一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图像处理技术对含碳颗粒物纳米结构进行分析的方法。颗粒物可以是发动机排放颗粒物、烧煤生成颗粒物、麦梗燃烧生成颗粒物等各种含碳物质，本方法对颗粒物中碳层的每个微晶的长度和曲率，以及相邻两个微晶的间隔距离进行定量分析。本方法包括以下步骤：颗粒物微观形貌图像获取；对图像进行数字处理；计算颗粒物的纳米结构特征参数。本发明专利技术在对颗粒物微观形貌图像进行数字处理的基础上，进一步自动去除微晶交叉点，以及对微晶进行自动直线搜索拟合，能够有效提高颗粒物纳米结构特征参数的计算效率与计算准确度，从而提供了一种对大气污染颗粒物进行控制技术的应用效果的评价方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对含碳颗粒物纳米结构进行分析的方法，属于图像处理

技术介绍
雾霾已经成为大中城市的一种灾害性天气，受到世界各国包括中国的广泛关注，其中可吸入颗粒物是雾霾的主要成分。这些颗粒物的来源主要有汽车特别是柴油车排放颗粒物、烧煤所产生的废气、工业生产排放废气等，大多数颗粒物都是以碳元素为核心的含碳颗粒物。目前对颗粒物的生成和消除机理特别是颗粒物结构和理化特性及其生成、演变规律已经成为环保领域的关注热点。国内外的大量研究发现，颗粒物的纳米结构与其氧化特性有直接的联系。具有无定型结构的颗粒物比具有晶格结构的颗粒物更容易被氧化，对于含碳颗粒物来说，较短的微晶长度、较大的微晶曲率和层间距表示颗粒物中无定型结构更明显，更容易被消除，具有更低的氧化活化能。因此，采用合理的方法对颗粒物的纳米结构进行定量分析，了解颗粒物的生成和消除机理，将有助于颗粒物的控制。目前已有的方法中缺乏对微晶交叉点的自动消除算法，以及在微晶对间距计算中缺乏自动匹配技术，降低了计算的效率和准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析方法，其具有实现自动消除微晶交叉点及对微晶对自动匹配的特点，能够有效提高颗粒物纳米结构特征参数的计算效率和计算准确度专利技术提供一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，包括：依次进行的颗粒物微观形貌图像获取的步骤、对获取的图像进行数字图像处理的步骤和颗粒物的纳米结构特征参数计算的步骤；所述颗粒物微观形貌图像获取的步骤为：A1、将颗粒物取数粒置于无水乙醇中，在超声波振荡机中振荡一定时间，使颗粒物在无水乙醇中充分分散开；取一滴混合液滴至高分辨率场发射透射电镜用铜网超薄碳膜上，等待乙醇自由挥发；A2、使用高分辨率场发射透射电镜对制备好的颗粒物样品进行微观形貌观测，获取颗粒物形貌图像；A3、对所获取的颗粒物微观形貌图像进行手动分割，获取感兴趣的区域，并对分割后的图像进行保存。优选的，所述对获取的图像进行数字图像处理的步骤为：B1、对步骤一所获取的待处理图像进行归一化处理；B2、对图像进行滤波；B3、对图像进行均衡化增强；B4、对图像进行二值化处理；B5、对图像进行形态学开、闭运算；B6、对图像进行细化。优选的，所述步骤B1、对步骤一所获取的待处理图像进行归一化处理为：设待处理图像所有像素点的最大灰度值为Gmax，最小灰度值为Gmin，像素点P的灰度值为GP，NP是归一化后像素点P的灰度值，归一化公式如式(1)：优选的，所述步骤B2、对图像进行滤波包括如下步骤：C1、取窗口大小为n×n，n为奇数。将窗口在图像上移动，使窗口中心与图像中待处理的像素点P重合；C2、记下窗口中每个像素点的灰度值，按照从大到小的顺序排列：N1，N2，...，Nn×n；C3、计算中间位置的灰度值N((n×n)+1)/2，并将此值赋给像素点P；C4、遍历图像中所有像素点。优选的，所述步骤B3、对图像进行均衡化增强，采用直方图均衡化增强，设步骤B2处理后的图像的灰度级为L，图像中像素点的总数为n，第i级灰度为ri，ni是图像中灰度级为ri的像素个数，包括如下步骤：D1、计算图像的归一化直方图，如式(2)：D2、设r是归一化到区间[01]的图像的灰度级，定义变化f，使得区间[0,1]内的任意r，经变换f(r)都有一个s与之对应，显然，s是经变换f(r)后输出图像的灰度级。f(r)在区间0≤r≤1内满足如下条件：(1)f(r)单调递增； (2)0≤f(r)≤1；(3)s，r具有一一对应的关系；D3、通过变换f将输入图像的灰度级ri映射到输出图像的灰度级si，如式(3)：优选的，所述步骤B4、对图像进行二值化处理的过程为：设步骤B3增强后图像的灰度级范围为(rmin，rmax)，T是rmin和rmax中间的一个数，则二值图gP如式(4)：其中：“1”表示物体(对象、目标)，使用白色；“0”表示背景，使用黑色。式(4)中阈值T采用迭代阈值法确定，包括如下步骤：E1、求出图像中的最小和最大灰度级rmin和rmax,并设置初始阀值，如式(5)：E2、根据阈值Tk(k＝0，1，2...)将图像分为目标和背景两部分，求出两部分的平均灰度值，如式(6)和式(7)：其中，S灰度级为ri的像素的总数。E3、求出新的阈值，如式(8)：E4、如果Tk+1＝Tk，则令阈值T＝Tk，否则令k＝k+1，转向步骤E2。优选的，步骤B5、对图像进行形态学开、闭运算的过程为：设输入图像为Iinput，结构元素为SE，对图像进行开运算和闭运算处理，如式(9)和(10)：SE为m×m大小的正方形，为形态学腐蚀，为形态学膨胀。通过开运算能够消除散点，切断细长搭接起到分离的作用，闭运算能够搭接短的间断起到连通的作用。优选的，步骤B6对图像进行细化，采用PSCP细化算法，其八连通示意图如下:P1P2P3P8P P4P7P6P5其步骤为：F1、针对所有的微晶像素点P,若满足如下条件,则判断其为可删除点:(1)其8连通域中的微晶像素点数2≤E(P)≤6；(2)P的8连通域中包含且只包含一个4连通微晶像素点；F2、遍历所有的可删除点,若满足如下条件之一,则保留；否则删除：(1)P2，P6为微晶像素点，P4为可删除点；(2)P4，P8为微晶像素点，P6为可删除点；(3)P4，P5，P6为可删除点。优选的，所述颗粒物的纳米结构特征参数计算的步骤为：G1、颗粒物碳层微晶去交叉点；G2、颗粒物碳层微晶直线搜索拟合，计算相邻两个微晶的间隔距离；G3、按照相关特征参数的定义，计算微晶长度、微晶曲率和层间距；所述步骤G1、颗粒物碳层微晶去交叉点的步骤为：H1、图像二值化后，微晶像素点的像素值为1(白色)，背景的像素值为0(黑色)；H2、搜索像素点P的八连通域中白点的个数，设为n:(1)如果n≥3，则P是交叉点，将P及其八连通域内所有白点的像素值设为0；(2)如果n＜3,则P不是交叉点；H3、遍历图中所有微晶像素点；所述步骤G2、颗粒物碳层微晶直线搜索拟合的步骤为：I1、设P0为当前拟合直线段的起始点，Pc为当前搜索点，起始时Pc＝P0；I2、搜索Pc的八连通域中是否存在白点；如果没有邻接点，则Pc设为终点，P0为起点，用最小二乘拟合直线算法获得一条直线段，搜索结束；I3、如果Pc的八连通域中存在白点，按照设定规则获得下一跟踪点Pn，判断Pn是否在当前直线段延长线范围内(通过直线斜率加以判断)。如果在，设置Pc＝Pn，将Pn的位置加入到点数组中，继续搜索下一点。如果Pn不在当前直线段延长线上，则以Pc为终点，P0为起点， 读取点链表中各点位置，重新拟合一条直线段，结束当前跟踪直线段。优选的，所述步骤I2采用的最小二乘法直线拟合算法，包括如下步骤：J1、用搜索算法得到的直线点坐标为(xi，yi)(i＝1，2，...，m)，m为直线点的个数，设最小二乘拟合直线的方程为y＝Ax+B；J2、点(xi，yi)到直线的垂直距离的平方和为式(11)：J3、因为E(A，B)取最小值，其偏导为零，如式(12)：J4、对式(12)采用求和分配律得式(13)：其中J5、对上述方程组进行求解，得式(14)：本专利技术的有益效果是：能够快速、准确地计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于，包括：依次进行的颗粒物微观形貌图像获取的步骤、对获取的图像进行数字图像处理的步骤和颗粒物的纳米结构特征参数计算的步骤；所述颗粒物微观形貌图像获取的步骤为：A1、将颗粒物取数粒置于无水乙醇中，在超声波振荡机中振荡一定时间，使颗粒物在无水乙醇中充分分散开；取一滴混合液滴至高分辨率场发射透射电镜用铜网超薄碳膜上，等待乙醇自由挥发；A2、使用高分辨率场发射透射电镜对制备好的颗粒物样品进行微观形貌观测，获取颗粒物形貌图像；A3、对所获取的颗粒物微观形貌图像进行手动分割，获取感兴趣的区域，并对分割后的图像进行保存。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于，包括：依次进行的颗粒物微观形貌图像获取的步骤、对获取的图像进行数字图像处理的步骤和颗粒物的纳米结构特征参数计算的步骤；所述颗粒物微观形貌图像获取的步骤为：A1、将颗粒物取数粒置于无水乙醇中，在超声波振荡机中振荡一定时间，使颗粒物在无水乙醇中充分分散开；取一滴混合液滴至高分辨率场发射透射电镜用铜网超薄碳膜上，等待乙醇自由挥发；A2、使用高分辨率场发射透射电镜对制备好的颗粒物样品进行微观形貌观测，获取颗粒物形貌图像；A3、对所获取的颗粒物微观形貌图像进行手动分割，获取感兴趣的区域，并对分割后的图像进行保存。2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于：所述对获取的图像进行数字图像处理的步骤为：B1、对步骤一所获取的待处理图像进行归一化处理；B2、对图像进行滤波；B3、对图像进行均衡化增强；B4、对图像进行二值化处理；B5、对图像进行形态学开、闭运算；B6、对图像进行细化。3.根据权利要求2所述的一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于：所述步骤B1、对步骤一所获取的待处理图像进行归一化处理为：设待处理图像所有像素点的最大灰度值为Gmax，最小灰度值为Gmin，像素点P的灰度值为GP，NP是归一化后像素点P的灰度值，归一化公式如式(1)：。4.根据权利要求2所述的一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于：所述步骤B2、对图像进行滤波包括如下步骤：C1、取窗口大小为n×n，n为奇数。将窗口在图像上移动，使窗口中心与图像中待处理的像素点P重合；C2、记下窗口中每个像素点的灰度值，按照从大到小的顺序排列：N1，N2，...，Nn×n；C3、计算中间位置的灰度值N((n×n)+1)/2，并将此值赋给像素点P；C4、遍历图像中所有像素点。5.根据权利要求2所述的一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于：所述步骤B3、对图像进行均衡化增强，采用直方图均衡化增强，设步骤B2处理后的图像的灰度级为L，图像中像素点的总数为n，第i级灰度为ri，ni是图像中灰度级为ri的像素个数，包括如下步骤：D1、计算图像的归一化直方图，如式(2)：D2、设r是归一化到区间[01]的图像的灰度级，定义变化f，使得区间[0,1]内的任意r，经变换f(r)都有一个s与之对应，显然，s是经变换f(r)后输出图像的灰度级。f(r)在区间0≤r≤1内满足如下条件：(1)f(r)单调递增；(2)0≤f(r)≤1；(3)s，r具有一一对应的关系；D3、通过变换f将输入图像的灰度级ri映射到输出图像的灰度级si，如式(3)：6.根据权利要求2所述的一种基于图像处理技术的含碳颗粒物纳米结构分析的方法，其特征在于：所述步骤B4、对图像进行二值化处理的过程为：设步骤B3增强 后图像的灰度级范围为(rmin，rmax)，T是rmin和rmax中间的一个数，则二值图gP如式(4)：其中：“1”表示物体(对象、目标)，使用白色；“0”表示背景，使用黑色。式(4)中阈值T采用迭代阈值法确定，包括如下步骤：E1、求出图像中的最小和最大灰度级rmin和rmax,并设置初始阀值，如式(5)：E2、根据阈值Tk(k＝0，1，2...)将图像分为目标和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘书炘，
申请(专利权)人：闽南师范大学，
类型：发明
国别省市：福建;35