[发明专利]一种基于模糊图像处理的动态颗粒测量装置及方法

说明书

 技术领域

本发明涉及一种动态颗粒测量装置及方法，特别涉及一种基于模糊图像处理、采用一个相机镜头获取颗粒粒径大小、三维位置和运动速度信息的装置及方法。

背景技术

近年来随着数字相机和计算机技术的发展，采用数字相机拍摄颗粒或两相流中的颗粒相以获取相关信息的颗粒图像测量仪已得到广泛应用。对于动态颗粒三维位置和速度信息的获取，通常采用两套或多套拍摄系统，从两个或多个视角进行成像。两套或多套拍摄系统之间存在着同步的问题，调整十分困难，数据处理复杂；并且为拍摄出清晰的粒子瞬态图像或干涉图像，通常要求曝光时间极短，需要配置高速摄影仪和高能量脉冲激光光源等，系统成本高昂。而已有的单相机移动或参数调节测距方法需要将相机前后移动或调节相机参数对同一物体拍取不同的两幅照片，无法对动态颗粒进行准确测量。

发明内容

本发明的目的是要发展一种基于模糊图像处理、使用单镜头测量动态颗粒粒径大小、三维位置和运动速度的装置和方法，具有装置简单、操作简便、成本低廉的优点。

本发明的基本原理：在目前常用的图像法运动颗粒测量过程中，一方面，为防止离焦模糊对测量结果造成干扰，常规测量方法都采用很薄的激光片光源对景深范围内区域进行照明，使得被照明的颗粒都能在相机的焦面上清晰成像；但从另一角度来看，图像的离焦现象实际上包含了颗粒与对焦平面间距离的信息，进一步对示踪粒子位于对焦平面前或后进行判定，结合二维图像的平面坐标，则可获得颗粒准确的三维位置信息。另一方面，为了避免因为颗粒运动导致图像模糊，都要求曝光时间极短；但从另一角度来看，如果适当延长曝光时间，在此时间内颗粒的运动会形成模糊的运动轨迹图像，该模糊轨迹图像则包含了颗粒的运动信息，即速度场信息。

基于上述的发明原理，本发明的技术方案是：一种采用单镜头的图像法颗粒测量装置，其特点是，装置由光源、镜头、分光棱镜、第一图像传感器、第二图像传感器和计算机组成，所述光源直接或通过视窗照明待测颗粒，所述分光棱镜置于镜头后，将一束入射光分为两束，所述分光棱镜的入射面A与镜头相对，分光棱镜第一出射面B和第二出射面C的一侧分别按不等光程距离设置第一图像传感器和第二图像传感器。分光棱镜可以是半透半反棱镜、五角分光棱镜或其它形式的分光棱镜，或可以由1个半透半反平面分光镜代替。

所述的镜头为远心镜头或非远心镜头，所述第一图像传感器、第二图像传感器选用CCD或CMOS器件。

所述的光源可以是白光光源或单色光源等照明光源。

一种采用上述基于模糊图像处理的颗粒测量装置的颗粒测量方法，其特点是，测量方法步骤为：

1.      测量前首先对测量装置采用透明标定物进行标定，获得系统的实验工况下像元代表的实际尺寸；

2.      采用光源照明待测流场，调节光源的位置和强度大小，使背景光均匀；

3.      分光棱镜置于镜头后，将所接收到的光源分为两路，并分别采用CCD或CMOS的第一图像传感器和第二图像传感器成像，由于两个图像传感器与分光棱镜的距离不同，拍摄到的颗粒图像的模糊程度不同；

4.      调节相机曝光时间，减少图像传感器成像中颗粒轨迹重合和粘连的情况，并对待测颗粒进行拍摄，将获取的图像输入计算机；

5 . 在计算机上，对所获取的图像进行去噪处理后，通过影像边缘梯度变化判断图像的模糊尺度δ，而模糊尺度δ与离焦量ΔW存在对应关系：

   (1)

式中，R’为离焦颗粒的模糊影像半径，ΔW为实际物面偏离对焦平面的距离，由相机参数获得的W为准确对焦时的物距，δ为离焦颗粒的模糊影像半径R’与

模糊图像径向2个边缘梯度最大幅值计算得到的颗粒半径之差；

模糊图像梯度幅值可从下式计算得到：

    （2）

式中f(x,y)是颗粒图像像素的坐标函数；