專利名稱：基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，屬于粉體測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水位、流量、泥沙是水文測(cè)量的三大基本要素。當(dāng)前，水位、流量的測(cè)驗(yàn)通過(guò)引進(jìn)新的設(shè)備，已取得一定的成效，但河流泥沙顆粒的測(cè)驗(yàn)依然應(yīng)用傳統(tǒng)方法。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河流泥沙治理開(kāi)發(fā)的任務(wù)愈來(lái)愈重，對(duì)水文工作的要求也愈來(lái)愈高。無(wú)論是防洪、 水資源統(tǒng)一管理，還是生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，都需要水文信息的快速、準(zhǔn)確、及時(shí)，泥沙顆粒分析工作更是如此。傳統(tǒng)的泥沙顆粒級(jí)配測(cè)量方法操作過(guò)程繁瑣、費(fèi)工費(fèi)時(shí)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、不能滿足在短時(shí)間內(nèi)完成大批量泥沙顆粒級(jí)配測(cè)量任務(wù)的需要，并嚴(yán)重制約了水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)向數(shù)字化、信息化發(fā)展的步伐。為了提高泥沙顆粒級(jí)配測(cè)量技術(shù)的科技含量和水文測(cè)驗(yàn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，需要探求能替代傳統(tǒng)方法測(cè)量泥沙顆粒級(jí)配的新技術(shù)。數(shù)字圖像檢測(cè)的基礎(chǔ)是數(shù)字圖像采集和數(shù)字圖像處理部分，隨著其它學(xué)科如光學(xué)鏡頭、CCD器件、CMOS圖像傳感器等的發(fā)展，以及數(shù)字圖像處理理論中各種算法的改進(jìn)與完善，使得基于數(shù)字圖像檢測(cè)的技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣，在很多領(lǐng)域，數(shù)字圖像檢測(cè)的應(yīng)用極大的改進(jìn)了檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與速度性，能夠提高檢測(cè)的速度與準(zhǔn)確性，減少了檢測(cè)的不確定度。數(shù)字圖像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為基于數(shù)字圖像處理的顆粒分析提供了可能，利用圖像處理技術(shù)可以對(duì)顆粒進(jìn)行亞微米甚至納米程度上的結(jié)構(gòu)觀測(cè)，定量的分析顆粒性質(zhì)，提取顆粒結(jié)構(gòu)的各種有用信息。傳統(tǒng)的顆粒檢測(cè)方法存在著準(zhǔn)確度低，可重復(fù)性差，速度慢等缺點(diǎn)。通過(guò)采用數(shù)字圖像處理的方法可以大幅度提高速度，減少所用時(shí)間，提高準(zhǔn)確性，可進(jìn)行極窄級(jí)別的精細(xì)粒度分析，并且通過(guò)軟件分析可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)分析，圖像曲線顯示，存儲(chǔ)打印等各種功能。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)中傳統(tǒng)的泥沙顆粒級(jí)配測(cè)量方法的缺陷，提出一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，可快速而準(zhǔn)確的對(duì)顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，提高了工作效率。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案—種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，包括采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)；其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；所述圖像采集單元的輸出端與泥沙顆粒分析系統(tǒng)的輸入端連接，所述泥沙顆粒分析系統(tǒng)輸出泥沙顆粒的特征參數(shù)。進(jìn)一步的，本實(shí)用新型的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，所述圖像采集單元包括攝像機(jī)和光源，其中所述攝像機(jī)固定在采集箱體的側(cè)壁上，所述光源包括兩個(gè)燈管，分別平行設(shè)置在采集箱體的兩側(cè)壁上。本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果本實(shí)用新型利用攝像機(jī)獲取泥沙顆粒圖像，通過(guò)優(yōu)化圖像處理技術(shù)，結(jié)合圖像分割技術(shù)和八鏈碼遞歸掃描法獲得了泥沙顆粒的粒徑、累積頻率、形狀系數(shù)、圓度等參量，實(shí)現(xiàn)了泥沙顆粒特征參量的快速測(cè)量。

圖1是本實(shí)用新型的泥沙顆粒分析裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是本實(shí)用新型的泥沙顆粒分析系統(tǒng)工作示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的裝置如圖1所示，由采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)組成。其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；泥沙顆粒分析系統(tǒng)包括輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測(cè)及輪廓提取模塊、統(tǒng)計(jì)輸出模塊。其中，圖像采集單元將采集到的泥沙樣品圖像由輸入模塊發(fā)送至圖像預(yù)處理模塊，圖像預(yù)處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送至圖像二值化模塊，圖像二值化模塊對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行二值化操作后發(fā)送至邊緣檢測(cè)及輪廓提取模塊，邊緣檢測(cè)及輪廓提取模塊對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)、輪廓提取后得到泥沙顆粒的各項(xiàng)特征參數(shù)，然后發(fā)送至統(tǒng)計(jì)輸出模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和輸出顯示。實(shí)施例采集箱體的外殼部分由有機(jī)玻璃做成，長(zhǎng)36cm，寬32cm，高30cm，在右側(cè)下方有 Icm開(kāi)槽，泥沙樣品托盤由此處放進(jìn)拍攝區(qū)域；光源為兩根IOW的日光燈，長(zhǎng)為36cm，平行分布在兩側(cè)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，將光源放置在距離裝置最下方18cm處，這個(gè)位置能保證顆粒圖像沒(méi)有陰影，拍攝效果較好。攝像機(jī)為PENTAX CCD數(shù)字相機(jī)，由固定在裝置中間的側(cè)板固定， 側(cè)板上鉆有小孔5個(gè)，間隔2cm，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的上下移動(dòng)及固定。本裝置采用的燈管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，覆蓋了拍攝區(qū)域，且平行分布在兩側(cè)，一定程度上解決了光照不均的現(xiàn)象。泥沙顆粒分析系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)泥沙顆粒圖像進(jìn)行變換和處理，實(shí)現(xiàn)圖像分割和目標(biāo)參數(shù)測(cè)量分析、結(jié)果打印輸出等功能。泥沙顆粒分析系統(tǒng)主要由輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、泥沙顆粒檢測(cè)模塊、統(tǒng)計(jì)輸出模塊四大部分組成，如圖2所示。(1)輸入模塊包括圖像輸入、圖像保存和系統(tǒng)退出四項(xiàng)功能；輸入的圖像可以是256色或32位真彩色圖像。(2)圖像預(yù)處理模塊圖像的預(yù)處理包括選擇區(qū)域、剪切、合并圖像、圖像的放大縮小和平移。在圖像打開(kāi)后可進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，包括調(diào)節(jié)對(duì)比度和亮度、圖像的平滑和銳化等處理。(3)泥沙顆粒檢測(cè)模塊包括圖像二值化模塊、邊緣檢測(cè)及輪廓提取模塊
4[0025]1)圖像二值化模塊對(duì)于圖像的二值化，根據(jù)泥沙顆粒圖像的特點(diǎn)，采用了兩種閾值分割方法，一種是改進(jìn)的灰度直方圖分析法，一種是Otsu自適應(yīng)閾值分割法。2)邊緣檢測(cè)及輪廓提取模塊主要完成顆粒的編號(hào)，同時(shí)完成顆粒的形貌分析，提取顆粒的各項(xiàng)特征參數(shù)。(4)統(tǒng)計(jì)輸出模塊統(tǒng)計(jì)輸出模塊主要是泥沙顆粒各種參數(shù)的顯示和一些統(tǒng)計(jì)結(jié)果的顯示，如顆粒粒度分布，特征粒徑等；另外還可將測(cè)得的數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果以txt或excel格式導(dǎo)出并保存供后續(xù)處理。本實(shí)用新型的泥沙顆粒分析方法如下在樣本托盤上放一張干凈的白紙，仔細(xì)將泥沙顆粒分散在白紙上，盡量避免顆粒重疊在一起放入拍攝區(qū)域。在放置好泥沙顆粒以后，調(diào)整攝像機(jī)焦距使得泥沙顆粒圖像清晰，采集泥沙顆粒圖像并進(jìn)行處理。為得到泥沙顆粒的實(shí)際尺寸需要對(duì)本裝置進(jìn)行標(biāo)定，選用固定大小的規(guī)則目標(biāo)物，目標(biāo)物為變長(zhǎng)5cm*5cm的正方形，調(diào)整并固定攝像頭進(jìn)行拍攝， 將拍攝的圖像保存，打開(kāi)拍攝的標(biāo)定目標(biāo)物，通過(guò)鼠標(biāo)選定正方形的對(duì)角線兩點(diǎn)就能得到這兩點(diǎn)的以像素為單位的坐標(biāo)A(Xl，Yl)，B(x2，y2)，則轉(zhuǎn)換公式為MmperPixel = 5辦丨 ^(X1-X2)2 +(yl~y2fMmperPixel為1個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際毫米單位長(zhǎng)度。采集泥沙顆粒圖像，對(duì)顆粒圖像進(jìn)行增強(qiáng)提高圖片質(zhì)量，之后利用改進(jìn)的閾值分割方法進(jìn)行閾值分割得到泥沙顆粒的二值圖像。為了得到顆粒的周長(zhǎng)面積等相關(guān)信息，需要對(duì)顆粒進(jìn)行邊緣檢測(cè)，經(jīng)典邊緣檢測(cè)算子在抗噪聲干擾方面存在不足，針對(duì)泥沙顆粒圖像特點(diǎn)，在得到泥沙顆粒的二值圖像后，通過(guò)對(duì)目標(biāo)顆粒進(jìn)行遞歸法標(biāo)號(hào)統(tǒng)計(jì)得到泥沙顆粒的邊緣輪廓信息，實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)。遞歸法的思想是掃描圖像，遇到一個(gè)顆粒像素，對(duì)它進(jìn)行八鏈碼區(qū)域掃描，直至形成封閉區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素為同一個(gè)編號(hào)，然后跳出后繼續(xù)掃描，遇到第二個(gè)封閉區(qū)域后，對(duì)這個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素賦予一個(gè)新的編號(hào)，依此類推，最后最大的編號(hào)就代表著圖像中顆粒的數(shù)目。分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)標(biāo)號(hào)的像素?cái)?shù)，就代表了每個(gè)顆粒所占的像素?cái)?shù)。泥沙顆粒特征參量分析表示如下(1)面積 A二值圖像中的顆粒的面積A，即為單個(gè)目標(biāo)顆粒所占像素點(diǎn)數(shù)目的總和。對(duì)相同標(biāo)號(hào)的對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到每個(gè)對(duì)象的像素點(diǎn)的總和，將像素點(diǎn)總數(shù)乘以單個(gè)像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積，即可得到每一個(gè)泥沙顆粒實(shí)際的面積。(2)周長(zhǎng) P顆粒的周長(zhǎng)P，就是圍繞其邊界像素的長(zhǎng)度。對(duì)圖像的邊緣像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再乘以單個(gè)像素點(diǎn)的長(zhǎng)度，所得就是圖像的周長(zhǎng)。(3)等效圓直徑DD表示與顆粒投影面積相等的圓的直徑，如[0044](4)長(zhǎng)徑 LJSgB通過(guò)對(duì)泥沙顆粒進(jìn)行邊緣跟蹤，找出最長(zhǎng)兩點(diǎn)間的距離，即為所測(cè)泥沙顆粒對(duì)象的長(zhǎng)軸，記下這兩個(gè)邊緣點(diǎn)坐標(biāo)。顆粒的長(zhǎng)徑與短徑要求是垂直的，而在顆粒圖像中兩弦絕對(duì)垂直的情況很少。本文在求短徑時(shí)是找出與長(zhǎng)徑接近垂直的軸當(dāng)中最長(zhǎng)的軸作為短徑B。(5)粒度分布(級(jí)配曲線)以等效圓直徑D為橫坐標(biāo)，以小于等于等效圓直徑D的顆粒占顆?？傎|(zhì)量的百分比為縱坐標(biāo)，做出級(jí)配曲線。(6)圓形度 φ。
權(quán)利要求1.一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，其特征在于包括采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)；其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；所述圖像采集單元的輸出端與泥沙顆粒分析系統(tǒng)的輸入端連接，所述泥沙顆粒分析系統(tǒng)輸出泥沙顆粒的特征參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，其特征在于 所述圖像采集單元包括攝像機(jī)和光源，其中所述攝像機(jī)固定在采集箱體的側(cè)壁上，所述光源包括兩個(gè)燈管，分別平行設(shè)置在采集箱體的兩側(cè)壁上。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，包括采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)；其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；所述泥沙顆粒分析系統(tǒng)包括輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測(cè)及輪廓提取模塊、統(tǒng)計(jì)輸出模塊。本實(shí)用新型通過(guò)攝像機(jī)采集泥沙顆粒樣品圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、二值化、邊緣輪廓提取，計(jì)算出每個(gè)顆粒的投影面積，根據(jù)等效投影面積得出每個(gè)顆粒的粒徑，進(jìn)而得到一系列顆粒信息，實(shí)現(xiàn)了泥沙顆粒特征參量的快速測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N15/00GK202216890SQ201120227398
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者劉云, 唐洪武, 唐立模, 肖洋 申請(qǐng)人:河海大學(xué)