本發(fā)明涉及一種對(duì)含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的方法,屬于圖像處理
技術(shù)領(lǐng)域:
。
背景技術(shù):
:霧霾已經(jīng)成為大中城市的一種災(zāi)害性天氣,受到世界各國(guó)包括中國(guó)的廣泛關(guān)注,其中可吸入顆粒物是霧霾的主要成分。這些顆粒物的來源主要有汽車特別是柴油車排放顆粒物、燒煤所產(chǎn)生的廢氣、工業(yè)生產(chǎn)排放廢氣等,大多數(shù)顆粒物都是以碳元素為核心的含碳顆粒物。目前對(duì)顆粒物的生成和消除機(jī)理特別是顆粒物結(jié)構(gòu)和理化特性及其生成、演變規(guī)律已經(jīng)成為環(huán)保領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的大量研究發(fā)現(xiàn),顆粒物的納米結(jié)構(gòu)與其氧化特性有直接的聯(lián)系。具有無(wú)定型結(jié)構(gòu)的顆粒物比具有晶格結(jié)構(gòu)的顆粒物更容易被氧化,對(duì)于含碳顆粒物來說,較短的微晶長(zhǎng)度、較大的微晶曲率和層間距表示顆粒物中無(wú)定型結(jié)構(gòu)更明顯,更容易被消除,具有更低的氧化活化能。因此,采用合理的方法對(duì)顆粒物的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析,了解顆粒物的生成和消除機(jī)理,將有助于顆粒物的控制。目前已有的方法中缺乏對(duì)微晶交叉點(diǎn)的自動(dòng)消除算法,以及在微晶對(duì)間距計(jì)算中缺乏自動(dòng)匹配技術(shù),降低了計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,提供一種基于圖像處理技術(shù)的含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)分析方法,其具有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消除微晶交叉點(diǎn)及對(duì)微晶對(duì)自動(dòng)匹配的特點(diǎn),能夠有效提高顆粒物納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的計(jì)算效率和計(jì)算準(zhǔn)確度發(fā)明提供一種基于圖像處理技術(shù)的含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)分析的方法,包括:依次進(jìn)行的顆粒物微觀形貌圖像獲取的步驟、對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理的步驟和顆粒物的納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算的步驟;所述顆粒物微觀形貌圖像獲取的步驟為:A1、將顆粒物取數(shù)粒置于無(wú)水乙醇中,在超聲波振蕩機(jī)中振蕩一定時(shí)間,使顆粒物在無(wú)水乙醇中充分分散開;取一滴混合液滴至高分辨率場(chǎng)發(fā)射透射電鏡用銅網(wǎng)超薄碳膜上,等待乙醇自由揮發(fā);A2、使用高分辨率場(chǎng)發(fā)射透射電鏡對(duì)制備好的顆粒物樣品進(jìn)行微觀形貌觀測(cè),獲取顆粒物形貌圖像;A3、對(duì)所獲取的顆粒物微觀形貌圖像進(jìn)行手動(dòng)分割,獲取感興趣的區(qū)域,并對(duì)分割后的圖像進(jìn)行保存。優(yōu)選的,所述對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理的步驟為:B1、對(duì)步驟一所獲取的待處理圖像進(jìn)行歸一化處理;B2、對(duì)圖像進(jìn)行濾波;B3、對(duì)圖像進(jìn)行均衡化增強(qiáng);B4、對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理;B5、對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算;B6、對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化。優(yōu)選的,所述步驟B1、對(duì)步驟一所獲取的待處理圖像進(jìn)行歸一化處理為:設(shè)待處理圖像所有像素點(diǎn)的最大灰度值為Gmax,最小灰度值為Gmin,像素點(diǎn)P的灰度值為GP,NP是歸一化后像素點(diǎn)P的灰度值,歸一化公式如式(1):優(yōu)選的,所述步驟B2、對(duì)圖像進(jìn)行濾波包括如下步驟:C1、取窗口大小為n×n,n為奇數(shù)。將窗口在圖像上移動(dòng),使窗口中心與圖像中待處理的像素點(diǎn)P重合;C2、記下窗口中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值,按照從大到小的順序排列:N1,N2,...,Nn×n;C3、計(jì)算中間位置的灰度值N((n×n)+1)/2,并將此值賦給像素點(diǎn)P;C4、遍歷圖像中所有像素點(diǎn)。優(yōu)選的,所述步驟B3、對(duì)圖像進(jìn)行均衡化增強(qiáng),采用直方圖均衡化增強(qiáng),設(shè)步驟B2處理后的圖像的灰度級(jí)為L(zhǎng),圖像中像素點(diǎn)的總數(shù)為n,第i級(jí)灰度為ri,ni是圖像中灰度級(jí)為ri的像素個(gè)數(shù),包括如下步驟:D1、計(jì)算圖像的歸一化直方圖,如式(2):D2、設(shè)r是歸一化到區(qū)間[01]的圖像的灰度級(jí),定義變化f,使得區(qū)間[0,1]內(nèi)的任意r,經(jīng)變換f(r)都有一個(gè)s與之對(duì)應(yīng),顯然,s是經(jīng)變換f(r)后輸出圖像的灰度級(jí)。f(r)在區(qū)間0≤r≤1內(nèi)滿足如下條件:(1)f(r)單調(diào)遞增;(2)0≤f(r)≤1;(3)s,r具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系;D3、通過變換f將輸入圖像的灰度級(jí)ri映射到輸出圖像的灰度級(jí)si,如式(3):優(yōu)選的,所述步驟B4、對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理的過程為:設(shè)步驟B3增強(qiáng)后圖像的灰度級(jí)范圍為(rmin,rmax),T是rmin和rmax中間的一個(gè)數(shù),則二值圖gP如式(4):其中:“1”表示物體(對(duì)象、目標(biāo)),使用白色;“0”表示背景,使用黑色。式(4)中閾值T采用迭代閾值法確定,包括如下步驟:E1、求出圖像中的最小和最大灰度級(jí)rmin和rmax,并設(shè)置初始閥值,如式(5):E2、根據(jù)閾值Tk(k=0,1,2...)將圖像分為目標(biāo)和背景兩部分,求出兩部分的平均灰度值,如式(6)和式(7):其中,S灰度級(jí)為ri的像素的總數(shù)。E3、求出新的閾值,如式(8):E4、如果Tk+1=Tk,則令閾值T=Tk,否則令k=k+1,轉(zhuǎn)向步驟E2。優(yōu)選的,步驟B5、對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算的過程為:設(shè)輸入圖像為Iinput,結(jié)構(gòu)元素為SE,對(duì)圖像進(jìn)行開運(yùn)算和閉運(yùn)算處理,如式(9)和(10):SE為m×m大小的正方形,為形態(tài)學(xué)腐蝕,為形態(tài)學(xué)膨脹。通過開運(yùn)算能夠消除散點(diǎn),切斷細(xì)長(zhǎng)搭接起到分離的作用,閉運(yùn)算能夠搭接短的間斷起到連通的作用。優(yōu)選的,步驟B6對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化,采用PSCP細(xì)化算法,其八連通示意圖如下:P1P2P3P8PP4P7P6P5其步驟為:F1、針對(duì)所有的微晶像素點(diǎn)P,若滿足如下條件,則判斷其為可刪除點(diǎn):(1)其8連通域中的微晶像素點(diǎn)數(shù)2≤E(P)≤6;(2)P的8連通域中包含且只包含一個(gè)4連通微晶像素點(diǎn);F2、遍歷所有的可刪除點(diǎn),若滿足如下條件之一,則保留;否則刪除:(1)P2,P6為微晶像素點(diǎn),P4為可刪除點(diǎn);(2)P4,P8為微晶像素點(diǎn),P6為可刪除點(diǎn);(3)P4,P5,P6為可刪除點(diǎn)。優(yōu)選的,所述顆粒物的納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算的步驟為:G1、顆粒物碳層微晶去交叉點(diǎn);G2、顆粒物碳層微晶直線搜索擬合,計(jì)算相鄰兩個(gè)微晶的間隔距離;G3、按照相關(guān)特征參數(shù)的定義,計(jì)算微晶長(zhǎng)度、微晶曲率和層間距;所述步驟G1、顆粒物碳層微晶去交叉點(diǎn)的步驟為:H1、圖像二值化后,微晶像素點(diǎn)的像素值為1(白色),背景的像素值為0(黑色);H2、搜索像素點(diǎn)P的八連通域中白點(diǎn)的個(gè)數(shù),設(shè)為n:(1)如果n≥3,則P是交叉點(diǎn),將P及其八連通域內(nèi)所有白點(diǎn)的像素值設(shè)為0;(2)如果n<3,則P不是交叉點(diǎn);H3、遍歷圖中所有微晶像素點(diǎn);所述步驟G2、顆粒物碳層微晶直線搜索擬合的步驟為:I1、設(shè)P0為當(dāng)前擬合直線段的起始點(diǎn),Pc為當(dāng)前搜索點(diǎn),起始時(shí)Pc=P0;I2、搜索Pc的八連通域中是否存在白點(diǎn);如果沒有鄰接點(diǎn),則Pc設(shè)為終點(diǎn),P0為起點(diǎn),用最小二乘擬合直線算法獲得一條直線段,搜索結(jié)束;I3、如果Pc的八連通域中存在白點(diǎn),按照設(shè)定規(guī)則獲得下一跟蹤點(diǎn)Pn,判斷Pn是否在當(dāng)前直線段延長(zhǎng)線范圍內(nèi)(通過直線斜率加以判斷)。如果在,設(shè)置Pc=Pn,將Pn的位置加入到點(diǎn)數(shù)組中,繼續(xù)搜索下一點(diǎn)。如果Pn不在當(dāng)前直線段延長(zhǎng)線上,則以Pc為終點(diǎn),P0為起點(diǎn),讀取點(diǎn)鏈表中各點(diǎn)位置,重新擬合一條直線段,結(jié)束當(dāng)前跟蹤直線段。優(yōu)選的,所述步驟I2采用的最小二乘法直線擬合算法,包括如下步驟:J1、用搜索算法得到的直線點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi)(i=1,2,...,m),m為直線點(diǎn)的個(gè)數(shù),設(shè)最小二乘擬合直線的方程為y=Ax+B;J2、點(diǎn)(xi,yi)到直線的垂直距離的平方和為式(11):J3、因?yàn)镋(A,B)取最小值,其偏導(dǎo)為零,如式(12):J4、對(duì)式(12)采用求和分配律得式(13):其中J5、對(duì)上述方程組進(jìn)行求解,得式(14):本發(fā)明的有益效果是:能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算顆粒納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。自動(dòng)隔斷相交叉的碳層微晶,對(duì)碳層微晶進(jìn)行直線搜索擬合,實(shí)現(xiàn)微晶對(duì)間距離的自動(dòng)計(jì)算。以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明;但本發(fā)明的一種基于圖像處理技術(shù)的含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)分析的方法不局限于實(shí)施例。附圖說明圖1是炭黑的HR-TEM原始圖像;圖2是分割后待處理圖像;圖3是歸一化后圖像;圖4是二值化后圖像;圖5是去交叉點(diǎn)后圖像;圖6(a)炭黑微晶長(zhǎng)度分布圖;圖6(b)炭黑微晶曲率分布圖;圖6(c)炭黑微晶對(duì)間距分布圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1參見圖1至圖6所示,本發(fā)明的一種基于圖像處理技術(shù)的含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)分析的方法,包括:依次進(jìn)行的顆粒物微觀形貌圖像獲取的步驟、對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理的步驟和顆粒物的納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算的步驟;所述顆粒物微觀形貌圖像獲取的步驟為:A1、將顆粒物取數(shù)粒置于無(wú)水乙醇中,在超聲波振蕩機(jī)中振蕩一定時(shí)間,使顆粒物在無(wú)水乙醇中充分分散開;取一滴混合液滴至高分辨率場(chǎng)發(fā)射透射電鏡用銅網(wǎng)超薄碳膜上,等待乙醇自由揮發(fā);A2、使用高分辨率場(chǎng)發(fā)射透射電鏡對(duì)制備好的顆粒物樣品進(jìn)行微觀形貌觀測(cè),獲取顆粒物形貌圖像;A3、對(duì)所獲取的顆粒物微觀形貌圖像進(jìn)行手動(dòng)分割,獲取感興趣的區(qū)域,并對(duì)分割后的圖像進(jìn)行保存。更進(jìn)一步,所述對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理的步驟為:B1、對(duì)步驟一所獲取的待處理圖像進(jìn)行歸一化處理;B2、對(duì)圖像進(jìn)行濾波;B3、對(duì)圖像進(jìn)行均衡化增強(qiáng);B4、對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理;B5、對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算;B6、對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化。更進(jìn)一步,所述步驟B1、對(duì)步驟一所獲取的待處理圖像進(jìn)行歸一化處理為:設(shè)待處理圖像所有像素點(diǎn)的最大灰度值為Gmax,最小灰度值為Gmin,像素點(diǎn)P的灰度值為GP,NP是歸一化后像素點(diǎn)P的灰度值,歸一化公式如式(1):更進(jìn)一步,所述步驟B2、對(duì)圖像進(jìn)行濾波包括如下步驟:C1、取窗口大小為n×n,n為奇數(shù)。將窗口在圖像上移動(dòng),使窗口中心與圖像中待處理的像素點(diǎn)P重合;C2、記下窗口中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值,按照從大到小的順序排列:N1,N2,...,Nn×n;C3、計(jì)算中間位置的灰度值N((n×n)+1)/2,并將此值賦給像素點(diǎn)P;C4、遍歷圖像中所有像素點(diǎn)。更進(jìn)一步,所述步驟B3、對(duì)圖像進(jìn)行均衡化增強(qiáng),采用直方圖均衡化增強(qiáng),設(shè)步驟B2處理后的圖像的灰度級(jí)為L(zhǎng),圖像中像素點(diǎn)的總數(shù)為n,第i級(jí)灰度為ri,ni是圖像中灰度級(jí)為ri的像素個(gè)數(shù),包括如下步驟:D1、計(jì)算圖像的歸一化直方圖,如式(2):D2、設(shè)r是歸一化到區(qū)間[01]的圖像的灰度級(jí),定義變化f,使得區(qū)間[0,1]內(nèi)的任意r,經(jīng)變換f(r)都有一個(gè)s與之對(duì)應(yīng),顯然,s是經(jīng)變換f(r)后輸出圖像的灰度級(jí)。f(r)在區(qū)間0≤r≤1內(nèi)滿足如下條件:(1)f(r)單調(diào)遞增;(2)0≤f(r)≤1;(3)s,r具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系;D3、通過變換f將輸入圖像的灰度級(jí)ri映射到輸出圖像的灰度級(jí)si,如式(3):更進(jìn)一步,所述步驟B4、對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理的過程為:設(shè)步驟B3增強(qiáng)后圖像的灰度級(jí)范圍為(rmin,rmax),T是rmin和rmax中間的一個(gè)數(shù),則二值圖gP如式(4):其中:“1”表示物體(對(duì)象、目標(biāo)),使用白色;“0”表示背景,使用黑色。式(4)中閾值T采用迭代閾值法確定,包括如下步驟:E1、求出圖像中的最小和最大灰度級(jí)rmin和rmax,并設(shè)置初始閥值,如式(5):E2、根據(jù)閾值Tk(k=0,1,2...)將圖像分為目標(biāo)和背景兩部分,求出兩部分的平均灰度值,如式(6)和式(7):其中,S灰度級(jí)為ri的像素的總數(shù)。E3、求出新的閾值,如式(8):E4、如果Tk+1=Tk,則令閾值T=Tk,否則令k=k+1,轉(zhuǎn)向步驟E2。更進(jìn)一步,步驟B5、對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算的過程為:設(shè)輸入圖像為Iinput,結(jié)構(gòu)元素為SE,對(duì)圖像進(jìn)行開運(yùn)算和閉運(yùn)算處理,如式(9)和(10):SE為m×m大小的正方形,為形態(tài)學(xué)腐蝕,為形態(tài)學(xué)膨脹。通過開運(yùn)算能夠消除散點(diǎn),切斷細(xì)長(zhǎng)搭接起到分離的作用,閉運(yùn)算能夠搭接短的間斷起到連通的作用。更進(jìn)一步,步驟B6對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化,采用PSCP細(xì)化算法,其八連通示意圖如下:P1P2P3P8PP4P7P6P5其步驟為:F1、針對(duì)所有的微晶像素點(diǎn)P,若滿足如下條件,則判斷其為可刪除點(diǎn):(1)其8連通域中的微晶像素點(diǎn)數(shù)2≤E(P)≤6;(2)P的8連通域中包含且只包含一個(gè)4連通微晶像素點(diǎn);F2、遍歷所有的可刪除點(diǎn),若滿足如下條件之一,則保留;否則刪除:(1)P2,P6為微晶像素點(diǎn),P4為可刪除點(diǎn);(2)P4,P8為微晶像素點(diǎn),P6為可刪除點(diǎn);(3)P4,P5,P6為可刪除點(diǎn)。更進(jìn)一步,所述顆粒物的納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算的步驟為:G1、顆粒物碳層微晶去交叉點(diǎn);G2、顆粒物碳層微晶直線搜索擬合,計(jì)算相鄰兩個(gè)微晶的間隔距離;G3、按照相關(guān)特征參數(shù)的定義,計(jì)算微晶長(zhǎng)度、微晶曲率和層間距;所述步驟G1、顆粒物碳層微晶去交叉點(diǎn)的步驟為:H1、圖像二值化后,微晶像素點(diǎn)的像素值為1(白色),背景的像素值為0(黑色);H2、搜索像素點(diǎn)P的八連通域中白點(diǎn)的個(gè)數(shù),設(shè)為n:(1)如果n≥3,則P是交叉點(diǎn),將P及其八連通域內(nèi)所有白點(diǎn)的像素值設(shè)為0;(2)如果n<3,則P不是交叉點(diǎn);H3、遍歷圖中所有微晶像素點(diǎn);所述步驟G2、顆粒物碳層微晶直線搜索擬合的步驟為:I1、設(shè)P0為當(dāng)前擬合直線段的起始點(diǎn),Pc為當(dāng)前搜索點(diǎn),起始時(shí)Pc=P0;I2、搜索Pc的八連通域中是否存在白點(diǎn);如果沒有鄰接點(diǎn),則Pc設(shè)為終點(diǎn),P0為起點(diǎn),用最小二乘擬合直線算法獲得一條直線段,搜索結(jié)束;I3、如果Pc的八連通域中存在白點(diǎn),按照設(shè)定規(guī)則獲得下一跟蹤點(diǎn)Pn,判斷Pn是否在當(dāng)前直線段延長(zhǎng)線范圍內(nèi)(通過直線斜率加以判斷)。如果在,設(shè)置Pc=Pn,將Pn的位置加入到點(diǎn)數(shù)組中,繼續(xù)搜索下一點(diǎn)。如果Pn不在當(dāng)前直線段延長(zhǎng)線上,則以Pc為終點(diǎn),P0為起點(diǎn),讀取點(diǎn)鏈表中各點(diǎn)位置,重新擬合一條直線段,結(jié)束當(dāng)前跟蹤直線段。更進(jìn)一步,所述步驟I2采用的最小二乘法直線擬合算法,包括如下步驟:J1、用搜索算法得到的直線點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi)(i=1,2,...,m),m為直線點(diǎn)的個(gè)數(shù),設(shè)最小二乘擬合直線的方程為y=Ax+B;J2、點(diǎn)(xi,yi)到直線的垂直距離的平方和為式(11):J3、因?yàn)镋(A,B)取最小值,其偏導(dǎo)為零,如式(12):J4、對(duì)式(12)采用求和分配律得式(13):其中J5、對(duì)上述方程組進(jìn)行求解,得式(14):實(shí)施例2本發(fā)明提供一種基于圖像處理技術(shù)的含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)分析方法,包括如下步驟:K1、將炭黑取5-10粒放置于5ml的無(wú)水乙醇中,使用超聲波振蕩30分鐘,使炭黑顆粒在無(wú)水乙醇中充分分散開。用玻璃滴管取一滴混合液滴至TEM超薄銅網(wǎng)碳膜上,待乙醇完全揮發(fā);K2、利用HR-TEM對(duì)炭黑微觀形貌進(jìn)行觀測(cè),獲取炭黑微觀形貌圖片,如圖1所示。在圖片中選擇微觀特征比較明顯的部分進(jìn)行裁剪,獲得大小為468×488像素的待處理圖像,如圖2所示;K3、對(duì)圖2進(jìn)行歸一化處理,歸一化結(jié)果如圖3所示;K4、圖像濾波窗口大小取3×3,然后按照設(shè)定步驟對(duì)圖像中所有像素點(diǎn)進(jìn)行濾波處理;K5、按照公式(2)和(3)對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行直方圖均衡化增強(qiáng)處理;K6、增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行二值化處理,如圖4所示,微晶像素點(diǎn)的像素值為1,背景像素點(diǎn)的像素值為0;K7、圖像的形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算,結(jié)構(gòu)元素SE取3×3大小的正方形;K8、對(duì)形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算處理后的圖像進(jìn)行細(xì)化處理;K9、對(duì)碳層微晶連通位置進(jìn)行斷開處理,去掉交叉點(diǎn),如圖5所示;K10、接著對(duì)碳層微晶進(jìn)行直線搜索擬合;K11、炭黑納米結(jié)構(gòu)特性參數(shù)計(jì)算經(jīng)過計(jì)算,炭黑的納米結(jié)構(gòu)特性參數(shù)為微晶平均長(zhǎng)度0.6278nm,微晶平均曲率1.0401,微晶對(duì)平均間距為0.397。圖6(a)為微晶長(zhǎng)度分布圖,圖6(b)為微晶曲率分布圖,圖6(c)為微晶對(duì)間距分布圖。上述實(shí)施例僅用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的一種基于圖像處理技術(shù)的含碳顆粒物納米結(jié)構(gòu)分析的方法,但本發(fā)明并不局限于實(shí)施例,凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾,均落入本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3