[發(fā)明專利]一種高濃度微群泡形態(tài)識別及軌跡追蹤測速方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210376642.6
• 申請日: 2022-04-12
• 公開（公告）號: CN114463653B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葉青青;孫偉奇;陳奕宏;邵雪明
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06V20/20
• 分類號: G06V20/20;G06V10/20;G06V10/26;G01P5/26
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發(fā)明公開了一種高濃度微群泡形態(tài)識別及軌跡追蹤測速方法，屬于圖像識別和處理領(lǐng)域。方法包括：微群泡圖像采集；圖像前處理；對微氣泡圖像中疊加的像素塊進(jìn)行分割；識別微氣泡圖像，獲取每個氣泡的形態(tài)信息；獲取的每一個微氣泡的等效直徑，統(tǒng)計尺寸分布信息；對相鄰兩個時刻的微氣泡圖像進(jìn)行互相關(guān)計算，獲取微氣泡的速度場信息和運(yùn)動軌跡。本發(fā)明適用于較高濃度的微氣泡群的形態(tài)識別和互相關(guān)計算，可以對較高濃度的微氣泡群進(jìn)行形態(tài)識別，獲取氣泡的粒徑及分布信息，提取微泡群的速度場。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微尺度氣泡群圖像識別和處理領(lǐng)域，具體涉及一種高濃度微群泡形態(tài)識別及軌跡追蹤測速方法，實現(xiàn)對微尺度高濃度氣泡群中每個氣泡的形態(tài)識別、粒徑統(tǒng)計、軌跡追蹤和速度計算。

背景技術(shù)

水下航行器在工作過程中產(chǎn)生的噪聲對艦船、潛艇隱身性有重大影響。同時噪聲還會嚴(yán)重影響水下生態(tài)環(huán)境。微氣泡是水下航行器降噪常用手段之一，能夠通過耗散生能量，改變聲波傳播的方式有效抑制噪聲傳播。微氣泡對聲波的影響很大程度上取決于氣泡本身特征參數(shù)以及微氣泡在流體中的相對運(yùn)動規(guī)律。因此，實現(xiàn)對微氣泡特性的參數(shù)化表征，追蹤氣泡運(yùn)動軌跡，分析其速度特征對微氣泡降噪特性研究有重要意義。

微氣泡群對聲波的衰減作用取決于微氣泡的粒徑，分布以及濃度等特性。傳統(tǒng)的聲色散方法能夠?qū)崿F(xiàn)微氣泡參數(shù)測量，但是有對測試環(huán)境要求高、測試難度復(fù)雜的特點(diǎn)。隨著光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，非接觸式的光學(xué)圖像方法已經(jīng)成為微氣泡研究的重要技術(shù)途徑。但是，由于微氣泡粒徑較小，一般在微米量級，使得在氣泡濃度較高、氣泡層厚度大的環(huán)境中，相機(jī)捕捉的二維氣泡圖像往往存在氣泡重疊多、氣泡邊界模糊等問題。這在很大程度上影響了氣泡形態(tài)識別的準(zhǔn)確性和后續(xù)速度場計算的精度，進(jìn)一步影響對流場的測量和對噪聲衰減作用的判斷和控制。CN113838089A提供了一種基于特征匹配算法的氣泡軌跡跟蹤方法，但其主要針對兩相流領(lǐng)域中大尺度不同形狀氣泡流動行為進(jìn)行研究，其研究中氣泡為單點(diǎn)生成，氣泡空間分布基本范圍固定，軌跡變化相對小，氣泡濃度低、尺度大，不涉及氣泡間相互碰撞、干擾、融合；其采用的氣泡軌跡追蹤主要通過相鄰兩幀距離進(jìn)行氣泡匹配，進(jìn)一部獲得氣泡軌跡；其采用的特征點(diǎn)匹配方法僅適用于氣泡濃度很少，運(yùn)動軌跡變化小的情況，對于高濃度氣泡群軌跡計算誤差較大。

因此，發(fā)展一套在高濃度微氣泡的條件下的高精度氣泡形態(tài)識別和軌跡追蹤方法顯得尤為重要。另外，以往的氣泡成像技術(shù)往往由低速成像方法進(jìn)行，缺乏足夠的時間解析度，無法獲得氣泡在流體中的運(yùn)動規(guī)律，分析氣泡的生成演化破碎過程。因此需要利用高速成像的方法突破以往低速成像對微氣泡時空解析的局限，更好地捕捉微氣泡群的時空演化特性。

發(fā)明內(nèi)容

基于背景中所闡述的問題，本發(fā)明的目的在于對較高濃度的微氣泡群進(jìn)行形態(tài)識別，通過高速圖像技術(shù)，獲取氣泡的粒徑及分布信息，并對經(jīng)過識別后的氣泡圖像進(jìn)行時序相關(guān)性分析，從而獲取氣泡的運(yùn)動軌跡及速度場。本質(zhì)上，為高濃度的微氣泡群的形態(tài)識別、空間分布特性和運(yùn)動特征提取提供了一種解決方案。

本發(fā)明的實例公開了一種高濃度微尺度群泡的形態(tài)識別和速度測量的方法，具體包括：

1)基于高速CMOS相機(jī)成像原理，采集氣泡原始圖像，

2)輸入高時間分辨率的高濃度微氣泡圖像，進(jìn)行前處理，所述前處理包括對微氣泡圖像進(jìn)行二值化、去除噪點(diǎn)、填充和腐蝕操作；其中，二值化處理后，氣泡區(qū)域像素灰度值設(shè)定為1，其它區(qū)域為0；

3) 基于高濃度微氣泡空間分布，采用分水嶺和距離變換進(jìn)行氣泡圖像分割操作，將每一個氣泡劃分為獨(dú)立的區(qū)域；

4)對區(qū)塊分割后的微氣泡圖像進(jìn)行輪廓識別，獲取每個氣泡的形態(tài)信息，并進(jìn)行形態(tài)匹配；統(tǒng)計微氣泡群所有氣泡等效直徑，獲取直徑分布信息；

5)對相鄰兩個時刻的微氣泡圖像進(jìn)行相關(guān)性分析；獲取微氣泡群的瞬時速度場信息；對獲取的速度場進(jìn)行速度矢量糾正；顯示微氣泡群的運(yùn)動軌跡和方向。