一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，首先，建立微距視頻灰度圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，然后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立各物質(zhì)與灰度值區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，接著，統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表各物質(zhì)的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)與物質(zhì)含量或形態(tài)的關(guān)系，最后，根據(jù)上述關(guān)系確定待檢測(cè)土體的實(shí)際特征參數(shù)，進(jìn)而確定土體的發(fā)育狀態(tài)。本發(fā)明不需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)土體擾動(dòng)采樣到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的過(guò)程,而是直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土樣微距視頻評(píng)估,提高測(cè)試精度；對(duì)土體組成成分及其演變識(shí)別更為精確；該土體演變的微距視頻圖像監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法可以對(duì)某一地區(qū)的土體進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而得到該地區(qū)土體的演變規(guī)律。
【專利說(shuō)明】
一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及土體演變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前對(duì)土體性能的檢測(cè)與評(píng)估主要采用以手工測(cè)量為主的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，這種方法中傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量需要首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，對(duì)土體擾動(dòng)較大，這個(gè)過(guò)程中獲取的土體樣本性能已經(jīng)偏離真實(shí)土顆粒狀態(tài)，因此其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;其次所獲取的土樣往往是回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析，效率極低;并且在這個(gè)過(guò)程中，土樣溫度，水分及其分布，土顆粒與水分的結(jié)合程度等等各項(xiàng)參數(shù)都極易因?yàn)橥翗颖４婧腿斯げ僮鳝h(huán)節(jié)產(chǎn)生變化，顯然測(cè)試結(jié)果精度不夠。每次測(cè)試結(jié)果只能代表當(dāng)時(shí)的土體狀態(tài)，不能準(zhǔn)確表達(dá)土體的演化過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003 ]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟1:在自設(shè)光源條件下，利用微距視頻圖像采集設(shè)備對(duì)不同發(fā)育狀態(tài)土體進(jìn)行拍攝成像。然后，將原始真彩微距視頻圖像轉(zhuǎn)成微距視頻灰度圖像，建立微距視頻灰度圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0005]步驟2:因?yàn)椴煌镔|(zhì)的灰度圖像擁有不同的灰度值區(qū)間，所以在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立物質(zhì)與灰度值區(qū)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即對(duì)微距視頻灰度圖像中不同的物質(zhì)進(jìn)行編碼。
[0006]步驟3:包括以下子步驟；
(1)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表水分的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)和代表土顆粒的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的灰度平均值，然后，建立它們和土體含水率的定量關(guān)系；
(2)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表冰的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，然后，建立它與土體含冰率的定量關(guān)系；
(3)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表孔隙的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，然后，建立它與土體孔隙率的定量關(guān)系。
[0007]步驟4:二值化微距視頻灰度圖像，然后進(jìn)行橋接、去雜、細(xì)化和骨化處理，得到土顆粒的輪廓。然后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)土顆粒內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，最后，建立平均像素個(gè)數(shù)與土顆粒平均粒徑的定量關(guān)系。
[0008]步驟5:包括以下子步驟；
(1)輸入待監(jiān)測(cè)土體的原始真彩微距視頻圖像(在自設(shè)光源條件下拍攝的)，然后將其轉(zhuǎn)成微距視頻灰度圖像，利用步驟2可識(shí)別出各個(gè)物質(zhì)；
(2)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表水分的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)和代表土顆粒的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的灰度平均值，再利用步驟3中(I)中建立的關(guān)系，可得到土體的含水率；
(3)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表冰的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，再利用步驟3中(2 )中建立的關(guān)系，可得到土體的含冰率；
(4)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表孔隙的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，再利用步驟3中
(3)中建立的關(guān)系，可得到土體的孔隙率；
(5)利用步驟4中的方法處理微距視頻灰度圖像，得到土顆粒的輪廓。然后，再統(tǒng)計(jì)出平均每個(gè)土顆粒內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，再利用步驟4中建立的關(guān)系，可得到土顆粒平均粒徑。
[0009]步驟6:根據(jù)土體的實(shí)際特征參數(shù)(包括土顆粒的粒徑、土體的孔隙率、含水率和含冰率)確定土體的發(fā)育狀態(tài)。
[0010]
作為優(yōu)選，步驟I中所述微距視頻圖像采集設(shè)備的鏡頭可以根據(jù)需要更換為不同放大倍數(shù)的鏡頭。
[0011]作為優(yōu)選，步驟I中所述不同發(fā)育狀態(tài)土體為土顆粒粒徑、孔隙率、含水率和含冰率大小不同的土體。
[0012]作為優(yōu)選，步驟2和5中所述物質(zhì)包括土顆粒、孔隙、水分、冰和其他物質(zhì)。
[0013]作為優(yōu)選，步驟4中所述二值化微距視頻灰度圖像，是將土顆粒和其他物質(zhì)各視為一種物質(zhì)，然后進(jìn)行二值化，進(jìn)而確定土顆粒的輪廓。橋接和去雜處理是通過(guò)開(kāi)操作和閉操作去除微距視頻圖像中孤立的噪聲點(diǎn)，同時(shí)保留微距視頻圖像中本來(lái)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu);所述微距視頻圖像細(xì)化處理是將微距視頻圖像變換成單像素厚度組成的細(xì)線，所述微距視頻圖像骨化處理是保留微距視頻圖像中心線的細(xì)化。細(xì)化的算法步驟如下:(I)做腐蝕操作，但不立刻刪除像素，只打標(biāo)記；(2)將不破壞連通性的標(biāo)記點(diǎn)刪掉；(3)重復(fù)執(zhí)行，直到圖像結(jié)果不發(fā)生變化，得到了細(xì)化結(jié)果。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
I.不需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)土體擾動(dòng)采樣到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的過(guò)程，而是直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土樣微距視頻評(píng)估，對(duì)土體不廣生擾動(dòng)，提尚測(cè)試精度；
2.采用微距視頻圖像，對(duì)土體組成成分及其演變識(shí)別更為精確；
3.測(cè)試迅速，且操作方便，提高測(cè)試效率；
4.該土體演變的微距視頻圖像監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法可以對(duì)某一地區(qū)的土體進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而得到該地區(qū)土體的演變規(guī)律。為預(yù)測(cè)土體性能演變提供了更快速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017]隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，微距視頻圖像處理技術(shù)已經(jīng)為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一項(xiàng)過(guò)去沒(méi)有的技術(shù)手段，并相繼在多種學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，也為土體演化過(guò)程的監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供了可行途徑，為預(yù)測(cè)土體性能演變提供了更快速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)。
[0018]土體在發(fā)育過(guò)程中，土顆粒大小、含水率和孔隙率均會(huì)發(fā)生變化。土體在自然環(huán)境中，其自身內(nèi)部物理化學(xué)變化等，使土體參數(shù)變化，如果溫度較低，土體中部分的水將會(huì)凍結(jié)成冰，即土體中將會(huì)存在冰顆粒。這些變化將最終導(dǎo)致土體性能演變。土體中有可能存在石塊和其他雜質(zhì)，由于土顆粒、空隙、水分、冰和其他物質(zhì)對(duì)光的吸收或反射都不一樣，這些物質(zhì)在土體拍攝成的微距視頻圖像轉(zhuǎn)換成微距視頻灰度圖像后，將會(huì)表現(xiàn)出不同的灰度值。因此，可以通過(guò)分析土體微距視頻圖像的不同灰度值來(lái)識(shí)別不同的物質(zhì)。
[0019]請(qǐng)見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，包括以下步驟:步驟1:在自設(shè)光源條件下，利用微距視頻圖像采集設(shè)備對(duì)不同發(fā)育狀態(tài)土體進(jìn)行拍攝成像。然后，將原始真彩微距視頻圖像轉(zhuǎn)成微距視頻灰度圖像，建立微距視頻灰度圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0020]其中微距視頻圖像采集設(shè)備的鏡頭是能根據(jù)需要更換為不同放大倍數(shù)的鏡頭;不同發(fā)育狀態(tài)土體為土顆粒粒徑、孔隙率、含水率和含冰率大小不同的土體。
[0021]步驟2:因?yàn)椴煌镔|(zhì)(土顆粒、孔隙、水分、冰和其他物質(zhì))的灰度圖像擁有不同的灰度值區(qū)間，所以在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立物質(zhì)與灰度值區(qū)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即對(duì)微距視頻灰度圖像中不同的物質(zhì)進(jìn)行編碼。
[0022]步驟3:包括以下子步驟；
(1)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表水分的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)和代表土顆粒的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的灰度平均值，然后，建立它們和土體含水率的定量關(guān)系；
(2)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表冰的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，然后，建立它與土體含冰率的定量關(guān)系；
(3)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表孔隙的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，然后，建立它與土體孔隙率的定量關(guān)系。
[0023]步驟4:二值化微距視頻灰度圖像，然后進(jìn)行橋接、去雜、細(xì)化和骨化處理，得到土顆粒的輪廓。然后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)土顆粒內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，最后，建立平均像素個(gè)數(shù)與土顆粒平均粒徑的定量關(guān)系。
[0024]其中二值化微距視頻灰度圖像，是將土顆粒和其他物質(zhì)各視為一種物質(zhì)，然后進(jìn)行二值化，進(jìn)而確定土顆粒的輪廓;橋接和去雜處理是通過(guò)開(kāi)操作和閉操作去除微距視頻圖像中孤立的噪聲點(diǎn)，同時(shí)保留微距視頻圖像中本來(lái)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu);微距視頻圖像細(xì)化處理是將微距視頻圖像變換成單像素厚度組成的細(xì)線，所述微距視頻圖像骨化處理是保留微距視頻圖像中心線的細(xì)化。
[0025]保留微距視頻圖像中心線的細(xì)化，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:(I)做腐蝕操作，但不立刻刪除像素，只打標(biāo)記；(2)將不破壞連通性的標(biāo)記點(diǎn)刪掉；(3)重復(fù)執(zhí)行，直到圖像結(jié)果不發(fā)生變化，得到了細(xì)化結(jié)果。
[0026]步驟5:包括以下子步驟；
(I)輸入待監(jiān)測(cè)土體的原始真彩微距視頻圖像(在自設(shè)光源條件下拍攝的)，然后將其轉(zhuǎn)成微距視頻灰度圖像，利用步驟2可識(shí)別出各個(gè)物質(zhì)(土顆粒、孔隙、水分、冰和其他物質(zhì))；
(2)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表水分的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)和代表土顆粒的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的灰度平均值，再利用步驟3中(I)中建立的關(guān)系，可得到土體的含水率；
(3)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表冰的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，再利用步驟3中(2 )中建立的關(guān)系，可得到土體的含冰率；
(4)統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表孔隙的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，再利用步驟3中
(3)中建立的關(guān)系，可得到土體的孔隙率；
(5)利用步驟4中的方法處理微距視頻灰度圖像，得到土顆粒的輪廓。然后，再統(tǒng)計(jì)出平均每個(gè)土顆粒內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，再利用步驟4中建立的關(guān)系，可得到土顆粒平均粒徑。
[0027]步驟6:根據(jù)土體的實(shí)際特征參數(shù)(包括土顆粒的粒徑、土體的孔隙率、含水率和含冰率)確定土體的發(fā)育狀態(tài)。
[0028]本發(fā)明可以對(duì)待監(jiān)測(cè)土體的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行快速識(shí)別，由此可以確定待監(jiān)測(cè)土體的演變狀態(tài)和程度。與傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量相比，傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量需要首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，對(duì)土體擾動(dòng)較大，這個(gè)過(guò)程中獲取的土體樣本性能已經(jīng)偏離真實(shí)土顆粒狀態(tài)，因此其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;其次所獲取的土樣往往是回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析，效率極低;并且在這個(gè)過(guò)程中，土樣溫度，水分及其分布，土顆粒與水分的結(jié)合程度等等各項(xiàng)參數(shù)都極易因?yàn)橥翗颖４婧腿斯げ僮鳝h(huán)節(jié)產(chǎn)生變化，顯然測(cè)試結(jié)果精度不夠。每次測(cè)試結(jié)果只能代表當(dāng)時(shí)的土體狀態(tài)，不能準(zhǔn)確表達(dá)土體的演化過(guò)程，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。
[0029]應(yīng)當(dāng)理解的是，本說(shuō)明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:在自設(shè)光源條件下，利用微距視頻圖像采集設(shè)備對(duì)不同發(fā)育狀態(tài)土體進(jìn)行拍攝成像;然后，將原始真彩微距視頻圖像轉(zhuǎn)成微距視頻灰度圖像，建立微距視頻灰度圖像數(shù)據(jù)庫(kù)； 步驟2:在微距視頻灰度圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中建立物質(zhì)與灰度值區(qū)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即對(duì)微距視頻灰度圖像中不同的物質(zhì)進(jìn)行編碼； 步驟3:包括以下子步驟； 步驟3.1:統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表水分的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)和代表土顆粒的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的灰度平均值，然后，建立它們和土體含水率的定量關(guān)系； 步驟3.2:統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表冰的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，然后，建立它與土體含冰率的定量關(guān)系； 步驟3.3:統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表孔隙的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，然后，建立它與土體孔隙率的定量關(guān)系； 步驟4: 二值化微距視頻灰度圖像，然后進(jìn)行橋接、去雜、細(xì)化和骨化處理，得到土顆粒的輪廓;然后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)土顆粒內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，最后，建立平均像素個(gè)數(shù)與土顆粒平均粒徑的定量關(guān)系； 步驟5:包括以下子步驟； 步驟5.1:輸入待監(jiān)測(cè)土體的原始真彩微距視頻圖像，然后將其轉(zhuǎn)成微距視頻灰度圖像，利用步驟2的方法識(shí)別出各個(gè)物質(zhì)； 步驟5.2:統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表水分的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)和代表土顆粒的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的灰度平均值，再利用步驟3.1中建立的關(guān)系，得到土體的含水率； 步驟5.3:統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表冰的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，再利用步驟3.2中建立的關(guān)系，得到土體的含冰率； 步驟5.4:統(tǒng)計(jì)微距視頻灰度圖像中代表孔隙的灰度值區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)，再利用步驟3.3中建立的關(guān)系，可得到土體的孔隙率； 步驟5.5:利用步驟4中的方法處理微距視頻灰度圖像，得到土顆粒的輪廓。然后，再統(tǒng)計(jì)出平均每個(gè)土顆粒內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，再利用步驟4中建立的關(guān)系，得到土顆粒平均粒徑；步驟6:根據(jù)土體的實(shí)際特征參數(shù)確定土體的發(fā)育狀態(tài)，所述土體的實(shí)際特征參數(shù)包括土顆粒的粒徑、土體的孔隙率、含水率和含冰率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于:步驟I中所述微距視頻圖像采集設(shè)備的鏡頭是能根據(jù)需要更換為不同放大倍數(shù)的鏡頭。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于:步驟I中所述不同發(fā)育狀態(tài)土體為土顆粒粒徑、孔隙率、含水率和含冰率大小不同的土體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于:步驟2或5中所述物質(zhì)包括土顆粒、孔隙、水分、冰和其他物質(zhì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于:步驟4中所述二值化微距視頻灰度圖像，是將土顆粒和其他物質(zhì)各視為一種物質(zhì)，然后進(jìn)行二值化，進(jìn)而確定土顆粒的輪廓； 所述橋接和去雜處理是通過(guò)開(kāi)操作和閉操作去除微距視頻圖像中孤立的噪聲點(diǎn)，同時(shí)保留微距視頻圖像中本來(lái)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)； 所述微距視頻圖像細(xì)化處理是將微距視頻圖像變換成單像素厚度組成的細(xì)線，所述微距視頻圖像骨化處理是保留微距視頻圖像中心線的細(xì)化。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的土體演變的微距視頻圖像識(shí)別方法，其特征在于:所述保留微距視頻圖像中心線的細(xì)化，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)做腐蝕操作，但不立刻刪除像素，只打標(biāo)記； (2)將不破壞連通性的標(biāo)記點(diǎn)刪掉； (3)重復(fù)執(zhí)行，直到圖像結(jié)果不發(fā)生變化，得到了細(xì)化結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK106093035SQ201610372587
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】王若林, 朱道佩, 桑農(nóng)
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)