一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法技术

一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，采用三次多项式拟合相界面并计算接触角，该发明专利技术可以适应不对称相界面，更适合用于实际实验中获得的测量图像；该发明专利技术基于图像局部灰度极值的方式，实现了微管道中液液驱替的低对比图像的相界面，进而得到接触角。本发明专利技术基于图像局部灰度极值的方式，实现了微管道中液液驱替的低对比图像的相界面、壁面和接触点的识别，本发明专利技术容错率高，可以适应存在噪声的图像，可以正确、高效识别出相界面、壁面和接触点，以上信息可用于正确测量接触角。该方法可适应不对称相界面的拟合，算法鲁棒性强，极大提高了数据处理的效率及测量精度。

A Contact Angle Acquisition Method for Liquid-liquid Two-phase Displacement Images in Micron Capillaries

A contact angle acquisition method for liquid-liquid two-phase displacement image in micron capillary is presented. The phase interface is fitted by cubic polynomial and the contact angle is calculated. The invention can adapt to the asymmetric phase interface and is more suitable for the measurement image obtained in practical experiments. Based on the local gray extremum of the image, the phase interface of low contrast image of liquid-liquid displacement in micro-pipeline is realized. And get the contact angle. The method realizes the identification of phase interface, wall and contact point of low contrast image of liquid-liquid displacement in micro-pipeline based on local gray level extreme value of image. The method has high fault tolerance, can adapt to image with noise, can correctly and efficiently identify phase interface, wall and contact point, and the above information can be used to correctly measure contact angle. This method can be adapted to the fitting of asymmetric phase interfaces, and has strong robustness, which greatly improves the efficiency of data processing and measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法
本专利技术涉及一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，适用于微尺度两相流动研究领域、石油强化开采领域的实验。
技术介绍
单个微米尺度的毛细管中的两种不相融液体的驱替机理是自然环境多孔介质内的两相驱替的基础，多孔介质中的两相驱替发生在众多的工业或自然过程中，比如致密油藏的水驱油、聚合物驱油等过程，上述的工业过程的特点是粘性力微弱(毛管数的范围10-10<Ca<10-5)，重力微弱(邦德数Bo小于10-4)。这两个无量纲数的定义为Ca＝μV/γ，μ为液体粘度，V是相界面速度，γ是界面张力；Bo＝ρgh2/γ，ρ是液体密度，g为重力加速度，h是流动区域的特征尺寸。影响驱替过程的关键因素为毛管力，而计算毛管力的关键参数是两相界面与管道壁面的接触角。毛管力的计算按照Young-Laplace公式计算，如式(1)所示。接触角θ的实际范围为0～180°，当θ<90°时Pc为正值，当θ>90°时，Pc为负值，因此毛管力有可能是阻碍驱替的阻力也可能是推进驱替的动力。不仅如此，接触角评估的错误将会使毛管力计算存在严重的误差，从而导致驱替过程的评估失误。因此，获取上述工业条件下的动态接触角信息对于评估整个多孔介质内液液驱替过程至关重要。在微尺度毛细管中进行两相不相融液体的驱替实验是研究动态接触角的常用方法。已有的实验往往对相界面的显微图像进行人工分析，手动测量接触角。而已有的商业设备采用的图像处理方法也仅限与分析在固体表面的液滴形状(座滴法测量接触角)，液滴形状的图像分析算法包括对称形状分析方法(ADSA-P)、高宽比法、椭圆拟合法等。但是以上算法是针对平面上液滴的形状检测提出的，适用于对比度高的图像，不适用于微管道内液液驱替时低对比度的相界面形状。要测量出微管道内液液驱替相界面的接触角，需要从图像中识别出相界面。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，该方法能够从图像中识别出壁面、相界面和接触点，同时测量出接触角，接触点位置。为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，将获得的显微图像进行坐标划分，设图像的像素尺寸宽为Lx和长Ly；然后进行以下步骤：步骤一，首先通过多极值搜索技术沿着y方向搜索两个壁面最左端的两个点A和B，得到坐标分别为(0,yA)和(0,yB)；步骤二，沿着A-B连线中点的E(0,yE)的水平方向y＝xE搜索单个局部最小值，获得相界面上某点F，坐标点为(xF,yF)；步骤三，沿着y方向采用排序算法搜索单极值，进而搜索部分壁面，为了避免相界面对壁面的搜索，设置一个范围以避开相界面，令0<xD1＝xC1<xF，在0≤x≤xD1和0≤y≤yE范围内搜索得到壁面A-D1，其中D1的坐标为(xD1,yD1)；在0<xf<xC1和yE≤y≤Ly范围内搜索得到壁面B-C1，其中C1的坐标为(xC1,yC1)；步骤四，沿着x方向采用排序算法搜索单极值，进而搜索部分相界面，为了避免两个壁面对相界面的搜索，设置一个范围以避开两个壁面，令0<yD2<yF<yC2<Ly，在0≤x≤Lx和yD2≤y≤yC2范围内搜索得到部分相界面C2-D2，两个点的坐标分别是(xD2,yD2)、(xC2,yC2)；步骤五，采用一次函数分别拟合A-D1和B-C1线段内所有的坐标点得到一次函数fAD和fBC，采用三次函数拟合C2-D2曲线内的所有点，得到三次函数fCD；求解fAD与fCD的交点得到接触点D的坐标(xD,yD)，求解fAD与fCD的交点，得到接触点C的坐标(xC,yC)；线段B-C和A-D为壁面，曲线C-D为相界面；步骤六，根据步骤五得到的相界面的拟合函数x＝fCD(y)，将C的坐标(xC,yC)以及D的坐标(xD,yD)分别代入fCD的一次导数中，求得相界面在C点和D点的接触角θC和θD；fCD的一次导数f′CD为f′CD＝3aCDy2+2bCDy+cCD(13)将纵坐标yC和yD代入式(13)中，得到斜率，将斜率转换成角度得到接触角θC和θD；本专利技术进一步的改进在于，步骤一的具体过程如下：点A和点B是x＝0的直线上灰度极小值点，也是灰度梯度沿着y方向存在极大值的两个点，因此找到灰度梯度极大值的两个点的坐标并加以区分，确定点A和点B的坐标；令任意坐标点(x,y)的灰度值为I(x,y)，则进行以下步骤：(1)对x＝0的直线上的坐标点灰度值进行向前差分来表示变化梯度dI，dI存在两个极大值点；(2)设x＝0的直线上所有点的y坐标按照灰度梯度值I(0,y)进行降序排列，得到一个坐标序列(y1,y2,...yn)，坐标y1是其中一个极大值点的位置，按顺序搜索坐标序列，搜索到第一个满足式(3)的坐标点yk，其中1<k≤n；式(3)中α为小于1的系数，h为点A到点B的竖直距离h＝yB-yA；|yk-y1|>αh(3)(3)比较y1和yk的大小，令二者中较小值为ymin，较大值为ymax，则点A和点B的纵坐标确定为yA＝ymin，yB＝ymax。本专利技术进一步的改进在于，步骤二的具体过程如下：(1)求取A-B连线中点E的纵坐标yE；(2)将直线y＝yE上所有坐标点的灰度值I(x,yE)按式(5)求灰度的梯度，其中x∈[0,LX]；得到直线y＝yE上所有坐标点的灰度梯度dI(x,yE)；(3)由于dI(x,yE)只有一个极大值，搜索dI(x,yE)序列中的极大值点，确定相界面上点F的横坐标xF，而点F的纵坐标xF＝xE。本专利技术进一步的改进在于，步骤三的具体过程如下：(1)为了沿着y方向搜索壁面时不受到相界面的影响，限定搜索的x范围为0≤x≤xD1或0≤x≤xC1，其中xD1＝xC1＝βxF，β是一个小于1的系数；(2)为了搜索壁面A-D1，横坐标xi遍历0至xD1，对于每个横坐标xi，求取直线x＝xi上灰度I(xi,y)在y方向的梯度，如式(6)所示；搜索dI(xi,y)上的极大值，获得对应壁面坐标点的纵坐标yi，一系列坐标点(xi,yi)组成了壁面A-D1；(3)为了搜索壁面B-C1，横坐标xj遍历0至xC1，对于每个横坐标xj，求取直线x＝xj上灰度I(xj,y)在y方向的梯度，将式(6)中xi替换成xj计算dI(xj,y)，搜索dI(xj,y)上的极大值，获得对应壁面坐标点的纵坐标yj，一系列坐标点(xj,yj)组成了壁面B-C1。本专利技术进一步的改进在于，步骤四的具体过程如下：(1)沿x方向搜索灰度的极小值确定相界面，需要避开两个壁面，设定y方向的搜索范围为yD2<y<yC2，其中yD2和yC2分别为式(7)中，h为点A到点B的距离，即h＝yB-yA，ε是一个系数，其取值范围为0<ε<0.5；(2)为了搜索相界面，yi坐标遍历yD2至yC2，对于每个纵坐标yi，求取直线y＝yi上灰度I(x,yi)在x方向的梯度dI(x,yi)，如式(8)所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，其特征在于，将获得的显微图像进行坐标划分，设图像的像素尺寸宽为Lx和长Ly；然后进行以下步骤：步骤一，首先通过多极值搜索技术沿着y方向搜索两个壁面最左端的两个点A和B，得到坐标分别为(0,yA)和(0,yB)；步骤二，沿着A‑B连线中点的E(0,yE)的水平方向y＝xE搜索单个局部最小值，获得相界面上某点F，坐标点为(xF,yF)；步骤三，沿着y方向采用排序算法搜索单极值，进而搜索部分壁面，为了避免相界面对壁面的搜索，设置一个范围以避开相界面，令0

【技术特征摘要】
1.一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，其特征在于，将获得的显微图像进行坐标划分，设图像的像素尺寸宽为Lx和长Ly；然后进行以下步骤：步骤一，首先通过多极值搜索技术沿着y方向搜索两个壁面最左端的两个点A和B，得到坐标分别为(0,yA)和(0,yB)；步骤二，沿着A-B连线中点的E(0,yE)的水平方向y＝xE搜索单个局部最小值，获得相界面上某点F，坐标点为(xF,yF)；步骤三，沿着y方向采用排序算法搜索单极值，进而搜索部分壁面，为了避免相界面对壁面的搜索，设置一个范围以避开相界面，令0<xD1＝xC1<xF，在0≤x≤xD1和0≤y≤yE范围内搜索得到壁面A-D1，其中D1的坐标为(xD1,yD1)；在0<xf<xC1和yE≤y≤Ly范围内搜索得到壁面B-C1，其中C1的坐标为(xC1,yC1)；步骤四，沿着x方向采用排序算法搜索单极值，进而搜索部分相界面，为了避免两个壁面对相界面的搜索，设置一个范围以避开两个壁面，令0<yD2<yF<yC2<Ly，在0≤x≤Lx和yD2≤y≤yC2范围内搜索得到部分相界面C2-D2，两个点的坐标分别是(xD2,yD2)、(xC2,yC2)；步骤五，采用一次函数分别拟合A-D1和B-C1线段内所有的坐标点得到一次函数fAD和fBC，采用三次函数拟合C2-D2曲线内的所有点，得到三次函数fCD；求解fAD与fCD的交点得到接触点D的坐标(xD,yD)，求解fAD与fCD的交点，得到接触点C的坐标(xC,yC)；线段B-C和A-D为壁面，曲线C-D为相界面；步骤六，根据步骤五得到的相界面的拟合函数x＝fCD(y)，将C的坐标(xC,yC)以及D的坐标(xD,yD)分别代入fCD的一次导数中，求得相界面在C点和D点的接触角θC和θD；fCD的一次导数f′CD为f′CD＝3aCDy2+2bCDy+cCD(13)将纵坐标yC和yD代入式(13)中，得到斜率，将斜率转换成角度得到接触角θC和θD；2.根据权利要求1所述的一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：点A和点B是x＝0的直线上灰度极小值点，也是灰度梯度沿着y方向存在极大值的两个点，因此找到灰度梯度极大值的两个点的坐标并加以区分，确定点A和点B的坐标；令任意坐标点(x,y)的灰度值为I(x,y)，则进行以下步骤：(1)对x＝0的直线上的坐标点灰度值进行向前差分来表示变化梯度dI，dI存在两个极大值点；(2)设x＝0的直线上所有点的y坐标按照灰度梯度值I(0,y)进行降序排列，得到一个坐标序列(y1,y2,...yn)，坐标y1是其中一个极大值点的位置，按顺序搜索坐标序列，搜索到第一个满足式(3)的坐标点yk，其中1<k≤n；式(3)中α为小于1的系数，h为点A到点B的竖直距离h＝yB-yA；|yk-y1|>αh(3)(3)比较y1和yk的大小，令二者中较小值为ymin，较大值为ymax，则点A和点B的纵坐标确定为yA＝ymin，yB＝ymax。3.根据权利要求1所述的一种微米毛细管中液液两相驱替图像的接触角获取方法，其特征在于，步骤二的具体过程如下：(1)求取A-B连线中点E的纵坐标yE；(2)将直线y＝yE上所有坐标点的灰度值I(x,yE)按式(5)求灰度的梯度，其中x∈[0,LX]；得到直线y＝yE上所有坐标点的灰度梯度dI(x,yE)；(3)由于dI(x,yE)只有一个极大值，搜索dI(x,yE)序列中的极大值点，确定相界面上点F的横坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷达，李云，冯静娅，文孟刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61