水中絮体分形脉动影像实时检测方法技术

水中絮体分形脉动影像实时检测方法，涉及一种水处理检测方法。为了解决传统影像测定法代表性差、误差大、每次测定需要繁琐的尺寸标定步骤、干扰因素多等问题。本发明专利技术的步骤是：利用智能机器视觉传感器连续拍摄反应池前段絮凝水样，把采集到的絮凝图像按先进先出的原则编成队列进行处理，利用反应水中絮体脉动现象的絮体投影面积百分比标准差值△Ｓ和絮体长轴百分比标准差值△Ｌ之间的函数关系，计算出絮体当前时刻的统计分形维数值Ｗ。本发明专利技术采用实时脉动检测的方法和相对百分比的概念，将检测到的统计分形维数值Ｗ作为检测水中絮体自相似分形特征的实时指标，具有操作简单、检测快速准确稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境保护领域，涉及一种水处理检测方法。
技术介绍
水处理生产过程中，絮凝过程的完善程度直接影响着后续处理如沉淀、过滤等工艺单元的处理效果。由于水中絮体结构具有复杂、易碎和不规则的特性，因而对絮凝过程的研究一直缺乏适用的方法。分形理论的提出，填补了絮凝研究方法的空白。表征分形体系特征的参数是分形维数，它对应于分形体的不规则性和复杂性或空间填充度量的程度。目前水中絮体分形维数的测定多采用静态影像法，即将絮体沉淀在载玻片上，用一个反相显微镜观测絮体的静止影像结构，运用计算机图像处理软件分析拍摄的絮体图像，测得絮体的投影面积A和在某一方向的最大长度L，用投影面积与最大长度的函数关系来计算分形维数D；由于多种环境条件因素影响，絮体轮廓很难拍摄清晰，以至边界细节方面的信息丢失，空间结构的影响不可预见。该类测定方法表征的是人为选取的少数絮体，代表性较差，而且由于测定的是沉淀后的静态絮体，算出的分形维数对采样地的状态不敏感，对于絮体生长、破碎等动态过程不能准确表述，因此还不能用于实际水处理生产过程中絮体形态的实时检测控制。
技术实现思路
为了解决常规水中絮体分形维数静态测定方法误差大、代表性差、不能准确实时反应絮凝动态变化过程等问题，本专利技术提供一种，它具有代表性好、准确度高、实时快速等优点，将其应用在水处理过程中，可促进絮凝投药工艺的优化控制，具有很高的社会与经济效益。本专利技术的方法通过以下步骤实现(1)在水厂反应池的前段附近安装智能机器视觉传感器；(2)取距反应池入口水流时间2～5分钟处的絮凝水样进行连续拍摄，并由LED光源照明；(3)设置智能机器视觉传感器以1～5幅/秒的速度进行拍摄并通过数字通讯接口将采集到的数字灰度絮凝图像传送给上位控制设备； (4)把连续采集到的3幅絮凝图像文件按时间顺序编成一个队列，队列的长度固定为3，按照先进先出原则将每次采集到的一幅新絮凝图象文件放入队尾，并扔掉原来队首的一幅旧絮凝图象文件；(5)对队列中的3幅絮凝图像文件分别采用中值滤波算法进行预处理；(6)分别采用迭代阀值选择方法自动选取各自最适合的絮体分割阀值T；(7)将灰度值低于絮体分割阀值T的灰度区域作为絮体，并对每幅絮凝图像文件中的絮体从1到n进行编号，其中n为絮体总数；(8)以单个絮体所含像素点数Ai对整幅絮凝图像所含像素点数A的百分比作为单个絮体投影面积百分比值Si，即Si＝(Ai/A)×100；(9)以单个絮体长轴所含像素点数Pi对整幅絮凝图像长边所含像素点数P的百分比作为单个絮体长轴百分比值Li，即Li＝(Pi/P)×100；(10)计算得出絮体投影面积百分比平均值S，公式为S＝(S1+S2+...+Sn)/n，其中S1、S2...Sn为从1到n个絮体投影面积百分比值；(11)计算得出絮体长轴百分比平均值L，公式为L＝(L1+L2+...+Ln)/n，其中L1、L2...Ln为从1到n个絮体长轴百分比值；(12)根据单个絮体投影面积百分比值Si和絮体投影面积百分比平均值S计算得出絮体投影面积百分比标准差值ΔS，公式为ΔS＝[(S1-S)2+(S2-S)2+...+(Sn-S)2]1/2/(n-1)1/2；(13)根据单个絮体长轴百分比值Li和絮体长轴百分比平均值L计算得出絮体长轴百分比标准差值ΔL，公式为ΔL＝[(L1-L)2+(L2-L)2+...+(Ln-L)2]1/2/(n-1)1/2；(14)取3幅絮凝图象文件絮体投影面积百分比标准差值ΔS的自然对数值lnΔS，分别为lnΔS1、lnΔS2、lnΔS3；(15)取3幅絮凝图象文件絮体长轴百分比标准差值ΔL的自然对数值lnΔL，分别为lnΔL1、lnΔL2、lnΔL3；(16)根据lnΔS和lnΔL进行运算得到絮体当前时刻的统计分形维数值W，公式为W＝(lnΔS1/lnΔL1+lnΔS2/lnΔL2+lnΔS3/lnΔL3)/3；(17)取统计分形维数值W作为检测水中絮体自相似分形特征的实时指标统计分形维数值W越大，当前时刻的絮体越密实，絮凝效果越好，统计分形维数值W越小，当前时刻的絮体越疏松，絮凝效果越差。实验发现，水处理絮凝反应前期在一定体积的水中絮体颗粒不可避免地存在不均一性，所以在该体积内的絮体分布是随机变化的，如果从反应池前段连续取流动的水样进行放大拍摄，并且每次拍摄的面积都相同，那么在该面积内的絮体分布由于同样原因也是随机变化的，呈现脉动现象。而反应该脉动现象的絮体影像特征絮体投影面积百分比标准差值ΔS和絮体长轴百分比标准差值ΔL具有很好的统计自相似性，呈现分形特征，因此通过二者的函数关系即可求出水中絮体的统计分形维数值W。本专利技术创造性地根据水中絮体的脉动现象采用数理统计的方法检测水中絮体的分形维数，解决了传统影像测定法代表性差、误差大等问题，在计算絮体投影面积和絮体长轴的时候采用了相对百分比的方法，避免了每次测定繁琐的尺寸标定步骤。由于本专利技术是实时检测的方法，因此能够对絮体生长、破碎等动态过程进行准确表述，而且采用了动态影像队列法消除干扰，因此可作为一种全新有效的方法应用于实际水处理生产过程中，对推进絮凝理论的研究和推动水处理环保事业的发展十分有利。附图说明图1为本专利技术检测方法的流程图。具体实施例方式具体实施方式一如图1所示，本实施方式按照如下步骤对水中絮体分形脉动影像进行实时检测(1)在水厂反应池的前段附近安装智能机器视觉传感器；(2)取距反应池入口水流时间2～5分钟处的絮凝水样进行连续拍摄，并由LED光源照明以提高絮凝图像清晰度；(3)设置智能机器视觉传感器以1～5幅/秒的速度进行拍摄并通过数字通讯接口将采集到的数字灰度絮凝图像传送给上位控制设备；(4)把连续采集到的3幅絮凝图像文件按时间顺序编成一个队列(编号为1、2、3)，队列的长度固定为3，将每次采集到的一幅新絮凝图象文件放入队尾3，并扔掉原来队首1的一幅旧絮凝图象文件，此时原文件2变为1，3变为2(先进先出原则)；(5)对队列中的3幅絮凝图像文件分别采用中值滤波算法(用像素点邻域灰度值的中值来代替该像素点的灰度值)进行预处理，以排除噪声的干扰；(6)分别采用迭代阀值选择方法自动选取各自最适合的絮体分割阀值T，其算法为①选择絮凝图像的灰度均值μ作为初始阀值的估算值T0，②利用阀值T0把絮凝图像分割成两组R1(灰度值大于等于阀值T0的区域)和R2(灰度值小于阀值T0的区域)，③计算区域R1和R2的灰度均值μ1和μ2，④定义新的阀值T0＝(μ1+μ2)/2，⑤重复②-④步直到μ1和μ2的均值不再变化，此时的阀值T0取为絮体分割阀值T；(7)将灰度值低于絮体分割阀值T的灰度区域作为絮体，并对每幅絮凝图像文件中的絮体从1到n进行编号，n为絮体总数；(8)以单个絮体所含像素点数Ai对整幅絮凝图像所含像素点数A的百分比作为单个絮体投影面积百分比值Si，即Si＝(Ai/A)×100；(9)以单个絮体长轴所含像素点数Pi对整幅絮凝图像长边所含像素点数P的百分比作为单个絮体长轴百分比值Li，即Li＝(Pi/P)×100；(10)计算得出絮体投影面积百分比平均值S，公式为S＝(S1+S2+...+Sn)/n，S1、S2...Sn为从1到n个絮体投影面积百分比值；(11)计算得出絮体长轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
水中絮体分形脉动影像实时检测方法，其特征在于所述检测方法是通过以下步骤实现的：（１）在水厂反应池的前段附近安装智能机器视觉传感器；（２）取距反应池入口水流时间２～５分钟处的絮凝水样进行连续拍摄，并由ＬＥＤ光源照明；（ ３）设置智能机器视觉传感器以１～５幅／秒的速度进行拍摄并通过数字通讯接口将采集到的数字灰度絮凝图像传送给上位控制设备；（４）把连续采集到的３幅絮凝图像文件按时间顺序编成一个队列，队列的长度固定为３，按照先进先出原则将每次采集到的一幅 新絮凝图象文件放入队尾，并扔掉原来队首的一幅旧絮凝图象文件；（５）对队列中的３幅絮凝图像文件分别采用中值滤波算法进行预处理；（６）分别采用迭代阀值选择方法自动选取各自最适合的絮体分割阀值Ｔ；（７）将灰度值低于絮体分割 阀值Ｔ的灰度区域作为絮体，并对每幅絮凝图像文件中的絮体从１到ｎ进行编号，其中ｎ为絮体总数；（８）以单个絮体所含像素点数Ａ↓［ｉ］对整幅絮凝图像所含像素点数Ａ的百分比作为单个絮体投影面积百分比值Ｓ↓［ｉ］，即：Ｓ↓［ｉ］＝（Ａ↓［ｉ］ ／Ａ）×１００；（９）以单个絮体长轴所含像素点数Ｐ↓［ｉ］对整幅絮凝图像长边所含像素点数Ｐ的百分比作为单个絮体长轴百分比值Ｌ↓［ｉ］，即：Ｌ↓［ｉ］＝（Ｐ↓［ｉ］／Ｐ）×１００；（１０）计算得出絮体投影面积百分比平均值Ｓ，公 式为：Ｓ＝（Ｓ↓［１］＋Ｓ↓［２］＋…＋Ｓ↓［ｎ］）／ｎ，其中Ｓ↓［１］、Ｓ↓［２］…Ｓ↓［ｎ］为从１到ｎ个絮体投影面积百分比值；（１１）计算得出絮体长轴百分比平均值Ｌ，公式为：Ｌ＝（Ｌ↓［１］＋Ｌ↓［２］＋…＋Ｌ↓［ｎ］）／ｎ，其 中Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］…Ｌ↓［ｎ］为从１到ｎ个絮体长轴百分比值；（１２）根据单个絮体投影面积百分比值Ｓ↓［ｉ］和絮体投影面积百分比平均值Ｓ计算得出絮体投影面积百分比标准差值△Ｓ，公式为：△Ｓ＝［（Ｓ↓［１］－Ｓ）↑［２］＋（Ｓ↓［ ２］－Ｓ）↑［２］＋…＋（Ｓ↓［ｎ］－Ｓ）↑［２］］↑［１／２］／（ｎ－１）↑［１／２］；（１３）根据单个絮体长轴百分比值Ｌ↓［ｉ］和絮体长轴百分比平均值Ｌ计算得出絮体长轴百分比标准差值△Ｌ，公式为：△Ｌ＝［（Ｌ↓［１］－Ｌ）↑［２ ］＋（Ｌ↓［２］－Ｌ）↑［２］＋…＋（Ｌ↓［ｎ］－Ｌ）↑［２］］↑［１／２］／（ｎ－１）↑［１／２］；（１４）取３幅絮凝图象文...

【技术特征摘要】
1.水中絮体分形脉动影像实时检测方法，其特征在于所述检测方法是通过以下步骤实现的(1)在水厂反应池的前段附近安装智能机器视觉传感器；(2)取距反应池入口水流时间2～5分钟处的絮凝水样进行连续拍摄，并由LED光源照明；(3)设置智能机器视觉传感器以1～5幅/秒的速度进行拍摄并通过数字通讯接口将采集到的数字灰度絮凝图像传送给上位控制设备；(4)把连续采集到的3幅絮凝图像文件按时间顺序编成一个队列，队列的长度固定为3，按照先进先出原则将每次采集到的一幅新絮凝图象文件放入队尾，并扔掉原来队首的一幅旧絮凝图象文件；(5)对队列中的3幅絮凝图像文件分别采用中值滤波算法进行预处理；(6)分别采用迭代阀值选择方法自动选取各自最适合的絮体分割阀值T；(7)将灰度值低于絮体分割阀值T的灰度区域作为絮体，并对每幅絮凝图像文件中的絮体从1到n进行编号，其中n为絮体总数；(8)以单个絮体所含像素点数Ai对整幅絮凝图像所含像素点数A的百分比作为单个絮体投影面积百分比值Si，即Si＝(Ai/A)×100；(9)以单个絮体长轴所含像素点数Pi对整幅絮凝图像长边所含像素点数P的百分比作为单个絮体长轴百分比值Li，即Li＝(Pi/P)×100；(10)计算得出絮体投影面积百分比平均值S，公式为S＝(S1+S2+...+Sn)/n，其中S1、S2...Sn为从1到n个絮体投影面积百分比值；(11)计算得出絮体长轴百分比平均值L，公式为L＝(L1+L2+...+Ln)/n，其中L1、L2...Ln为从1到n个絮体长轴百分比值；(12)根据单个絮体投影面积百分比值Si和絮体投影面积百分比平均值S计算得出絮体投影面积百分比标准差值ΔS，公式为ΔS＝[(S1-S)2+(S2-S)2+...+(Sn-S)2]1/2/(n-1)1/2；(13)根据单个絮体长轴百分比值Li和絮体长轴百分比平均值L计算得出絮体长轴百分比标准差值ΔL，公式为ΔL...

【专利技术属性】
技术研发人员：南军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]