基於Canny算子的泡沫邊界識別和粒度分析方法
2024-01-29 08:46:15 2
專利名稱：基於Canny算子的泡沫邊界識別和粒度分析方法
技術領域：
本發明屬於計算機圖像識別領域，具體涉及一種邊界和背景對比度小的泡沫邊界識別及其粒度分析方法，適用於分析滅火泡沫、浮選泡沫和鑽井泡沫等對象。
背景技術：
泡沫始終處於一種流動、變化的過程，泡沫的結構影響著泡沫的穩定性，因此泡沫的表徵對於泡沫性能的發揮十分重要。近年來，有研究人員基於液體導電、氣體不導電的原理研究泡沫的結構，但是這種電導率的方法只能獲得液相泡沫的總體信息，而不能精確觀察微觀泡沫的結構；也有研究人員利用數字相機記錄泡沫的微觀結構，並研究泡沫滲流的傳播規律，但是研究的對象僅為一維的泡沫；也有研究人員採用數學模擬的方法研究二維泡沫的結構，但該方法和直接觀察泡沫的實際狀況區別很大，同時也未能深入研究泡沫的柏拉圖通道變化；也有研究人員使用圖像分析泡沫的結構輪廓並得到泡沫的平均粒徑，但 是研究的對象僅僅為分散的、圓形泡沫，沒有對緊貼在一起的、非圓形的泡沫進行分析。引入新技術研究滅火泡沫的微觀結構是當前研究的一種趨勢。Canny算子是一種最優邊界識別算子，在邊界的識別檢測中具有低誤判率、高定位精度、抑制虛假邊界等特點，廣泛用於如人臉識別、大米邊界識別、焊縫識別等。但是使用該算子得到的檢測點信息較少，難以精確提取圖像輪廓。雖然有Canny算子和其他算子(如Sobel算子、Laplace算子)結合使用的報導，但是在Canny算子中引入「母線」和「擬合圓」等概念、多次應用「腐蝕、掃描、分割、填充」的研究鮮有報導。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在上述不足，提供一種基於Canny算子的泡沫邊界識別和粒度分析方法。本發明利用體視顯微鏡直接觀察採集滅火泡沫的圖像信息，引入Canny算子識別泡沫的邊界，並最終實現泡沫的粒度分析。本發明提供的基於Canny算子的泡沫邊界識別和粒度分析方法，包括以下步驟步驟(I)調入圖像採集泡沫圖像時，調整光源的亮度，輔以調節軟體的對比度、曝光度、亮度，得到邊界明顯的泡沫圖像；步驟(2)判斷圖像根據圖像中泡沫的整體狀態判斷泡沫的類型，在「圓形泡沫識別」和「非圓形泡沫識別」之間做出選擇，對於「圓形泡沫識別」轉步驟(3)，對於「非圓形泡沫識別」轉步驟(4);步驟(3)圓形泡沫的邊界識別首先對原圖進行灰度化處理，然後一方面對灰度圖進行對數增強和臨界二值化處理，得到了代表邊界信息的、突出的點或線條，另一方面引入Canny算子識別灰度圖中的泡沫邊界，並對代表邊界信息的點或線條進行膨脹處理，然後疊加兩圖中的點或線條，將連在一起的點或線條連接成新的線條，並進行線條的預處理，最後連接線條並形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識別；步驟(4)非圓形泡沫的識別首先對原圖進行Laplace增強，得到了代表邊界信息的、突出的點或線條，然後引入Canny算子識別點或線條，反覆使用「腐蝕、掃描、分割、填充」逐步識別標記泡沫，連接線條並形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識別；步驟(5)在「圓形泡沫識別」或「非圓形泡沫識別」的基礎上進行泡沫的粒度分析，得到單位面積泡沫數目、泡沫粒度分布曲線、泡沫面積百分比這些數據。在所述步驟(2)進行的處理過程中，泡沫左右邊界的距離與泡沫上下邊界的距離小於邊界間平均距離(即泡沫的直徑)的15%，則該泡沫為圓形泡沫，如果所分析的圖像中圓形泡沫佔全體泡沫的比例大於90%，則選擇「圓形泡沫識別」，否則選擇「非圓形泡沫識別」；在所述步驟(3)進行的處理過程中，引入的Canny算子的闕值為100，該算子的卷 積核為
權利要求
1.基於Canny算子的泡沫邊界識別和粒度分析方法，其特徵在於該方法包括以下步驟 步驟(I)調入圖像 採集泡沫圖像時，調整光源的亮度，輔以調節軟體的對比度、曝光度、亮度，得到邊界明顯的泡沫圖像； 步驟(2)判斷圖像 根據圖像中泡沫的整體狀態判斷泡沫的類型，在「圓形泡沫識別」和「非圓形泡沫識別」之間做出選擇，對於「圓形泡沫識別」轉步驟(3)，對於「非圓形泡沫識別」轉步驟(4); 步驟(3)圓形泡沫識別 首先對原圖進行灰度化處理，然後一方面對灰度圖進行對數增強和臨界ニ值化處理，得到了代表邊界信息的、突出的點或線條，另一方面引入Canny算子識別灰度圖中的泡沫邊界，並對代表邊界信息的點或線條進行膨脹處理，然後疊加兩圖中的點或線條，將連在一起的點或線條連接成新的線條，並進行線條的預處理，最後連接線條並形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識別； 步驟(4)非圓形泡沫識別 首先對原圖進行Laplace增強，得到了代表邊界信息的、突出的點或線條，然後引入Canny算子識別點或線條，反覆使用「腐蝕、掃描、分割、填充」逐步識別標記泡沫，連接線條並形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識別； 步驟(5)在「圓形泡沫識別」或「非圓形泡沫識別」的基礎上進行泡沫的粒度分析，得到単位面積泡沫數目、泡沫粒度分布曲線、泡沫面積百分比這些數據。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(2)進行的處理過程中，泡沫左右邊界的距離與泡沫上下邊界的距離小於邊界間平均距離的15%，則該泡沫為圓形泡沫，如果所分析的圖像中圓形泡沫佔全體泡沫的比例大於90%，則選擇「圓形泡沫識別」，否則選擇「非圓形泡沫識別」。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(3)進行的處理過程中，引入的Canny算子的闕值為100，該算子的卷積核為
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(3)進行的處理過程中，在線條的預處理時，檢查所有母線和脊線擬合圓的相對位置，當出現擬合圓相交且相交部分面積大於小擬合圓或同等面積擬合圓的面積的3/4吋，則從長度最長的母線兩端開始延伸線段，如果有多個長度相等的母線，則按照先上後下、先左後右的順序進行，將延伸的線段連接至未連接的點或線條成為新的母線，延伸的線段長度不超過該母線所在擬合圓周長的1/8，延伸的線段與母線端點的切線夾角不超過30°，最終實現母線長度的増加與母線數量的減少，這對於下一步連接線條並形成完整的泡沫邊界是十分有利的。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於步驟(3)進行的處理過程中，在線條預處理後、連接線條並形成完整的泡沫邊界時，從母線的兩個端點開始延伸線段，從長度最長的母線開始進行連接，如果出現多個長度相同的母線時則按照先左後右、先上後下的順序進行，將延伸的線段連接至另外一條母線或脊線的端點，並以所連接線條的另外一個端點為開始繼續延伸線段，直至母線封閉，延伸的線段長度不超過母線所在擬合圓周長的1/4，延伸的線段與母線端點的切線夾角不超過60°，如果有多個滿足要求的待連接的線條端點，那麼選擇夾角最小的線段進行連接，如果不能實現母線封閉則放棄該母線的處理。
6.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(3)進行的處理過程中，對於自動識別出來但有誤差的泡沫，可以進行手動修改；對於未能自動識別、而人眼能夠識別的泡沫，則 通過手動添加的形式實現。
7.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(4)進行的處理過程中，使用Laplace算子進行圖像的增強處理，引入的Canny算子闕值為100，該算子的卷積核為
8.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(4)進行的處理過程中，引入Canny算子識別出代表邊界信息的點或線條後，首先通過「腐蝕」去除幹擾的點或線條以消除圖像的噪聲，「掃描」圖像得到能夠識別出具有完整泡沫邊界的部分，然後「分割」該部分，針對該部分保存信息井「填充」該處泡沫，在下ー輪的「腐蝕、掃描、分割、填充」過程中則不再分析此處；反覆進行「腐蝕、掃描、分割、填充」，連接線條並形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識別，如果沒有捜索到新的泡沫，則認為已經識別完整體圖片的泡沫邊界，並自動結束掃描搜索。
9.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(4)進行的處理過程中，對於自動識別出來但有誤差的泡沫，可以進行手動修改；對於未能自動識別、而人眼能夠識別的泡沫，則通過手動添加的形式實現。
10.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於步驟(5)進行的處理過程中，泡沫粒度指的是圓形泡沫的直徑和非圓形泡沫的平均直徑，泡沫面積百分比指的是圖片中泡沫面積所佔的比例。
全文摘要
一種基於Canny算子的泡沫邊界識別和粒度分析方法。特徵是調入圖像後，根據泡沫的狀態在「圓形泡沫識別」和「非圓形泡沫識別」之間作出選擇；在「圓形泡沫識別」中首先灰度化原圖，然後一方面對灰度圖進行對數增強和臨界二值化處理，另一方面引入Canny算子識別灰度圖中的泡沫邊界並進行膨脹處理，最後疊加二圖並連接泡沫邊界線條；在「非圓形泡沫識別」中首先對原圖進行Laplace增強處理，然後引入Canny算子提取泡沫的邊界，反覆使用「腐蝕、掃描、分割、填充」逐步識別標記泡沫，最後連接泡沫邊界線條；最終得到粒度分析報告。本發明能夠識別邊界和背景對比度小的泡沫，計算複雜度低、速度快，適用於滅火泡沫、浮選泡沫、鑽井泡沫等對象。
文檔編號G06K9/46GK102737246SQ201210195198
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者傅學成, 夏建軍, 宋波, 張憲忠, 王榮基, 胡英年, 陳濤 申請人:公安部天津消防研究所