氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置及方法，裝置包括無人飛行器、支架、監(jiān)測機構和遠程計算機；監(jiān)測機構通過支架固定安裝在無人飛行器上，并通過通信網(wǎng)絡與遠程計算機連接通信。本發(fā)明一方面可以對氣體中凝聚態(tài)結構發(fā)展進行遠程快速監(jiān)測，另一方面能得到待監(jiān)測氣體中凝聚態(tài)結構的實時演變規(guī)律。與傳統(tǒng)的測量方法相比，提高了精度；同時可以調節(jié)LED白光燈燈光的強弱和監(jiān)測機構兩個伸出段的夾角，進而調高采集圖像的質量。本發(fā)明可以利用多個該裝置組成陣列，分布在大氣中不同高度的不同位置，可以同時對空間內不同位置的氣體中凝聚態(tài)物質演變進行監(jiān)測,建立地區(qū)氣體狀態(tài)微觀層面的預警和干預機制。
【專利說明】
氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于氣體中凝聚態(tài)結構演變監(jiān)測領域，具體涉及一種無人飛行器載氣體中 凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的微距微觀圖像識別裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 普通流體不是純物質，而是存在各種物質的動態(tài)凝聚過程，一般包括晶核的成核 過程和不斷長大的過程。天空中的云、霧、雨、燃燒生成的煙，水體中冰的結晶，一些化學反 應過程中新物質的形成，均為成核現(xiàn)象。成核是相變初始時的"孕育階段"，也即生成晶核的 過程，是結晶的初始階段。之后，晶核不斷長大形成晶體。目前對流體中的凝聚態(tài)結構演變 規(guī)律的監(jiān)測主要采用以小試樣測量的實驗室測量，但這種方法不適用于現(xiàn)場測試，效率較 低，精度較低，并且誤差大，測量結果往往不能反映現(xiàn)實環(huán)境流體中的動態(tài)凝聚規(guī)律，不能 及時對有害物生成產生最早期微觀層面的預警和干預。

【發(fā)明內容】

[0003] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種無人飛行器載氣體中凝聚態(tài)結構演變 實時監(jiān)測的微距微觀圖像識別裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明的裝置所采用的技術方案是:一種無人飛行器載氣體中凝聚態(tài)結構演變實 時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在于:包括無人飛行器、支架、監(jiān)測機構和遠程計算機;所述 監(jiān)測機構通過所述支架固定安裝在所述無人飛行器上，并通過通信網(wǎng)絡與所述遠程計算機 連接通信。
[0005] 作為優(yōu)選，所述監(jiān)測機構為兩組，均通過所述支架對稱固定安裝在所述無人飛行 器上。
[0006] 作為優(yōu)選，所述監(jiān)測機構包括微型溫度計、防水鏡頭、照明機構、導線、無線通信模 塊、PVC套筒和電源；
[0007] 所述微型溫度計、防水鏡頭、照明機構有若干組，均安裝在所述PVC套筒上預先設 置的凹槽之中；所述微型溫度計、防水鏡頭、照明機構、無線通信模塊均通過所述導線與所 述電源連接;所述無線通信模塊通過通信網(wǎng)絡與所述遠程計算機連接通信。
[0008] 作為優(yōu)選，所述照明機構為LED白光燈。
[0009] 作為優(yōu)選，所述防水鏡頭為電子顯微鏡頭，具有足夠大的放大倍數(shù)，可以保證拍到 氣體中凝聚態(tài)結構及其變化過程。
[0010] 作為優(yōu)選，所述微型溫度計設置在所述防水鏡頭旁。
[0011] 作為優(yōu)選，所述PVC套筒為兩根，均可旋轉地安裝在基座上，兩根PVC套筒之間通過 伸縮機構連接在一起;伸縮機構通過所述導線與所述無線通信模塊連接。遠程計算機可以 通過無線通信模塊控制伸縮機構的伸長或縮短，從而調整PVC套筒張開的角度。
[0012] 本發(fā)明的方法所采用的技術方案是:一種無人飛行器載氣體中凝聚態(tài)結構演變實 時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0013] 步驟1:根據(jù)微距微觀視頻圖像采集的最優(yōu)確定值，利用遠程計算機調整照明機構 的亮度，利用防水鏡頭對不同溫度空中凝聚態(tài)進行微距微觀拍攝成像，并記錄此時每個防 水鏡頭旁邊微型溫度計的示數(shù)，然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉成微距微觀視頻灰 度圖像；
[0014] 步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得 到氣體中晶體核的輪廓；
[0015] 步驟3:根據(jù)晶體核的輪廓確定它的形態(tài)學參數(shù)，并且建立該形態(tài)學參數(shù)與溫度的 對應關系；
[0016] 步驟4:建立晶體核的形態(tài)學參數(shù)與凝聚態(tài)濃度的定量關系，根據(jù)事先設置的凝聚 態(tài)濃度閾值反推出晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值和溫度閾值；
[0017] 步驟5:在對氣體中的凝聚態(tài)進行監(jiān)測的過程中，當監(jiān)測的溫度與溫度閾值相差大 于預設值時，采集此時的凝聚狀態(tài)圖像；
[0018] 步驟6:輸入待監(jiān)測氣體中的凝聚態(tài)原始真彩微距微觀視頻圖像，經(jīng)過步驟1-3處 理得到晶體核的形態(tài)學參數(shù)，然后，將其與形態(tài)學參數(shù)臨界值比較，如果大于閾值，立即建 立微觀層面預警機制，并根據(jù)其成長狀態(tài)，實施即時干預機制，在微觀層面及時采取有效措 施阻止有害物質的凝聚。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟3中所述晶體核的形態(tài)學參數(shù)包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬 比t;所述晶體核的形態(tài)學參數(shù)與溫度T(°C)的對應關系為：
[0020]
[0021]
[0022] 其中也，1?，1?和1^4均為常數(shù)。
[0023] 作為優(yōu)選，步驟4中所述凝聚態(tài)濃度c與晶體核的形態(tài)學參數(shù)的定量關系為：
[0024] c = k5Jrr2/1
[0025] 其中:1?為常數(shù)。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0027] 1、該一種無人飛行器載空中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的微距微觀圖像識別方法 和裝置，一方面可以對大氣中凝聚態(tài)結構發(fā)展進行遠程快速監(jiān)測，另一方面能得到待監(jiān)測 氣體中凝聚態(tài)結構的實時演變規(guī)律。與傳統(tǒng)的測量方法相比，提高了精度；
[0028] 2、設置了凝聚態(tài)濃度閾值和形狀參數(shù)閾值，建立微觀層面預警機制，并進一步在 微觀層面建立干預機制，及時采取有效措施阻止有害物質的凝聚；
[0029] 3、可以調節(jié)LED白光燈燈光的強弱和監(jiān)測機構兩個伸出段的夾角，進而調高采集 圖像的質量；
[0030] 4、可以利用多個該裝置組成陣列，分布在大氣不同高度的不同位置，可以同時對 空間內不同位置的氣體中凝聚態(tài)物質演變進行監(jiān)測，建立地區(qū)氣體狀態(tài)微觀層面的預警和 干預機制。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明實施例的裝置結構圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明實施例的監(jiān)測機構圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明實施例的遠程計算機機構圖。
[0034] 圖中，1為無人飛行器，2為支架，3為監(jiān)測機構、4為微型溫度計、5為防水鏡頭、6為 照明機構、7為導線、8為伸縮機構、9為無線通信模塊、10為PVC套筒、11為電源、12為遠程計 算機。
【具體實施方式】
[0035] 為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā) 明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0036] 請見圖1、圖2和圖3,本發(fā)明提供的一種無人飛行器載氣體中凝聚態(tài)結構演變實時 監(jiān)測的圖像識別裝置，包括無人飛行器1、支架2、監(jiān)測機構3和遠程計算機12;監(jiān)測機構3為 兩組，均通過支架2對稱固定安裝在無人飛行器1上。監(jiān)測機構3包括微型溫度計4、電子顯微 鏡頭5、LED白光燈6、導線7、無線通信模塊9、PVC套筒10和電源11;微型溫度計4、電子顯微鏡 頭5、LED白光燈6有若干組，均安裝在PVC套筒10上預先設置的凹槽之中；微型溫度計4設置 在電子顯微鏡頭5旁;微型溫度計4、電子顯微鏡頭5、LED白光燈6、無線通信模塊9均通過導 線7與電源11連接;無線通信模塊9通過通信網(wǎng)絡與遠程計算機12連接通信;PVC套筒10為兩 根，均可旋轉地安裝在基座上，兩根PVC套筒10之間通過伸縮機構8連接在一起;伸縮機構8 通過導線7與無線通信模塊9連接。監(jiān)測機構3通過支架2固定安裝在無人飛行器1上，并通過 通信網(wǎng)絡與遠程計算機12連接通信。
[0037] 本發(fā)明提供的一種無人飛行器載氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0038]步驟1:根據(jù)微距微觀視頻圖像采集的最優(yōu)確定值，利用遠程計算機12調整LED白 光燈6的亮度，利用電子顯微鏡頭5對不同溫度空中凝聚態(tài)進行拍攝成像，并記錄此時每個 電子顯微鏡頭5旁邊微型溫度計4的示數(shù)，然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉成微距微 觀視頻灰度圖像；
[0039]步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得 到氣體中晶體核的輪廓；
[0040] 本實施例在二值化過程中將氣體中的凝聚態(tài)的晶體核和其他物質各視為一種物 質，再進行其后的操作;橋接和去雜處理是通過開操作和閉操作去除凝聚態(tài)圖像中孤立的 噪聲點，同時保留圖像中本來的細節(jié)結構;細化處理是將圖像中晶體核的輪廓變成單像素 厚度組成的細線，骨化處理是保留圖像中心線的細化。
[0041] 步驟3:根據(jù)晶體核的輪廓確定它的形態(tài)學參數(shù)，并且建立該形態(tài)學參數(shù)與溫度的 對應關系；
[0042] 所述晶體核的形態(tài)學參數(shù)包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比t;所述晶體核的 形態(tài)學參數(shù)與溫度T(°C)的對應關系為：
[0043]
[0044]
[0045] 其中:ki，k2，k3和k4均為常數(shù)；
[0046] 步驟4:建立晶體核的形態(tài)學參數(shù)與凝聚態(tài)濃度的定量關系，根據(jù)事先設置的凝聚 態(tài)濃度閾值反推出晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值和溫度閾值；
[0047] 所述凝聚態(tài)濃度c與晶體核的形態(tài)學參數(shù)的定量關系為：
[0048] c = k5Jrr2/1
[0049] 其中:1?為常數(shù)；
[0050]假設凝聚態(tài)濃度閾值為co時，晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值ro和to,溫度閾值為To。 [00511將步驟3中的兩個公式代入步驟4中的公式可得：
[0052]
[0053]解得溫度閾值為 [0054]
[0055]故晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值ro和to為
[0056]
[0057]
[0058]步驟5:在對氣體中凝聚態(tài)結構進行監(jiān)測的過程中，當監(jiān)測的溫度與溫度閾值相差 較近時，利用微距微觀視頻圖像采集設備對其進行拍攝成像；
[0059]步驟6:輸入待監(jiān)測氣體中凝聚態(tài)結構的原始真彩微距微觀視頻圖像，經(jīng)過步驟1-3處理得到晶體核的形態(tài)學參數(shù)，然后，將其與形態(tài)學參數(shù)臨界值比較，如果大于閾值，立即 采取有效措施，從而建立預警機制。
[0060] 盡管本說明書較多地使用了無人飛行器1、支架2、監(jiān)測機構3、微型溫度計4、防水 鏡頭5、LED白光燈6、導線7、伸縮機構8、無線通信模塊9、PVC套筒10、電源11和遠程計算機12 等術語，但并不排除使用其他術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便的描述本發(fā) 明的本質，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
[0061] 應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術。
[0062] 應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本 發(fā)明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權 利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內，本發(fā) 明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1. 一種氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在于:包括無人飛行 器（1)、支架(2)、監(jiān)測機構(3)和遠程計算機（12);所述監(jiān)測機構（3)通過所述支架(2)固定 安裝在所述無人飛行器(1)上，并通過通信網(wǎng)絡與所述遠程計算機(12)連接通信。2. 根據(jù)權利要求1所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述監(jiān)測機構(3)為兩組，均通過所述支架(2)對稱固定安裝在所述無人飛行器(1)上。3. 根據(jù)權利要求1-2任意一項所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝 置，其特征在于:所述監(jiān)測機構（3)包括微型溫度計(4)、防水鏡頭（5)、照明機構(6)、導線 (7)、無線通信模塊(9)、PVC套筒(10)和電源(11); 所述微型溫度計(4)、防水鏡頭(5)、照明機構(6)有若干組，均安裝在所述PVC套筒（10) 上預先設置的凹槽之中；所述微型溫度計(4)、防水鏡頭（5)、照明機構(6)、無線通信模塊 (9)均通過所述導線(7)與所述電源（11)連接;所述無線通信模塊(9)通過通信網(wǎng)絡與所述 遠程計算機(12)連接通信。4. 根據(jù)權利要求3所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述照明機構(6)為L邸白光燈。5. 根據(jù)權利要求3所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述防水鏡頭(5)為電子顯微鏡頭。6. 根據(jù)權利要求3所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述微型溫度計(4)設置在所述防水鏡頭(5)旁。7. 根據(jù)權利要求3所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述PVC套筒（10)為兩根，均可旋轉地安裝在基座上，兩根PVC套筒（10)之間通過伸縮機 構(8)連接在一起;伸縮機構(8)通過所述導線(7)與所述無線通信模塊(9)連接。8. -種氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1:根據(jù)微距微觀視頻圖像采集的最優(yōu)確定值，利用遠程計算機（12)調整照明機構 (6)的亮度，利用防水鏡頭(5)對不同溫度空中凝聚態(tài)進行微距微觀拍攝成像，并記錄此時 每個防水鏡頭(5)旁邊微型溫度計(4)的示數(shù)，然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉成微 距微觀視頻灰度圖像； 步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得到氣 體中晶體核的輪廓； 步驟3:根據(jù)晶體核的輪廓確定它的形態(tài)學參數(shù)，并且建立該形態(tài)學參數(shù)與溫度的對應 關系； 步驟4:建立晶體核的形態(tài)學參數(shù)與凝聚態(tài)濃度的定量關系，根據(jù)事先設置的凝聚態(tài)濃 度闊值反推出晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值和溫度闊值； 步驟5:在對氣體中的凝聚態(tài)進行監(jiān)測的過程中，當監(jiān)測的溫度與溫度闊值相差大于預 設值時，采集此時的凝聚狀態(tài)圖像； 步驟6:輸入待監(jiān)測氣體中的凝聚態(tài)原始真彩微距微觀視頻圖像，經(jīng)過步驟1-3處理得 到晶體核的形態(tài)學參數(shù)，然后，將其與形態(tài)學參數(shù)臨界值比較，如果大于闊值，立即建立微 觀層面預警機制，并根據(jù)其成長狀態(tài)，實施即時干預機制，在微觀層面及時采取有效措施阻 止有害物質的凝聚。9. 根據(jù)權利要求8所述的氣體中凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在 于，步驟3中所述晶體核的形態(tài)學參數(shù)包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比t;所述晶體核 的形態(tài)學參數(shù)與溫度T(°C)的對應關系為：其中：ki，k2，k3和k期為常數(shù)。10.根據(jù)權利要求9所述的氣體凝聚態(tài)結構演變實時監(jiān)測的微距微觀圖像識別方法，其 特征在于，步驟4中所述凝聚態(tài)濃度C與晶體核的形態(tài)學參數(shù)的定量關系為： c = ltt3Tr2/t 其中:ks為常數(shù)。
【文檔編號】G08C17/02GK105973891SQ201610588972
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月25日
【發(fā)明人】王若林, 朱道佩, 呂鉻, 桑農
【申請人】武漢大學