專利名稱：紙漿兩相流piv測量的圖像處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及兩相流的圖像處理方法，具體涉及紙漿兩相流Piv測量的圖像處理方法。
背景技術：
目前，PIV (顆粒圖像測速)測量技術是測量流場的一種非侵入式技術，是一種不干擾流場的流動特性和獲得兩相速度的測量技術，可以較為精確地反映瞬間流場，是目前國內比較先進的流場局部測量技術。PIV系統(tǒng)主要包含記錄儀器、同步器、電腦、激光器及其連接的電纜和接線盒，PIV的工作原理是一組球面和圓柱面組合透鏡可將激光束展成具有一定厚度(0. Imm至幾毫米)和一定光強，且分布均勻的平面光；以此照射流場某斷面，便可得斷面上相應流場的二維圖像。為使圖像清晰，在被測流場中播入示蹤粒子，從而以粒子運動替代流體質點的運動。對于二維流動，通過調整平面光的位置，可使示蹤粒子(是一種與流體的密度相等的粒子，具有良好的對光散射性，反應流體流動特性的粒子)在光平面內運動。記錄儀器(相機或CCD相機)置于與光平面垂直的位置，用來拍攝平面流場的顆粒瞬態(tài)圖像，這就是PIV系統(tǒng)的工作原理。PIV測量技術如何能夠較為精確地反映瞬間流場和獲得兩相流的速度，這與PIV 測量技巧很有關系。國內外的學術報道介紹較多的是將PIV系統(tǒng)作為一種測量工具，直接利用和分析Piv測量后的研究結果，但是具體應該怎么測量，怎么得到比較精確的結果報道卻較少。在國內有江蘇大學楊敏官(鹽析液固兩相流場的PIV測量方法，江蘇大學學報 (自然科學版)，2007，28(4): 324-327)等人研究鹽析液液固兩相流場時采用在WINDOWS 平臺上自己開發(fā)的軟件進行粒子的圖像分離和處理，實現(xiàn)兩相流流場測量，而對紙漿兩相流實現(xiàn)圖像分離和處理未見報道。在國外，目前研究紙漿懸浮液的流場報道較多，Pettersson和Anders Rasmuson (LDA Measurements on a Turbulent Gas/Liquid/Fibre Suspension, LDA Laser Doppler anemometry，2004:265-274)在2004年采用了由玻璃纖維、空氣和酒精組成的模型懸浮液，可以形成透明懸浮液，從而進行對紙漿懸浮液的替代測量。John A. Wiklund 禾口 Mats Stading (A Comparative Study of UVP and LDA Techniques for Pulp Suspensions in Pipe Flow, AIChE Journal, 2006, 52(2) : 484—495)于 2006 年采用了 LDA (激光多普勒測速技術)對0. 74% 7. 8%的紙漿懸浮液進行測量。這些測量方法都是將紙漿懸浮液作為單相流來研究，無法得到兩相流的速度場。從國內外關于PIV測量方法的報道來看，有以下幾個問題1)沒有紙漿兩相流的 PIV測量方法的介紹。2)雖然有其他類型的兩相流測量方法的介紹，但是由于紙漿纖維兩相流的紙漿纖維粒子是長圓柱狀，具有自己獨特的特點，無法借鑒其他兩相流的PIV測量方法
發(fā)明內容
為克服現(xiàn)有技術的不足和缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，能夠較好的將水的示蹤粒子和紙漿纖維粒子實現(xiàn)圖像分離，為圖像進一步處理和計算提供較好的圖像前處理，是最終獲得較準確的兩相速度流場的關鍵步驟。本發(fā)明的目的通過如下技術方案實現(xiàn)
(1)測量前的標定在紙漿纖維懸浮液中待測量的片光平面中放入標定板，運行PIV中的操作平臺系統(tǒng)采集、儲存數(shù)據(jù)，完成測量前的標定；
(2)流場中示蹤粒子的布撒和流場測量在紙漿纖維懸浮液流場中布撒水的示蹤粒子， 然后運行PIV中的操作平臺進行流場測量，得到紙漿纖維粒子和水的示蹤粒子的結合圖像；
(3)閾值確定結合掩模技巧作為基本方法的圖像分離將上述結合圖像通過閾值確定并結合掩模技巧作為基本方法進行圖像分離，分別得到紙漿纖維和水的示蹤粒子的圖像。所述標定板為有機玻璃尺子，比標定板要方便和簡單。掩模技巧是一種減相關法，在PIV系統(tǒng)的圖像處理技巧中，用的較多的是減相關法中的一種差平方和法，即最小二次偏差法(MQD法)互相關算法，本發(fā)明中掩模技巧就是采用這種最小二次偏差法(MQD)定義處理區(qū)域的一個數(shù)據(jù)，將這個數(shù)據(jù)覆蓋下的東西處理，它之外的區(qū)域不做處理。所述閾值確定是利用示蹤粒子與紙漿纖維粒子的尺寸相差比較大的特點，從而區(qū)分兩種粒子的圖像。閾值確定水的示蹤粒子粒徑范圍為5μπι ΙΟμπι，紙漿纖維粒子粒徑范圍為20μπι 4. 5mm。為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述紙漿懸浮液為低濃紙漿，其質量濃度范圍小于1%， 如果紙漿濃度較大，激光的強度有限，將無法透過測量的纖維懸浮液，不能完成測量。所述實驗前的標定過程是在靜止的狀態(tài)中進行，采用“自由運行模式和單幀拍攝模式”相結合的方法，運行PIV中的操作平臺系統(tǒng)采集、儲存數(shù)據(jù)。標定過程是為了確定測量比例和測量表面。所述示蹤粒子的布撒可以在示蹤粒子布撒后采用攪拌均勻或者多處布撒等方法； 同時要注意放入示蹤粒子的數(shù)量，控制其濃度。其布撒后的示蹤粒子均勻性和濃度是否合適，可以通過拍攝后照片的圖像效果進行示蹤粒子均勻性和濃度的調整。所述流場測量時PIV中的圖像采集裝置與激光器是相互垂直的，放入標定板的片光表面就是激光照射出的表面，而圖像采集裝置拍攝的也就是這個表面。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1)本發(fā)明采用有機玻璃尺子標定的方法，操作簡單，容易找到片光表面；
(2)本發(fā)明采用閾值確定的方法，對于圓球形的示蹤粒子和長圓柱狀的紙漿纖維粒子來說是很容易的事情，因為示蹤粒子的直徑為5 μ m 10 μ m，對于大多數(shù)紙漿纖維粒子來說，無論是長度和寬度都會比這大得多；而跟示蹤粒子的直徑差不多，或者比他小的紙漿纖維粒子是極少數(shù)，當被掩模掉時，不會影響紙漿纖維粒子的流場特性；
(3)本發(fā)明采用的掩模技巧可以很好地去除不需要的那一相的圖像，這樣兩相之間不會或者很少給對方的圖像帶入噪音，可以讓各自速度場的測量結果比較準確。


圖1為本發(fā)明的紙漿兩相流PIV測量系統(tǒng)的實驗室安裝簡圖； 圖2(a)為本發(fā)明的PIV記錄兩相流t時刻的連續(xù)圖像；
圖2(b)為本發(fā)明的PIV記錄兩相流t+ Δ t時刻的連續(xù)圖像；
圖2(c)為本發(fā)明隱藏了小示蹤粒子后的掩模形狀圖2(d)為本發(fā)明采用二次方掩模方法測量大分散相粒子t時刻的位移圖像；
圖2(e)為本發(fā)明采用二次方掩模方法測量大分散相粒子t+ Δ t時刻的位移圖像；
圖3(a)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的第一幀原始圖像；
圖3(b)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的第二幀原始圖像；
圖3(c)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的第一幀纖維粒子圖像；
圖3(d)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的第二幀纖維粒子圖像；
圖3(e)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的第一幀示蹤粒子圖像；
圖3(f)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的第二幀示蹤粒子圖像；
圖4(a)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的紙漿纖維粒子的速度流場圖像；
圖4(b)為本發(fā)明紙漿兩相流PIV測量的水示蹤粒子的速度流場圖像。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明所要求的保護的范圍并不局限于實施方式中所描述的范圍。本發(fā)明的紙漿兩相流PIV測量時的實驗室安裝簡圖，如圖1所示1為有機玻璃塔、2為噴液管、3為(XD、4為卸料器、5為離心泵、6為長方形進口、7為PC機、8為 PIV同步器、9為激光器、10為片光、11為拍攝區(qū)域。在PIV系統(tǒng)操作平臺上安裝Dynamic Studio軟件dynamicstudio V3. 0 (由香港麥迪技術有限公司提供)，將CXD 3、PC 7、PIV同步器8、激光器9按照PIV系統(tǒng)的要求連接好，在有機玻璃塔1中加入紙漿纖維懸浮液，開始進行標定。將CCD3相機蓋蓋上，打開激光器9，用片光10找到要測量的平面；在片光平面中放入一把有機玻璃尺子，并關閉激光， 打開相機蓋；運行Dynamidtudio軟件，新建一個數(shù)據(jù)庫(Database)并切換到采集模式， 運用“自由運行”模式來調焦，使相機盡可能清楚的拍到尺子(此時相機不用濾光鏡)；選擇單幀拍攝模式一采集圖片數(shù)輸入1 —點擊Acquire采集圖片(此時激光器可以用內觸發(fā)，用自然光拍攝；也可以用外觸發(fā)，但相機要加上濾光片)一切換到Acquired Data (采集數(shù)據(jù)) 欄一然后將數(shù)據(jù)存為標定數(shù)據(jù)；采集并存儲完成后，切換到分析模式，在所得圖片上點擊右鍵一Measure Scale Factor (測量比例)一把圖片中的A和B分別拖到兩個刻度上一選擇 Absolute Distance (絕對距離)一輸入A到B的距離，完成實驗的標定。圖片中的A和B 是用來標定的任意兩個刻度點。撤走有機玻璃尺子后，在靜止的紙漿懸浮液中撒入粒徑為10 μ m的示蹤粒子，利用卸料器4將其攪拌均勻，由于研究的是攪拌流場，所以很快可以達到攪拌均勻；為了形成穩(wěn)定的循環(huán)過程進行拍攝，有機玻璃塔1中的紙漿懸浮液在離心泵5的抽吸下，從旋轉的卸料器的長方形進口 6進入，經(jīng)過泵所在的管路后，通過位于上方的噴液管2返回到有機玻璃塔1中。在設定好跨幀時間、拍攝頻率、拍攝照片對的數(shù)量后，采用雙幀模式，先用preview(預覽)進行預拍攝，通過拍攝的圖像調整激光能量和所加粒子濃度，如果拍攝圖像不合格， 可以增加激光能量，同時減少或者增加粒子數(shù)量。合適后再采用Acquire進行正式數(shù)據(jù)采集，首先通過相互垂直安裝的CCD3和激光器9確定拍攝區(qū)域11，然后進行預覽和采集，此時需要安裝濾光鏡，采用激光拍攝，得到紙漿纖維粒子和示蹤粒子的結合圖像。對于結合圖像，需要采用閾值確定和掩模技巧進行圖像處理。由于拍攝的紙漿纖維粒子的平均寬度和長度分別為45 μ m和3. 5mm,都比圓形的示蹤粒子大很多，而示蹤粒子的大小通常是比較均勻的，示蹤粒子的直徑為5 μ m 10 μ m，所以將粒徑在這個范圍內的粒子作為示蹤粒子的圖像；按照纖維分析圖分析，盡管纖維粒子的平均寬度和長度分別為 45 μ m和3. 5mm,但是大多數(shù)紙漿纖維粒子的尺寸范圍分布在20 μ m和4. 5mm之間，所以將粒徑在20 μ m至4. 5mm之間的粒子圖像作為紙漿纖維粒子的圖像。然后采用掩模技巧進行圖像分離，具體分離過程如圖3a至圖3f所示。在PIV系統(tǒng)的圖像處理技巧中，用的較多的是減相關法中的一種差平方和法，即最小二次偏差法(MQD法)互相關算法，本發(fā)明掩模技巧就是采用的這種最小二次偏差法 (MQD)定義處理區(qū)域的一個數(shù)據(jù)，將這個數(shù)據(jù)覆蓋下的東西處理，它之外的區(qū)域不做處理。對PIV記錄進行估計，對掩模技巧采用最小二次偏差法(MQD)進行描述如下為了確定在At時間內粒子圖像的位移，PIV數(shù)字記錄中的窗口尺寸為(《Χ〃像素)。假定選取的是兩個連續(xù)的單幀，gl、&分別是兩幀圖像的灰度值。從原理上MQA是一種跟蹤計算法則，可用于PIV的雙幀模式，也可用于連續(xù)的單幀。 假定A為分散相，在這里分散相為紙漿纖維粒子；B為放入小示蹤粒子的連續(xù)相， 連續(xù)相為水。為了分散兩相的信息，將掩模(mask)疊加在像素為的窗口上，采用以下方程進行定義
權利要求
1.紙漿兩相流Piv測量的圖像處理方法，其特征在于具體步驟為測量前的標定在紙漿纖維懸浮液中待測量的片光平面中放入標定板，運行PIV中的操作平臺系統(tǒng)采集、儲存數(shù)據(jù)，完成測量前的標定；流場中示蹤粒子的布撒和流場測量在紙漿纖維懸浮液流場中布撒水的示蹤粒子，然后運行PIV中的操作平臺進行流場測量，得到紙漿纖維粒子和水的示蹤粒子的結合圖像；閾值確定結合掩模技巧作為基本方法的圖像分離將上述結合圖像通過閾值確定并結合掩模技巧作為基本方法進行圖像分離，分別得到紙漿纖維和水的示蹤粒子的圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，其特征在于所述標定板為有機玻璃尺子。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，其特征在于所述掩模技巧采用最小二次偏差法。
4.根據(jù)權利要求3所述的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，其特征在于所述閾值確定水的示蹤粒子粒徑范圍為5 μ m 10 μ m，紙漿纖維粒子粒徑范圍為20 μ m 4. 5mm。
5.根據(jù)權利要求4所述的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，其特征在于所述流場測量時PIV中的操作平臺的圖像采集裝置與激光器相互垂直。
6.根據(jù)權利要求5所述的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，其特征在于所述紙漿懸浮液為低濃紙漿，其質量濃度小于1%。
7.根據(jù)權利要求6所述的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，其特征在于所述測量前的標定在靜止狀態(tài)中進行，采用“自由運行模式和單幀拍攝模式”相結合的方法。
全文摘要
本發(fā)明的紙漿兩相流PIV測量的圖像處理方法，包括測量前標定在紙漿纖維懸浮液中待測量的片光平面中放入標定板，運行PIV操作平臺，完成測量前標定；流場中示蹤粒子的布撒和流場測量在紙漿纖維懸浮液中布撒水的示蹤粒子進行流場測量，得到紙漿纖維粒子和水的示蹤粒子的結合圖像；對結合圖像通過閾值確定并結合掩模技巧進行圖像分離，分別得到紙漿纖維和水的示蹤粒子的圖像。本發(fā)明采用PIV這種非侵入式測量方法，得到紙槳纖維粒子和示蹤粒子的多幀結合圖像，通過對圖像分離和處理，可以分別得到紙槳纖維粒子和示蹤粒子的圖像，從而得到每一相的速度流場。本發(fā)明操作簡單，能比較準確的測量兩相流的速度場。
文檔編號G01P5/22GK102331510SQ201110153110
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權日2011年6月9日
發(fā)明者馮郁成, 曾勁松, 李軍, 石先成, 陳克復 申請人:華南理工大學