一种汽泡群数据测量方法技术

本发明专利技术公开了一种汽泡群数据测量方法，利用高速摄像仪拍摄汽泡群图像、背景图片和标尺图像；对汽泡群图像进行背景过滤；对汽泡边缘进行锐化；对锐化后的汽泡群图像进行二值化处理，获得仅存在两个灰度级的灰度图像；对汽泡边缘进行填充；确定汽泡总数目并计算各个汽泡的真实直径；通过统计获得汽泡直径以及数目分布。采用本发明专利技术方法可获得清晰的汽泡群可视化图像，并通过对获得的可视化图像过滤且进行汽泡边缘锐化及汽泡填充后，可以统计出可视化图像中汽泡直径以及汽泡数目分布等汽泡群参数。本发明专利技术方法可节约大量时间，且通过本发明专利技术获得的结果与手工统计的结果进行比较，两者直径偏差小于10％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种汽泡群数据测量方法，用于测量汽泡直径以及汽泡数目分布等汽泡群相关数据。
技术介绍
汽泡直径及汽泡数目等参数是两相流动和传热机理模型建立和分析中所必须输入的关键参数。加热壁面发生汽泡核化后，会出现不同的核化点。加热功率不同时汽泡成核现象会发生变化，且由于局部紊流的扰动，不同的核化点汽泡运动特征各不相同，这意味着截面上汽泡群直径以及汽泡数目等相关数据在不同工况下不尽相同。实验中如何测量并分析汽泡群相关数据，是相关实验中的一个难题。本专利技术正是基于上述应用背景，提出一种汽泡群数据测量及分析方法，通过高速摄像仪对汽泡群进行拍摄，对获得的可视化图像过滤且进行汽泡边缘锐化及汽泡填充后，以概率统计的方法获得汽泡直径以及汽泡数目分布等汽泡群数据。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提供了一种汽泡群数据测量方法，通过高速摄像仪对汽泡群进行拍摄，对获得的可视化图像过滤且进行汽泡边缘锐化、二值化处理及汽泡填充后，以概率统计的方法获得汽泡直径以及汽泡数目分布等汽泡群数据。该方法可高效并准确获得汽泡群相关参数，为后续两相流动和传热机理模型建立和分析提供基础数据支撑。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种汽泡群数据测量方法，包括如下步骤：步骤一、利用高速摄像仪对汽泡群进行拍摄，获得汽泡群图像；步骤二、利用高速摄像仪拍摄一张没有汽泡时的背景图片；步骤三、利用高速摄像仪拍摄带刻度的标尺，得到清晰的标尺图像，将标尺图像的有效像素转变为真实物理尺寸；步骤四、对汽泡群图像进行背景过滤；步骤五、对汽泡边缘进行锐化；步骤六、对锐化后的汽泡群图像进行二值化处理，获得仅存在两个灰度级的灰度图像；步骤七、对汽泡边缘进行填充；步骤八、确定汽泡总数目并计算各个汽泡的真实直径；步骤九、通过统计获得汽泡直径以及数目分布。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：采用本专利技术方法可获得清晰的汽泡群可视化图像，并通过对获得的可视化图像过滤且进行汽泡边缘锐化、二值化处理及汽泡填充后，可以统计出可视化图像中汽泡直径以及汽泡数目分布等汽泡群参数。与人工测量并统计汽泡直径和数目分布的方法相比，采用本专利技术方法可节约大量时间，且通过本专利技术获得的结果与手工统计的结果进行比较，两者直径偏差小于10％。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为本专利技术方法的流程示意图；图2为典型高速摄像仪拍摄图像；图3为汽泡边缘处理后图像；图4为汽泡填充后图像；图5为概率统计后实验结果示意图。具体实施方式一种汽泡群数据测量方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤一、利用高速摄像仪对汽泡群进行拍摄，获得汽泡群图像(如图2所示)：1、高速摄像仪优选微距镜头以获得清晰的汽泡图像，优选的微距镜头型号为Nikon/200mmF/4D/macro。2、高速摄像仪分辨率设置时应保证能拍摄到观测窗口整个横截面，作为实例，对于60mm×30mm(高×宽)的拍摄窗口，采用PhantomV9.0高速摄像仪时，优选的拍摄像素为1152×576(高×宽)。3、通过调节高速摄像仪微距镜头光圈，使拍摄图像明亮。4、调节高速摄像仪微距镜头焦距，使高速摄像仪聚焦在存在汽泡分布的截面上。5、为获得流畅的汽泡群动态分布，需适当设置高速摄像仪拍摄帧数，优选的拍摄范围为50-500帧，作为优选的取值为200帧。6、完成所有设置后，对汽泡群进行拍摄，获得清晰的汽泡群图像。步骤二、利用高速摄像仪拍摄一张没有汽泡时的背景图片：步骤三、保持高速摄像仪焦距不变，用高速摄像仪拍摄带刻度的标尺，得到清晰的标尺图像。该步骤可将拍摄图片的有效像素转变为真实物理尺寸，其具体方法为，对标尺中1mm间隔的有效像素进行测量，结果为d，拍摄图片中两点之间有效像素为d1，则拍摄图片中两点间真实物理尺寸为d1/dmm。步骤四、对汽泡群图像进行背景过滤，对汽泡边缘进行锐化：1、将实验拍摄获得的有汽泡的图片与背景图片对应元素相减，通常，简单相减后的图像中汽泡轮廓较为粗糙，且会存在一些随机噪点，作为优选，应对图像进行滤波，优选的滤波方法为中值滤波，通过中值滤波可使汽泡边缘更为光滑，且消除图像中的噪点。2、对中值滤波后的图像进行拉普拉斯锐化，其基本方法如下：式中g(i,j)为结果图像，f(i,j)为原始图像，k为锐化系数。锐化系数的选取与图像信噪比相关，当图像信噪比较高时，优选的锐化系数为1。步骤五：对图像二值化处理，获得仅存在两个灰度级(像素值为0和1)的灰度图像，在图像二值化处理过程中，需确定合适的阈值f，当灰度值大于阈值f时，图像点为白色，即像素值为1；小于阈值f时，图像点为黑色，即像素值为0。针对汽泡图像，优选的确定阈值f的方法为最大类间方差法，其计算结果理想，同时计算速度快，满足动态测量的要求。最大类间方差法原理为：将图像的灰度直方图在某一阈值处分割为两组，当这两组的灰度值的方差最大时，分割点即为阈值。对于典型灰度图像，假定f为第一与第二组的阈值，则此时第一组图像点数占图像总像素比例为x0，平均灰度为y0，第二组图像点数占图像总像素比例为x1，平均灰度为y1,则图像总平均灰度为：y＝x0×y0+x1×y1(2)则此时方差值z表达式如下：z＝x0×(y0-y)2+x1×(y1-y)2(3)对阈值f进行枚举(灰度值范围为0～255)，使方差值z最大的f为最优分割点。处理后获得的结果如图3所示；步骤六、由于拍摄中某些汽泡边缘具有较高亮度，则处理后图像中其边缘不闭合，采用传染算法对汽泡边缘进行填充，填充后结果如图4所示。具体方法如下：1、将图像矩阵中第2行第2列像素点定义为初始传染源，其像素值标记为p。2、从下往上，从右往左扫描二值图像像素矩阵，如当前像素点像素值为1，且该像素点下方四邻域(左下、下、右下、右)中有标记，则将当前像素标记为p；如下方四邻域中无标记，则用q标记；完成后从下往上，从左往右二次扫描图像像素矩阵，如当前像素标记为q，且其上方四邻域(左，左上，上，右上)有标记p，则用p代替q。完成后获得标记矩阵L。3、按照从下往上，从左往右；从下往上，从右到左的顺序重复步骤2，完成后获得标记矩阵L1。4、对标记矩阵L和L1做或运算，提取共同传染点，得到矩阵Lb。5、新建与被处理图像大小一样的零矩阵A，将Lb中所有传染源移植到零矩阵A，得到的新图像矩阵A为填充后的图像。步骤七、处理后的图像中存在多个大小不等的汽泡，在统计分析前，需对图像中所有汽泡进行标记，同时计算各汽泡的面积。其具体方法如下：1、定义左上角初始点数标为1，从左到右，从上到下逐个像素扫描，若该点左上、上、右上、左方4邻域任意一点像素值为1(白色)，则将当前点与像素值为1的点数标记为相同值。当该点左上、上、右上、左方4邻域像素值均为0(黑色)，则数标加1。2、统计图中每个数标的像素点数量S(i)，若某数标的像素点数量S(i)大于等于事先设定的有效汽泡判定阈值n，则该标记区域为一个汽泡，且该汽泡真实面积S1(i)＝S(i)/d2，单位为平方毫米，为消除噪点的影响，优选的n取值为10。该汽泡真实直径D(i)为：统计后，图中汽泡总数目为N，第i个汽泡的真实直径为D(i)。步骤八、通过统计获得汽泡直径以及数目分布，结果如图5所示，其具体方法如下：汽泡直径概率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用高速摄像仪对汽泡群进行拍摄，获得汽泡群图像；步骤二、利用高速摄像仪拍摄一张没有汽泡时的背景图片；步骤三、利用高速摄像仪拍摄带刻度的标尺，得到清晰的标尺图像，将标尺图像的有效像素转变为真实物理尺寸；步骤四、对汽泡群图像进行背景过滤；步骤五、对汽泡边缘进行锐化；步骤六、对锐化后的汽泡群图像进行二值化处理，获得仅存在两个灰度级的灰度图像；步骤七、对汽泡边缘进行填充；步骤八、确定汽泡总数目并计算各个汽泡的真实直径；步骤九、通过统计获得汽泡直径以及数目分布。

【技术特征摘要】
1.一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用高速摄像仪对汽泡群进行拍摄，获得汽泡群图像；步骤二、利用高速摄像仪拍摄一张没有汽泡时的背景图片；步骤三、利用高速摄像仪拍摄带刻度的标尺，得到清晰的标尺图像，将标尺图像的有效像素转变为真实物理尺寸；步骤四、对汽泡群图像进行背景过滤；步骤五、对汽泡边缘进行锐化；步骤六、对锐化后的汽泡群图像进行二值化处理，获得仅存在两个灰度级的灰度图像；步骤七、对汽泡边缘进行填充；步骤八、确定汽泡总数目并计算各个汽泡的真实直径；步骤九、通过统计获得汽泡直径以及数目分布。2.根据权利要求1所述的一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：高速摄像仪选用微距镜头，拍摄帧数为50-500帧。3.根据权利要求1所述的一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：将标尺图像的有效像素转变为真实物理尺寸的方法为：对标尺中1mm间隔的有效像素进行测量，得到测量结果d，若标尺图像中两点之间有效像素为d1，则标尺图像中该两点之间真实物理尺寸为d1/d，单位为mm。4.根据权利要求1所述的一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：对汽泡群图像进行背景过滤的方法为：将汽泡群图像与背景图片中对应元素相减，然后进行中值滤波。5.根据权利要求4所述的一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：对汽泡边缘进行锐化的方法为：对中值滤波后的图像进行拉普拉斯锐化：g(i,j)=f(i,j)-k▿2f(i,j)]]>式中g(i,j)为结果图像，f(i,j)为原始图像，k为锐化系数。6.根据权利要求1所述的一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：对锐化后的汽泡群图像进行二值化处理的方法为：先确定阈值f，然后判断图像点的灰度值是否大于阈值f，若大于则确定图像点为白色，像素值为1；反之，则确定图像点为黑色，像素值为0。7.根据权利要求6所述的一种汽泡群数据测量方法，其特征在于：采用最大类间方差法确定阈值f，包括如下步骤：假定f...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢添舟，徐建军，黄彦平，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51