基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置的製作方法

2023-05-21 09:51:21 4

專利名稱：基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，屬於粉體測試技術領域。
背景技術：
水位、流量、泥沙是水文測量的三大基本要素。當前，水位、流量的測驗通過引進新的設備，已取得一定的成效，但河流泥沙顆粒的測驗依然應用傳統方法。隨著社會經濟的快速發展，河流泥沙治理開發的任務愈來愈重，對水文工作的要求也愈來愈高。無論是防洪、 水資源統一管理，還是生態環境的建設，都需要水文信息的快速、準確、及時，泥沙顆粒分析工作更是如此。傳統的泥沙顆粒級配測量方法操作過程繁瑣、費工費時，生產周期長、不能滿足在短時間內完成大批量泥沙顆粒級配測量任務的需要，並嚴重製約了水文測驗技術向數位化、信息化發展的步伐。為了提高泥沙顆粒級配測量技術的科技含量和水文測驗市場的競爭力，需要探求能替代傳統方法測量泥沙顆粒級配的新技術。數字圖像檢測的基礎是數字圖像採集和數字圖像處理部分，隨著其它學科如光學鏡頭、CCD器件、CMOS圖像傳感器等的發展，以及數字圖像處理理論中各種算法的改進與完善，使得基於數字圖像檢測的技術應用越來越廣，在很多領域，數字圖像檢測的應用極大的改進了檢測系統的準確性與速度性，能夠提高檢測的速度與準確性，減少了檢測的不確定度。數字圖像檢測技術的發展為基於數字圖像處理的顆粒分析提供了可能，利用圖像處理技術可以對顆粒進行亞微米甚至納米程度上的結構觀測，定量的分析顆粒性質，提取顆粒結構的各種有用信息。傳統的顆粒檢測方法存在著準確度低，可重複性差，速度慢等缺點。通過採用數字圖像處理的方法可以大幅度提高速度，減少所用時間，提高準確性，可進行極窄級別的精細粒度分析，並且通過軟體分析可以實現各種參數的實時分析，圖像曲線顯示，存儲列印等各種功能。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對背景技術中傳統的泥沙顆粒級配測量方法的缺陷，提出一種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，可快速而準確的對顆粒進行統計和分析，提高了工作效率。本實用新型為解決上述技術問題採用以下技術方案—種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，包括採集箱體、圖像採集單元、泥沙顆粒分析系統；其中圖像採集單元設置在採集箱體中，用於採集泥沙樣品的圖像；所述圖像採集單元的輸出端與泥沙顆粒分析系統的輸入端連接，所述泥沙顆粒分析系統輸出泥沙顆粒的特徵參數。進一步的，本實用新型的一種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，所述圖像採集單元包括攝像機和光源，其中所述攝像機固定在採集箱體的側壁上，所述光源包括兩個燈管，分別平行設置在採集箱體的兩側壁上。本實用新型採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果本實用新型利用攝像機獲取泥沙顆粒圖像，通過優化圖像處理技術，結合圖像分割技術和八鏈碼遞歸掃描法獲得了泥沙顆粒的粒徑、累積頻率、形狀係數、圓度等參量，實現了泥沙顆粒特徵參量的快速測量。

圖1是本實用新型的泥沙顆粒分析裝置結構圖。圖2是本實用新型的泥沙顆粒分析系統工作示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明本實用新型設計的裝置如圖1所示，由採集箱體、圖像採集單元、泥沙顆粒分析系統組成。其中圖像採集單元設置在採集箱體中，用於採集泥沙樣品的圖像；泥沙顆粒分析系統包括輸入模塊、圖像預處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊、統計輸出模塊。其中，圖像採集單元將採集到的泥沙樣品圖像由輸入模塊發送至圖像預處理模塊，圖像預處理模塊對圖像進行預處理後發送至圖像二值化模塊，圖像二值化模塊對預處理後的圖像進行二值化操作後發送至邊緣檢測及輪廓提取模塊，邊緣檢測及輪廓提取模塊對圖像進行邊緣檢測、輪廓提取後得到泥沙顆粒的各項特徵參數，然後發送至統計輸出模塊進行數據統計和輸出顯示。實施例採集箱體的外殼部分由有機玻璃做成，長36cm，寬32cm，高30cm，在右側下方有 Icm開槽，泥沙樣品託盤由此處放進拍攝區域；光源為兩根IOW的日光燈，長為36cm，平行分布在兩側，經反覆調試，將光源放置在距離裝置最下方18cm處，這個位置能保證顆粒圖像沒有陰影，拍攝效果較好。攝像機為PENTAX CCD數字相機，由固定在裝置中間的側板固定， 側板上鑽有小孔5個，間隔2cm，實現攝像機的上下移動及固定。本裝置採用的燈管長度較長，覆蓋了拍攝區域，且平行分布在兩側，一定程度上解決了光照不均的現象。泥沙顆粒分析系統能實現對泥沙顆粒圖像進行變換和處理，實現圖像分割和目標參數測量分析、結果列印輸出等功能。泥沙顆粒分析系統主要由輸入模塊、圖像預處理模塊、泥沙顆粒檢測模塊、統計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、圖像保存和系統退出四項功能；輸入的圖像可以是256色或32位真彩色圖像。(2)圖像預處理模塊圖像的預處理包括選擇區域、剪切、合併圖像、圖像的放大縮小和平移。在圖像打開後可進行圖像增強處理，包括調節對比度和亮度、圖像的平滑和銳化等處理。(3)泥沙顆粒檢測模塊包括圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊
4[0025]1)圖像二值化模塊對於圖像的二值化，根據泥沙顆粒圖像的特點，採用了兩種閾值分割方法，一種是改進的灰度直方圖分析法，一種是Otsu自適應閾值分割法。2)邊緣檢測及輪廓提取模塊主要完成顆粒的編號，同時完成顆粒的形貌分析，提取顆粒的各項特徵參數。(4)統計輸出模塊統計輸出模塊主要是泥沙顆粒各種參數的顯示和一些統計結果的顯示，如顆粒粒度分布，特徵粒徑等；另外還可將測得的數據及統計結果以txt或excel格式導出並保存供後續處理。本實用新型的泥沙顆粒分析方法如下在樣本託盤上放一張乾淨的白紙，仔細將泥沙顆粒分散在白紙上，儘量避免顆粒重疊在一起放入拍攝區域。在放置好泥沙顆粒以後，調整攝像機焦距使得泥沙顆粒圖像清晰，採集泥沙顆粒圖像並進行處理。為得到泥沙顆粒的實際尺寸需要對本裝置進行標定，選用固定大小的規則目標物，目標物為變長5cm*5cm的正方形，調整並固定攝像頭進行拍攝， 將拍攝的圖像保存，打開拍攝的標定目標物，通過滑鼠選定正方形的對角線兩點就能得到這兩點的以像素為單位的坐標A(Xl，Yl)，B(x2，y2)，則轉換公式為MmperPixel = 5辦丨 ^(X1-X2)2 +(yl~y2fMmperPixel為1個像素對應的實際毫米單位長度。採集泥沙顆粒圖像，對顆粒圖像進行增強提高圖片質量，之後利用改進的閾值分割方法進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面積等相關信息，需要對顆粒進行邊緣檢測，經典邊緣檢測算子在抗噪聲幹擾方面存在不足，針對泥沙顆粒圖像特點，在得到泥沙顆粒的二值圖像後，通過對目標顆粒進行遞歸法標號統計得到泥沙顆粒的邊緣輪廓信息，實現邊緣檢測。遞歸法的思想是掃描圖像，遇到一個顆粒像素，對它進行八鏈碼區域掃描，直至形成封閉區域，這個區域內的像素為同一個編號，然後跳出後繼續掃描，遇到第二個封閉區域後，對這個區域內的像素賦予一個新的編號，依此類推，最後最大的編號就代表著圖像中顆粒的數目。分別統計每個標號的像素數，就代表了每個顆粒所佔的像素數。泥沙顆粒特徵參量分析表示如下(1)面積 A二值圖像中的顆粒的面積A，即為單個目標顆粒所佔像素點數目的總和。對相同標號的對象進行統計，得到每個對象的像素點的總和，將像素點總數乘以單個像素點所對應的實際面積，即可得到每一個泥沙顆粒實際的面積。(2)周長 P顆粒的周長P，就是圍繞其邊界像素的長度。對圖像的邊緣像素進行統計，再乘以單個像素點的長度，所得就是圖像的周長。(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)長徑 LJSgB通過對泥沙顆粒進行邊緣跟蹤，找出最長兩點間的距離，即為所測泥沙顆粒對象的長軸，記下這兩個邊緣點坐標。顆粒的長徑與短徑要求是垂直的，而在顆粒圖像中兩弦絕對垂直的情況很少。本文在求短徑時是找出與長徑接近垂直的軸當中最長的軸作為短徑B。(5)粒度分布(級配曲線)以等效圓直徑D為橫坐標，以小於等於等效圓直徑D的顆粒佔顆粒總質量的百分比為縱坐標，做出級配曲線。(6)圓形度 φ。
權利要求1.一種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，其特徵在於包括採集箱體、圖像採集單元、泥沙顆粒分析系統；其中圖像採集單元設置在採集箱體中，用於採集泥沙樣品的圖像；所述圖像採集單元的輸出端與泥沙顆粒分析系統的輸入端連接，所述泥沙顆粒分析系統輸出泥沙顆粒的特徵參數。
2.根據權利要求1所述的一種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，其特徵在於 所述圖像採集單元包括攝像機和光源，其中所述攝像機固定在採集箱體的側壁上，所述光源包括兩個燈管，分別平行設置在採集箱體的兩側壁上。
專利摘要本實用新型公開了一種基於數字圖像技術的泥沙顆粒分析裝置，包括採集箱體、圖像採集單元、泥沙顆粒分析系統；其中圖像採集單元設置在採集箱體中，用於採集泥沙樣品的圖像；所述泥沙顆粒分析系統包括輸入模塊、圖像預處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊、統計輸出模塊。本實用新型通過攝像機採集泥沙顆粒樣品圖像，然後對圖像進行預處理、二值化、邊緣輪廓提取，計算出每個顆粒的投影面積，根據等效投影面積得出每個顆粒的粒徑，進而得到一系列顆粒信息，實現了泥沙顆粒特徵參量的快速測量。
文檔編號G01N15/00GK202216890SQ201120227398
公開日2012年5月9日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者劉雲, 唐洪武, 唐立模, 肖洋 申請人:河海大學