[發(fā)明專利]一種基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210208460.4
• 申請(qǐng)日: 2012-06-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102692364A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周騖;蔡小舒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N15/00
• 分類號(hào): G01N15/00;G01N15/02;G01B11/00;G01P3/68
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

?技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置及方法，特別涉及一種基于模糊圖像處理、采用一個(gè)相機(jī)鏡頭獲取顆粒粒徑大小、三維位置和運(yùn)動(dòng)速度信息的裝置及方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)隨著數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字相機(jī)拍攝顆粒或兩相流中的顆粒相以獲取相關(guān)信息的顆粒圖像測(cè)量?jī)x已得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于動(dòng)態(tài)顆粒三維位置和速度信息的獲取，通常采用兩套或多套拍攝系統(tǒng)，從兩個(gè)或多個(gè)視角進(jìn)行成像。兩套或多套拍攝系統(tǒng)之間存在著同步的問(wèn)題，調(diào)整十分困難，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；并且為拍攝出清晰的粒子瞬態(tài)圖像或干涉圖像，通常要求曝光時(shí)間極短，需要配置高速攝影儀和高能量脈沖激光光源等，系統(tǒng)成本高昂。而已有的單相機(jī)移動(dòng)或參數(shù)調(diào)節(jié)測(cè)距方法需要將相機(jī)前后移動(dòng)或調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)對(duì)同一物體拍取不同的兩幅照片，無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)顆粒進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要發(fā)展一種基于模糊圖像處理、使用單鏡頭測(cè)量動(dòng)態(tài)顆粒粒徑大小、三維位置和運(yùn)動(dòng)速度的裝置和方法，具有裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的基本原理：在目前常用的圖像法運(yùn)動(dòng)顆粒測(cè)量過(guò)程中，一方面，為防止離焦模糊對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾，常規(guī)測(cè)量方法都采用很薄的激光片光源對(duì)景深范圍內(nèi)區(qū)域進(jìn)行照明，使得被照明的顆粒都能在相機(jī)的焦面上清晰成像；但從另一角度來(lái)看，圖像的離焦現(xiàn)象實(shí)際上包含了顆粒與對(duì)焦平面間距離的信息，進(jìn)一步對(duì)示蹤粒子位于對(duì)焦平面前或后進(jìn)行判定，結(jié)合二維圖像的平面坐標(biāo)，則可獲得顆粒準(zhǔn)確的三維位置信息。另一方面，為了避免因?yàn)轭w粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圖像模糊，都要求曝光時(shí)間極短；但從另一角度來(lái)看，如果適當(dāng)延長(zhǎng)曝光時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成模糊的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，該模糊軌跡圖像則包含了顆粒的運(yùn)動(dòng)信息，即速度場(chǎng)信息。

基于上述的發(fā)明原理，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種采用單鏡頭的圖像法顆粒測(cè)量裝置，其特點(diǎn)是，裝置由光源、鏡頭、分光棱鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和計(jì)算機(jī)組成，所述光源直接或通過(guò)視窗照明待測(cè)顆粒，所述分光棱鏡置于鏡頭后，將一束入射光分為兩束，所述分光棱鏡的入射面A與鏡頭相對(duì)，分光棱鏡第一出射面B和第二出射面C的一側(cè)分別按不等光程距離設(shè)置第一圖像傳感器和第二圖像傳感器。分光棱鏡可以是半透半反棱鏡、五角分光棱鏡或其它形式的分光棱鏡，或可以由1個(gè)半透半反平面分光鏡代替。

所述的鏡頭為遠(yuǎn)心鏡頭或非遠(yuǎn)心鏡頭，所述第一圖像傳感器、第二圖像傳感器選用CCD或CMOS器件。

所述的光源可以是白光光源或單色光源等照明光源。

一種采用上述基于模糊圖像處理的顆粒測(cè)量裝置的顆粒測(cè)量方法，其特點(diǎn)是，測(cè)量方法步驟為：

1.??????測(cè)量前首先對(duì)測(cè)量裝置采用透明標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定，獲得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工況下像元代表的實(shí)際尺寸；

2.??????采用光源照明待測(cè)流場(chǎng)，調(diào)節(jié)光源的位置和強(qiáng)度大小，使背景光均勻；

3.??????分光棱鏡置于鏡頭后，將所接收到的光源分為兩路，并分別采用CCD或CMOS的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器成像，由于兩個(gè)圖像傳感器與分光棱鏡的距離不同，拍攝到的顆粒圖像的模糊程度不同；

4.??????調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間，減少圖像傳感器成像中顆粒軌跡重合和粘連的情況，并對(duì)待測(cè)顆粒進(jìn)行拍攝，將獲取的圖像輸入計(jì)算機(jī)；

5?.?在計(jì)算機(jī)上，對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行去噪處理后，通過(guò)影像邊緣梯度變化判斷圖像的模糊尺度δ，而模糊尺度δ與離焦量ΔW存在對(duì)應(yīng)關(guān)系：

???(1)

式中，R’為離焦顆粒的模糊影像半徑，ΔW為實(shí)際物面偏離對(duì)焦平面的距離，由相機(jī)參數(shù)獲得的W為準(zhǔn)確對(duì)焦時(shí)的物距，δ為離焦顆粒的模糊影像半徑R’與

模糊圖像徑向2個(gè)邊緣梯度最大幅值計(jì)算得到的顆粒半徑之差；

模糊圖像梯度幅值可從下式計(jì)算得到：

????（2）

式中f(x,y)是顆粒圖像像素的坐標(biāo)函數(shù)；