專利名稱：基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置及分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置及分析方法，屬于粉體測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水位、流量、泥沙是水文測量的三大基本要素。當(dāng)前，水位、流量的測驗通過引進新的設(shè)備，已取得一定的成效，但河流泥沙顆粒的測驗依然應(yīng)用傳統(tǒng)方法。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，河流泥沙治理開發(fā)的任務(wù)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(tǒng)一管理，還是生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，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(tǒng)的泥沙顆粒級配測量方法操作過程繁瑣、費工費時，生產(chǎn)周期長、不能滿足在短時間內(nèi)完成大批量泥沙顆粒級配測量任務(wù)的需要，并嚴重制約了水文測驗技術(shù)向數(shù)字化、信息化發(fā)展的步伐。為了提高泥沙顆粒級配測量技術(shù)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(tǒng)方法測量泥沙顆粒級配的新技術(shù)。數(shù)字圖像檢測的基礎(chǔ)是數(shù)字圖像采集和數(shù)字圖像處理部分，隨著其它學(xué)科如光學(xué)鏡頭、CCD器件、CMOS圖像傳感器等的發(fā)展，以及數(shù)字圖像處理理論中各種算法的改進與完善，使得基于數(shù)字圖像檢測的技術(shù)應(yīng)用越來越廣，在很多領(lǐng)域，數(shù)字圖像檢測的應(yīng)用極大的改進了檢測系統(tǒng)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(shù)字圖像檢測技術(shù)的發(fā)展為基于數(shù)字圖像處理的顆粒分析提供了可能，利用圖像處理技術(shù)可以對顆粒進行亞微米甚至納米程度上的結(jié)構(gòu)觀測，定量的分析顆粒性質(zhì)，提取顆粒結(jié)構(gòu)的各種有用信息。傳統(tǒng)的顆粒檢測方法存在著準確度低，可重復(fù)性差，速度慢等缺點。通過采用數(shù)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，并且通過軟件分析可以實現(xiàn)各種參數(shù)的實時分析，圖像曲線顯示，存儲打印等各種功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中傳統(tǒng)的泥沙顆粒級配測量方法的缺陷，提出一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法及分析裝置，可快速而準確的對顆粒進行統(tǒng)計和分析，提高了工作效率。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，包括采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)；其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；所述泥沙顆粒分析系統(tǒng)包括輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊、 統(tǒng)計輸出模塊；
其中，圖像采集單元將采集到的泥沙樣品圖像由輸入模塊發(fā)送至圖像預(yù)處理模塊，圖像預(yù)處理模塊對圖像進行預(yù)處理后發(fā)送至圖像二值化模塊，圖像二值化模塊對預(yù)處理后的圖像進行二值化操作后發(fā)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、輪廓提取后得到泥沙顆粒的各項特征參數(shù)，然后發(fā)送至統(tǒng)計輸出模塊進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和輸出顯示。進一步的，本發(fā)明的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，所述圖像采集單元包括攝像機和光源，其中所述攝像機固定在采集箱體的側(cè)壁上，所述光源包括兩個燈管，分別平行設(shè)置在采集箱體的兩側(cè)壁上。本發(fā)明還提供一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，包括如下步驟 步驟101，采集泥沙顆粒圖像，并對顆粒圖像進行預(yù)處理；
步驟102，利用閾值分割方法進行閾值分割得到泥沙顆粒的二值圖像； 步驟103，對顆粒進行邊緣檢測，通過對目標顆粒進行遞歸法標號統(tǒng)計得到泥沙顆粒的邊緣輪廓信息；
所述遞歸法具體分步驟為
A、掃描圖像，當(dāng)遇到一個顆粒像素，對其進行八鏈碼區(qū)域掃描，直至形成封閉區(qū)域；
B、將步驟A形成的封閉區(qū)域內(nèi)的像素均賦予同一個標號N；
C、繼續(xù)掃描，當(dāng)形成第二個封閉區(qū)域后，對這個區(qū)域內(nèi)的像素均賦予一個新的標號
N+1 ；
D、繼續(xù)掃描，依此類推，直至掃描完圖像中的所有顆粒像素，最后最大的標號就代表著圖像中顆粒的數(shù)目；
E、分別統(tǒng)計每個標號的像素數(shù)，得到每個顆粒所占的像素數(shù)；
步驟104，將像素點總數(shù)乘以單個像素點所對應(yīng)的實際面積，得到每一個泥沙顆粒的投影面積A ；對圖像的邊緣像素進行統(tǒng)計，再乘以單個像素點的長度，得到每一個泥沙顆粒的投影輪廓周長f；
步驟105，根據(jù)泥沙顆粒的投影面積A，采用下式得到泥沙顆粒的等效圓直徑D，
d-2M
步驟106，通過對泥沙顆粒進行邊緣跟蹤，找出最長兩點間的距離，得到所測泥沙顆粒對象的長徑I ,記下這兩個邊緣點坐標；
步驟107，將顆粒圖像中與長徑接近垂直的軸當(dāng)中最長的軸作為所測泥沙顆粒對象的短徑B ；
步驟108，以等效圓直徑D為橫坐標，以小于等于等效圓直徑D的顆粒占顆?？傎|(zhì)量的百分比為縱坐標，做出級配曲線；
步驟109，根據(jù)所測泥沙顆粒的投影面積A、投影輪廓周長”得到其圓形度^
步驟110，根據(jù)泥沙顆粒的短徑長徑￡得到泥沙顆粒的形狀系數(shù)SF
SF =色 L
步驟111，將以上步驟得到的數(shù)據(jù)及統(tǒng)計結(jié)果輸出。
進一步的，本發(fā)明的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，步驟101所述預(yù)處理包括選擇圖像區(qū)域、剪切合并圖像、放大縮小和平移圖像、圖像增強處理；所述圖像增強處理包括調(diào)節(jié)圖像對比度和亮度、圖像的平滑和銳化。進一步的，本發(fā)明的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，步驟102所述閾值分割方法包括改進的灰度直方圖分析法以及Otsu自適應(yīng)閾值分割法。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
本發(fā)明利用攝像機獲取泥沙顆粒圖像，通過優(yōu)化圖像處理技術(shù)，結(jié)合圖像分割技術(shù)和八鏈碼遞歸掃描法獲得了泥沙顆粒的粒徑、累積頻率、形狀系數(shù)、圓度等參量，實現(xiàn)了泥沙顆粒特征參量的快速測量。


圖1是本發(fā)明的泥沙顆粒分析裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的泥沙顆粒分析系統(tǒng)工作示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明
本發(fā)明設(shè)計的裝置如圖1所示，由采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)組成。 其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；泥沙顆粒分析系統(tǒng)包括輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊、統(tǒng)計輸出模塊。其中，圖像采集單元將采集到的泥沙樣品圖像由輸入模塊發(fā)送至圖像預(yù)處理模塊，圖像預(yù)處理模塊對圖像進行預(yù)處理后發(fā)送至圖像二值化模塊，圖像二值化模塊對預(yù)處理后的圖像進行二值化操作后發(fā)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、輪廓提取后得到泥沙顆粒的各項特征參數(shù)，然后發(fā)送至統(tǒng)計輸出模塊進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和輸出顯示。實施例
采集箱體的外殼部分由有機玻璃做成，長36cm，寬32cm，高30cm，在右側(cè)下方有Icm開槽，泥沙樣品托盤由此處放進拍攝區(qū)域；光源為兩根IOW的日光燈，長為36cm，平行分布在兩側(cè)，經(jīng)反復(fù)調(diào)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(shù)字相機，由固定在裝置中間的側(cè)板固定，側(cè)板上鉆有小孔5個，間隔2cm，實現(xiàn)攝像機的上下移動及固定。本裝置采用的燈管長度較長，覆蓋了拍攝區(qū)域，且平行分布在兩側(cè)，一定程度上解決了光照不均的現(xiàn)象。泥沙顆粒分析系統(tǒng)能實現(xiàn)對泥沙顆粒圖像進行變換和處理，實現(xiàn)圖像分割和目標參數(shù)測量分析、結(jié)果打印輸出等功能。泥沙顆粒分析系統(tǒng)主要由輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、泥沙顆粒檢測模塊、統(tǒng)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(tǒng)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(yù)處理模塊圖像的預(yù)處理包括選擇區(qū)域、剪切、合并圖像、圖像的放大縮小和平移。在圖像打開后可進行圖像增強處理，包括調(diào)節(jié)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 1)圖像二值化模塊
對于圖像的二值化，根據(jù)泥沙顆粒圖像的特點，采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(yīng)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，提取顆粒的各項特征參數(shù)。(4)統(tǒng)計輸出模塊
統(tǒng)計輸出模塊主要是泥沙顆粒各種參數(shù)的顯示和一些統(tǒng)計結(jié)果的顯示，如顆粒粒度分布，特征粒徑等；另外還可將測得的數(shù)據(jù)及統(tǒng)計結(jié)果以txt或excel格式導(dǎo)出并保存供后續(xù)處理。本發(fā)明的泥沙顆粒分析方法如下
在樣本托盤上放一張干凈的白紙，仔細將泥沙顆粒分散在白紙上，盡量避免顆粒重疊在一起放入拍攝區(qū)域。在放置好泥沙顆粒以后，調(diào)整攝像機焦距使得泥沙顆粒圖像清晰，采集泥沙顆粒圖像并進行處理。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(guī)則目標物，目標物為變長5cm*5cm的正方形，調(diào)整并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，通過鼠標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Α(Χι，Υι),Β(χ2, y2)，則轉(zhuǎn)換公式為
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，其特征在于包括采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)；其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；所述泥沙顆粒分析系統(tǒng)包括輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊、統(tǒng)計輸出模塊；其中，圖像采集單元將采集到的泥沙樣品圖像由輸入模塊發(fā)送至圖像預(yù)處理模塊，圖像預(yù)處理模塊對圖像進行預(yù)處理后發(fā)送至圖像二值化模塊，圖像二值化模塊對預(yù)處理后的圖像進行二值化操作后發(fā)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、輪廓提取后得到泥沙顆粒的各項特征參數(shù)，然后發(fā)送至統(tǒng)計輸出模塊進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和輸出顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，其特征在于 所述圖像采集單元包括攝像機和光源，其中所述攝像機固定在采集箱體的側(cè)壁上，所述光源包括兩個燈管，分別平行設(shè)置在采集箱體的兩側(cè)壁上。
3.一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，其特征在于，包括如下步驟步驟101，采集泥沙顆粒圖像，并對顆粒圖像進行預(yù)處理；步驟102，利用閾值分割方法進行閾值分割得到泥沙顆粒的二值圖像；步驟103，對顆粒進行邊緣檢測，通過對目標顆粒進行遞歸法標號統(tǒng)計得到泥沙顆粒的邊緣輪廓信息；所述遞歸法具體分步驟為A、掃描圖像，當(dāng)遇到一個顆粒像素，對其進行八鏈碼區(qū)域掃描，直至形成封閉區(qū)域；B、將步驟A形成的封閉區(qū)域內(nèi)的像素均賦予同一個標號N；C、繼續(xù)掃描，當(dāng)形成第二個封閉區(qū)域后，對這個區(qū)域內(nèi)的像素均賦予一個新的標號N+1 ；D、繼續(xù)掃描，依此類推，直至掃描完圖像中的所有顆粒像素，最后最大的標號就代表著圖像中顆粒的數(shù)目；E、分別統(tǒng)計每個標號的像素數(shù)，得到每個顆粒所占的像素數(shù)；步驟104，將像素點總數(shù)乘以單個像素點所對應(yīng)的實際面積，得到每一個泥沙顆粒的投影面積A ；對圖像的邊緣像素進行統(tǒng)計，再乘以單個像素點的長度，得到每一個泥沙顆粒的投影輪廓周長c步驟105，根據(jù)泥沙顆粒的投影面積A，采用下式得到泥沙顆粒的等效圓直徑D，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，其特征在于， 步驟101所述預(yù)處理包括選擇圖像區(qū)域、剪切合并圖像、放大縮小和平移圖像、圖像增強處理；所述圖像增強處理包括調(diào)節(jié)圖像對比度和亮度、圖像的平滑和銳化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，其特征在于， 步驟102所述閾值分割方法包括改進的灰度直方圖分析法以及Otsu自適應(yīng)閾值分割法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析裝置，包括采集箱體、圖像采集單元、泥沙顆粒分析系統(tǒng)；其中圖像采集單元設(shè)置在采集箱體中，用于采集泥沙樣品的圖像；所述泥沙顆粒分析系統(tǒng)包括輸入模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像二值化模塊、邊緣檢測及輪廓提取模塊、統(tǒng)計輸出模塊。本發(fā)明還公開了一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的泥沙顆粒分析方法，通過攝像機采集泥沙顆粒樣品圖像，然后對圖像進行預(yù)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(jù)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(xiàn)了泥沙顆粒特征參量的快速測量。
文檔編號G01N15/00GK102288522SQ201110181128
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者劉云, 唐洪武, 唐立模, 肖洋 申請人:河海大學(xué)