一种测量水体中气泡的方法技术

本发明专利技术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。采用本发明专利技术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。采用本发明专利技术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。采用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水样检测
，具体地说，是涉及一种用于对溶解在水体中的气泡进行采集、识别以及粒径参数计算的技术。
技术介绍
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。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，可以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。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，以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，较少涉及对气泡粒径的反演计算。
技术实现思路
本专利技术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，以提高气泡粒径测量的准确性。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一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：其中，i是条纹组编号，di是第i个条纹组中的目标条纹的宽度，是宽度为di的目标条纹所对应的像素个数，是宽度为di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计算出所述气泡粒径的物理尺寸进一步的，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。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。进一步的，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。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。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，本专利技术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、ry；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'＝rx；若rx≠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：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。为了提高气泡粒径物理尺寸计算的准确性，本专利技术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0形成首区间宽度最大的条纹所对应的像素个数与+∞形成尾区间中间的N-1个区间由相邻的两个像素个数形成，即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若所述p'落入尾区间内，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。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，依次将其余各个本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：其中，i是条纹组编号，di是第i个条纹组中的目标条纹的宽度，是宽度为di的目标条纹所对应的像素个数，是宽度为di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计算出所述气泡粒径的物理尺寸

【技术特征摘要】
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：其中，i是条纹组编号，di是第i个条纹组中的目标条纹的宽度，是宽度为di的目标条纹所对应的像素个数，是宽度为di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
\t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
\t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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37