基于IPP图像软件的管流中粗颗粒运动信息提取方法研究-sup-①-_sup-_廖帅.pdf

基于 ＩＰＰ 图像软件的管流中粗颗粒运动信息提取方法研究 ① 廖 帅， 曹 斌， 夏建新 （中央民族大学 环境系，北京 １０００８１） 摘 要 运用大功率激光光源和 Ｎｉｋｏｎ Ｄ８１０ 单反相机进行了管道水力输送模拟试验，并以试验中得到的管道断面图像为研究对 象，详细介绍了基于图像软件 Ｉｍａｇｅ⁃Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（ＩＰＰ）的管道断面颗粒提取方法，并以 ５ 张图像的处理结果对此方法进行验证。 结果 表明，提取出的颗粒数量平均误差小于 ５％，说明该种分析方法能准确地将目标颗粒提取并呈现出来，是一种具有代表性的、可操作 的管道断面颗粒图像处理方法。 关键词 管道输送； 粗颗粒； 运动信息； 图像处理； ＩＰＰ 中图分类号 ＴＤ５８文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０５．００２ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０５－０００５－０５ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｒｓｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＰＰ Ｉｍａｇｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＬＩＡＯ Ｓｈｕａｉ， ＣＡＯ Ｂｉｎ， ＸＩＡ Ｊｉａｎ⁃ｘｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｄ ｉｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ， ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ⁃ｐｏｗｅｒｅｄ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ａ Ｎｉｋｏｎ Ｄ８１０ ＳＬＲ ｃａｍｅｒａ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ． Ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｎ ｈｏｗ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｍａｇｅ⁃Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ （ＩＰＰ） ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ａ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｆｉｖｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｅｓ ｓｈｏｗｅｄ ｓｕｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｅｒｒｏｒ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５％， ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｉｔ′ｓ ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｓｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ； ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ； Ｉｍａｇｅ⁃Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ （ＩＰＰ） 近年来，越来越多的管道输送工程涉及到粗颗粒 的输送，如深海采矿过程中需利用管道将平均粒径为 ２０ ｍｍ 的粗颗粒矿石提升到采矿船中，此外水力采煤、 油井砾石充填等相关工程领域都涉及粗颗粒输送［１］。 粗颗粒在管流中运动状态和垂线分布较复杂，给管道 系统设计和输送参数确定带来困难。 由于理论模型上 不成熟，采用试验方法分析粗颗粒在管流中的运动特 性是目前有效的途径，其中，利用光学图像获取颗粒运 动信息可获得分析的基础数据。 许多学者对管流中颗粒运动特性开展过试验研 究［２－３］。 在 ２０ 世纪 ９０ 年代，路展民［４］等研制的激光 流速仪在测量流体运动特征量上有了明显进步，但这 种仪器只适用于透明的颗粒，且试验中颗粒最大体积 浓度不宜超过 ５％。 １９９８ 年，刘青泉［５］利用激光多普 勒分相测速仪（ＬＤＶ）测量了水平方管的两相浓度、湍 流度以及泥沙浓度等参数，实现了对固液两相流的无 接触测量，并用复合判别法区分了来自粗颗粒和微粒 的多普勒信号。 但以上两种技术都属于单点测量技 术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。 近年来，粒子 图像测速技术（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，ＰＩＶ）发展迅 速，它充分利用现代计算机技术、光学技术以及图像分 析技术的研究成果，已逐渐成为最新流体测试信息提 取手段［６］。 数字图像处理（Ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎ Ａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）技术是 指将图像信号转化为数字信号，然后利用计算机达到 改善图像视觉效果的处理方式［７－８］。 Ｉｍａｇｅ⁃Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ （ＩＰＰ）软件是美国 Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ 公司开发的图像 分析软件包，可完成图像的输入、增强、报告、存档、输 出等功能，被广泛应用于医学、生物学、工业等专业领 域［９－１２］，ＩＰＰ 具有误差小、测量参数多等优点，可以满 ①收稿日期 ２０１７－０４－１５ 基金项目 国家自然科学基金（５１３３９００８，５１２０９２３８，５１４３４００２）；中央民族大学创新实验班创新研究专项计划（ＳＨＳＹ２０１６１２００２７） 作者简介 廖 帅（１９９６－），男，湖北黄冈人，主要从事水沙环境工程研究。 第 ３７ 卷第 ５ 期 ２０１７ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１７ ChaoXing 足多个领域图像处理的要求，且可以应对来自数码相 机等不同图像采集设备的图像。 本文运用 Ｎｉｋｏｎ Ｄ８１０ 相机、连续型激光光源获取 管流中粗颗粒运动图像，并提出了基于 ＩＰＰ 软件的管 道断面图像颗粒运动信息的提取方法，用于试验数据 的分析。 １ 试验测试系统及图像获取方法 １．１ 试验材料、仪器与工况参数 试验中的液相为清水，固相为天然石英砂，颗粒密 度 ２ ６５０ ｋｇ／ ｍ３。 试验所用图像采集工具为 Ｎｉｋｏｎ Ｄ８１０ 单反相机，曝光时间达到 １／８ ０００ ｓ，图像有效像 素为 ３ ６３８ 万。 另使用了由 Ｂｅａｍ Ｑ 公司生产的连续 型激光光源，激光器功率 １０ Ｗ，激光波长 ５３２ ｎｍ（绿 光），激光光柱宽 ３ ｍｍ。 试验选取石英砂粒径分别为 ０．５、１．０ 和 ３．０ ｍｍ， 设计平均流速分别为 １．５、２．０ 和 ２．５ ｍ／ ｓ，固相颗粒体 积浓度为 １％～５％。 １．２ 试验测试系统 为得到颗粒的管道断面图像，设计并建立了固体 物料管道输送系统，该系统由管道输送系统、动力控制 系统以及试验测量系统 ３ 部分组成（见图 １），系统管 道内径 ５０ ｍｍ，全长 ２０ ｍ。 图 １ 管道水力输送试验系统 在水平管中部安装一段长 ２ ｍ、内边长同为 ５０ ｍｍ 的有机玻璃方管。 在方管两侧设有 ５０ ｍｍ ５０ ｍｍ 的 正方形视窗，以便用单反相机获取断面颗粒分布图像， 单反相机位于视窗的一侧（见图 ２）。 在视窗的正上方 图 ２ 水平观察段装置 架设有大功率的连续激光器，激光器发出线状光线，增 强光线上颗粒反射光的强度。 １．３ 试验方法 试验时，先启动输送动力泵，泵转速由变频调速器 控制，待系统运行稳定后，向料仓中均匀投放设计浓度 和组成的固体物料，输送速度和物料浓度数据可通过 取样标定得到。 启动测试系统，利用单反相机拍摄获 得颗粒在管道断面的分布图像。 ２ ＩＰＰ 图像信息提取方法 ２．１ 断面图像分析流程 通过上述试验可以获得管道断面图像，信息提取的 目的则是将位于激光面上的颗粒准确地显示出来。 单 张处理后的图像可以提供颗粒的浓度分布信息，多张连 续处理后的图像则可用于测量颗粒运动速度等参数。 现利用 ＩＰＰ 软件对图像中颗粒信息进行提取，分 析步骤如图 ３ 所示。 图像分割 图像拍摄单反相机 标尺设定 分离连接部分、填补颗粒孔隙 滤镜除噪、去除小颗粒点 结果输出及效果评估 待分析断面 图 ３ ＩＰＰ 图像分析流程 ２．２ 图像分割处理及其效果分析 图 ４ 为在不同工况下（见表 １）拍摄得到的图像， 由于激光为宽 ３ ｍｍ 的线光柱，因此仅有沿着流速方 向的一个断面上的颗粒反射光较强，在图像中表现出 较明亮的光点。 图像分割指将图像分成若干个特定的、具有独特 性质的区域并提出感兴趣部分的技术和过程［１３］。 本 文图像分割的目的是将激光面上的颗粒提取出来，从 而使不在激光面上的颗粒作为背景消失。 ＩＰＰ 提供了 多种图像分割方法，其中对于真彩色图像，基于 ＲＧＢ 颜色空间模型的分割方法最为适宜。 ＲＧＢ 分别是红、绿、蓝三基色的字母缩写。 这 ３ 种基色不同比例的混合叠加可以得到人类视觉中所有 可见的颜色［１４］。 红、绿、蓝三基色被分为了 ２５６ 个级 别，数值越大表明该基色强度越大。 ６矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 图 ４ 断面颗粒分布图像 表 １ 图像对应的管道输送工况 图像编号粒径／ ｍｍ流速／ （ｍｓ －１ ）体积浓度／ ％ ａ０．５２．５２ ｂ０．５２．０３ ｃ１．０２．０５ ｄ１．０１．５３ ｅ３．０２．０５ ｆ３．０２．５４ 本实验中激光颜色恰为绿色，拟利用绿色光的强 度（Ｇ）对图像进行分割。 以图 ４（ａ）为例，调用 ＩＰＰ 中 的强度分析工具，可以得到整幅图片中 Ｇ 值的强度分 布，见图 ５。 由图 ５ 可见，绿色光 Ｇ 值绝大部分分布在 １０～１００ 区间内，与拍摄图片中大面积区域颜色暗淡相 对应。 在 ２５０～２５５ 区间内的少量分布即为激光光柱 内的颗粒反射光较强所致。 为了利用 Ｇ 值提取目标颗粒，需要了解光柱内颗 粒的 Ｇ 值范围，在图 ４（ａ）中随机选取 ５ 个光柱内的颗 粒（见图 ６），并对其 Ｇ 值强度分布进行分析，结果 见图 ７。 G 值 120 100 80 60 40 20 0 500100150200250 像素点个数/ 104 个 图 ５ 绿色光强度分布直方图 图 ６ 随机选取的光柱内颗粒 G 值 500 400 300 200 100 0 60120180240 像素点个数/ 104 个 图 ７ 光柱内颗粒的 Ｇ 值分布 由图 ７ 可知，由于颗粒中部的大部分区域反射光 较强，而颗粒边缘反射光较弱，所以绝大部分像素点的 Ｇ 值大于 ２４０，少量像素点的 Ｇ 值小于 ２４０，且在 １４０～ ２４０ 区间内分布较为均匀。 为了完整地提取光柱内的颗粒而过滤光柱外的颗 粒，可调节整幅图的 Ｇ 值，将 Ｇ 值强度在一定阈值内 的颗粒选取出来，呈现白色，而在范围外的区域将会变 为黑色，实现二值化处理。 图 ８ 是图 ４（ａ）经过不同阈 值（见表 ２）处理后的结果。 从图 ８ 可知，Ｇ 值的阈值 变小，提取出颗粒的数量明显减少，这与直方图中绿色 光的强度分布一致。 ７第 ５ 期廖 帅等 基于 ＩＰＰ 图像软件的管流中粗颗粒运动信息提取方法研究 ChaoXing 图 ８ 经不同阈值处理后的图像 表 ２ 图像处理阈值范围 图像编号阈值 ａ［１４０，２５５］ ｂ［１６０，２５５］ ｃ［１８０，２５５］ ｄ［２００，２５５］ ｅ［２２０，２５５］ ｆ［２４０，２５５］ ２．３ 标尺设定 ＩＰＰ 软件中默认的尺寸单位为像素，为测量和计 算带来不便，所以需要设定标尺引入实际尺寸。 菜单 栏中依次选择“Ｍｅａｓｕｒｅ→Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ→Ｓｐａｔｉａｌ” 打开 “Ｓｐａｔｉａｌ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ”窗口即可新建尺寸，见图 ９。 ２．４ 分离连接部分、填补颗粒孔隙 当流速较低或固相体积浓度较高时，颗粒在管道 底部发生接触和摩擦，在图像中则表现为亮点的相连； 当颗粒表面有褶皱时，会造成经过上几步处理后颗粒 内部出现孔隙，为直观地表示颗粒的形态特征，需要将 连接的颗粒分开以及颗粒内部的孔隙补全。 图 ９ 标尺设定界面 膨胀和腐蚀是二值形态学最基本的一对运算。 腐 蚀是消除物体边界点的过程，膨胀是将与物体有连接 （或接触）的所有的背景点都合并到物体中的过程。 ＩＰＰ 提供了腐蚀和膨胀两种滤镜，将两颗粒连接部分 或颗粒内部空洞选定为 ＡＯＩ 区域（ａｒｅａ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ），联 合使用腐蚀和膨胀两种滤镜，可以达到分离和填补的 目的（见图 １０）。 图 １０ 腐蚀、膨胀滤镜使用前后对比 ２．５ 滤镜去噪及去除小亮点 经过上述图像处理后，图像中出现很多面积极小的 亮点，这些点并不能代表在激光面上的颗粒，可能是在 拍摄图像、传输图像的过程中，由于拍摄设备、传输装 置、传输路径存在约束性，导致非常容易被外部环境的 各项因素所干扰，进而形成大量的噪声［１５］。 ＩＰＰ 软件提 供了多种滤镜可供除去图片中细小的噪声点，经过实践 发现，对于具有暗背景和亮颗粒的图像，分离滤镜可消 除颗粒表面较小的凸起、小的噪点和暗点（见图 １１）。 图 １１ 滤镜除噪结果 ８矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 经过滤镜除噪后，图像中仍存在较小的亮点，此为 不完全在激光面上的颗粒部分反射的结果。 本实验使 用的石英砂颗粒为 ２ 个不同目数的筛子筛分所得，如 ０．５ ｍｍ 的颗粒筛分目数为 ３０、３２（筛孔边长分别为 ０．５００ ｍｍ 和 ０．５５０ ｍｍ）。 ＩＰＰ 软件可测量不规则颗粒 的多种尺寸参数，本文选择对“ｓｉｚｅ（ｗｉｄｔｈ）” 进行测 量，即在所有方向上与颗粒投影轮廓相切的两平行 线间距离的最小值（见图 １２），并认为“ｓｉｚｅ（ｗｉｄｔｈ）” 值小于０．５００ ｍｍ 的颗粒点为激光面外的点，将这些 点去除。 图 １２ ｓｉｚｅ（ｗｉｄｔｈ）示意 ２．６ 结果输出 经过以上几步处理后得到如图 １３ 所示的结果图， 图中颗粒分布清晰，可以直观地判断出颗粒的分布等 信息。 图 １３ 图像处理结果 ２．７ 提取实例分析 根据上述分析步骤，采用不同阈值对 ５ 张图像进 行处理（粒径 ０．５ ｍｍ，流速 ２．５ ｍ／ ｓ，体积浓度 ２％），并 利用 ＩＰＰ 软件的测量功能统计提取出的颗粒数量，统 计结果与真实值进行对比，结果见表 ３。 由表 ３ 可见， 针对该工况下拍摄得到的图像，采用 Ｇ 值的不同阈值 处理后，相较而言，当阈值取［２２０，２５５］时，处理效果 最佳，与实际光柱内的颗粒数相比，误差平均值为 ４．９０％，可认为达到了准确提取亮点颗粒的基本要求。 表 ３ 颗粒数目统计表 图像 实际 颗粒数 不同阈值处理后提取颗粒数 ［１４０，２５５］ ［１６０，２５５］ ［１８０，２５５］ ［２００，２５５］ ［２２０，２５５］ ［２４０，２５５］ １１４６２１０１９２１７７１６６１５４１３６ ２１６０２１１１９５１８４１７２１５９１４２ ３１６７２５５２３１２１１１９２１８１１６４ ４１５１２３２２１７１９９１７８１６４１４８ ５１８５２５８２３７２２９２１８１９１１７２ 相对误差 平均值／ ％ ４４．１０３２．５０２３．６０１４．５０４．９０５．８０ ３ 结 语 介绍了一种基于图像处理软件 Ｉｍａｇｅ⁃Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ 的 管流中粗颗粒运动信息提取方法。 该方法利用 ＩＰＰ 软 件输入、图像分割、标尺设定、滤镜处理等功能，降低图 像分析的难度，能以简便的操作将断面图像中激光线 光柱内的颗粒提取出来，并除去噪点，分离相连的颗粒 和填补颗粒内的孔隙。 经过实践摸索，总结使用 ＩＰＰ 分析颗粒物质时应该注意以下几点① 在图像的拷 贝、转发、裁剪过程中，应保证图像信息不丢失，ＩＰＰ 对 高像素图片中颗粒边缘的处理精度更高；② 图像分割 过程中，Ｇ 值的阈值对处理结果的影响较大，应用时应 根据实际图像选取最佳阈值；③ ＩＰＰ 软件可测量不规 则颗粒多种尺寸参数，在去除小颗粒点时，针对不同方 法筛选出的颗粒，可选用不同的测量参数。 通过实例分析，基于 ＩＰＰ 处理后的断面图像能准 确直观地展现出颗粒的分布情况。 处理后的图片可用 于分析颗粒浓度分布以及测量颗粒运动速度等运动特 征，可广泛应用于管流图像处理中。 参考文献 ［１］ 王英伟，曹华德，曹 斌，等． 含粗颗粒固体物料在垂直管流中水 击规律［Ｊ］． 应用基础与工程科学学报， ２０１４，２２（５）９０９－９１５． ［２］ 曹 斌，夏建新，黑鹏飞，等． 粗颗粒在复杂空间形态管道水力输 送中运动形式的研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１２，３２（２）５－１０． ［３］ 肖 红，唐达生． 砂矿颗粒沉降运动规律试验研究［Ｊ］． 矿冶工 程， 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