專利名稱：微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的可視化系統(tǒng)及方法，具體是一種微 細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
微細(xì)通道內(nèi)的相變換熱在航天，電子芯片冷卻，化工，醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用，人們對(duì)其的水力特性和換熱特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。為了揭示兩相 流的機(jī)理，人們采用可視化系統(tǒng)從微觀層面上，從兩相流流型角度進(jìn)行研究。從 而使其獲得更廣泛的應(yīng)用和更大的價(jià)值?，F(xiàn)有的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的可視化系統(tǒng) 布光方式主要有兩種背光和同軸光。兩者適用于不同型式的微細(xì)通道，前者適 用于單根微細(xì)玻璃管，玻璃管實(shí)驗(yàn)段放置于光源和相機(jī)之間；后者主要適用于在 硅片，金屬等基材上蝕刻的微細(xì)通道組，光源與相機(jī)置于實(shí)驗(yàn)段的同一側(cè)，通過微 細(xì)通道組上表面的一層玻璃片對(duì)通道內(nèi)的兩相流進(jìn)行可視化。然而這兩種方法都 只能得到流道內(nèi)一個(gè)平面的信息，而空間上許多信息都缺失了，這在一定程度上 限制了人們對(duì)兩相流的研究。人們嘗試采用三維重建技術(shù)來最終實(shí)現(xiàn)微通道兩相 流的三維可視化。三維重建技術(shù)是通過獲取多個(gè)平面信息，采用一定的算法來重 構(gòu)出三維圖像。在醫(yī)療影像技術(shù)如CT， MRI， PET等有著廣泛的應(yīng)用。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利號(hào)200810026899.9，名稱為 三維可視化的方法、裝置。該發(fā)明提出一種三維可視化方法，對(duì)計(jì)算機(jī)X射線斷 層掃描圖像進(jìn)行預(yù)處理，突出感興趣的區(qū)域的人體組織圖像，進(jìn)行三維重建，獲 取三維圖像，這種三維重建技術(shù)實(shí)際上是一種靜態(tài)三維可視化技術(shù)，因?yàn)橐谕?一時(shí)刻獲取足夠多的不同平面的信息存在著很大的技術(shù)難題，限制其在動(dòng)態(tài)兩相 流研究中的應(yīng)用。
文獻(xiàn)檢索還發(fā)現(xiàn)，Reinecke N.等在《Chem. Eng. Technol.》(化學(xué)工程技 術(shù))1998年第21期p. 7-18上發(fā)表的"Tomographic Measurement Techniques — Visualization of Multiphase Flows"(層析測(cè)量技術(shù)—多相流的可l見4t)，該文提出釆用x射線層析成像等技術(shù)用于多相流的可視化研究，但是由于該方法在空間 和時(shí)間上分辨率不夠，只能用于定常流動(dòng)的研究。
文獻(xiàn)檢索還發(fā)現(xiàn)，0kawa T.等在《Nuclear Engineering and Design》(核工 程與設(shè)計(jì))2005年第235期p. 1149-1161發(fā)表"Bubble rise characteristics after the departure from a nucleation site in vertical upflow boiling of subcooled water",該文提出采用同步運(yùn)行的兩臺(tái)高速相機(jī)來研究?jī)?nèi)徑為20mm的豎直上升圓 管內(nèi)的氣泡動(dòng)力學(xué)特征，他們同時(shí)得到了兩相流正面和側(cè)面的信息，可是文中并 未提到兩相流的三維重建，且此種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三 維可視化系統(tǒng)，從正面和側(cè)面兩個(gè)視角同時(shí)獲取兩個(gè)面的信息，并利用所獲取的 信息實(shí)現(xiàn)三維重建，且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的一種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)包括 一個(gè)相機(jī)， 一個(gè)光源， 一只微細(xì)通道透明玻璃管，相機(jī)、光源和微細(xì)通道透明玻璃管處在一 條直線上，且微細(xì)通道透明玻璃管位于相機(jī)和光源之間，增加了一個(gè)等腰直角棱 鏡和一個(gè)平面鏡，等腰直角棱鏡的直角邊緊靠微細(xì)通道透明玻璃管的側(cè)面，另一 側(cè)面放置平面鏡，與等腰直角棱鏡成45度夾角，等腰直角棱鏡與微細(xì)通道透明玻 璃管相對(duì)位置的設(shè)置使物點(diǎn)和像點(diǎn)在同一水平線上。 所述微細(xì)通道玻璃管的橫截面是圓形或矩形。 所述微細(xì)通道玻璃管的水力直徑在100微米到2毫米之間。 所述微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)的可視化對(duì)象為氣液兩相流。 本發(fā)明所涉及的一種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法包括以下步驟 第一步，圖像分割和二值化清空內(nèi)存，讀入圖像；修正圖像的角度偏轉(zhuǎn)； 去除圖像中的多余部分；二值化和圖像濾波；邊界提?。粚?duì)斷裂邊緣進(jìn)行膨脹操 作；填充氣泡內(nèi)部空隙；移除與邊界連通的目標(biāo)；平滑圖形邊緣；儲(chǔ)存處理過的 圖像；
第二步，切片圖形繪制清空內(nèi)存，讀入分割后的圖像；縱向逐層掃描；逐 層繪制切片圖像；逐層讀入切片圖像；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；
第三步，圖形疊加清空內(nèi)存，讀入數(shù)據(jù)文件；對(duì)表示氣泡的多維矩陣D進(jìn)行預(yù)處理；繪制片體；調(diào)整視角和燈光。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中調(diào)整好玻璃管與棱鏡的位置，打開光源，調(diào)節(jié)好相機(jī)的焦 距，就能在相機(jī)的焦平面上同時(shí)得到玻璃管的正面像和側(cè)面像。利用正面像和側(cè) 面像，運(yùn)用Matlab實(shí)現(xiàn)兩相流的三維重建。
具體步驟如下
1、圖像分割與二值化
圖像分割與二值化的具體步驟如下
(1) 清空內(nèi)存，讀入圖像。
(2) 修正圖像的角度偏轉(zhuǎn) 一般采集到的原始圖片可能會(huì)有些傾斜，盡管角度很小，但是對(duì)三維重建工
作會(huì)有較大的影響，所以在進(jìn)行圖像分割之前，有必要對(duì)其進(jìn)行修正。
(3) 去除圖像中的多余部分
圖像中有些區(qū)域如管壁，液體以及兩個(gè)視圖中間空白的部分是多余的，去除 以提高處理速度。
(4) 二值化和圖像濾波 正面像和側(cè)面像在圖像色澤的深度上比較大的偏差，所以總體上分成兩個(gè)部
分，左半圖和右半圖，左半視圖表示側(cè)面像，右半視圖表示正面像，分別用不同 的閥值進(jìn)行二值化分割。
圖像背景中有很多噪音，包括管壁上的氣泡，劃痕等等，都會(huì)對(duì)圖像處理產(chǎn) 生較大的影響，利用閥值法進(jìn)行濾波，同時(shí)也綜合利用Wiener濾波和中值濾波以 獲得更好的圖像。Matlab圖像處理工具箱中的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像噪聲的自適應(yīng) 濾除。
(5) 邊界提取
經(jīng)過前面幾步的操作，這時(shí)，目標(biāo)圖像與背景有較大的區(qū)別，可以利用灰度 的梯度信息實(shí)現(xiàn)圖像的分割。
(6) 對(duì)斷裂邊緣進(jìn)行膨脹操作 雖然edge函數(shù)提取了圖像的大概輪廓，但是邊緣線會(huì)存在斷裂的情況，為了
完整而精確地繪制出氣泡的輪廓，可以對(duì)邊緣進(jìn)行膨脹操作。
(7) 填充氣泡內(nèi)部空隙 膨脹后的圖像精確顯示了氣泡的外圍輪廓，但是在氣泡內(nèi)部還有一些空隙，對(duì)這些內(nèi)部空隙進(jìn)行填充。
(8) 移除與邊界連通的目標(biāo)
至此，對(duì)圖像中的區(qū)域己經(jīng)進(jìn)行成功的分割，但是氣泡邊界會(huì)有一些不規(guī)則， 需要對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理。
(9) 平滑圖形邊緣
對(duì)于分割的結(jié)果，邊緣不是很光滑，需對(duì)圖形進(jìn)行平滑處理。
(10) 儲(chǔ)存處理過的圖像
將經(jīng)過第一部分的處理，圖像的分離工作已經(jīng)完成，將處理過的圖像儲(chǔ)存起 來以便后續(xù)處理。
2、切片圖形繪制 切片圖形繪制的具體步驟如下
(1) 清空內(nèi)存，讀入二值化的圖像
(2) 縱向逐層掃描
a，掃描開始，變量清零。變量a表示正視圖中的氣泡的寬度；變量b表示側(cè)視 圖中的氣泡的寬度。此時(shí)這些變量清空，而且這些變量嵌套在循環(huán)中，保證以后 逐層掃描時(shí)初始都是0。
b, 左半圖像處理。a為氣泡在這個(gè)視圖中的寬度，當(dāng)圖像矩陣中數(shù)值為l時(shí)， 即為白色的時(shí)候，寬度變量a增加l，從左到右將左半視圖按像素依次掃描完。
c, 右半圖像處理。b為氣泡在這個(gè)視圖中的寬度，當(dāng)圖像矩陣中數(shù)值為l時(shí)， 即為白色的時(shí)候，寬度變量b增加l，從左到右將右半視圖按像素依次掃描完。
(3) 逐層繪制切片圖像
(jc = X + " cos 0 ° ,.。中的0，將t從o變化到 y =+ 6 sin 6*
2tt，每次變化;r/20，這樣便掃過了整個(gè)橢圓，為了保證每一張切片圖像的大小 一致，坐標(biāo)軸需要進(jìn)行控制，包括坐標(biāo)范圍，坐標(biāo)軸可見與否等，同時(shí)因?yàn)閒ill 函數(shù)返回的圖像不是矩陣而是句柄，所以將每一片切片儲(chǔ)存起來以便后續(xù)處理。
(4) 逐層讀入切片圖像
將剛剛畫完的圖像讀入圖像矩陣，考慮到圖像過大于是按比例對(duì)圖像實(shí)施縮 小并更改編碼形式從位圖文件變?yōu)樗饕募⒁源俗x入總數(shù)據(jù)矩陣D中，這時(shí)要 考慮到一個(gè)圖像順序的問題，為了使重建的圖像和原圖像順序一致，所以將多維矩陣D反向?qū)懭搿?br> (5)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存
這一步主要是為了避免系統(tǒng)在較大的數(shù)據(jù)量下出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況，在一些 情況下，由于其他的變量的占用，如果直接連接上圖形疊加部分，系統(tǒng)容易變得 脆弱產(chǎn)生崩潰，于是將多維矩陣D獨(dú)立存放，而且矩陣D是圖像疊加中唯一需要的 數(shù)據(jù)。鑒于此種情況，其他的變量都可以被刪除，從而可以騰出較大的內(nèi)存空間 用來運(yùn)行后續(xù)的程序。
3、圖形疊加
(1) 清空內(nèi)存，讀入數(shù)據(jù)文件
將內(nèi)存中不必要的變量，常量等全部清除，留出足夠的空間給系統(tǒng)進(jìn)行最后 的運(yùn)算。
(2) 對(duì)表示氣泡的多維矩陣D進(jìn)行預(yù)處理 為了獲得比較光滑的氣泡外緣，需要對(duì)表示氣泡的多維矩陣D進(jìn)行預(yù)處理。
(3) 繪制片體
利用Matlab自身帶有的函數(shù)便可以輕松的繪制三維圖像，免去了煩瑣的算法 處理同時(shí)節(jié)省內(nèi)存空間和運(yùn)算時(shí)間，片體繪制函數(shù)中的顏色可以自定。
(4) 調(diào)整視角和燈光 利用caralight函數(shù)調(diào)整燈光和視角，使圖像產(chǎn)生陰影顯得更加真實(shí)。 至此完成了三維重建過程。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果這種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維 可視化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要增加一個(gè)棱鏡和一個(gè)反射平面鏡，就能同時(shí)取兩 相流正面和側(cè)面的信息；并利用上述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)得到 的正面像和側(cè)面像，應(yīng)用Matlab實(shí)現(xiàn)兩相流的三維重建。


圖1為微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)立體圖； 圖2為圖1所示可視化系統(tǒng)的光路圖3為圖2所示三維可視化系統(tǒng)中棱鏡與微細(xì)通道玻璃管的相對(duì)位置； 圖4為實(shí)例中可視化系統(tǒng)采集到的典型的氣液兩相流圖像； 圖5為圖4圖像的二值化處理結(jié)果； 圖6為從圖5中獲取的典型切片。圖7為從圖5中獲取的所有切片疊加而成的三維重建圖片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括 一個(gè)相機(jī)l， 一個(gè)光源2， 一只微細(xì)通道透明玻 璃管3，相機(jī)l、光源2和微細(xì)通道透明玻璃管3處在一條直線上，且微細(xì)通道透
明玻璃管3位于相機(jī)1和光源2之間，增加了一個(gè)等腰直角棱鏡4和一個(gè)平面鏡5， 等腰直角棱鏡4的直角邊緊靠微細(xì)通道透明玻璃管3的側(cè)面，另一側(cè)面放置平面 鏡5,與等腰直角棱鏡4成45度夾角，等腰直角棱鏡4與微細(xì)通道微細(xì)通道透明 玻璃管3相對(duì)位置的設(shè)置使物點(diǎn)和像點(diǎn)在同一水平線上。 所述微細(xì)通道透明玻璃管3的橫截面是圓形或矩形。 所述微細(xì)通道透明玻璃管3的水力直徑在100微米到2毫米之間。 所述微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)的可視化對(duì)象為氣液兩相流。 本實(shí)施例的三維可視化系統(tǒng)的光路圖如圖2所示，從0點(diǎn)發(fā)出的兩條光線OB， OC進(jìn)入棱鏡，發(fā)生折射，并經(jīng)過棱鏡的斜邊發(fā)射，從棱鏡的另一條直角邊上的F，
G點(diǎn)離開棱鏡。O,和O點(diǎn)是能同時(shí)被相機(jī)記錄的像點(diǎn)和物點(diǎn)。
對(duì)于光線OC，入射角和折射角分別為/和。遵守折射定律
sin/ —
sin/， (1)
其中w為折射角。
點(diǎn)B和C的距離為/z，滿足如下的關(guān)系
tan/ = A/^，tan/'=/z/i/ (^)
點(diǎn)O和O'到棱鏡直角邊的距離為￡和丄'
丄,—tan /丄_丄waA — w sin2 / (3) tan cos /
對(duì)于近軸光線(/*0),有(^/ 1， sin2/*0，所以方程(3)簡(jiǎn)化為入射光線通過棱鏡斜邊的反射，遵守反射定律<formula>formula see original document page 10</formula>其中y是點(diǎn)A到B的距離，得到:<formula>formula see original document page 10</formula>點(diǎn)G和O,的距離為:
<formula>formula see original document page 10</formula>。表示棱鏡的直角邊長(zhǎng)，點(diǎn)G與像點(diǎn)O,的距離:
<formula>formula see original document page 10</formula>
只有當(dāng)物點(diǎn)O和像點(diǎn)Oi處于同一水平線上時(shí)，相機(jī)才能同時(shí)獲得兩點(diǎn)的清晰
像，即滿足如下關(guān)系
<formula>formula see original document page 10</formula>圖3所示是三維可視化系統(tǒng)中棱鏡與微細(xì)通道的相對(duì)位置，左邊的直角三角 形是棱鏡的俯視圖，右邊的圓周是微細(xì)通道的俯視圖，當(dāng)微細(xì)通道玻璃管置于不 同的位置時(shí)，棱鏡中對(duì)應(yīng)的測(cè)面像也會(huì)不同，只有滿足方程(12)的約束關(guān)系時(shí)， 兩者才能同時(shí)清晰的成像，此時(shí)微細(xì)通道的軸線置于0'6T上，正面像對(duì)應(yīng)的側(cè)面
像位于棱鏡的斜邊上q'o廣。
本實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)段為一段長(zhǎng)100 mm，內(nèi)徑1.33 mm，外徑3.00 mm的石英 玻璃圓管； 一面等腰直角棱鏡的直角邊長(zhǎng)12. 0 mm，高80 mm; —面平面鏡長(zhǎng)100 mm， 寬為30 mm;相機(jī)選取高速相機(jī)(REDLAKE MotionPro X3)，光源為高亮度LED頻閃燈。氣液兩相流的工質(zhì)為液氮.按照?qǐng)D1的系統(tǒng)配置。棱鏡與玻璃管符合圖3所 述的關(guān)系。打開光源，調(diào)整焦距，獲得圖4的實(shí)驗(yàn)圖像，圖4中左側(cè)的像為棱鏡 中的側(cè)面像，右圖為實(shí)驗(yàn)段正面像。
具體的三維重建過程主要分為三步，在Matlab編程環(huán)境下完成
第一步，圖像分割和二值化，主要包括以下幾個(gè)過程
(1) 清空內(nèi)存，讀入圖像
(2) 修正圖像的角度偏轉(zhuǎn)
原始圖片有些許角度的偏轉(zhuǎn)，盡管角度很小，但是對(duì)隨后的三維重建工作會(huì) 有較大的影響，所以在進(jìn)行圖像分割之前，有必要對(duì)其進(jìn)行修正。我們使用Radon 變換檢測(cè)直線，得到以角度theta和x'為X和Y軸的Radon變換系數(shù)圖，顏色值 越亮的表示系數(shù)越大。檢測(cè)Radon變換矩陣中的峰值，得到R的最大值出現(xiàn)在 0 = 0.48。根據(jù)這條直線偏轉(zhuǎn)的角度，回到主程序，用imrotate函數(shù)將圖像整體 旋轉(zhuǎn)。
(3) 去除圖像中的多余部分
圖像中有些區(qū)域如管壁，液體以及兩個(gè)視圖中間空白的部分是多余的，去除 以提高處理速度:將圖片中的管壁和空白部分去除，全部填充成白色；將圖片中的 頂部和底部的干擾去除，比如管壁上的雜質(zhì)等等，同樣全部填充成白色；經(jīng)過兩 步的剪切，整幅圖中只包含對(duì)三維重建有用的部分，如圖4所示。
(4) 二值化和圖像濾波
從圖像上可以發(fā)現(xiàn)，背景中有很多噪音，包括管壁上的污漬，劃痕等等，都 會(huì)對(duì)圖像處理產(chǎn)生較大的影響，所以利用閥值法進(jìn)行濾波，同時(shí)也綜合利用Wiener 濾波和中值濾波以獲得更好的圖像。Matlab圖像處理工具箱中的wiener2函數(shù)可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像噪聲的自適應(yīng)濾除。
總體上分成兩個(gè)部分，左半圖和右半圖，分別用不同的閥值進(jìn)行二值化分割。 同時(shí)在左半圖中，兩個(gè)氣泡連接的部分的透光率比較高，造成的結(jié)果就是在這個(gè) 位置上色澤比較淺，和氣泡外部的流體顏色比較接近，在隨后的閥值提取上會(huì)有 比較大的麻煩，所以在這個(gè)部分需要特別處理，閥值取得比其他位置要小一些。
以下代碼為對(duì)原始圖像的右半邊進(jìn)行濾波
a、 右側(cè)上半部分
b、 右側(cè)中間包含氣泡連接的部分C、右側(cè)下半部分 d、左側(cè)部分
在二值法分割后對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波。中值濾波是一種典型的低通濾波器， 主要目的是保護(hù)圖像邊緣，同時(shí)也能去除噪聲。中值濾波是將領(lǐng)域內(nèi)的像素按灰 度級(jí)排序，取其中間值為輸出像素，在能較好的保持邊界的同時(shí)可能會(huì)失去圖像 中的細(xì)線和小塊目標(biāo)區(qū)域
(5) 邊界提取
經(jīng)過前面幾步的操作，這時(shí)，目標(biāo)圖像與背景有較大的區(qū)別，可以利用灰度
的梯度信息實(shí)現(xiàn)圖像的分割。為此采用log算子來實(shí)現(xiàn)邊緣的提取。
(6) 對(duì)斷裂邊緣進(jìn)行膨脹操作
邊緣檢測(cè)的效果可以從圖，中看到，雖然edge函數(shù)提取了圖像的大概輪廓， 但是邊緣線存在著斷裂的情況，可以通過strel函數(shù)利用線性結(jié)果函數(shù)對(duì)邊緣進(jìn) 行膨脹操作
用imdilate函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步操作
(7) 填充氣泡內(nèi)部空隙 膨脹后的圖像精確顯示了氣泡的外圍輪廓，但是在氣泡內(nèi)部還有一些空隙。
用imfill函數(shù)對(duì)這些孔進(jìn)行填充。
(8) 移除與邊界連通的目標(biāo)
至此，對(duì)圖像中的區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行成功的分割，但是氣泡邊界會(huì)有一些不規(guī)則， 需要對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過imclearborder來清除與邊界連通的物體
(9) 平滑圖形邊緣
對(duì)于分割的結(jié)果，邊緣不是很光滑，需要采用imerode函數(shù)用盤形結(jié)構(gòu)元素 對(duì)圖形進(jìn)行平滑處理。
(10) 儲(chǔ)存
將經(jīng)過第一部分的處理，圖像的區(qū)域分割和二值化處理已經(jīng)完成，將處理過 的圖像儲(chǔ)存起來以便后續(xù)處理。
第一部分的最終圖片如圖5所示。 2、切片圖形繪制
表面張力是影響氣泡形狀的主要因素，在表面張力的作用下，氣液界面的表面積傾向于最小，氣泡呈橢圓形或圓形。根據(jù)橢圓的參數(shù)方程^ = &+ 。3:，有
關(guān)橢圓形長(zhǎng)軸a，短軸b和中心(jc。，少。)的信息都可以從圖像中獲得。側(cè)面像中氣
泡的寬度可以作為橢圓一個(gè)軸而正面像氣泡的寬度同樣可以作為橢圓的另一個(gè) 軸，這樣，確定橢圓形狀的長(zhǎng)短軸就已經(jīng)確定了。根據(jù)簡(jiǎn)單的空間幾何關(guān)系，可 以確定橢圓中心位置。切片圖形繪制的具體步驟如下
(1) 清空內(nèi)存，讀入分割后的圖像
(2) 縱向逐層掃描 掃描開始，變量清零。
變量a表示正視圖中的氣泡的寬度；變量b表示側(cè)視圖中的氣泡的寬度。Front 為橢圓中心在正視圖中的位置；left為橢圓中心在側(cè)視圖中的位置，此時(shí)這些變 量清空，而且這些變量嵌套在循環(huán)中，保證以后逐層掃描時(shí)初始都是O。
左半圖像處理
左半視圖表示側(cè)面像，a為氣泡在這個(gè)視圖中的寬度，當(dāng)圖像矩陣中數(shù)值為l 時(shí)，即為白色的時(shí)候，寬度變量a增加l，從左到右將左半視圖依次掃描完。 右半圖像處理
右半視圖表示正面像，b為氣泡在這個(gè)視圖中的寬度，當(dāng)圖像矩陣中數(shù)值為l 時(shí)，即為白色的時(shí)候，寬度變量b增加l，從左到右將右半視圖依次掃描完。
(3) 逐層繪制切片圖像
變量t代表橢圓參數(shù)方程中的角度即^-^+:e°sS中的P，將t從0變化到
2冗，每次變化;r/20，這樣便掃過了整個(gè)橢圓，為了保證每一張切片圖像的大小 一致，坐標(biāo)軸需要進(jìn)行控制，包括坐標(biāo)范圍，坐標(biāo)軸可見與否等，同時(shí)因?yàn)閒ill 函數(shù)返回的圖像不是矩陣而是句柄，所以利用saveas函數(shù)將每一片切片儲(chǔ)存起來 以便后續(xù)處理。
(4) 逐層讀入切片圖像
將剛剛用fill函數(shù)畫完的圖像讀入圖像矩陣CTcut，考慮到圖像過大于是按 比例對(duì)圖像實(shí)施縮小并更改編碼形式從位圖文件bmp變?yōu)樗饕募ng，并以此讀 入總數(shù)據(jù)矩陣D中，這時(shí)要考慮到一個(gè)圖像順序的問題，為了使重建的圖像和原圖像順序一致，所以將多維矩陣D方向?qū)懭搿?(5)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存
這一步主要是為了避免系統(tǒng)在較大的數(shù)據(jù)量下出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況，由于前 面從圖像的內(nèi)在信息中了解到圖像在縱向有716像素，為了保證圖像的真實(shí)性采 取的是逐層掃描，這樣多維矩陣D就成為了150x200x716的大型數(shù)據(jù)矩陣，在一 些情況下，由于其他的變量的占用，如果直接連接上圖形疊加部分，系統(tǒng)容易變 得脆弱產(chǎn)生崩潰，于是將多位矩陣D獨(dú)立存放，而且矩陣D是圖像疊加中唯一需 要的數(shù)據(jù)。鑒于此種情況，其他的變量都可以被刪除，從而可以騰出較大的內(nèi)存 空間用來運(yùn)行后續(xù)的程序。
切片的空間形式如圖6所示。
3.圖形疊加
(1) 清空內(nèi)存，讀入數(shù)據(jù)文件
將內(nèi)存中不必要的變量，常量等全部清除，留出足夠的空間給系統(tǒng)進(jìn)行最后 的運(yùn)算。
(2) 對(duì)表示氣泡的多維矩陣D進(jìn)行預(yù)處理 為了獲得比較光滑的氣泡外緣，需要對(duì)表示氣泡的多維矩陣D進(jìn)行預(yù)處理，
即光滑
(3) 繪制片體
利用Matlab自身帶有的函數(shù)patch便可以輕松的繪制三維圖像，免去了煩瑣 的算法處理同時(shí)節(jié)省內(nèi)存空間和運(yùn)算時(shí)間，片體繪制函數(shù)patch中的顏色可以自 定，本次處理中使用黃色。
(4) 調(diào)整視角和燈光
利用camlight函數(shù)調(diào)整燈光和視角，使圖像產(chǎn)生陰影這樣顯得更加真實(shí) 最終的三維重建圖像結(jié)果如圖7所示。
權(quán)利要求
1、一種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)，包括一個(gè)相機(jī)，一個(gè)光源，一只微細(xì)通道透明玻璃管，相機(jī)、光源和微細(xì)通道透明玻璃管處在一條直線上，且微細(xì)通道透明玻璃管位于相機(jī)和光源之間，其特征在于設(shè)置了一個(gè)等腰直角棱鏡和一個(gè)平面鏡，等腰直角棱鏡的直角邊緊靠微細(xì)通道透明玻璃管的側(cè)面，另一側(cè)面放置平面鏡，與等腰直角棱鏡成45度夾角，等腰直角棱鏡與微細(xì)通道透明玻璃管相對(duì)位置的設(shè)置使物點(diǎn)和像點(diǎn)在同一水平線上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)，其特征是， 微細(xì)通道透明玻璃管的橫截面是圓形或矩形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)，其特征是， 微細(xì)通道透明玻璃管的水力直徑在100微米到2毫米之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)，其特征是， 系統(tǒng)的可視化對(duì)象為氣液兩相流。
5、 一種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，圖像分割和二值化清空內(nèi)存，讀入圖像；修正圖像的角度偏轉(zhuǎn)；去除圖像中的多余部分；二值 化和圖像濾波；邊界提?。粚?duì)斷裂邊緣進(jìn)行膨脹操作；填充氣泡內(nèi)部空隙；移除 與邊界連通的目標(biāo)；平滑圖形邊緣；儲(chǔ)存處理過的圖像；第二步，切片圖形繪制清空內(nèi)存，讀入分割后的圖像；縱向逐層掃描；利用橢圓參數(shù)方程逐層繪制 切片圖像；逐層讀入切片圖像；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存； 第三步，圖形疊加-清空內(nèi)存，讀入數(shù)據(jù)文件；對(duì)表示氣泡的多維矩陣D進(jìn)行預(yù)處理；繪制片體; 調(diào)整視角和燈光。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法，其特征是， 第一步中所述的修正圖像的角度偏轉(zhuǎn)，是指采集到的原始圖片有角度傾斜，在 進(jìn)行圖像分割之前，要對(duì)其進(jìn)行修正。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法，其特征是，第一步中所述的二值化和圖像濾波，是指左半視圖表示側(cè)面像，右半視圖表示正面像，分別以閥值進(jìn)行二值化分割，利用閥值法進(jìn)行濾波，綜合利用Wiener 濾波和中值濾波以獲得圖像。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法，其特征是， 第二步中所述的縱向逐層掃描，包括a, 掃描開始，變量清零；b, 左半圖像處理，當(dāng)圖像矩陣中數(shù)值為l時(shí)，即為白色的時(shí)候，寬度變量增 加l，從左到右將左半視圖按像素依次掃描完；c, 右半圖像處理，當(dāng)圖像矩陣中數(shù)值為l時(shí)，即為白色的時(shí)候，寬度變量增 加l，從左到右將右半視圖按像素依次掃描完。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法，其特征是， 第二步中所述的逐層繪制切片圖像，是指變量t代表橢圓參數(shù)方程中的角度， 即px: = x。十a(chǎn)cos^ 1>" =+ 6 sin 6其中^，將t從0變化到2;r，每次變化;r/20,這樣便掃過了整個(gè)橢圓，保 證每一張切片圖像的大小一致。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化方法，其特征是， 第二步中所述的逐層讀入切片圖像，是指將剛剛畫完的圖像讀入圖像矩陣，按 比例對(duì)圖像實(shí)施縮小，并更改編碼形式從位圖文件變?yōu)樗饕募?，并以此讀入總 數(shù)據(jù)矩陣D中，將多維矩陣D反向?qū)懭?，使重建的圖像和原圖像順序一致。
全文摘要
一種微細(xì)通道內(nèi)兩相流的三維可視化系統(tǒng)，包括一個(gè)相機(jī)，一個(gè)光源，一只微細(xì)通道透明玻璃管，相機(jī)、光源和微細(xì)通道透明玻璃管處在一條直線上，且微細(xì)通道透明玻璃管位于相機(jī)和光源之間，增加了一個(gè)等腰直角棱鏡和一個(gè)平面鏡，等腰直角棱鏡的直角邊緊靠微細(xì)通道透明玻璃管的側(cè)面，另一側(cè)面放置平面鏡，與等腰直角棱鏡成45度夾角，等腰直角棱鏡與微細(xì)通道透明玻璃管相對(duì)位置的設(shè)置使物點(diǎn)和像點(diǎn)在同一水平線上。相機(jī)能同時(shí)記錄清晰正面像和棱鏡中的側(cè)面像。通過正面像和側(cè)面像實(shí)現(xiàn)兩相流的三維重建，獲取三維圖像。
文檔編號(hào)G06T15/00GK101556687SQ20091004988
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者鑫 付, 鵬 張, 王如竹, 黃超進(jìn) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)