專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置及方法，特別涉及一種基于模糊圖像處理、采用一個(gè)相機(jī)鏡頭獲取顆粒粒徑大小、三維位置和運(yùn)動(dòng)速度信息的裝置及方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)隨著數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字相機(jī)拍攝顆粒或兩相流中的顆粒相以獲取相關(guān)信息的顆粒圖像測(cè)量?jī)x已得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于動(dòng)態(tài)顆粒三維位置和速度信息的獲取，通常采用兩套或多套拍攝系統(tǒng)，從兩個(gè)或多個(gè)視角進(jìn)行成像。兩套或多套拍攝系統(tǒng)之間存在著同步的問(wèn)題，調(diào)整十分困難，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；并且為拍攝出清晰的粒子瞬 態(tài)圖像或干涉圖像，通常要求曝光時(shí)間極短，需要配置高速攝影儀和高能量脈沖激光光源等，系統(tǒng)成本高昂。而已有的単相機(jī)移動(dòng)或參數(shù)調(diào)節(jié)測(cè)距方法需要將相機(jī)前后移動(dòng)或調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)對(duì)同一物體拍取不同的兩幅照片，無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)顆粒進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要發(fā)展ー種基于模糊圖像處理、使用單鏡頭測(cè)量動(dòng)態(tài)顆粒粒徑大小、三維位置和運(yùn)動(dòng)速度的裝置和方法，具有裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的基本原理在目前常用的圖像法運(yùn)動(dòng)顆粒測(cè)量過(guò)程中，一方面，為防止離焦模糊對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾，常規(guī)測(cè)量方法都采用很薄的激光片光源對(duì)景深范圍內(nèi)區(qū)域進(jìn)行照明，使得被照明的顆粒都能在相機(jī)的焦面上清晰成像；但從另一角度來(lái)看，圖像的離焦現(xiàn)象實(shí)際上包含了顆粒與對(duì)焦平面間距離的信息，進(jìn)ー步對(duì)示蹤粒子位于對(duì)焦平面前或后進(jìn)行判定，結(jié)合ニ維圖像的平面坐標(biāo)，則可獲得顆粒準(zhǔn)確的三維位置信息。另ー方面，為了避免因?yàn)轭w粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圖像模糊，都要求曝光時(shí)間極短；但從另一角度來(lái)看，如果適當(dāng)延長(zhǎng)曝光時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成模糊的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，該模糊軌跡圖像則包含了顆粒的運(yùn)動(dòng)信息，即速度場(chǎng)信息?；谏鲜龅陌l(fā)明原理，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種采用單鏡頭的圖像法顆粒測(cè)量裝置，其特點(diǎn)是，裝置由光源、鏡頭、分光棱鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和計(jì)算機(jī)組成，所述光源直接或通過(guò)視窗照明待測(cè)顆粒，所述分光棱鏡置于鏡頭后，將一束入射光分為兩束，所述分光棱鏡的入射面A與鏡頭相對(duì),分光棱鏡第一出射面B和第二出射面C的一側(cè)分別按不等光程距離設(shè)置第一圖像傳感器和第二圖像傳感器。分光棱鏡可以是半透半反棱鏡、五角分光棱鏡或其它形式的分光棱鏡，或可以由I個(gè)半透半反平面分光鏡代替。所述的鏡頭為遠(yuǎn)心鏡頭或非遠(yuǎn)心鏡頭，所述第一圖像傳感器、第二圖像傳感器選用CCD或CMOS器件。所述的光源可以是白光光源或単色光源等照明光源。一種采用上述基于模糊圖像處理的顆粒測(cè)量裝置的顆粒測(cè)量方法，其特點(diǎn)是，測(cè)量方法步驟為
I.測(cè)量前首先對(duì)測(cè)量裝置采用透明標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定，獲得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)エ況下像元代表的實(shí)際尺寸；
2.采用光源照明待測(cè)流場(chǎng)，調(diào)節(jié)光源的位置和強(qiáng)度大小，使背景光均勻；
3.分光棱鏡置于鏡頭后，將所接收到的光源分為兩路，井分別采用CCD或CMOS的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器成像，由于兩個(gè)圖像傳感器與分光棱鏡的距離不同，拍攝到的顆粒圖像的模糊程度不同；
4.調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間，減少圖像傳感器成像中顆粒軌跡重合和粘連的情況，并對(duì)待測(cè)顆粒進(jìn)行拍攝，將獲取的圖像輸入計(jì)算機(jī)；
5.在計(jì)算機(jī)上，對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行去噪處理后，通過(guò)影像邊緣梯度變化判斷圖像的模糊尺度5，而模糊尺度δ與離焦量Z Zf存在對(duì)應(yīng)關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置，其特征在于，裝置由光源(I)、鏡頭(2)、分光棱鏡(3)、第一圖像傳感器(4)、第二圖像傳感器(5)和計(jì)算機(jī)(6)組成，所述的光源(I)直接或通過(guò)視窗照明待測(cè)顆粒，所述分光棱鏡(3)置于鏡頭(2)后，所述分光棱鏡(3)的入射面A與鏡頭(2)相對(duì)，所述分光棱鏡(3)的第一出射面B和第二出射面C的一側(cè)分別不等光程距離設(shè)置第一圖像傳感器(4)和第二圖像傳感器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置，其特征在干，所述的鏡頭(2)為遠(yuǎn)心鏡頭或非遠(yuǎn)心鏡頭，所述第一圖像傳感器(4)、第二圖像傳感器(5)選用CCD或CMOS器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置，其特征在干，所述的分光棱鏡(3)可由分光鏡(8)代替。
4.ー種采用權(quán)利要求1、2、3所述的基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置的顆粒測(cè)量方法，其特征在于，測(cè)量方法步驟為 1)測(cè)量前首先對(duì)測(cè)量裝置采用透明標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定，獲得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)エ況下像元代表的實(shí)際尺寸； 2)采用光源照明待測(cè)流場(chǎng)，調(diào)節(jié)光源的位置和強(qiáng)度大小使背景光均勻； 3)分光棱鏡置于鏡頭后，將所接收到的光源分為兩路，井分別采用CCD或CMOS的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器成像，由于兩個(gè)圖像傳感器與分光棱鏡的距離不同，拍攝到的顆粒圖像的模糊程度不同； 4)調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間，減少圖像傳感器成像中顆粒軌跡重合和粘連的情況，并對(duì)待測(cè)顆粒進(jìn)行拍攝，將獲取的圖像輸入計(jì)算機(jī)； 5)在計(jì)算機(jī)(6)上，對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行去噪處理后，通過(guò)影像邊緣梯度變化判斷圖像的模糊尺度5，而模糊尺度δ與離焦量J/f存在對(duì)應(yīng)關(guān)系
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于模糊圖像處理的動(dòng)態(tài)顆粒測(cè)量裝置及方法，特點(diǎn)是，采用光源直接或通過(guò)視窗照明待測(cè)顆粒，通過(guò)分光棱鏡將相機(jī)鏡頭進(jìn)來(lái)的光線分為兩路，并采用與分光棱鏡相應(yīng)2個(gè)出射面的光程距離不等的兩個(gè)CCD或CMOS圖像傳感器分別成像，根據(jù)光程距離大小和所獲顆粒圖像模糊尺度大小的不同判斷顆粒是位于對(duì)焦平面前還是對(duì)焦平面后，根據(jù)單幅圖片中顆粒離焦量的大小計(jì)算顆粒位置與對(duì)焦平面的距離，從而確定顆粒的三維位置；結(jié)合顆粒運(yùn)動(dòng)模糊參數(shù)進(jìn)一步獲得顆粒的三維運(yùn)動(dòng)速度信息，采用遠(yuǎn)心鏡頭可準(zhǔn)確測(cè)定顆粒的粒徑大??；本發(fā)明的有益效果是僅用一個(gè)相機(jī)鏡頭就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顆粒的三維測(cè)量，簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理過(guò)程、降低了系統(tǒng)成本。
文檔編號(hào)G01P3/68GK102692364SQ201210208460
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者周騖, 蔡小舒 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)