（测试计量技术及仪器专业论文）传质过程全息干涉图像的数字化处理.pdf

中文摘要 中文摘要 随着图像处理技术的飞速发展以及应用范围越来越广泛，数字图像处理技术 正在向更高质量发展，图像处理算法更加优化，图像处理速度更加快速，同时应 用到其它学科解决实际问题是数字图像处理技术的最终目标。随着化工传质过程 研究的逐渐深入以及其应用领域的不断扩展，浓度分布、扩散系数、传质系数等 实验数据在研究传质过程、计算传质速率及化工设计与开发中成为极其重要的因 素。激光全息干涉技术具有非接触测量、灵敏度高、信息量大、精度高等优点， 将数字图像处理技术与其结合起来，本文建立了基于图像处理的传质过程测定系 统，通过对传质过程的全息干涉图像进彳亍数字化处理，计算得出所测定的实验数 据。 本论文的主要工作包括如下几个方面： 1 ，完成建立基于图像处理的传质过程测定系统的工作，包括实验装置的安 装、调试和改进，改善了全息干涉图像的质量，提高了测定系统的精度： 2 通过比较几种图像预处理及条纹中心线跟踪所采用的算法，根据全息干 涉图像的特点和实际处理的效果，最终选用中值平滑滤波算法、最大方 差法和灰度重心法作为本系统的图像处理算法，提高了系统的精度： 3 设计并编写传质过程测定系统软件，通过该系统软件可以对全息干涉图 像进行分析和处理，计算得出各项实验数据，实现实验数据的显示、存 储的功能； 4 利用本文测定系统完成了对典型液一液二元物系蔗糖和丙氨酸溶液在 2 9 8 1 5 k 下扩散系数的测定实验工作，通过计算分别得到了不同浓度下 距离界面不同位置处的扩散系数及各浓度下的平均扩散系数，同时对实 验数据作出分析和讨论； 5 通过本文测定系统完成了对典型气一液流动二元物系c d ，一乙醇物系 不同气液流速组合下的传质系数的测定实验工作，对实验数据作出分析 和讨论； 关键词：扩散系数传质系数激光全息干涉图像处理中心线跟踪 a b s t r a c t a l o n gw i t hi ti sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y h a v e b e e na p p l i e dt om o r ea n dm o r ef i e l d s d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gt o w a r d sh i g hp r o c e s s i n gq u a l i t y ，i t sa l g o r i t h m s h a v eb e e no p t i m i z e d ，i t ss p e e dh a v e b e e nh i g h e r ，a n di t i su l t i m a t e o b j e c t i v et os o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m st ob ea p p l i e dt oo t h e rs u b j e c t s w i t ht h em a s st r a n s f e rp r o c e s sr e s e a r c hi nc h e m i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a l l yd e e p e n e da n di t sa p p i c a t i o nf i e l de x p a n d e d ，c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n th a v e b e c o m et h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tf a c t o r sa sw e l la st h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n ti nc h e m i c a le n g i n e e r i n g l a s e rh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y m e t h o dh a ss o m ea d v a n t a g es u c ha sn o n - c o n t a c tm e a s u r e ，h i g hs e n s i t i v i t y ， m o r ei n f o r m a t i o n ，h i g hp r e c i s i o na n ds oo n a s s o c i a t i n gw i t ht h i sm e t h o d ， am e a s u r es y s t e mi nm a s st r a n s f e rp r o c e s si se s t a b l i s h e db a s e do nt h e i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d ea sb e l o w ： 1 e s t a b l i s ham e a s u r es y s t e mi nm a s st r a n s f e rp r o c e s sb a s e do nt h e i m a g ed i g i t a lp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n ge x p e r i m e n t a ls e t t i n gu p ， d e b u g g i n ga n di m p r o v i n g t h ee x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o n t h e q u a l i t yo fh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r yi m a g ea n dt h ep r e c i s i o no f m e a s u r es y s t e mw e r ei m p r o v e d 2 a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a la r i t h m e t i c so fi m a g ep r e p r o c e s s i n ga n d f r i n g e st h i n n i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r yi m a g ea n dt h ep r o c e s s i n ge f f e c ti np r a c t i c e ， f i n a l l ym e d i u mf i l t e r i n g ，m a xv a r i a n c ea n db a r y c e n t e ra r i t h m e t i c a r es e l e c t e da st h ep r o c e s s i n ga r i t h m e t i co ft h i ss y s t e m ，a sa r e s u l t ，t h ep r e c i s i o no fm e a s u r es y s t e mw e r ei m p r o v e d 3 d e s i g na n dc o m p il et h a tt h es o f t w a r ef o rt h em e a s u r es y s t e mi nm a s s t r a n s f e rp r o c e s s b ym e a n so ft h i ss o f t w a r et h ea n a l y s i n ga n d p r o c e s s i n g t o h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r yi m a g e c a nb e a c c o m p l i s h e d ，a n ds e v e r a le x p e r i m e n td a t ac a nb ec a l c u l a t e d ，t h e d is p l a ya n ds t o r a g eo fd a t ac a na ls ob ea c h ie y e d 4 f i n i s ht h em e a s u r et ot h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to ft y p i c a la q u e o u s s u c r o s es o l u t i o n sa n da q u e o u sa l a n i n es o l u t i o n si n2 9 8 1 5 k i ti s c a l c u l a t e dt h a td i f f u s i o nc o e f f i c i e n t so fd i s t i n c tp o s i t o n sa n d c o n c e n t r a t i o na n d a v e r a g ed if l u s i o nc o e f f i c i e n t so f e a c h c o n c e n t r a t i o n a tt h es a m et i m ee x p e r i m e n td a t aa r ea n a l y s e da n d d i s c u s f i n i s h s e d t h em e a s u r et ot h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to f t y p i c a l t w o - c o m p o n e n ts y s t e mo fc a r b o nd i o x i d e e t h a n o li nd i s t i n c t v e l o c i t yo ff l o w a n de x p e r i m e n td a t ai sa n a l y s e da n dd i s c u s s e d k e yw o r d s ：d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， l a s e rh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y ， i m a g ep r o c e s s i n g ，f r i n g et h i n n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名啤放瓤签字瞧渤歹年，月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼叁兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲巧戊刻 签字日期：，年，月，f 日 导师签名： 签字日期：黟多年月厶r 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 图像处理技术与传质过程概述 数字图像处理是一门迅速发展的学科，应用领域极为广泛。“图”是物体透 射光或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或 认识。图像是两者的结合，即是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿或者 描述。它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接 或间接作用于人眼并进而产生视觉的实体。图像处理就是对这些图像信息进行加 工处理，以满足人的视觉心理和实际应用的需要。简单的说，数字图像处理是指 利用计算机对图像信息进行各种加工和处理，其目的是在计算机上实现和强化人 的视觉以及对视觉信息的加工处理能力”j 。 数字图像处理按处理方法主要有以下三类：图像到图像的处理，图像到数据 的处理和数据到图像的处理。其中，图像到图像的处理输入和输出均为图像，处 理技术主要有图像增强、图像复原和图像编码；图像到数据的处理，其输入为图 像，输出为数据，即输出为输入图像所含有的特征信息数据，处理技术主要包括 图像分割、图像识别、特征提取等；而从数据到图像的处理，其输入为数据，输 出为图像，是对图像的重建。数字图像处理系统一般由数字化器、存储器、计算 机及输出显示器等四部分组成，其结构如图1 1 所示： 图1 - 1 数字图像处理系统结构 气一液、液一液等相际传质在化工过程中普遍存在，液相扩散在研究传质过 程、计算传质速率及化工设计与开发中起着非常重要的作用，传质过程的浓度、 第一章绪论 液相扩散系数以及传质系数往往是单元操作及反应设计的关键f 2 j 。因此，对于传 质过程的研究有着非常重要的实际意义。近年来，随着生物化工、环境污染控制 以及同位素分离的兴起与发展，液相扩散的研究与应用领域也在不断扩展。由于 液体结构十分复杂，分子堆积密度较大，分子间平均距离远比气体分子小，又不 及固体那样有规律排列，分子总处在较强相互作用的范围内，所以有关液液以 及气一液传质及扩散方面的测量和理论描述远比气体及固体困难，实验数据相当 缺乏，目前尚不能找到一种根据研究体系的基本数据及物理性质来测定传质过程 扩散系数的理想方法。 随着图像处理技术的飞速发展，与其它学科交叉结合的应用范围越来越广 泛，已经涉及到航空航天、工业、农业、生物医学工程、国防以及文化艺术等各 个领域，如卫星遥感技术、c t 技术、工业焊接机器人、指纹识别以及运动员动 作分析等。数字图像处理技术正在向更高质量发展，图像处理算法更加优化，图 像处理速度更加快速，处理后的图像清晰度更高，实现图像的智能生成、分析、 处理、识别，同时应用到其它学科解决实际问题是数字图像处理的最终目标。与 此同时，随着对传质过程研究的逐渐深入，在激光全息干涉技术具有非接触测量、 灵敏度高、信息量大等优点的基础上，将数字图像处理技术应用于全息激光干涉 测量系统中，通过对激光全息干涉系统所得干涉图像进行数字采集，利用测定系 统软件进行图像处理与分析，计算得出所测定的实验参数。这使得原本繁琐的全 息干涉图像判读过程简单化，智能化，极大地节省了处理数据的时间，提高了测 定结果的精度。 1 2 传质过程的测定方法与发展状况 相界面两侧浓度场的分布规律是建立传质过程实验参数模型的重要依据1 3 】。 各类有关传质过程实验参数的关联式都是以实验数据为依据的，所以实验方法是 研究液相扩散系数和传质系数的重要部分。常用的测定方法有；光干涉法、膜池 法、t a y l o r 分散法、激光荧光法等p 】。 光干涉法是近五十年来发展起来的一种方法，其优点为快速准确，能够直接 测定扩散系数的绝对值，但对实验设备要求较高。其原理是：当扩散槽中发生折 射时，浓度变化导致各处的折射率也不同。入射光入射时，产生干涉条纹，计算 其特征尺寸得扩散系数。全息干涉是将全息摄影技术应用在经典干涉中，其原理 是在全息千版上记录两个不同时刻的干涉条纹，然后进行叠加，产生一组新的条 纹，由条纹就可以计算扩散系数。根据具体的方法不同，全息干涉法又可公为两 次曝光法和实时全息干涉法。 第一章绪论 膜池法是一种经典方法，n o r t h r o p 和a n s o n 最早提出测定传质过程液相分子 扩散系数的膜池法。该法操作简单，对设备要求也不高，且测定准确，至今仍是 一种比较常用的方法，其缺点是操作时间长。它的基本方法是：不同浓度的溶液 通过一个微孔膜进行分子扩散，过程可看作是稳态的。这样经过一段时间后，测 定膜两侧的浓度变化，结合f i e k 第一定律，就可求得传质过程扩散系数。这种 方法最早用于测量红蛋白分子扩散，当时存在膜内微孔较大、有主体流动、且在 膜两侧表面上存在一层极薄的滞留层等缺点，影响了测量的准确性，为此，许多 人对它进行了改进。s o k e s 作出了很大的贡献，他设计了一个磁力搅拌装置，较 好的消除了膜面的滞留层。为了适应在较高温度( 近沸点) 下测定，s a m i 和 h u t c h i s o n 设计了一种三室膜池法。天津大学的张建侯和袁继堂用金属膜代替玻 璃膜测定二元有机物系扩散系数，膜厚仅1 0 0 微米左右，且膜的强度提高，测定 时间缩短，并可在高压下操作嘲。 t a y l o r 分散法是从五十年代开始出现的，但直到七十年代才真正用于扩散系 数的测定。该法是使溶剂在一根细长管中流动，再将溶质注入，测量流动相中溶 质的浓度分布，进而由t a y l o r 导出的计算公式计算扩散系数。t a y l o r 分散法需要 一根很长的内表面非常光滑的毛细管，实验中不容易做到。其优点为测定速度快， 操作方便，且可在高温高压下操作【6 】。 a s h e r ( 1 9 8 9 ) 等用激光荧光法测定了气液传质搅拌池里近界面液相内的浓度 分布情况，这种方法近来被广泛应用于液相浓度分布测量中。但是此方法有其自 身的局限性，即需要引入第三方物质，将会影响测量精度，还有就是需要被测物 系不与荧光剂反应。 w o l f f 等用微型电极探针( m i e r o e l e c t r o d e ) 澳l j 量了氧气在浓度边界层内的分布， 求得了平均传质系数。这个方法虽然不会引入新的物质，但是探针会扰动传质体 系，所以会对测量造成误差，测量精度很低【7 l 。 除了上述方法之外，还有以下几种方法：放射性同位素法、光散射法、电导 法、离心法、毛细管法。其中放射性同位素法主要用于自扩散系数的测量，光散 射法尤其适用于测量高分子溶液，后几种方法则已不太常用。 1 3 传质过程全息干涉图像的数字化处理系统 本文提出了一种将数字图像处理技术与光干涉法相结合、基于图像处理技术 的传质过程测定方法。此方法通过数字图像处理系统对光干涉法所得的全息干涉 图像进行数字化处理，获取相关的数据信息，最后计算得出传质过程的参数数据。 本系统结构原理图见图1 2 ： 第一章绪论 图卜2 本文测定系统结构 本实验系统包括光干涉法成像系统 和图像采集处理系统，图像采集与处理 系统则由四部分组成：c c d 摄像机、图 像采集卡、微型计算机、测定系统软件。 系统的工作流程图如图卜3 所示，首先 通过光干涉法得到干涉条纹图像，经由 c c d 摄像头接收，然后图像采集卡将c c d 摄像机所得图像采集到微型计算机中， 计算机通过图像采集与处理程序将所得 图像存储并进行分析与处理，得到含有 浓度等相关信息的图像数据，最后由 数据处理程序进行计算得出传质过程实验 数据。 1 4 本文的主要工作及内容安排 i 光干涉法获得 i干涉条纹 j - c cd 摄像机 拍摄图像 一土 图像采集卡 采集圈像 一- l 图曩彗蔷蓉序 j l 数据赴理程序 i 计墨传质过程 实验数据 图卜3 全息干涉图像处理流程图 本课题的核心工作就是通过对传质过程全息干涉图像进行数字化处理，建立 基于图像处理技术的传质过程的浓度、扩散系数、传质系数的计算机直接测定系 统。具体工作包括： 第章绪论 1 、建立基于图像处理的传质过程测定系统的工作，包括实验装置的安装、 调试和改进，改善全息干涉条纹的质量，提高测定系统精度和稳定性； 2 、将通过比较几种图像顸处理及条纹中心线跟踪所采用的算法，根据全息 干涉图像的特点和实际处理的效果选取最合适的图像处理算法，以提高 系统的精度； 3 将设计并编写传质过程测定系统软件，通过该系统软件可以对全息干涉 图像进行数字化处理、计算出浓度、折射率、扩散系数、传质系数的值， 实现实验数据的显示和存储的功能； 4 将通过本文测定系统完成对蔗糖和丙氨酸溶液在2 9 8 1 5 k 下扩散系数的 测定以及c d 2 一乙醇气液两相流动物系的传质系数测定工作，然后对实 验数据作出分析和讨论，最后提出系统存在的问题和改进方案。 论文共分五章，具体安排如下： 第一章简单介绍了论文产生的背景，引出论文的主题，并对论文的工作安排 作出了介绍。 第二章介绍了进行论文工作所依靠的理论基础，包括数字图像处理技术的概 述、全息干涉测量技术用于传质过程测定的理论基础以及将图像处理技术用于全 息干涉测量系统的理论依据。 第三章主要介绍了传质过程测定系统中全息干涉图像的预处理以及特征提 取的过程，包括对如何选取适合本课题图像平滑滤波、二值化等算法的讨论。 第四章首先介绍了条纹中心线跟踪的几种经典算法，然后通过选取具有典型 意义的全息干涉图像进行各种算法的条纹中心线跟踪，对比其实际处理效果并结 合本文全息干涉图像的特点提出了适合本课题的条纹中心线跟踪算法。 第五章介绍了本文传质过程测定系统软件的总体设计，包括软件系统的结构 组成、软件的具体功能以及编程语言和算法的实现，然后着重介绍了软件的界面 结构和操作步骤。 第六章首先提出了传质过程扩散系数和传质系数的计算方法，然后通过本文 的基于图像处理的传质过程测定系统对几种二元液一液以及气一液两相流动界 面传质过程进行测定，通过对实验数据的分析和讨论，对本文的系统存在的问题 进行分析并提出改进方案。 最后是总结和展望，对全文完成的工作进行总结和展望。 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 第二章基于图像处理技术的传质过程测定原理 将数字图像处理技术应用于全息激光干涉测量系统中，在激光全息干涉技术 具有非接触测量、灵敏度高、信息量大等优点的基础上，通过对激光全息干涉系 统所得干涉图像进行数字采集、处理、计算，得出所测定传质过程的浓度、扩散 系数、传质系数等。本章将介绍基于图像处理的传质过程测定系统的原理、方法 以及实验装置等方面的内容。 2 1 利用图像处理技术测定传质过程的原理 2 1 1 全息激光干涉测量原理 光的波动性表明，光波具有振幅与位相两个特性。要想得到物体光波的全部 信息，必须记录光波的振幅与位相。普通摄影术只能把从物体表面反射来的光波 或物体本身发出的光的强弱变化记录下来，而失去了与光强有关的位相信息。而 全息术是利用光的干涉与衍射原理，将物体发射或散射的特定光波以干涉条纹的 形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物体逼真的立体像。由于记录 了物体光波的全部信息( 振幅和位相) ，因此称这种新的摄影原理为全息术 ( h o l o g r a p h y ) ，全息即全部信息瞪】。 全息术是一种无透镜成像术，它是利用相干光波获得物体全部信息的两步成 像技术：波前记录和波前重现。波前记录是将物体射出的光波与另一参考光波相 干涉，在记录介质上以干涉条纹的形式记录被物体散射的物光波振幅( 光强) 和 位相，称此记录为全息图。全息图具有光栅状结构。当用原参考光照射全息图时， 光通过全息图后发生衍射，其衍射光波与物体光波相似构成物体的再现相。 全息干涉测量技术首先由r l p o w e l l 于1 9 6 5 年提出。全息激光干涉测量技 术是全息术的一个很重要的应用方面。全息干涉与普通干涉十分相似，其干涉理 论和测量精度基本相同，只是获得相干光的方法不同。普通干涉中获得相干光的 方法主要是分振幅法和分波前法。全息干涉测量是把普通干涉术同全息术的方法 结合起来。它具有如下特点：普通干涉只能用来测量形状比较简单的抛过光的透 明体或反射体，全息干涉则不仅可以测量透明体，也可以测量不透明物体，并且 也可以是任意形状的粗糙表面，此外，还可以通过表面的变化来检测物体内部的 缺陷，即无损检测嗍。 本文实验采用实时全息干涉法。在第一次曝光后，人为地在物光光路上引入 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 一个微小相位差，从而得到一系列垂直于界面的平行参考条纹。当传质过程发生 后，界面附近的浓度场发生变化，界面处的条纹发生偏移。随着传质过程的迸一 步进行，边界层加大，传质向主体区进展，条纹的偏移区也逐渐加大。下文将阐 述一下全息干涉法测定传质过程的原理。 全息学中，光波在某物体中传播时，其振幅衰减可以忽略的物体称为位相物 体。本文所测的液体混合物可近似看作为位相物体。光线通过一位相物体对的光 程上为折射率n 沿光线路径的积分，即 三= f n d s 若光线平行于z 轴，可用d z 代替d s ，于是 三( 工，j ，) = 疗( 石，y ) 出 在首次全息曝光时，光波函数为 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) o i ( x ，y ) = a l ( 五y ) c o s 纯( x ，y ) + i s i n q ，l ( x ，y ) 】 = 讹y ) c o s 【等瓣】+ f s i n 2 z r 一 xy m 但书 若人为引入方向位相差，光波函数变为 =爿：cty，+c。issin篝2竺(lx(_)，x),y+)+la(毛l(yx)】,y)， c 2 4 ， = 爿2 t y 1五 ) f 2 4 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中，4 ( x ，y ) 和彳2 ( 工，力、q j , ( x ，y ) 和伊：( x ，力分别为首次全 息曝光和人为引入位相差后的光波振幅分布函数和相位分布函数，a z ( x ，y ) 为光 程差分布函数，五为光的波长。 假定4 和a ：是相同的单位振幅，可将光强，表示为 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 ，( x ，y ) = 2 1 + c o s 兰 l ( x ，j ，) 】)( 2 5 ) 如图2 一l 所示，假定光线平行于z 轴方向，折射率在x y 平面内变化，改 变相位差，使之产生垂直于界面的参考条纹，条纹问距s ，光的波长为五，则 址：羔五 s 浓度未变化时，条纹为垂直于界面的平行条纹，间距相等；浓度变化时，条纹随 图2 1 条纹变化示意图 浓度变化产生偏移。在任意条纹上取两点：m ( x o ，儿) 和n ( x ，力，点m 浓度未发 生变化，点n 为浓度变化区域的任意点。假定浓度仅在x 方向上变化，y 方向均 匀，则有 l ( x ，y ) = 工( ，y o ) ( 2 7 ) 根据全息干涉原理，同一条纹上的两点应是等位相的，则有 车【上( 训) + a t ( w ) ：车【上( x o , y o ) + a l ( x o , y o ) l 将式( 2 2 ) 和( 2 6 ) 代入式( 2 8 ) ，并化简得 j ( n - n o ) 出= 学五 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 将式( 2 9 ) 简写为 砒= 一詈名 式中：日为条纹偏移量。 若相位物体沿光线的路径为万，则式( 2 1 0 ) 变为 胛( 砷= 一面h a ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 对本文系统，为主体未发生浓度变化时的折射率：玎为点x 截面处的折射 率；艿为模拟盒厚度。溶液的折射率是波长和溶液浓度的函数，波长一定时，溶 液的折射率将随着溶液浓度而变化。通过数据回归，可以得到溶液折射率和浓度 的关系，这样通过某一时刻的某一点的折射率就可以得到该点的浓度值。 2 1 2 全息干涉图像处理系统原理 全息激光干涉测量系统所得的全息干涉图像， 其以往的处理方法是将全息和显微技术相结合，利 用全息显微术对所测量的物体进行局部放大。它主 要有两种方法：一种是用普通显微镜将物体的像放 大后记录其全息图，然后观察再现象，这种方式叫 做预放大；另一种是先拍摄物体的全息图，再用显 微镜观察其再现象，叫做后放大嘲。无论采用哪种 方法，都需要对所得全息干涉图像进行条纹的人工 判读工作，这无疑大大增加了工作量，更引入了人 为误差，降低了系统的精度。 本文全息干涉图像处理系统如图2 2 所示，采 用c c d 摄像机来拍摄全息干涉图像，通过图像采集 卡对全息干涉图像实时数字采集与存储，然后对图 像进行滤波去噪、二值化处理、条纹中心线跟踪以 提取图像特征信息，计算干涉条纹偏移量，最终得 出所测定的传质过程各项实验数据。 c c d 摄像机 拍摄图像 b 图像采集卡 采集图像 之 图像滤波 j 图像二值化 - 条纹中心线 跟踪 u 一 计算 条纹偏移量 了厂一 计算传质过程 实验数据 图2 2 图像处理系统流程图 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 用此方法只需通过对激光全息干涉成像系统所得的干涉条纹进行一系列的 图像处理，进而得到全息干涉条纹的偏移量，就可以很方便地计算出折射率、浓 度、扩散系数、传质系数等。 2 2 测定系统的实验装置 本文基于图像处理技术的传质过程测定系统的实验装置由两部分组成：激光 全息干涉系统和图像采集处理系统，通过图像采集处理系统对激光全息干涉系统 获得的传质过程全息干涉图像进行数字化处理，共同完成整个系统的工作。 2 2 1 激光全息干涉系统 激光全息干涉系统的实验装置全部置于高灵敏位移传感器自动调平复位的 防震台上。激光全息干涉测量系统光路图如图2 3 所示。氦氖激光器l 发出的光先 通过曝光定时器3 ，再通过分束镜4 被分为两束光：参考光和物光：两束光分别通 过扩束镜5 和准直镜6 ，变成相干性非常好的平行光；然后物光再通过传质模拟盒 7 ，与参考光汇聚在全息干板8 上拍下全息像；用参考光再现出的物光就会和变化 的物光发生干涉，产生干涉条纹；在干板后面用毛玻璃l o 接收经过显微放大镜9 放大过的于涉条纹，用c c d 摄像机1 1 拍摄全息干涉图像通过图像采集卡采集并存 储到计算机1 2 中。系统必须尽量避免震动，保证系统的稳定，这对成像质量十分 1 - - h e - n e 激光器；2 一反射镜；3 - - 曝光定时嚣：4 一分束镜 5 一扩束镜；6 一准直镜；7 一传质模拟盘；8 - - 全息千板盒； 9 - - 显微放大镜：1 0 - - 毛玻璃接收屏；1 1 - - c c i ) 摄像机；1 2 - - 计算机 图2 - 3 激光全息干涉光路图 - 1 0 - 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 重要。激光全息干涉系统实验装置如图2 4 所示。 图2 - 4 激光全息干涉系统实验装置 2 2 2 传质模拟装置 在激光全息干涉系统中，传质模拟装置是全息干涉光路中的一个重要组成部 分，通过传质模拟装置建立液一液及气一液流动传质模型，完成传质过程实验数 据的测定工作。本课题将要完成液一液及气一液两部分的测定工作，因此设计了 两套与之对应的传质模拟装置。 液一液传质模拟装置示意图如图2 5 。实验装置主体是一个1 5 m i n xl o m m x l o o m m 的透明有机玻璃扩散槽1 ( 见图2 6 ) ，即光程为l o m m ，固定在支撑架2 上， 为使激光通过此扩散槽的光束不发生变化，要求扩散槽前后两面严格平行；为减 小两种液体加入时所带来的湍流和返混，在扩散槽底部连接一个毛细管；通过恒 温水域6 以及流量计4 和水泵5 以及恒温夹套3 组成水循环恒温系统，保持传质模拟 盒内的温度基本恒定。 4 卜液液传质模拟盒2 一支撑架3 一恒温夹套 4 一流量计5 一水泵6 一恒温装置 图2 5 液一液传质模拟装置示意图 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 图2 6 液一液传质模拟盒示意图 气一液传质模拟装置示意图如图2 7 。对于气体管路，通过手动调节阀门8 ， 同时观察气体流量计6 的示数，达到实验要求值后停止调节，稳定气体流速；对 于液体管路，启动恒温装置和水泵，使液体在恒温槽与高位槽之间循环流动，同 4 气体管路渣体管路 卜二氧化碳气瓶2 一恒温槽3 一水泵4 一高位槽5 一模拟盒 6 一气体流量计7 一液体流量计8 一调节阀9 一溢流管路 图2 7 气一液传质模拟装置示意图 时手动调节阀门8 ，同时观察气体流量计7 的示数，达到实验要求值后停止调节， 稳定液体流速。完成上述准备工作之后，流动的气体和液体通过传质模拟盒5 ， 即建立了实验要求的气液两相流动传质模型。 气一液流动传质模拟盒示意图见图2 8 ，气体和液体分别通过左侧的入口进 入，在前隔板和后隔板之间的连通区域a b 发生气液传质过程，最后通过右侧的出 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 口分别流出。 气体入口 穰体入口 e 互 ：薯 l 长 l k 一一一一一一一一一一一一一一，j 图2 - - 8 气一液传质模拟盒示意图 2 2 3 图像采集处理系统 图像采集处理系统结构见图2 9 ，d q c c d 摄像机、图像采集卡、计算机三部 分组成。 图2 9 图像采集处理系统结构图 c c d 分线阵c c d 和面阵c c d 两种，线阵c c d 采取逐行扫描方式会增加数据量，最 好采用f p g a 等硬件进行处理；面阵c c d 可以对视场范围内的图像迅速成像，继而 由图像采集卡转换成为数字图像进行后续处理。对于本课题来讲，拍摄对象是全 息干涉条纹，因而选用面阵c c d 。c c d 的选择主要应该考虑：像元数、分辨率及光 路系统参数。结合本课题的实际情况，选用了台湾敏通( m i n t r o n ) 公司生产的 m t v - 1 8 8 1 e x 型的c c d 黑白摄像机( 见图2 1 0 ) ，此c c d 摄像机具有低照度，较 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 图2 1 0 敏通( m i n t r o h ) m t v 一1 8 8 1 e x 型c c d 黑白摄像机 高的灵敏度，分辨率可达6 0 0 t v l ，所以被广泛采用，其主要技术参数如下： 1 影像传感器：1 2 英寸； 2 c c d 总像素：7 9 5 ( 水平) x5 9 6 ( 垂直) ( c c i r 制式) 8 1 1 ( 水平) x5 0 8 ( 垂 直) ( e i a 制式) ； 3 扫描系统：6 2 5 线，5 0 场秒( c c i r 制式) 5 2 5 线，6 0 场，秒n 制式) ； 4 同步系统：内同步复合外同步； 5 最低照度：0 0 2l u x ( f 1 2 ，5 6 0 0 。1 0 ； 6 水平清晰度：6 0 0 线： 7 增益控制模式：自动增益控$ i ( o n o f f 可切换) ； 8 信噪比：优于4 8 d b ； 9 电子快f - j ：1 5 0 ( c c t r $ 0 式) 6 0 ( e i a s j j 式) ，1 1 1 2 5 ，1 2 5 0 ，1 5 0 0 ，1 1 0 0 0 ， 1 2 0 0 0 ，1 4 0 0 0 ，1 1 0 0 0 0 秒； l o 自动光圈：视频驱动； “视频输出：复合式影像信号输出，1 o v p - pa t7 5 0 h m ； 1 2 伽玛修正：0 4 5 ； 1 3 工作环境温度：2 0 到+ 5 0 ； 1 4 工作环境湿度：8 5 r h 以下； 1 5 电源：直流1 2 伏士l 伏。 图像采集卡选用的是北京嘉恒中自图像技术有限公司的o km 1 0 b 型图像采 集卡对全息干涉图像进行实时采集。o k 是基于 总线的标准视频黑白图_ m 1 0 b p c i 像采集卡，是o k 系列的二代产品，是o km 1 0 l 的升级型。0 km i o b 是一款专 业级的黑白采集卡，它采用了多项先进技术，高带宽输入，数字抗混叠、滤波等， 使此卡的性能i ： ：o k _ m 1 0 l 有了显著的提高。o km 1 0 b 适用于工业检测、科学图 像处理及医疗影像( 如x 光机、黑白b 超) 等研究开发领域的高质量图像采集卡。 具体参数如下： 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 1 视频输入可为p a l 或n t s c 等标准视频信号； 2 三路视频输入软件切换选择： 3 8 位高精度高信噪比m d ，宽范围亮度对比度软件调节； 4 输入的视频幅度可适应0 2 v - 3 v 峰峰，零点调整可适应1 5 v 变化范围； 5 点阵扰动( p i x e lj i t t e r ) 小于2 n s 6 图像采集采用高效总线分享技术，提高c p u 并行处理能力； 7 可自动测量行场视频特性； 8 可直接采集格式为8 位、2 4 位、3 2 位； 9 采集点阵行方向连续可调，最大点频2 5 m ； 1 0 图像上下、左右镜像采集； 1 1 高带宽输入，数字抗混迭滤波技术，图像水平分辨达8 0 0 线： 1 2 具有输入查找表； 1 3 可采集单场，单帧，连续帧，精确到场； 1 4 外触发信号输入( 1 v r l 低电平) ，外触发( 低电平沿) 硬件采集控制。 用c c d 摄像机记录含有物系浓度变化信息的全息干涉条纹，通过图像采集卡 将c c d 所得图像采集并存储到计算机中，最后由测定系统软件进行处理，计算得 出传质过程浓度、折射率、扩散系数、传质系数值。 2 3 实验方法 本实验采用实时全息干涉法，对于液一液传质模拟盒中的两种溶液密度差要 足够小，因为过大的密度差引起的对流传质将会带来很大的误差，甚至得不到干 涉条纹；而气一液传质模拟盒中应保持气体和液体流速稳定，否则条纹会比较乱， 无法判读条纹来计算浓度：由于折射率对于温度的影响比较敏感，因此要通过恒 温系统保持传质模拟盒内溶液温度恒定，本次实验在恒温2 5o c 的条件下进行； 同时要保持系统光路和电压的稳定，尽量避免震动。具体实验步骤如下： 1 调整激光全息干涉光路，使得物光与参考光严格满足下列要求： a 扩束前的物光和参考光在全息干板上会聚于一点，且两激光束平行于 防震台； b 物光和参考光光程相等，偏振方向一致且夹角约为3 0 。； c 调节两束光在全息干板处的光强比约为1 ：1 ； 2 对于液一液传质系统，首先用注射器慢慢注入两种液体，将密度较小的 溶液慢慢通过毛细管从容器底部注入，而后静止几分钟，再将密度较大 的溶液慢慢通过毛细管从容器底部注入，慢慢拖起轻液体，静置以消除 第二章基于图像处理的传质过程测定原理 震动，这样操作的目的是为了减小两种液体加入时所带来的湍流和返混； 对于气一液传质系统，打开液体和气体控制开关，根据流量计的读数将 流速控制在实验预先给定的数值，保持流速的稳定； 3 放入曝光定时器并调至曝光状态，关闭光路。尽量减少室内光线照射强 度，造成暗室效果，准备全息照相； 4 将全息干板放入干板盒中浸泡1 5 分钟，使干板药膜充分润湿并消除震动： 5 曝光1 2 秒： 6 对全息干板进行显影及定影处理； 7 调节曝光定时器至调试状态，打开光路，增大参考光光强，使干涉条纹 明暗对比度达到最大； 8 微调物光路中的扩束镜，使毛玻璃接收屏上出现间距合适的竖直干涉条 纹： 9 调整好c c d 摄像机的位置，进行实时全息干涉条纹变化的记录和采集。 随着界面两侧的浓度发生变化，折射率也随之发生变化，干涉条纹发生 偏移，形成反映传质过程浓度场变化的全息干涉条纹，如图2 - 1 1 所示； 豳2 ll 液相扩散的全息十涉条纹图 1 0 通过测定系统软件对传质过程全息干涉图像进行数字化处理，计算 得出传质过程各项实验数据。 2 4 本章小结 本章首先介绍了全息干涉技术的基本原理以及将其应用于测定传质过程的 理论依据，然后介绍了基于图像处理技术的传质过程测定系统的结构，分别介绍 了激光全息干涉系统、液一液和气液传质模拟装置以及图像采集处理系统中的 c c d 摄像机和图像采集卡，最后介绍了本系统的实验方法和实验条件。 第三章传质过程全息干涉图像的分析和处理 第三章传质过程全息干涉图像的分析与处理 数字图像处理技术的应用使得原本繁琐的全息干涉图像判读过程简单化，智 能化，极大地节省了处理数据的时间，提高了测定结果的精度。全息干涉图像处 理包括预处理和特征提取：图像预处理包括平滑滤波去噪、二值化等；图像的特 征提取包括条纹中心线跟踪和偏移量计算等。本章将着重介绍全息干涉图像的处 理过程，首先阐述预处理全息干涉图像的必要性，然后介绍适用的平滑滤波和二 值化算法并进行处理效果的对比，最后介绍特征提取部分。 3 1 预处理全息干涉图像 3 。1 1 全息干涉图像预处理的必要性 激光实时全息干涉图像经过采集、传输、显示、存储等处理之后不可避免地 要存在许多种噪声： 全息成像过程的干扰噪声； 光电转换过程引起的光电子噪声； c c d 的暗电流噪声： 传输通道的干扰噪声； 光学系统，它有一个准高斯响应，其最大值处于光轴中心，在两端指数地 衰减，由此引起的光照的不均匀性。 这些噪声致使采集到计算机的图像质量下降。为了改善图像的质量，必须进 行图像的预处理。图像预处理的方法有很多，例如空域变换增前。空域滤波增强、 频域增强等。在本文中，我们根据全息激光干涉图像的质量和图像处理的要求选 择空域滤波增强，对图像进行图像平滑，具体的方法是对图像进行高斯平滑滤波 和中值滤波处理。 3 1 2 平滑滤波全息干涉图像 图像的平滑滤波算法有很多种，比较典型的算法就是高斯滤波和中值平滑滤 波【l l 。 ( 一) 高斯滤波器是一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波 器。高斯平滑滤波器对去除服从正态分布的噪声是很有效的。一维零均值商斯函 第三章传质过程全息干涉图像的分析和处理 数为： g ( j ) = e 2 a 2 ( 3 1 ) 其中，高斯分布参数