專利名稱：一種測量粒子粒徑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于粒徑光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是測量流場粒子粒徑的方法，特 別是一種使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀(PIV)成像系統(tǒng)拍攝流場粒子圖 像,并利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒徑的方法。
背景技術(shù)：
粒子圖像速度場儀(Particle Image Velocimetry)是近二十年發(fā)展起來的 一種全新的流場顯示測量技術(shù)，融計算機圖像處理與光學(xué)技術(shù)為一體，具有能測 量研究空間全流場的瞬態(tài)速度和對流場干擾小的優(yōu)點，成為流場測試和分析的一 個非常有效的工具。
粒徑和速度分布的實驗測量是流場顯示及其定量分析研究的主要內(nèi)容，因 而，研究人員通常都希望在獲得流場速度特性的時候，同時得到流場粒子粒度信 息。目前，相位多普勒技術(shù)PDA (Phase Laser D叩pler Velocimetry)能夠?qū)?現(xiàn)粒子尺寸與速度的同時測量，是非接觸式測量技術(shù)，具有較高的時間和空間分 辨率。但是，PDA技術(shù)只能實現(xiàn)流場的單點測量?；赑IV技術(shù)發(fā)展起來的各種 速度粒度同場實時測量技術(shù)，如圖像法、ILIDS (interferometric laser imaging for droplet sizing)禾口 GSV (Global Size and Velocity Measurement)等方 法繼承了 PIV技術(shù)非接觸式全場瞬態(tài)測量的優(yōu)點，成為PIV技術(shù)研究的熱點之一。
圖像法將PIV圖像上粒子像點面積等效為圓面積，計算圓直徑作為粒子等效 粒徑。圖像法受衍射、相機景深和空間分辨率等各種因素影響，粒徑測量精度不 高。ILIDS技術(shù)利用粒子反射光與折射光之間的相位差，在離焦平面上形成圓形 干涉條紋圖，粒子粒徑不同，干涉條紋圖的條紋數(shù)量不同，根據(jù)條紋數(shù)量即可得 到粒徑大小。GSV技術(shù)基于Mie散射理論光線經(jīng)圓形粒子散射后形成強烈角振 蕩特征，其角間距與粒子粒徑成一定比例關(guān)系；GSV采用的拍攝角度為60度， 在此角度下，振蕩間距對折射率最不敏感，且與粒徑關(guān)系最為簡單；在相機前加裝狹縫光圈，解決粒子濃度較高時振蕩條紋重疊的問題；采用了窗口化FFT算法， 以進一步提高粒徑計算精度；GSV是目前速度粒度同場測量的最優(yōu)技術(shù)。以上方 法的測速部分使用的都是傳統(tǒng)PIV技術(shù)。
己有技術(shù)中，張偉，吳志軍在"基于灰度統(tǒng)計的粒子圖像速度粒度實時測量 新技術(shù)"(《應(yīng)用激光》，Vol. 25， No. 2 April 2005) —文中介紹的數(shù)字PIV系統(tǒng) 測量噴霧粒徑的方法，是利用PIV系統(tǒng)兩臺激光器輸出能量的差異，獲得噴霧流 場具有灰度差異的兩次曝光粒子圖像，在計算機上采用圖像集合校正、平滑和去 噪、二值化、元素分割以及膨脹和腐蝕等數(shù)字圖像分析處理方法對粒子圖像進行 預(yù)處理后，進行粒子識別和統(tǒng)計，獲得各個粒子像點位置、大小和灰度信息；統(tǒng) 計粒子圖像灰度直方圖，根據(jù)平均灰度區(qū)分兩次曝光粒子像點。計算粒子像點包 含的像素個數(shù)作為粒子像點面積，將粒子像點等效為圓形粒子像點，借助圓面積 計算公式得到相應(yīng)的等效直徑。比較兩次曝光粒子像點等效直徑以獲得最優(yōu)值。 這種方法的缺點是各種數(shù)字圖像分析預(yù)處理方法都會影響粒子像點的大小，從而 影響到粒子直徑真實尺寸的確定；同時，該方法對激光強度的穩(wěn)定性要求很高， 激光強度一旦改變，就需要對各種數(shù)字圖像分析處理方法重新設(shè)定；兩次曝光激 光能量的波動容易使比較結(jié)果產(chǎn)生誤差；另外，粒子成像還受激光衍射和PIV 系統(tǒng)誤差的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本方法的目的在于提供一種利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒 徑的方法，該方法以配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)作為成像設(shè)備，以 激光片光脈沖照射流場，處于不同前向角的兩相機同時單次曝光，獲得兩幅流場 的具有灰度差異的粒子圖像，經(jīng)圖像處理技術(shù)預(yù)處理后，利用雙目視覺匹配實現(xiàn) 同一粒子在兩幅圖像上對應(yīng)兩粒子像點的配對，由兩粒子像點的灰度值總和經(jīng)粒 徑求解公式得到粒子粒徑大小，從而獲得整個流場的粒度分布信息。
進一步，本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，具體包括
(1)合理選擇設(shè)定配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)的各個參數(shù) 設(shè)定激光器發(fā)射的激光的波長義、所用相機鏡頭前加裝的孔板上的正方形小孔的
邊長Z/、激光光路與兩個相機光軸的夾角即前向角《和《、相機鏡頭中心至相機光軸與激光光路交點的距離吒、激光片光脈沖寬度即相機曝光時間n相機快門
開啟的持續(xù)時間:r以及決定激光片光脈沖光強/的激光器輸出功率p;并將各個 參數(shù)輸入計算機。
(2) 獲取兩幅流場單次曝光的具有灰度差異的粒子圖像使用配備雙相機
的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)發(fā)射一束激光片光脈沖照明流場，兩個具有不同前 向角的相機伴隨激光脈沖同時進行單次曝光，獲得流場的兩幅具有灰度差異的單 次曝光粒子圖像，輸入計算機。
(3) 粒子圖像的預(yù)處理針對本發(fā)明以粒子像點灰度值總和作為粒徑計算
主要參數(shù)，預(yù)處理必須盡可能保留粒子像點原始信息的要求，主要采用背景噪聲 和單點噪聲降噪處理，根據(jù)不同流場特性及實際處理要求可進一步選擇采用合適
的圖像幾何校正、平滑和元素分割等數(shù)字圖像處理技術(shù)中的一種或多種技術(shù)對粒 子圖像作預(yù)處理，改善圖像質(zhì)量。
(4) 獲取粒子圖像上各個粒子像點的位置與灰度值總和信息釆用合適的 算子與方法對粒子圖像作邊緣檢測，區(qū)分出圖像上的各個不同粒子像點，以粒子
像點的重心作為中心點，得到粒子像點的中心位置;c和少，統(tǒng)計粒子像點占據(jù)的
像素數(shù)量作為粒子像點面積^ ;以粒子像點在預(yù)處理后粒子圖像上對應(yīng)各像素的 灰度值之和作為粒子像點灰度值總和G 。
(5) 利用雙目視覺匹配配對單個粒子在兩幅圖像上對應(yīng)的不同灰度的粒子
像點粒子所成像點在粒子圖像上的位置與相機前向角存在一定關(guān)系，根據(jù)這一 關(guān)系可獲得具有不同前向角兩相機拍攝粒子圖像上各像素對應(yīng)關(guān)系，此即為雙目 視覺匹配關(guān)系，以此關(guān)系為基礎(chǔ)，由(4)中所得真實粒子在一張圖像上所成粒 子像點的中心位置求得在另一張圖像上的對應(yīng)位置，中心點位于此對應(yīng)位置的粒 子像點便是真實粒子在另一張圖像上所成的粒子像點，從而實現(xiàn)同一粒子在兩幅 圖像上對應(yīng)不同灰度粒子像點的配對，并擴展至整個粒子圖像。
(6) 根據(jù)各粒子成對的兩粒子像點的不同灰度信息以及(1)中選擇設(shè)定的
成像系統(tǒng)的各個參數(shù)，得到整個流場的粒度信息通過(1)中獲得的配備雙相
機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)的各個參數(shù)，利用公式(a)，求得粒徑求解系數(shù)
、根據(jù)粒子圖像上各粒子成對兩粒子像點的不同灰度信息，利用基于粒子圖像灰度差異的粒度求解公式(b)即可獲得各個粒子的粒徑大小，從而得到整個流
場的粒度信息。
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中K為相機曝光能量轉(zhuǎn)化為圖像灰度的系數(shù)、^M為功率當(dāng)量、"為粒子直
徑；Gi是單個真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子圖像上對應(yīng)粒子像點的 灰度值總和；《是同一真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子圖像中對應(yīng)粒
子像點的灰度值總和。
進一步，還可包括(7)輸出粒徑信息圖像將獲得整個流場的粒度信息以 圖像的形式顯示在計算機屏幕上，或由打印機輸出。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明根據(jù)不同前向角的粒子散射光光強有差異的特 點，利用兩個相機在不同前向角同時拍攝流場來獲得兩幅具有灰度差異的單次曝 光粒子圖像，單次曝光避免了兩次曝光激光光強波動帶來的誤差；求解過程中將 激光光強作為輸入?yún)?shù)，光強的波動可以直接在粒徑求解過程中體現(xiàn)出來，避免 了粒子粒徑測量的激光光強穩(wěn)定性的限制；采用雙相機的雙目視覺匹配技術(shù)實現(xiàn) 同一真實粒子在兩幅粒子圖像上對應(yīng)粒子像點的精確配對，提高了粒子圖像配對 的準(zhǔn)確性；利用相同光強激光片光脈沖照明下不同前向角的粒子圖像灰度值相減 求取粒徑，最大程度地消除了系統(tǒng)誤差影響；同一真實粒子在兩幅圖像上的粒子 像點的灰度信息經(jīng)過相同數(shù)字圖像處理方法處理得到，因此各種圖像處理誤差在 灰度值相減之下基本消除?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，具有實質(zhì)性特點和 顯著進步。


圖1是本發(fā)明一種實施例的脈沖激光照明流場的情況示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合測量水槽流場中示蹤粒子的粒徑信息的實施例和附圖1對本發(fā)明 作進一步詳細描述
(1) 由于水槽流場的流速較慢、流場內(nèi)粒子較大且比較稀疏，測量分辨率 要求不高，因而設(shè)定配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)的各個參數(shù)如下 激光器發(fā)射的激光的波長為2-532"W、所用相機鏡頭前加裝的孔板的正方形小
孔的邊長為6'-14wm 、激光光路與兩個相機光軸的夾角即前向角分別為《=90° 和《=60°、相機鏡頭中心至相機光軸與激光光路交點的距離《=500附附、激光
片光脈沖寬度即相機曝光時間/ = 5臘、相機快門開啟持續(xù)時間r = 10慰以及決
定激光片光脈沖光強/的激光器輸出功率P = 100mw ;將參數(shù)數(shù)值輸入計算機。
(2) 配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)發(fā)射激光片光脈沖照射水槽 流場，兩個相機伴隨激光脈沖同時進行單次曝光，獲得流場的兩幅具有灰度差異 的粒子圖像，傳輸至計算機。
(3) 以r^lOms拍攝未添加粒子的流場圖像作為背景圖像，粒子圖像與背 景圖像上各像素灰度相減實現(xiàn)背景噪聲降噪，以低灰度閾值與濾波處理實現(xiàn)粒子 圖像單點噪聲降噪處理，不采取任何其它數(shù)字圖像預(yù)處理技術(shù)，最大程度保留粒 子圖像原始信息。
(4) 采用改進的微分算子進一步對兩幅粒子圖像作邊緣檢測，區(qū)分出各個
粒子像點，以粒子像點的重心作為中心點，得到粒子像點的中心位置x和y，統(tǒng)
計粒子像點占據(jù)的像素數(shù)量作為粒子像點面積S ;以粒子像點在預(yù)處理后粒子圖 像上對應(yīng)各像素的灰度值之和作為粒子像點灰度值總和G 。
(5) 以中心點位置像素替換粒子像點，采用雙目視覺匹配方法，根據(jù)粒子 與兩個相機的空間關(guān)系，對替換后的圖像作匹配，實現(xiàn)同一粒子在兩幅粒子圖像 上對應(yīng)不同灰度粒子像點的配對，并拓展至整個粒子圖像。
(6) 由(1)中獲得的配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)的各個參數(shù)，
利用公式^ = 1^4 求得粒徑求解系數(shù)^值，然后根據(jù)各真實粒子的配對粒 《M 4;r《子像點的不同灰度值信息經(jīng)粒徑求解公式"- 2—'計算后得到各個粒子
的粒徑信息。(其中《為相機曝光能量轉(zhuǎn)化為圖像灰度的系數(shù)、f^為功率當(dāng) 量、"為粒子直徑；《是單個真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子圖像上對
應(yīng)粒子像點的灰度值總和；^是同一真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子
圖像中對應(yīng)粒子像點的灰度值總和。)
(7)在計算機屏幕上顯示獲得的整個流場的粒子粒徑分布信息或通過打印 機輸出。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并 把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本 發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出 的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量粒子粒徑的方法，其特征在于使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)拍攝流場粒子圖像，并利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量粒子粒徑的方法，其特征在于該方法以配備 雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)作為成像設(shè)備，以激光片光脈沖照射流場， 處于不同前向角的兩相機同時單次曝光，獲得兩幅流場的具有灰度差異的粒子圖 像，經(jīng)圖像處理技術(shù)預(yù)處理后，利用雙目視覺匹配實現(xiàn)同一粒子在兩幅圖像上對 應(yīng)兩粒子像點的配對，由兩粒子像點的灰度值總和經(jīng)粒徑求解公式得到粒子粒徑 大小，從而獲得整個流場的粒度分布信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量粒子粒徑的方法，其特征在于包括(1) 設(shè)定激光器發(fā)射的激光的波長義、所用相機鏡頭前加裝的孔板上的正 方形小孔的邊長6'、激光光路與兩個相機光軸的夾角即前向角《和《、相機鏡頭中心至相機光軸與激光光路交點的距離《、激光片光脈沖寬度即相機曝光時間"相機快門開啟的持續(xù)時間T以及決定激光片光脈沖光強/的激光器輸出功率 戶；并將各個參數(shù)輸入計算機；(2) 使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)發(fā)射一束激光片光脈沖 照明流場，兩個具有不同前向角的相機伴隨激光脈沖同時進行單次曝光，獲得流場的兩幅具有灰度差異的單次曝光粒子圖像，輸入計算機；(3) 針對本發(fā)明以粒子像點灰度值總和作為粒徑計算主要參數(shù)，預(yù)處理必須盡可能保留粒子像點原始信息的要求，主要采用背景噪聲和單點噪聲降噪處 理，根據(jù)不同流場特性及實際處理要求可進一步選擇采用合適的圖像幾何校正、 平滑和元素分割等數(shù)字圖像處理技術(shù)中的一種或多種技術(shù)對粒子圖像作預(yù)處理，改善圖像質(zhì)量；(4) 采用合適的算子與方法對粒子圖像作邊緣檢測，區(qū)分出圖像上的各個 不同粒子像點，以粒子像點的重心作為中心點，得到粒子像點的中心位置x和y, 統(tǒng)計粒子像點占據(jù)的像素數(shù)量作為粒子像點面積S ;以粒子像點在預(yù)處理后粒子圖像上對應(yīng)各像素的灰度值之和作為粒子像點灰度值總和G ;(5) 粒子所成像點在粒子圖像上的位置與相機前向角存在一定關(guān)系，根據(jù) 這一關(guān)系可獲得具有不同前向角兩相機拍攝粒子圖像上各像素對應(yīng)關(guān)系，此即為 雙目視覺匹配關(guān)系，以此關(guān)系為基礎(chǔ)，由權(quán)利要求(4)中所得真實粒子在一張 圖像上所成粒子像點的中心位置求得在另一張圖像上的對應(yīng)位置，中心點位于此 對應(yīng)位置的粒子像點便是真實粒子在另一張圖像上所成的粒子像點，從而實現(xiàn)同 一粒子在兩幅圖像上對應(yīng)不同灰度粒子像點的配對，并擴展至整個粒子圖像；(6) 通過權(quán)利要求(1)中獲得的配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)的各個參數(shù)，利用公式(a)，求得粒徑求解系數(shù)、根據(jù)粒子圖像上各粒子成對兩粒子像點的不同灰度信息，利用基于粒子圖像灰度差異的粒度求解公式(b) 即可獲得各個粒子的粒徑大小，從而得到整個流場的粒度信息；<formula>formula see original document page 3</formula>
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量粒子粒徑的方法，其特征在于還包括將獲 得整個流場的粒子粒徑信息以圖像的形式顯示在計算機屏幕上，或由打印機輸 出。
全文摘要
利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒徑的方法，屬于粒徑光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，本方法根據(jù)不同前向角散射光具有光強差異的特點，利用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統(tǒng)獲得流場經(jīng)單次曝光形成的兩幅具有灰度差異的粒子圖像，經(jīng)圖像處理技術(shù)預(yù)處理后，根據(jù)雙目視覺匹配原理，實現(xiàn)同一粒子在兩幅粒子圖像上對應(yīng)兩粒子像點的配對，由兩粒子像點的灰度值總和經(jīng)粒徑求解公式得到粒子粒徑大小，從而獲得整個流場的粒度信息，本方法對激光光強和穩(wěn)定性要求降低，粒子配對方法簡便，減少了系統(tǒng)誤差、數(shù)字圖像處理技術(shù)以及激光衍射對粒徑測量結(jié)果的影響，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，具有實質(zhì)性特點和顯著進步。
文檔編號G01T5/00GK101295024SQ200710040310
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者吳志軍, 李治龍, 李理光, 田志松, 黃成杰 申請人:同濟大學(xué)