專利名稱：基于Canny算子的泡沫邊界識(shí)別和粒度分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別領(lǐng)域，具體涉及一種邊界和背景對(duì)比度小的泡沫邊界識(shí)別及其粒度分析方法，適用于分析滅火泡沫、浮選泡沫和鉆井泡沫等對(duì)象。
背景技術(shù)：
泡沫始終處于一種流動(dòng)、變化的過程，泡沫的結(jié)構(gòu)影響著泡沫的穩(wěn)定性，因此泡沫的表征對(duì)于泡沫性能的發(fā)揮十分重要。近年來，有研究人員基于液體導(dǎo)電、氣體不導(dǎo)電的原理研究泡沫的結(jié)構(gòu)，但是這種電導(dǎo)率的方法只能獲得液相泡沫的總體信息，而不能精確觀察微觀泡沫的結(jié)構(gòu)；也有研究人員利用數(shù)字相機(jī)記錄泡沫的微觀結(jié)構(gòu)，并研究泡沫滲流的傳播規(guī)律，但是研究的對(duì)象僅為一維的泡沫；也有研究人員采用數(shù)學(xué)模擬的方法研究二維泡沫的結(jié)構(gòu)，但該方法和直接觀察泡沫的實(shí)際狀況區(qū)別很大，同時(shí)也未能深入研究泡沫的柏拉圖通道變化；也有研究人員使用圖像分析泡沫的結(jié)構(gòu)輪廓并得到泡沫的平均粒徑，但 是研究的對(duì)象僅僅為分散的、圓形泡沫，沒有對(duì)緊貼在一起的、非圓形的泡沫進(jìn)行分析。引入新技術(shù)研究滅火泡沫的微觀結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究的一種趨勢(shì)。Canny算子是一種最優(yōu)邊界識(shí)別算子，在邊界的識(shí)別檢測(cè)中具有低誤判率、高定位精度、抑制虛假邊界等特點(diǎn)，廣泛用于如人臉識(shí)別、大米邊界識(shí)別、焊縫識(shí)別等。但是使用該算子得到的檢測(cè)點(diǎn)信息較少，難以精確提取圖像輪廓。雖然有Canny算子和其他算子(如Sobel算子、Laplace算子)結(jié)合使用的報(bào)道，但是在Canny算子中引入“母線”和“擬合圓”等概念、多次應(yīng)用“腐蝕、掃描、分割、填充”的研究鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在上述不足，提供一種基于Canny算子的泡沫邊界識(shí)別和粒度分析方法。本發(fā)明利用體視顯微鏡直接觀察采集滅火泡沫的圖像信息，引入Canny算子識(shí)別泡沫的邊界，并最終實(shí)現(xiàn)泡沫的粒度分析。本發(fā)明提供的基于Canny算子的泡沫邊界識(shí)別和粒度分析方法，包括以下步驟步驟(I)調(diào)入圖像采集泡沫圖像時(shí)，調(diào)整光源的亮度，輔以調(diào)節(jié)軟件的對(duì)比度、曝光度、亮度，得到邊界明顯的泡沫圖像；步驟(2)判斷圖像根據(jù)圖像中泡沫的整體狀態(tài)判斷泡沫的類型，在“圓形泡沫識(shí)別”和“非圓形泡沫識(shí)別”之間做出選擇，對(duì)于“圓形泡沫識(shí)別”轉(zhuǎn)步驟(3)，對(duì)于“非圓形泡沫識(shí)別”轉(zhuǎn)步驟(4);步驟(3)圓形泡沫的邊界識(shí)別首先對(duì)原圖進(jìn)行灰度化處理，然后一方面對(duì)灰度圖進(jìn)行對(duì)數(shù)增強(qiáng)和臨界二值化處理，得到了代表邊界信息的、突出的點(diǎn)或線條，另一方面引入Canny算子識(shí)別灰度圖中的泡沫邊界，并對(duì)代表邊界信息的點(diǎn)或線條進(jìn)行膨脹處理，然后疊加兩圖中的點(diǎn)或線條，將連在一起的點(diǎn)或線條連接成新的線條，并進(jìn)行線條的預(yù)處理，最后連接線條并形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識(shí)別；步驟(4)非圓形泡沫的識(shí)別首先對(duì)原圖進(jìn)行Laplace增強(qiáng)，得到了代表邊界信息的、突出的點(diǎn)或線條，然后引入Canny算子識(shí)別點(diǎn)或線條，反復(fù)使用“腐蝕、掃描、分割、填充”逐步識(shí)別標(biāo)記泡沫，連接線條并形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識(shí)別；步驟(5)在“圓形泡沫識(shí)別”或“非圓形泡沫識(shí)別”的基礎(chǔ)上進(jìn)行泡沫的粒度分析，得到單位面積泡沫數(shù)目、泡沫粒度分布曲線、泡沫面積百分比這些數(shù)據(jù)。在所述步驟(2)進(jìn)行的處理過程中，泡沫左右邊界的距離與泡沫上下邊界的距離小于邊界間平均距離(即泡沫的直徑)的15%，則該泡沫為圓形泡沫，如果所分析的圖像中圓形泡沫占全體泡沫的比例大于90%，則選擇“圓形泡沫識(shí)別”，否則選擇“非圓形泡沫識(shí)別”；在所述步驟(3)進(jìn)行的處理過程中，引入的Canny算子的闕值為100，該算子的卷 積核為
權(quán)利要求
1.基于Canny算子的泡沫邊界識(shí)別和粒度分析方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟(I)調(diào)入圖像 采集泡沫圖像時(shí)，調(diào)整光源的亮度，輔以調(diào)節(jié)軟件的對(duì)比度、曝光度、亮度，得到邊界明顯的泡沫圖像； 步驟(2)判斷圖像 根據(jù)圖像中泡沫的整體狀態(tài)判斷泡沫的類型，在“圓形泡沫識(shí)別”和“非圓形泡沫識(shí)別”之間做出選擇，對(duì)于“圓形泡沫識(shí)別”轉(zhuǎn)步驟(3)，對(duì)于“非圓形泡沫識(shí)別”轉(zhuǎn)步驟(4); 步驟(3)圓形泡沫識(shí)別 首先對(duì)原圖進(jìn)行灰度化處理，然后一方面對(duì)灰度圖進(jìn)行對(duì)數(shù)增強(qiáng)和臨界ニ值化處理，得到了代表邊界信息的、突出的點(diǎn)或線條，另一方面引入Canny算子識(shí)別灰度圖中的泡沫邊界，并對(duì)代表邊界信息的點(diǎn)或線條進(jìn)行膨脹處理，然后疊加兩圖中的點(diǎn)或線條，將連在一起的點(diǎn)或線條連接成新的線條，并進(jìn)行線條的預(yù)處理，最后連接線條并形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識(shí)別； 步驟(4)非圓形泡沫識(shí)別 首先對(duì)原圖進(jìn)行Laplace增強(qiáng)，得到了代表邊界信息的、突出的點(diǎn)或線條，然后引入Canny算子識(shí)別點(diǎn)或線條，反復(fù)使用“腐蝕、掃描、分割、填充”逐步識(shí)別標(biāo)記泡沫，連接線條并形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識(shí)別； 步驟(5)在“圓形泡沫識(shí)別”或“非圓形泡沫識(shí)別”的基礎(chǔ)上進(jìn)行泡沫的粒度分析，得到単位面積泡沫數(shù)目、泡沫粒度分布曲線、泡沫面積百分比這些數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(2)進(jìn)行的處理過程中，泡沫左右邊界的距離與泡沫上下邊界的距離小于邊界間平均距離的15%，則該泡沫為圓形泡沫，如果所分析的圖像中圓形泡沫占全體泡沫的比例大于90%，則選擇“圓形泡沫識(shí)別”，否則選擇“非圓形泡沫識(shí)別”。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)進(jìn)行的處理過程中，引入的Canny算子的闕值為100，該算子的卷積核為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)進(jìn)行的處理過程中，在線條的預(yù)處理時(shí)，檢查所有母線和脊線擬合圓的相對(duì)位置，當(dāng)出現(xiàn)擬合圓相交且相交部分面積大于小擬合圓或同等面積擬合圓的面積的3/4吋，則從長(zhǎng)度最長(zhǎng)的母線兩端開始延伸線段，如果有多個(gè)長(zhǎng)度相等的母線，則按照先上后下、先左后右的順序進(jìn)行，將延伸的線段連接至未連接的點(diǎn)或線條成為新的母線，延伸的線段長(zhǎng)度不超過該母線所在擬合圓周長(zhǎng)的1/8，延伸的線段與母線端點(diǎn)的切線夾角不超過30°，最終實(shí)現(xiàn)母線長(zhǎng)度的増加與母線數(shù)量的減少，這對(duì)于下一步連接線條并形成完整的泡沫邊界是十分有利的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟(3)進(jìn)行的處理過程中，在線條預(yù)處理后、連接線條并形成完整的泡沫邊界時(shí)，從母線的兩個(gè)端點(diǎn)開始延伸線段，從長(zhǎng)度最長(zhǎng)的母線開始進(jìn)行連接，如果出現(xiàn)多個(gè)長(zhǎng)度相同的母線時(shí)則按照先左后右、先上后下的順序進(jìn)行，將延伸的線段連接至另外一條母線或脊線的端點(diǎn)，并以所連接線條的另外一個(gè)端點(diǎn)為開始繼續(xù)延伸線段，直至母線封閉，延伸的線段長(zhǎng)度不超過母線所在擬合圓周長(zhǎng)的1/4，延伸的線段與母線端點(diǎn)的切線夾角不超過60°，如果有多個(gè)滿足要求的待連接的線條端點(diǎn)，那么選擇夾角最小的線段進(jìn)行連接，如果不能實(shí)現(xiàn)母線封閉則放棄該母線的處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)進(jìn)行的處理過程中，對(duì)于自動(dòng)識(shí)別出來但有誤差的泡沫，可以進(jìn)行手動(dòng)修改；對(duì)于未能自動(dòng)識(shí)別、而人眼能夠識(shí)別的泡沫，則 通過手動(dòng)添加的形式實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(4)進(jìn)行的處理過程中，使用Laplace算子進(jìn)行圖像的增強(qiáng)處理，引入的Canny算子闕值為100，該算子的卷積核為
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(4)進(jìn)行的處理過程中，引入Canny算子識(shí)別出代表邊界信息的點(diǎn)或線條后，首先通過“腐蝕”去除干擾的點(diǎn)或線條以消除圖像的噪聲，“掃描”圖像得到能夠識(shí)別出具有完整泡沫邊界的部分，然后“分割”該部分，針對(duì)該部分保存信息井“填充”該處泡沫，在下ー輪的“腐蝕、掃描、分割、填充”過程中則不再分析此處；反復(fù)進(jìn)行“腐蝕、掃描、分割、填充”，連接線條并形成完整的泡沫邊界，完成所有泡沫的邊界識(shí)別，如果沒有捜索到新的泡沫，則認(rèn)為已經(jīng)識(shí)別完整體圖片的泡沫邊界，并自動(dòng)結(jié)束掃描搜索。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(4)進(jìn)行的處理過程中，對(duì)于自動(dòng)識(shí)別出來但有誤差的泡沫，可以進(jìn)行手動(dòng)修改；對(duì)于未能自動(dòng)識(shí)別、而人眼能夠識(shí)別的泡沫，則通過手動(dòng)添加的形式實(shí)現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(5)進(jìn)行的處理過程中，泡沫粒度指的是圓形泡沫的直徑和非圓形泡沫的平均直徑，泡沫面積百分比指的是圖片中泡沫面積所占的比例。
全文摘要
一種基于Canny算子的泡沫邊界識(shí)別和粒度分析方法。特征是調(diào)入圖像后，根據(jù)泡沫的狀態(tài)在“圓形泡沫識(shí)別”和“非圓形泡沫識(shí)別”之間作出選擇；在“圓形泡沫識(shí)別”中首先灰度化原圖，然后一方面對(duì)灰度圖進(jìn)行對(duì)數(shù)增強(qiáng)和臨界二值化處理，另一方面引入Canny算子識(shí)別灰度圖中的泡沫邊界并進(jìn)行膨脹處理，最后疊加二圖并連接泡沫邊界線條；在“非圓形泡沫識(shí)別”中首先對(duì)原圖進(jìn)行Laplace增強(qiáng)處理，然后引入Canny算子提取泡沫的邊界，反復(fù)使用“腐蝕、掃描、分割、填充”逐步識(shí)別標(biāo)記泡沫，最后連接泡沫邊界線條；最終得到粒度分析報(bào)告。本發(fā)明能夠識(shí)別邊界和背景對(duì)比度小的泡沫，計(jì)算復(fù)雜度低、速度快，適用于滅火泡沫、浮選泡沫、鉆井泡沫等對(duì)象。
文檔編號(hào)G06K9/46GK102737246SQ201210195198
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者傅學(xué)成, 夏建軍, 宋波, 張憲忠, 王榮基, 胡英年, 陳濤 申請(qǐng)人:公安部天津消防研究所