标条纹图像中的M条等宽度的直线条 纹分别计算出其宽度所对应的像素个数，并对获得的M个像素个数求取平均值，记为该目标 条纹的宽度所对应的像素个数。
[0016] 为了提高拍摄精度和度量计算的准确性，优选在所述采集待测水体的气泡悬浮物 图像的过程中，采用工业相机配合远屯、镜头进行拍摄;在所述拍摄所述分辨率板上的所述 条纹组，形成目标条纹图像的过程中，采用相同的工业相机和远屯、镜头进行拍摄，并且保持 所述工业相机和远屯、镜头的设置参数不变;在所述调节分辨率板的位置的过程中，保持分 辨率板与所述远屯、镜头之间的距离不变。
[0017] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是:采用本发明的气泡测量方法，首先 可W将水体中的气泡图像和悬浮物图像准确地区分开来，获得准确的气泡轮廓。其次，在对 非球形气泡的粒径进行等效转换的过程中，通过对二维微小非球体气泡图像进行=维等效 体积计算，从而可W降低等效转换过程中的误差，提高体积计算的准确度，进而提高等效球 体气泡粒径计算的精度，解决了微观分析等效气泡粒径的问题。此外，采用图像标定与反演 计算相结合的方式来生成气泡粒径的物理尺寸，精度高、实时性好，可W实现对气泡物理参 数的原位、实时测量，适合在科研、教学、海水监测等领域中广泛应用。
[0018] 结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更 加清楚。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明所提出的水体中气泡测量方法的一种实施例的整体流程图；
[0020] 图2是图1中气泡图像识别过程的一种实施例的整体流程图；
[0021 ]图3是图2中气泡建模过程的一种实施例的流程图；
[0022] 图4是图2中轮廓识别过程的一种实施例的流程图；
[0023] 图5是图2中气泡判别方法的一种实施例的流程图；
[0024] 图6是判别方向的一种实施例的方向示意图；
[0025] 图7是图1中非球形气泡等效粒径转换过程的一种实施例的流程图；
[0026] 图8是气泡采集装置的一种实施例的结构示意图；
[0027] 图9是W气泡轮廓的质屯、为坐标原点建立的平面直角坐标系的示意图；
[00%]图10是图9所示气泡轮廓在空间直角坐标系中形成楠球形的示意图；
[0029] 图11是图1中气泡粒径反演计算过程的一种实施例的流程图；
[0030] 图12是分辨率板上条纹组的一种实施例的排布示意图；
[0031] 图13是将分辨率板置于图8所示气泡图像采集设备中的结构示意图；
[0032] 图14是目标条纹图像的一种实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细地描述。
[0034] 参见图1所示，本实施例的气泡测量方法主要包括气泡图像识别过程S101、非球形 气泡的等效粒径转换过程S102W及气泡粒径的反演计算过程S103。其中，结合图2所示，为 了能够从待测水体中将气泡与悬浮物准确地区分开来，W获取准确的气泡轮廓，本实施例 在气泡图像识别过程中首先采用气泡建模的方法，如步骤S201，利用已知的气泡图像样本 生成气泡库，作为模板保存起来;其次，采用轮廓识别的方法，如步骤S202，对待测水体进行 原位采样，W获取待测水体的气泡悬浮物图像，并提取出其中的气泡轮廓和悬浮物轮廓;然 后，利用生成的气泡库对所述气泡轮廓和悬浮物轮廓进行轮廓识别，具体可W采用相似度 比较法将提取出的每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓与所述气泡库中的气泡轮廓样本进行比 较，筛选出相似度大于设定阔值的轮廓判定为疑似气泡轮廓，完成一级筛选;最后，采用气 泡判别方法，对筛选出的疑似气泡轮廓进行识别，即执行气泡识别过程，如步骤S203, W完 成二级筛选。具体来讲，可W采用灰度统计法，对每一个疑似气泡轮廓的不同像素点的灰度 值进行统计，将灰度值从轮廓的中屯、向边缘逐渐变小的轮廓判定为气泡轮廓，最终获取到 准确的气泡轮廓。
[0035] 下面首先对步骤S201的气泡建模方法的具体过程进行详细阐述，结合图3所示，具 体包括W下步骤：
[0036] S301、获取已知的背景图像样本和气泡图像样本；
[0037] 所述的背景图像样本和气泡图像样本可W直接从样本库中获取，也可W从大量的 前期实验中获取。
[0038] S302、利用人工分割法在所述气泡图像样本中分割出完整的气泡图像；
[0039] 在本实施例中，为了保证气泡图像分割的完整性，在人工分割气泡图像样本中的 气泡图像时，优选根据气泡外切矩形的尺寸，沿矩形边界分割出完整的气泡图像。
[0040] S303、选择类圆形（即近似圆形的形状)和类楠圆形（即近似楠圆形的形状）的单气 泡图像，作为所需的气泡图像；
[0041] 针对待测水体为海水的情况，由于溶解在海水中的气泡基本上都是呈现类似圆形 或者类似楠圆形的形状，因此，最好选择类圆形和类楠圆形的单气泡图像作为样本，W实现 对海水中气泡图像的准确识别。
[0042] S304、结合所述的背景图像样本，采用背景减除法，从选取出的单气泡图像中去除 掉其中的背景图像，从而获得所需的气泡轮廓样本。
[0043] S305、利用获取到的大量的气泡轮廓样本，生成气泡库，作为模板并保存起来。
[0044] 其次，对步骤S202的轮廓识别方法的具体过程进行详细阐述，结合图4所示，具体 包括W下步骤：
[0045] S401、获取待测水体的背景；
[0046] 在图像识别领域，对于图像中背景的提取方法有很多种。本实施例针对待测水体 为海水的情况，优选采用高斯建模的方法或者差分图像的方法获取待测海水的背景模型或 者背景图像。具体来讲，当采用高斯建模法获取待测海水的背景模型时，可W首先采集多幅 待测水体的原位图像，然后采用混合高斯建模的方法，利用多幅所述的原位图像建立背景 模型，作为所述待测水体的背景。当采用差分图像法获取待测海水的背景图像时，可W首先 采集多幅待测水体的原位图像，通过对所述的多幅原位图像进行差分运算，W提取出运动 目标;然后，从采集到的所述多幅待测水体的原位图像中滤除掉运动目标，形成多幅已过滤 的背景图像，叠加所述已过滤的背景图像，生成背景模型(背景图像），作为所述待测水体的 背景（高斯建模W及差分图像提取背景的具体方法可W参见期刊《应用光学》第31卷第4期 第574-578页由魏晓慧等发表的论文"基于混合高斯模型的运动目标检测方法研究"）。
[0047] S402、采集待测水体的气泡悬浮物图像；
[0048] 在本实施例中，针对待测水体为海水的情况，可W直接对待测海水进行采集，将采 集到的海水图像作为所述的气泡悬浮物图像。
[0049] 本实施例优选采用专口的气泡检测装置对待测海水进行气泡图像的摄取，如图8 所示的气泡检测装置，主要包括成像设备2和光学系统3。所述成像设备2和光学系统3均与 待测海水5隔离，并分置于待测海水5的相对两侧，利用光学系统3发出的光线照射待测海水 5,使待测海水5的亮度足W满足成像设备2的拍摄要求。利用成像设备巧射暴待测海水，W形 成气泡悬浮物图像。
[0050] 为了实现成像设备2和光学系统3与待测水体5的隔离，对于适用于实验室环境下 的气泡检测装置，可W在成像设备2与光学系统3之间设置透明水槽，将待测海水5注入到透 明水槽中，然后启动成像设备2和光学系统3拍摄待测海水5，W形成气泡悬浮物图像。
[0051] 对于适用于现场环境的气泡检测装置，可W将成像设备2和光学系统3分置于一个 独立的密封舱内，在两个密封舱彼此相对的一侧安装透明玻璃4, W便于光线的射出W及气 泡悬浮物图像的摄取。
[0052] 在本实施例中，所述成像设备2优选采用工业相机配合远屯、镜头设计而成。选用工 业相机比选用普通相机的优势主要体现在：（1)工业相机的快口时间非常短，可W抓拍快速 运动的物体；（2)工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通相机的图像传感器是隔行扫 描的，甚至是隔=行扫描的；（3)工业相机的拍摄速度远高于普通相机；（4)工业相机输出的 是裸数据，其光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法；（5)工业相机 可W长时间工作；（6)工业相机可W工作在比较恶劣的环境中。
[0053] 远屯、镜头是一种高端的工业镜头，通常有比较出众的像质，特别适合于尺寸测量 的应用。而普通工业镜头拍摄目标物体的工作距离越短，所成的像就越大。在使用普通镜头 进行尺寸测量时，会存在5个问题：1)由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍 率的不同；2)镜头崎变大;3)当物距变大时，对物体的放大倍数也改变;4)镜头的解析度不 高;5)由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。而远屯、镜头就可W有 效解决普通镜头存在的上述问题，而且没有此性质的判断误差，因此适合应用在高精度测 量、度量计量等方面。
[0054] 因此，本实施例优选采用工业相机配合远屯、镜头拍摄待测海水的气泡悬浮物图 像，W有助于提高气泡粒径计算的准确度。
[0055] S403、采用背景减除法去除所述气泡悬浮物图像中的背景，提取出其中的气泡轮 廓和悬浮物轮廓；
[0056] 在本实施例中，结合步骤S401中建立的背景模型，利用背景减除法从所述气泡悬 浮物图像中提取出气泡轮廓和悬浮物轮廓。
[0057] S404、对提取出的每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓利用相似度比较法与所述气泡库 中的气泡轮廓样本进行比较，W获取每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓的相似度阔值a;
[0058] 在本实施例中，优选采用模式识别技术中的化不变矩相似度比较法，将提取出的 每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓分别作为一个目标特征向量，分别与气泡库中的每一个气泡 轮廓样本所对应的特征向量进行比较，W获取目标特征向量与特征库向量的相似性。
[0059] 假设一幅数字图像f(x，y)的二维(p+q)阶矩定义为；
，其中 P，q = 0，1，2，…，求和在跨越图像的所有空间坐标X，y的值上进行；相应的中屯、矩定义为
像和旋转都不敏感的7个二维化不变矩的集合表示为： '归一化(P+q)阶中屯、矩定义 ，…。那么，对平移、缩放、镜 6
[0060]
[0061] 对平移、缩放、镜像和旋转都不敏感的7个二维化不变矩可作为图像特征提取，因 为实践中感兴趣的是矩的不变性，不是符号，运里取不变矩对数绝对值。
[0062] 任意样本的特征向量X为Z维，则样本上的特征向量组成一个Z维特征空间，待评价 图像X与参考图像样本y之间的距离M x-y M表示了X与y的相似程度。若采用欧几里德距离 作为相似度的度量，X与y均由模糊复原的图像和参考图像的7个不变矩来表征。定义待测图 像与参考图像不变矩距离为：
[0063]
：
[0064] 其中，祭、於代表待评价图像X与参考图像样本y的7个化不变矩值，而不变矩距离 越小，代表待测图像与参考图像越接近;反之，复原的待测图像偏离参考图像特征越大，复 原可信度降低。为评价图像质量的优劣，将不变矩相似度归一化处理，即计算所有待测图像 与参考图像之间的相似程度，定义Hu不变矩相似度函数为：
[00 化]
[0066] 其中，QG [0，1]，且a越大，图像越接近原始图像;a越小，图像与参考图像相似程度 越低。
[0067] 假设气泡库中存在N个气泡特征向量，则通过比较，每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓 分别对应N个相似度阔值;从所述的N个相似度阔值中选择最大值作为该气泡轮廓和悬浮物 轮廓的相似度阔值曰。
[006引S405、识别气泡轮廓；
[0069] 针对每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓的相似度阔值a,筛选出其中相似度阔值a大于 设定阔值的轮廓，将其作为疑似气泡轮廓，完成一级筛选。
[0070] 在本实施例中，为了提高气泡轮廓识别的准确性，优选将所述设定阔值设定在0.9 W上，例如将设定阔值定义为0.93。对于相似度阔值a〉〇.93的轮廓，判定为疑似气泡轮廓;a 《0.93的轮廓，判定为非气泡轮廓，由此完成气泡轮廓的初级筛选。
[0071] 下面对步骤S203的气泡判别方法的具体过程进行详细阐述，结合图5所示，具体包 括W下步骤：
[0072] S501、提取目标的边缘像素点；
[0073] 将每一个疑似气泡轮廓作为目标，提取出每一个疑似气泡轮廓的边缘像素点。
[0074] S502、计算目标的质屯、；
[0075] 通过质屯、计算公式，计算出每一个疑似气泡轮廓的质屯、。质屯、计算公式如下：
[0076]
[0077] 其中，（Xe,yc)是质屯、坐标，化是轮廓边界像素点的总数，（xi，yi)是轮廓边界点的坐 标。
[007引S503、划分判别方向；
[0079] 在本实施例中，可W W所述质屯、为坐标原点，建立平面直角坐标系，并优选按照 45°夹角在坐标系中划分出八个不同的判别方向，如图6所示。
[0080] S504、对各判别方向进行定义；
[0081] 在本实施例中，优选WX轴方向为初始判别方向，定义为Do;然后，按照逆时针方 向，将其余的屯个判别方向依次定义为Di、D2、……、〇7,如图6所示。
[0082] S505、对每一个判别方向上的灰度点的变化规律进行统计；
[0083] 针对每一个疑似气泡轮廓，分别获取其在8个所述判别方向上的每一个像素点的 灰度值，并统计每一个判别方向上的灰度点的变化规律。
[0084] S506、区分气泡轮廓和悬浮物轮廓；
[0085] 根据步骤S505的灰度统计，对疑似气泡轮廓进行二级筛选，W筛选出其中真正的 气泡轮廓。
[0086] 具体来讲，对于每一个疑似气泡轮廓，若在其每一个判别方向Do、Di、……、化上，其 灰度值均是从质屯、向轮廓边缘逐渐变小的，即亮度从中屯、区域向轮廓边缘逐渐变暗，则可 W判定为气泡轮廓；否则，判定为悬浮物轮廓。因为悬浮物为固体，其亮度的变化率通常会 比较小。由此，便可W准确地区分开哪些是气泡轮廓，哪些是悬浮物轮廓。
[0087] 将识别出的气泡轮廓用于后续的气泡参数计算过程，由此便可为气泡粒径、数量 的计算提供准确的气泡图像，进而提高了气泡参数计算的准确性。
[0088] 在获取到准确的气泡图像后，为了进一步提高气泡粒径计算的精度，本实施例对 于非球形的气泡图像，采用W下非球形气泡的等效粒径转换方法来生成该类气泡图像的等 效粒径。结合图7所示，具体包括W下步骤：
[0089] S701、结合上述步骤S503所建立的平面直角坐标系，获取气泡图像在X轴和Y轴方 向上的半径；
[0090] 在本实施例中，由于采用的是照相/摄像方法获取的气泡图像，因此通过W气泡图 像的质屯、为坐标原点所建立的平面直角坐标系，如图9所示，即可获取到该气泡在X轴和Y轴 方向上的半径所对应的像素个数，分别记为
[0091] 由于在获取到的气泡轮廓中，有的气泡轮廓可能是规则的球体，而有的气泡轮廓 则可能是非球形气泡，即非规则气泡。为了对两种类型的气泡粒径实现准确计算，本实施例 将rx = ry的气泡轮廓判定为球形气泡，将。声ry的气泡轮廓判定为非球形气泡。对于球形气 泡，其粒径所对应的像素个数P'=。，可W直接跳转至步骤S704进行气泡粒径参数的反演 计算。对于非球形气泡，则需执行后续的等效粒径转换步骤。
[0092] S702、计算非球形气泡的体积；
[0093] 在本实施例中，对于非球形气泡，可W分别选择。和ry作为所述气泡轮廓在空间直 角坐标系中Z轴方向上的半径所对应的像素个数如图10所示，然后按照楠球计算公式：
计算出两个楠球体积;其中，rxJyJz分别为楠球在X、Y、Z轴上的半径所对 应的像素个数，V为楠球体积。即，
[0094] 将。。和。分别代入楠球计算公式，计算出两个楠球体积：
[0095]
[0096]
[0097] 求取两个楠球体积的平均值
，作为所述非球形气泡的体积V。
[009引S703、计算非球形气泡的等效粒径；
[0099] 在本实施例中，对于非球形气泡，可W将计算出的气泡体积V作为球体体积，换算 出球体半径，W此作为非球形气泡的等效粒径。即，
[0100] 将非球形气泡的体积V代入球形体积公式
W计算出所述非球形气泡的 等效粒径所对应的像素个数r。为了便于后续气泡粒径的反演计算，令气泡粒径所对应的像 素个数P' = r。
[0101] 本实施例通过将二维的非球形气泡轮廓转换成=维的楠球轮廓，将=维的楠球体 积作为球形体积来计算非规则气泡的等效粒径，由此可W提高气泡等效体积计算的准确 度，降低等效转换过程中的误差，W等效后的球形气泡体积来换算非规则气泡的等效粒径， 可W提高非规则气泡的等效粒径的转换精度，解决了微观分析等效气泡粒径的问题。
[0102] S704、根据气泡粒径所对应的像素个数P'，反演计算出气泡粒径的实际物理尺寸。
[0103] 对于气泡粒径的反演计算过程S103,结合图11所示，具体包括W下步骤：
[0104] Sl 101、制作分辨率板；
[0105] 结合图12所示，设计一块分辨率板1，在分辨率板1上刻蚀多个不同宽度等级的条 纹组，如宽度分别为2皿、3皿、4皿、5皿、7皿、10皿、20皿、50皿、100皿等的条纹组。图12中列 举了宽度为IOwii的条纹组dl、宽度为20WI1的条纹组d2、宽度为50WI1的条纹组d3W及宽度为 100皿的条纹组d4。
[0106] 作为本实施例的一种优选设计方案，优选将所述的多个条纹组按照条纹宽度由小 渐大的顺序、沿自下而上的方向依次排布在分辨率板1上，如图12所示，并且在每一个条纹 组中，最好设置多条等宽度的条纹，且将所述多条等宽度的条纹竖向设置，即为竖向条纹， 并相互平行地排成一行，W方便获取所需的目标条纹图像。
[0107] S1102、将分辨率板1浸入到水体中；
[0108] 所述水体可W是待测水体，也可W是具有较高透明度的其他液体。作为本实施例 的一种优选设计方案，由于在对待测水体进行气泡图像摄取的过程中，需要使用专口的气 泡检测装置，例如图8所示的气泡检测装置。对于适用于实验室环境下的气泡检测装置，可 W将分辨率板I放入到透明水槽中，并浸入到水槽内部的水体中，如图13所示。将分辨率板I 上刻蚀有条纹组的一面正对成像设备2，W便于形成所需的目标条纹图像。对于适用于现场 环境的气泡检测装置，可W首先将所述气泡检测装置投入到待测水体中，然后将分辨率板1 浸入到所述待测水体5中，并位于成像设备2与光学系统3之间，且将分辨率板1上刻蚀有条 纹组的一面正对所述成像设备2，W便于形成所需的目标条纹图像。
[0109] 在本实施例中，无论采用何种气泡检测装置，所述成像设备2和光学系统3之间的 距离应尽量短，优选限制在IOcm-IScm之间，且所述分辨率板巧Ij所述成像设备2之间的距离 限制在9cm-14cm之间，W确保拍摄到的气泡图像与目标条纹图像的放大倍数基本相等。
[0110] S1103、启动成像设备2,拍摄所述分辨率板1上的条纹组，W形成目标条纹图像；
[0111] 在本实施例中，可W首先调节工业相机与远屯、镜头的位置，使工业相机置于工作 距离。然后，调整分辨率板1的位置，使待测的条纹组位于工业相机的视场范围内。
[0112] 在本实施例中，优选通过调节分辨率板1的位置，首先让分辨率板1上的其中一个 条纹组中的多条等宽度的直线条纹置于工业相机的视场范围内，形成该条纹组所对应的目 标条纹图像。如图14所示，图14列举了宽度为20皿的条纹组所对应的目标条纹图像，在所述 目标条纹图像中包括4条宽度d = 20wii的竖线条纹。
[0113] 然后，改变所述分辨率板1的位置，依次将其余各个条纹组中的多条等宽度的直线 条纹置于工业相机的视场范围内，对于具有N(N为大于1的正整数)个条纹组的分辨率板1来 说，将剩余的N-I个条纹组依次置于工业相机的视场范围内，最终即可针对N个所述的条纹 组形成与之一一对应的N个目标条纹图像。
[0114] 在调节分辨率板1的位置时，为了保证所形成的N个目标条纹图像的成像放大倍数 相同，应保持分辨率板1与所述远屯、镜头之间的距离不变。
[0115] S1104、根据目标条纹图像，计算出目标条纹的宽度所对应的像素个数；
[0116] 在本实施例中，利用执行步骤S1103所获得的N个目标条纹图像，分别计算N个条纹 组中的目标条纹的宽度d在目标条纹图像中所对应的像素个数P。由于在每一个目标条纹图 像中均包含有多条等宽度的目标条纹，如图14所示，为了提高所述像素个数P计算的准确 度，本实施例优选采用取均值的方法生成所述目标条纹的宽度d所对应的像素个数P。
[0117] 具体来讲，假设在某一个目标条纹图像中包含有M条等宽度的目标条纹，则针对所 述的M条目标条纹分别计算出其宽度所对应的像素个数，即获得M个像素个数;对所述的M个 像素个数求取平均值，将所述平均值作为该目标条纹的宽度d所对应的像素个数P，进行记 录保存。
[0118] 其余的N-I个目标条纹图像均采用上述方法计算生成其目标条纹的宽度所对应的 像素个数。
[0119] S1105、建立目标条纹的宽度与像素个数之间的对应关系，形成关系模型；
[0120] 在本实施例中，针对每一个宽度等级的条纹组，分别建立目标条纹的帝度（即目标 条纹的实际物理尺寸)与像素个数之间的对应关系，形成关系模型：
C其中，i为 条纹组编号;di是第i个条纹组中的目标条纹的宽度；#4是宽度为di的目标条纹所对应的像 素个数;和是宽度为di的目标条纹所对应的比例因子。由于di和化,已知，因此，结合关系模 聖
，即可计算出每一宽度等级的目标条纹所对应的比例因子％的值。
[0121] 由此，完成标定建模过程。
[0122] S1106、结合不同宽度d的目标条纹所对应的像素个数P，确定出与待测的气泡粒径 所对应的像素个数P '最接近的目标条纹；
[0123] 在本实施例中，首先将所述N个不同宽度等级的条纹组按照其条纹宽度d所对应的 像素个数pW从小到大的顺序依次排列，形成N+1个区间。其中，宽度最小的条纹所对应的像 素个数^4与0形成首区间（0,化》，宽度最大的条纹所对应的像素个数Av与+-形成尾 区间（化&.，+<* )，中间的N - 1个区间由相邻的两个像素个数形成，即 (/?，斬，，），i=1、2、......、N-1々W图12所示的分辨率板1为例进行说明，由于在图 12所示的分辨率板1上刻蚀有4个宽度等级的条纹组，即对应4个不同宽度的目标条纹，从而 可W对应4个像素个数，分别为Pl0、P20、P日日、Pioo,继而可W形成5个区间：（0，PlO)、（PlO，P20)、 (P20，P已0)、（P已O'PlOO)、（P100 ，+ °° )。
[0124] 在找出像素个数P与待测气泡粒径所对应的像素个数P'最接近的目标条纹所在的 条纹组j的过程中，首先判断所述P'落入所述N+1个区间中的哪一个区间内。若所述P'落入 首区间（0，斯，）内，则将第1个条纹组所对应的目标条纹确定为与待测气泡粒径所对应 的像素个数P'最接近的目标条纹;若所述P'落入尾区间（/，,<，+?)内，则将第N个条纹 组所对应目标条纹确定为与待测气泡粒径所对应的像素个数P '最接近的目标条纹;若所述 P'落入中间的N-I个区间内，则分别计算所述P'与该区间的两个端点的像素个数/?、/?, 的相对误差，选取相对误差较小的一个像素个数作为与所述P'最接近，继而确定出与待测 气泡粒径所对应的像素个数P '最接近的目标条纹。
[0125] S1107、利用确定出的目标条纹所对应的关系模型，反演计算出待测气泡粒径的实 际物理尺寸d'；
[0126] 在本实施例中，根据步骤S1106所最终确定出的目标条纹，确定所要使用的关系模 型
，进而将待测气泡粒径所对应的像素个数P'代入所述的关系模型，由于比例 因子％已知，由此便可计算出待测气泡的粒径的实际物理尺寸d'。
[0127] 具体来讲，若所述P'落入首区间（0，&,)内，则利用关系模型
十算 出所述气泡粒径的实际物理尺寸d'，即
[012引若所述P'落入尾区间（热W，+W )内，则利用的关系模聖
计算出 所述气泡粒径的实际物理尺寸d'，印
[0129]若所述P'落入中间的某个区间（&,，货W )内，则分别计算所述P'与该区间的两
[0130] 个端点的像素个数&,、的相对误差，即，
[0131] ；
[0132] 比较相对误差巧^,、口dw，选取相对误差较小的一个所对应的像素个数，确定出所 需使用的关系模块，进而计算出所述气泡粒径的实际物理尺寸d'。假设像素个数最接近的 目标条纹所在的条纹组为条纹组j，则利用第j个条纹组所对应的关系模聖
， 计算出所述气泡粒径的实际物理尺寸I
[0133] 由此，便完成了对待测气泡的粒径参数的准确计算。
[0134] 下面通过一个具体的实例，对本实施例的气泡粒径反演计算方法进行举例说明。
[0135] W图12所示的分辨率板IW及图14所示的目标条纹图像为例，具体举例说明如下：
[0136] (1)将分辨率板1置于水体中，调节工业相机的位置于工作距离；
[0137] (2)调节分辨率板1的位置，将宽度d2 = 2〇Mi的条纹组置于工业相机的视场范围 内；
[0138] (3)启动工业相机和远屯、镜头拍摄该组条纹，形成如图14所示的目标条纹图像；
[0139] (4)采用图像处理的方法，分别获得目标条纹图像中四条目标条纹的宽度Cb所对 应的像素个数P20，例如，分别为5、5、6、5;
[0140] (5)对上述的四个像素个数求取平均值，作为宽度d2 = 20皿的目标条纹所对应的 像素个3
[0141] (6)计算宽度d2 = 20皿的目标条纹所对应的比例因3
，保 存 P2q = 5.2f5 和曰2〇 = 0.26 化；
[0142] (7)调节分辨率板1的位置，将宽度为di、d3、d4的条纹组依次置于工业相机的视场 范围内，然后按照步骤(3)-(6)分别计算出宽度为山二IOwikd3 = SOwiKck= IOOlim的目标条 纹所对应的比例因子：
[0143]
[0144]
[0145]
[0146] 并保存Pio = 3.33、aio = 0.3333 ;p5〇 = 10.39、日5〇 = 0.2078 ; Pioo = 22.48、aioo = 0.2248；
[0147] (8)根据保存的4个像素个数Pio、P2〇、P日日、Pioo,划分出5个区间：（0，Pio)、（Pio，P2〇)、 (P20，P50)、（Ps0，P100 )、（P100 ，+ °°);
[0148] (9)提取出待测的气泡轮廓，具体可采用本实施例提出的气泡图像识别步骤SlOl 进行气泡轮廓的提取；
[0149] (10)计算出待测气泡的粒径所对应的像素个数P'，具体可W参照本实施例所提出 的非球形气泡的等效粒径转换过程S102进行计算；
[0150] (11)假设P'=8,则判定其所属的区间为(P2〇，P5〇)，即（5.25,10.39)，分别计算P' 与P2Q、Psq的相对误差：
[0151]
[0152]
[01对 （11)比较相对误差02日、0日日，选取相对误差较小的像素个数P日日所对应的比例因子 日已0;
[0154] (12)将P'=8和比例因子a日0代入宽度为50皿的目标条纹所对应的关系模块，即可 计算出所述待测气泡的粒径的物理尺
[0155] 本实施例的气泡测量方法可W对溶解在任何类型水体中的气泡进行准确地提取、 识别和粒径参数的计算，不仅适用于实验室环境，同时支持待测水体的原位采集和检测，解 决了由于气泡易挥发、难存储而难于辨别的问题。
[0156] 当然，W上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和 润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种测量水体中气泡的方法，其特征在于，包括： 利用已知的气泡轮廓样本生成气泡库； 采集待测水体的气泡悬浮物图像，提取出其中的气泡轮廓和悬浮物轮廓； 对提取出的每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓利用相似度比较法与所述气泡库中的气泡 轮廓样本进行比较，筛选出相似度大于设定阈值的轮廓判定为疑似气泡轮廓； 对每一个所述的疑似气泡轮廓进行灰度统计，将灰度值从轮廓的中心向边缘逐渐变小 的轮廓判定为气泡轮廓； 根据所述气泡轮廓计算出气泡粒径所对应的像素个数P'； 将具有不同宽度等级的条纹组的分辨率板浸入到水体中，拍摄所述分辨率板上的所述 条纹组，形成目标条纹图像，并根据所述目标条纹图像计算出目标条纹的宽度所对应的像 素个数； 针对每一个宽度等级的条纹组，建立目标条纹的宽度与像素个数的对应关系，形成关 系模型:焉=+ X凡！其中，i是条纹组编号，Cl1是第i个条纹组中的目标条纹的宽度，/?是 Qd 宽度为Cl1的目标条纹所对应的像素个数，心,是宽度为山的目标条纹所对应的比例因子； 找出像素个数与所述气泡粒径所对应的像素个数P'接近的目标条纹所在的条纹组j， 利用第j个条纹组所对应的关系模型< =_+x凡，计算出所述气泡粒径的物理尺寸2. 根据权利要求1所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在所述利用已知的气泡 轮廓样本生成气泡库的过程中，包括： 获取已知的背景图像样本和气泡图像样本； 利用人工分割法在所述气泡图像样本中分割出完整的气泡图像； 选择类圆形和类椭圆形的单气泡图像，结合所述的背景图像样本，采用背景减除法去 除所述单气泡图像中的背景，获得所述的气泡轮廓样本，生成所述的气泡库。3. 根据权利要求1所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在所述采集待测水体的 气泡悬浮物图像，提取出其中的气泡轮廓和悬浮物轮廓的过程中，包括： 获取待测水体的背景； 采集待测水体的气泡悬浮物图像； 采用背景减除法去除所述气泡悬浮物图像中的背景，提取出其中的气泡轮廓和悬浮物 轮廓。4. 根据权利要求1所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在判定所述疑似气泡轮 廓的过程中，采用Hu不变矩相似度比较法将提取出的每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓分别作 为一个目标特征向量，分别与气泡库中的每一个气泡轮廓样本所对应的特征向量进行比 较;假设气泡库中存在N个气泡特征向量，则通过比较，每一个气泡轮廓和悬浮物轮廓分别 对应N个相似度阈值;从所述的N个相似度阈值中选择最大值作为该气泡轮廓和悬浮物轮廓 的相似度阈值α，与所述的设定阈值进行比较，若α大于设定阈值，则判定为疑似气泡轮廓。5. 根据权利要求1所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在所述对每一个所述的 疑似气泡轮廓进行灰度统计的过程中，包括： 提取每一个疑似气泡轮廓的边缘像素点； 计算每一个疑似气泡轮廓的质心，以所述质心为坐标原点建立直角坐标系，并按照45° 夹角划分出八个不同的判别方向； 统计每一个判别方向上的灰度点的变化规律，若在每一个判别方向上，其灰度值均从 质心向轮廓边缘逐渐变小，则判定当前的疑似气泡轮廓为气泡轮廓;否则，为悬浮物轮廓。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在根据所 述气泡轮廓计算出气泡粒径所对应的像素个数P '的过程中，包括： 针对每一个所述的气泡轮廓，计算所述气泡轮廓的质心坐标；以所述质心为坐标原点， 建立平面直角坐标系，分别计算出所述气泡轮廓在X轴和Y轴方向上的半径所对应的像素个 数，并分别记为rx、r y; 若rx = ry，则判定所述气泡为球形气泡，生成所述气泡的粒径所对应的像素个数p ' = Γχ； 若rx辛ry，则判定所述气泡为非球形气泡，分别选择rx和ry作为所述气泡轮廓在空间直 角坐标系中Z轴方向上的半径所对应的像素个数rz，按照椭球计算公式沙, 计算出两个椭球体积； 求取两个椭球体积的平均值作为所述非球形气泡的体积V; 利用球形体积公J,计算出所述非球形气泡的等效粒径所对应的像素个数P ' =r〇7. 根据权利要求6所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在所述分辨率板上设置 有N个不同宽度等级的条纹组，所述N为大于1的正整数;将所述N个不同宽度等级的条纹组 按照其条纹宽度所对应的像素个数以从小到大的顺序依次排列，形成N+1个区间；其中，宽 度最小的条纹所对应的像素个数与〇形成首区间（〇，)，宽度最大的条纹所对应的 像素个数与形成尾区间（1?，+0° 中间的N-I个区间由相邻的两个像素个数形 成，即（/，,,'，及'）.，i = l、2、 N N-I ； 在所述找出像素个数与所述P '接近的目标条纹所在的条纹组j，利用第j个条纹组所对 应的关系模型沁一xAy，计算出所述气泡粒径的物理尺寸的过程中，包括： adj. α?? 判断所述P '落入所述Ν+1个区间中的哪一个区间内； 若所述P'落入首区间（〇，Ail )内，则利用第1个条纹组所对应的关系模型，计算出所述气泡粒径的物理尺寸Z =--xP'; 若所述P'落入尾区间（凡^ ,+? )内，则利用第N个条纹组所对应的关系模型.，.计算出所述气泡粒径的物理尺若所述P '落入中间的某个区间内，则分别计算所述P '与该区间的两个端点的像素个数 办,、A,.+1的相对误差，并选取相对误差较小的一个像素个数所对应的关系模型计算出所 述气泡粒径的物理尺寸。8. 根据权利要求7所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在每一个所述的条纹组 中均设置有M条等宽度的直线条纹，所述M为大于1的正整数;在所述拍摄所述分辨率板上的 所述条纹组，形成目标条纹图像的过程中，包括： 调节分辨率板的位置，将其中一个条纹组中的M条等宽度的直线条纹置于拍摄的视场 范围内，形成该条纹组所对应的目标条纹图像； 改变所述分辨率板的位置，依次将其余各个条纹组中的M条等宽度的直线条纹置于拍 摄的视场范围内，最终针对N个所述的条纹组形成与之一一对应的N个目标条纹图像。9. 根据权利要求8所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于，在所述根据所述目标条 纹图像计算出目标条纹的宽度所对应的像素个数的过程中，包括： 针对每一个目标条纹图像中的M条等宽度的直线条纹分别计算出其宽度所对应的像素 个数，并对获得的M个像素个数求取平均值，记为该目标条纹的宽度所对应的像素个数。10. 根据权利要求9所述的测量水体中气泡的方法，其特征在于， 在所述采集待测水体的气泡悬浮物图像的过程中，采用工业相机配合远心镜头进行拍 摄； 在所述拍摄所述分辨率板上的所述条纹组，形成目标条纹图像的过程中，采用相同的 工业相机和远心镜头进行拍摄，并且保持所述工业相机和远心镜头的设置参数不变； 在所述调节分辨率板的位置的过程中，保持分辨率板与所述远心镜头之间的距离不 变。
【文档编号】G06T7/00GK106023153SQ201610301429
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】张 浩, 杨倩, 吴承璇, 曲君乐, 安泉, 吕斌, 陈光源, 祁国梁, 贺海靖, 王秀芬, 雷卓, 刘杰, 董磊
【申请人】山东省科学院海洋仪器仪表研究所