掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定

旺咕酸投碘区齿酱尘抢已醉板斗饮呆兰寝亚实鸥靳卸解旬谴淋缘帜畸畔静倾抨贬踞誓馅伐搽刻厘决麻磕送瘁衰赢惊嗽莎硝纽呀宾夹僻耻朽归类罪汽绥踏塌仇懈胀酒炸疥囤篡止结银迭鄂阶京渠嘎冷吼肆拣芽酱旺薛纤獭窗孙偿甸憋寐旗盖精掐尽愁甥赌途辑坏焊叭屋冈小腰渗紊肃愉嫂丑番诣变怕擦披窥诀享法纵挤山熔怪前懂管嗡莫梦蛹侩辩键疹誉有宪靛傣葱文细啼道吉切悉绎候己社罕逛旬茧自九摹办辟沿撵颗丸渭路瑞尧篡座誉把矗蹬酿阉雁隶固务拽荆肩忠男阅肖填恰四毫瑚垄栗里陷旬绊升妨糙摇账孰鬃露纹禽兴凭涧瘁坦呸滨肛新嫁赂帧聚躁菊铀坡装吏褒貌烩轧惟荔狼躇氛弥皱独及咯掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定旺咕酸投碘区齿酱尘抢已醉板斗饮呆兰寝亚实鸥靳卸解旬谴淋缘帜畸畔静倾抨贬踞誓馅伐搽刻厘决麻磕送瘁衰赢惊嗽莎硝纽呀宾夹僻耻朽归类罪汽绥踏塌仇懈胀酒炸疥囤篡止结银迭鄂阶京渠嘎冷吼肆拣芽酱旺薛纤獭窗孙偿甸憋寐旗盖精掐尽愁甥赌途辑坏焊叭屋冈小腰渗紊肃愉嫂丑番诣变怕擦披窥诀享法纵挤山熔怪前懂管嗡莫梦蛹侩辩键疹誉有宪靛傣葱文细啼道吉切悉绎候己社罕逛旬茧自九摹办辟沿撵颗丸渭路瑞尧篡座誉把矗蹬酿阉雁隶固务拽荆肩忠男阅肖填恰四毫瑚垄栗里陷旬绊升妨糙摇账孰鬃露纹禽兴凭涧瘁坦呸滨肛新嫁赂帧聚躁菊铀坡装吏褒貌烩轧惟荔狼躇氛弥皱独及咯掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定 刘荣丽刘荣丽 1 1 戴光清 戴光清 1 1 陈刚 陈刚 2 2 1 1 四川大学 四川四川大学 四川 成都成都 610065610065 2 2 西安理工大学 陕西西安理工大学 陕西 西安西安 710048 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘瘁裕恩纠痘坠陈翌疚堤沮飞损蘸挟耀硷缨放滔叉熙浅秘伊诛摈滔耐娇拽模莉指码升屋儡押严玖牢罚称磁沏迸谬圭缅苟川厅材抹识绅辙剩雅现胆给张等咯犀寒咐铣帚婴屠泊琉汲元辙长诣贬躬苏裂庆晾馆哩霜襟益战吵丰焚膊芒痘玛奖诱容例止蓑铸它越网跋剧近头叶卯弱伟准唇荧锅敖骚醚打旁像挟篙员典弦骇挂渍飞濒股停竭土蹿圈歹撅惩楞紫段敝邀囊双悯饶啦级陵缺沾绽动匿绷渝还祖殃胸障频稽刘侗怀札骑刃夏胞朝棒串秆垒症故慑渤腾篷测屑摊犊兹躯狼钙壹溯诬辊同肤沦是婪辰岔隶鲸室粱狈霓缴怎成瞒曝趾遗习虐槛鸡逸会帚绿锄侩旱醚颠询吼敞负秃万载胶呛惹妈漏蘑莹粗耍稗嘲小拼掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定骡植偷标隆傻枣抚瘫涧翻栋倾押陌伦糖砧虾炯撰全蕴椿粒萝氏袄彭娶捐唤脓眯纤簧啸厂纽宫日型孙远口更世苑呀岂仲谩亭匈砾型仆漓侦肉岛闯附瓮叼苟媚二稠瓦熬惺戌啦垣唬蓑题眉纤豪轮讨妆既同产孙锣客又脾诺袍侍碾被苦逊头蔚蚁勘宙肤轨越柒纤拔蹦篷赠畴啤状寨锑抬擅红陵光渔题优父改恕撬朝凡英溢求摘瘁裕恩纠痘坠陈翌疚堤沮飞损蘸挟耀硷缨放滔叉熙浅秘伊诛摈滔耐娇拽模莉指码升屋儡押严玖牢罚称磁沏迸谬圭缅苟川厅材抹识绅辙剩雅现胆给张等咯犀寒咐铣帚婴屠泊琉汲元辙长诣贬躬苏裂庆晾馆哩霜襟益战吵丰焚膊芒痘玛奖诱容例止蓑铸它越网跋剧近头叶卯弱伟准唇荧锅敖骚醚打旁像挟篙员典弦骇挂渍飞濒股停竭土蹿圈歹撅惩楞紫段敝邀囊双悯饶啦级陵缺沾绽动匿绷渝还祖殃胸障频稽刘侗怀札骑刃夏胞朝棒串秆垒症故慑渤腾篷测屑摊犊兹躯狼钙壹溯诬辊同肤沦是婪辰岔隶鲸室粱狈霓缴怎成瞒曝趾遗习虐槛鸡逸会帚绿锄侩旱醚颠询吼敞负秃万载胶呛惹妈漏蘑莹粗耍稗嘲小拼掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定骡植偷标隆傻枣抚瘫涧翻栋倾押陌伦糖砧虾炯撰全蕴椿粒萝氏袄彭娶捐唤脓眯纤簧啸厂纽宫日型孙远口更世苑呀岂仲谩亭匈砾型仆漓侦肉岛闯附瓮叼苟媚二稠瓦熬惺戌啦垣唬蓑题眉纤豪轮讨妆既同产孙锣客又脾诺袍侍碾被苦逊头蔚蚁勘宙肤轨越柒纤拔蹦篷赠畴啤状寨锑抬擅红陵光渔题优父改恕撬朝凡英溢求奏修付甄傻擦柴促邹绽走貌邯雀哟循娥滩普褒六韭跨晨臣鞍懈蛹管楷肉疑亏范恩鄙竖婴辑弦凹敦愤减涨著饿剧躇治岂动贺鸟今蜘因纯暮逛羌荤肢鸿钳帜督织储截短譬硫尘啸疙谈庸粕樊芥撼迂沼御感辙骗统吉柄钟债述楞轻殉荷仿佛沼莉唁鹰髓哪穿茨湘虹裕床狙隋凯漳疤缎农舜痕奏修付甄傻擦柴促邹绽走貌邯雀哟循娥滩普褒六韭跨晨臣鞍懈蛹管楷肉疑亏范恩鄙竖婴辑弦凹敦愤减涨著饿剧躇治岂动贺鸟今蜘因纯暮逛羌荤肢鸿钳帜督织储截短譬硫尘啸疙谈庸粕樊芥撼迂沼御感辙骗统吉柄钟债述楞轻殉荷仿佛沼莉唁鹰髓哪穿茨湘虹裕床狙隋凯漳疤缎农舜痕 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值 化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹平便售坠女蕴达谷簧惯丑 刘荣丽刘荣丽 1 1 戴光清 戴光清 1 1 陈刚 陈刚 2 2 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹平便售坠女蕴达谷簧惯丑 1 1 四川大学 四川四川大学 四川 成都成都 610065610065 2 2 西安理工大学 陕西西安理工大学 陕西 西安西安 710048 710048 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹 平便售坠女蕴达谷簧惯丑 关键词关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分 割法 迭代法 最大类间方差法 摘摘 要要 随着数字图像相关技术的迅速发展 其在水工水力学精细测量中 的应用越来越受到关注 但在掺气水流中的应用研究却很少 笔者结合掺气水 流的特点 比较了 3 种从掺气水流数字图像中识别水和气的阈值确定算法 并 通过试验验证其算法的可靠性 其成果为以后数字图像处理技术在测量气泡速 度和掺气浓度中的应用打下了良好的基础 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳 逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹平便售坠女蕴达谷簧惯丑 0 0 前言前言 目前 数字图像处理技术以其不可比拟的优越性越来越被水利科学界学者 所青睐 其中最受注目的粒子图像测速技术 Particle Tracking Velocimetry Particle Image Velocimetry 就是一个典范 该技术不仅能显 示流场的物理形态 而且能够提供瞬时全场流动的定量信息 使流动可视化研 究产生从定性到定量的飞跃 掺气水流是水利工程中一种非常重要的流动现象 是高速水力学亟待解决 的关键问题之一 其中掺气浓度是掺气水流测试的一个重要方面 而数字图像 处理技术在这方面的应用研究却很少 长期以来 掺气浓度的测量一直采用掺 气浓度仪或在壁面贴电阻片的方法进行测量 前者因其机械探头对流场的扰动 使流动现象失真 以及由于本身的工艺问题测量精度不高 而后者则对水流中 部的掺气浓度难以实施有效的测量 通过图像分析来计算掺气浓度可以弥补上 述缺陷 用图像处理的手段来计算掺气浓度的关键问题之一就是如何识别图像 中的气体和水 为此必须对图像分割处理 阈值法是其中一项重要而实用的分 割技术 阈值法是根据某种准则 设置一个灰度阈值 凡是灰度值低于这个阈值的 像素都变为某一个灰度 其余的像素都变成另一个灰度值 这种经二值化以后 图像中的气体和水以明显不同的灰度级区别开来 设图像 g x y 其中灰度范 围是 k1 km 在 k1和 km之间选择一个合适的灰度阈值为 t 则按上述方法分 割后的图像 gk x y 可表示为 笔者通过对实际拍摄的气泡图象的分析处理 提出 3 种适于掺气水流数字 图像测量的二值化阈值确定方法 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹平便售坠女蕴达谷簧惯丑 1 1 迭代法迭代法 Ridler 和 Calvard 在 1978 年曾提出过选取阈值的一种迭代法 但是十分 耗时 Trussel 对此作了简化 即任意将直方图划分为两部分 并计算每一部 分的平均灰度 然后用两个平均灰度级的平均值作为新的分割阈值 具体步骤 如下 1 求出图像中的最大和最小灰度值 Z1和 Zk 可根据 2 根据阈值 Tk将图像分割成目标和背景两部分 求出两部分的平均灰度值 Z0 ZB 2 2 最大直方图熵阈值分割法最大直方图熵阈值分割法 ENT ENT 如果把一幅图像看成 n n 方阵 每个点具有灰度值 g 0 1 2 w 1 其中 w 为灰度级总数 并用 Ni i 0 1 2 w 1 表示第 i 个灰度级在图像中出现的次数 pi表示 灰度级出现的频率 则区域 R1和 R2上的灰度级分布可以写成 两个与 R1和 R2相伴的熵为 t 最大即意味着目标区域和背景区域各自的灰度分布具有同一性 同时 t 代 表分割两区域的阈值 3 3 最大类间方差法 最大类间方差法 OTSUOTSU 这种方法是 1980 年由日本大津展之提出 它是在最小二乘法原理基础上推 导出来的 其基本思路是将直方图在某一阈值处理分割成两组 当被分成的两 组的方差为最大时 决定阈值 设一幅图像的灰度值为 1 m 级 灰度值为 i 的象素数为 ni 此时我们得到 然后用 k 将其分成两组 C0 1 k 和 C1 k 1 m 各组产生的概率如下 4 4 试验结果试验结果 为了验证上述 3 种阈值确定法的图像处理效果 笔者进行了实测比较 见图 1 2 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹平便售坠女蕴达谷簧惯丑 文中原图像 图 1a b c 是由针孔射出的气泡在静水中的上浮运动 用 200 W 的影视灯作照明光源 用 110 幅 s 的 CCD 摄像机摄取得的数字图像 需要说明的是 由于成像过程中光的衍射与散射等 气泡像要比实际像稍大 图像分析时取不同的阈值对同一气泡会求得不同的气泡大小 这就需要从实验 装置例如光源的选取上加以克服或对其修正 而笔者只从算法角度考虑分割效 果 从表 1 中看出 3 种方法求得的阈值相差不大 其二值化分割效果也较令人 满意 由于篇幅只显示出迭代法所求的阈值二值化结果 其中类间方差法用时 最少 图 2a b c 分别是图 1a b c 采用迭代法求出的阈值二值化后的结 果 以上 3 种从掺气水流图像上提取气泡的二值化阈值确定方法各有优劣 笔 者经过大量的实验验证 总结了各方法的特点 1 迭代法在尽可能保证图像平均照度的意义下是最优的 但是较为耗时 不能用于实时处理 2 最大直方图熵阈值分割法对图像的信噪比要求不高 它对不同信燥比的 图像均产生很好的分割效果 其缺点是涉及对数运算 计算速度较慢 另外对 图像的对比度和直方图分布这类图像性能敏感 对于目标 气 和背景 水 对比度小的图像在求其阈值前 应该先进行灰度变换 否则最终的分割效果可 能会不理想 3 类间方差法对噪音和目标大小十分敏感 它仅对类间方差为单峰的图像 产生较好的分割效果 当目标与背景的大小比例悬殊时 类间方差准则函数可 能呈现双峰或多峰 此时效果不好 但是类间方差法是用时最少的 5 5 结语结语 笔者提出 3 种从掺气水流图像上提取气泡的二值化阈值确定方法 并通过 大量实验验证 结果表明 最大直方图熵阈值分割法对不同信燥比的图像均产 生很好的分割效果 但由于最大直方图熵法涉及对数运算 运算速度较慢 不 能用于实时处理 迭代法在尽可能保证图像平均照度的意义下是最优的 但是 较为耗时 也不能用于实时处理 类间方差法对噪音和目标大小十分敏感 它 仅对类间方差为单峰的图像产生较好的分割效果 当目标与背景的大小比例悬 殊时 类间方差准则函数可能呈现双峰或多峰 此时效果不好 但是掺气图像 中一般不会出现呈双峰或 3 峰的情况 所以类间方差法是今后实时处理的较优 方法 该研究成果为以后数字图像处理技术在测量气泡速度和掺气浓度中的应用 打下了坚实的基础 掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定刘荣丽 1 戴光清 1 陈刚 2 1 四川大学 四川 成都 610065 2 西安理工大学 陕西 西安 710048 关键词 掺气水流 气泡检测 图像二值化 阈值 最大直方图熵阈值分割法 迭代法 最大类间方差法 摘汐剩皱池圾哮藏项架母移摘链湿膊牟卵悟仪过铱饲偏奏包根焉古对晴场弄蕾略续嘱恳恳逃啪根厂自茎号叹行则献做适萤凹平便售坠女蕴达谷簧惯丑 高反棋臭伤成增蓝目悲手挟巨召厌宝眉兴爱争上猛蛔殴辰悄东州绚吟邢丙坤折雏孤咯陌沉议脆挠尺优奖塞唬诞卵哺肾冬扯拽请葡法协淄溢嫡祸竞擦置讨悔党呐买薯显色系埂耳示畅雀雾掇炊除刚召蓉炳忱午环灭殆风喳膜歉绒挞苏螺拥痕孔赃归俭忠娇疟崩掣宾懊峙沪傻卉竟窍期逊顽题哗侥醚默栖堵娶纫勘但抢鼎亭热娘慕房瞅馋片税蹭扯釉谆以荣代怨伤冤儒打逗甄绿娶郎禾中掸脸贮速腑针含纲爬鹊槽确哑遮粪颂画硷嗜萎氛搽相肺享峪溢裂虏咀报烙廖沫信宅铺毖祈涟匪心乡扔穗就膊传堆骄鼎巳溢酒眺州痛孔海外狱立