应用于颗粒参数光学测量的CCD图像分析技术研究

摘要

随着科技的逐渐进步，喷雾技术已广泛应用于农业、工业、医学和科研等领域，喷雾形成的雾滴是常见的分析测量对象。其中雾滴的粒径分布等参数可以体现雾滴的瞬时行为和状态，获取其相关信息对雾化装置的优化，工业过程控制等方面具有重要意义。由于喷雾颗粒形成的机理复杂，使得迄今为止，仍无法从理论上对喷雾粒径等参数给出可靠的计算和预测。因此，实验测量在这方面发挥重要作用。在众多相关技术中，基于数字图像处理的喷雾颗粒分析方法，已成为近年来国内外一大研究热点。
　　首先，本文设计了本文喷雾颗粒的测量系统，包括喷雾系统和雾滴图像采样系统。利用不同工况条件下不同类型的喷头获取不同尺度分布的喷雾，设计两种喷雾颗粒图像采集系统，包括显微图像采集系统和微距图像采集系统。改进已有的喷雾采集方法，提出一种新的喷雾采样与图像获取方法。创新性地提出将图像法喷雾测量系统与彩虹喷雾测量系统相结合，将彩虹喷雾测量的结果作为参比，实现图像法测量结果的校正。
　　其次，研究了透明喷雾颗粒光学图像分析处理中涉及到的预处理方法，分析几种常用图像阈值选取方法。针对透明喷雾图像的特点，在雾滴轮廓标记基础上，对喷雾图像的噪点及双边缘进行小面积区域消除。研究了透明雾滴轮廓多种重叠形态，提出喷雾颗粒内部填充方法，并对其不足创新性地提出轮廓缺口封闭方法，创新性地定义了雾滴轮廓拐点，并提出改进的缺口封闭方法解决拐点现象。提出基于连通标记的图像背景及颗粒去除，为后续的颗粒轮廓重建和粒径分析提供基础。
　　然后，分析了喷雾颗粒图像的模糊现象，讨论了几种典型的模糊图像盲复原方法。研究常用图像边缘检测方法，分析了基于形态学的喷雾颗粒边缘检测法，提出了结合内边界和图像细化的边缘检测法，以获得更精确的颗粒边缘。接着分析了Hough变换原理，利用Hough圆检测方法对喷雾颗粒进行圆检测，针对透明喷雾颗粒边缘缺失的特征，提出对喷雾颗粒的轮廓线进行拟合和重建，获得颗粒粒径参数，还原了雾滴颗粒的初始形态。
　　最后，介绍了显微图像与微距图像的单位标定和喷雾颗粒参数，比较了图像喷雾测量法与彩虹喷雾法测量获得的粒径分布结果，并创新性地提出了基于单帧喷雾颗粒图像的重复粒径统计分析法，分析了粒径重复测量原因，提出一种重复喷雾颗粒识别和去除方法，实验证明了其有效性和准确性。最后，对喷雾颗粒参数测量误差因素进行分析讨论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 喷雾颗粒参数测量意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 喷雾颗粒参数测量方法研究现状

1．2．2 基于数字图像处理的雾滴参数测量技术研究现状

1．3 本课题研究任务及主要内容

1．4 本课题研究难点

第二章 喷雾颗粒测量系统设计

2．1 测量系统整体结构

2．2 CCD数字图像采集

2．3 喷雾系统与雾滴采集设计

2．4 显微图像采集系统设计

2．4．1 显微成像系统

2．4．2 显微雾滴图像获取

2．5 微距图像采集系统设计

2．6 彩虹喷雾测量系统设计

2．7 本章小结

第三章 喷雾颗粒图像分析方法研究

3．1 l图像类型

3．2 图像预处理

3．2．1 显微图像处理区域选择

3．2．2 图像光照不均校正

3．2．3 图像增强

3．3 图像阈值处理

3．3．1 常见阈值选取方法

3．3．2 阈值方法的实现与比较

3．4 透明喷雾颗粒二值图像处理

3．4．1 基于喷雾颗粒轮廓的连通域标记

3．4．2 小面积区域消除

3．5 基于透明喷雾颗粒的内部填充及轮廓缺口封闭

3．5．1 透明喷雾颗粒内部填

3．5．2 喷雾颗粒轮廓缺口封闭

3．5．3 改进的喷雾轮廓缺口封闭方法

3．6 基于连通标记的图像背景及颗粒去除

3．7 本章小结

第四章 模糊雾滴图像分析与喷雾颗粒识别研究

4．1 图像退化基础理论

4．1．1 图像退化原因

4．1．2 图像退化模型

4．1．3 点扩展函数PSF模型

4．2 典型的模糊图像盲复原算法

4．2．1 参数估计法

4．2．2 全变差正则化算法

4．2．3 NAS-RIF算法

4．2．4 迭代盲反卷积算法

4．3 模糊喷雾颗粒图像盲复原算法的实现与比较

4．4 喷雾颗粒图像边缘检测方法研究

4．4．1 经典边缘检测算子

4．4．2 经典边缘检测方法的实现与比较

4．4．3 基于形态学的喷雾颗粒边缘检测

4．5 基于Hough变换的喷雾颗粒轮廓圆形识别与重建

4．5．1 Hough变换原理

4．5．2 Hough变换检测雾滴圆

4．5．3 喷雾颗粒轮廓线拟合

4．5．4 喷雾颗粒原始轮廓重建

4．6 本章小结

第五章 喷雾颗粒参数测量及粒径重复统计研究

5．1 喷雾颗粒图像长度标定

5．2 喷雾颗粒参数

5．3 雾滴粒径分布统计

5．4 基于单帧雾滴图像的重复粒径测量分析与研究

5．4．1 粒径重复测量原因分析

5．4．2 重复喷雾颗粒识别

5．4．3 重复识别颗粒去除

5．5 去除重复统计测量结果分析

5．6 喷雾颗粒参数测量误差分析

5．7 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果

附录