基于圖像處理測(cè)量原油乳狀液直徑的方法

張紅巖 李曉平 彭 明 趙文鋒

1.中國(guó)石化魯寧輸油處 臨邑輸油首站 （山東 臨邑 251500）

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 102249）

3.中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司 （山東 青島 266400）

4.中國(guó)石油冀東油田分公司 油氣集輸公司 （河北 唐山 063200）

基于圖像處理測(cè)量原油乳狀液直徑的方法

張紅巖1李曉平2彭 明3趙文鋒4

1.中國(guó)石化魯寧輸油處 臨邑輸油首站 （山東 臨邑 251500）

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 102249）

3.中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司 （山東 青島 266400）

4.中國(guó)石油冀東油田分公司 油氣集輸公司 （河北 唐山 063200）

原油-水乳狀液在石油工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，乳狀液的穩(wěn)定性和黏度是乳狀液的重要性質(zhì)，而乳狀液液滴的直徑是其穩(wěn)定性和黏度的重要影響因素，因此有必要對(duì)液滴直徑進(jìn)行測(cè)量。介紹了一種基于計(jì)算機(jī)圖像處理測(cè)量乳狀液液滴直徑的方法。利用光學(xué)顯微鏡攝像、計(jì)算機(jī)圖像采集、圖像處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)乳狀液液滴直徑的測(cè)量。這種方法具有高精度，高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

乳狀液 圖像處理 模糊聚類 液滴直徑

1 引 言

多相流是管道輸送過程中的普遍現(xiàn)象之一，油水兩相流的研究在多相流研究中占有非常重要的地位。要研究油水兩相流，乳狀液的性質(zhì)十分關(guān)鍵，而乳狀液液滴直徑是個(gè)非常重要的參數(shù)[1-4]。因此，乳狀液液滴直徑的測(cè)量就十分必要了。目前乳狀液直徑的測(cè)量方法有間接測(cè)量法和直接測(cè)量法。間接法[5]用分散穩(wěn)定性分析儀，通過相厚度隨時(shí)間的變化，確定粒子移動(dòng)速度，從而計(jì)算出粒子的平均直徑。直接測(cè)量法最常見的方法是先用電子顯微鏡拍攝得到原油乳狀液的圖片，再運(yùn)用相關(guān)工具對(duì)圖片進(jìn)行處理，繼而測(cè)量出液滴的平均直徑。目前實(shí)驗(yàn)室有一種通過處理圖片測(cè)量原油乳狀液液滴直徑的辦法，它是通過手動(dòng)方法在圖片中畫出每一個(gè)液滴的直徑，最后進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，得出液滴的平均直徑。但液滴大小不一、數(shù)目繁多，邊緣也不明了，因此誤差較大。于是引入圖像處理方法，根據(jù)圖片中乳狀液與連續(xù)相灰度值的不同進(jìn)行處理，精度高，處理速度快，很好地解決了這一缺點(diǎn)。

2 理論分析

根據(jù)所得圖片各像素點(diǎn)像素的不同，可得到各像素點(diǎn)的灰度值。乳狀液液滴的像素點(diǎn)與連續(xù)相像素點(diǎn)由于組成成分等的不同，灰度值有比較明顯的差異（圖1、圖2所示）。因此，可以利用計(jì)算機(jī)根據(jù)灰度值的不同大致將乳狀液從連續(xù)相中分割出來。但由于乳狀液與連續(xù)相交界處并沒有一個(gè)截然區(qū)別的界限，分割所依據(jù)的灰度值的變化也具有一定的連續(xù)性（圖2），因此還需將模糊數(shù)學(xué)引入到分割（聚類分析）中，即采用模糊聚類[6,7]的方法進(jìn)行乳狀液液滴的分割識(shí)別。所謂模糊聚類就是界限模糊的聚類分析，模糊聚類將數(shù)據(jù)集X分為若干個(gè)模糊集合，記為Si(i=1,2,..,c)。樣本Xi屬于哪一個(gè)子集用表述從屬程度的隸屬函數(shù)μs表示:

模糊聚類的優(yōu)點(diǎn)是不但能明確指出每一類的中心，同時(shí)還能指明類的外圍，以及不同類之間的銜接和離散的情況。

乳狀液液滴分割完成后根據(jù)邊緣檢測(cè)的原理統(tǒng)計(jì)其個(gè)數(shù)，再結(jié)合油滴總的面積計(jì)算出乳狀液液滴的平均直徑。

3 具體實(shí)例

本實(shí)例所介紹的測(cè)量乳狀液液滴直徑的圖像處理軟件是在Delphi環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)的。具體步驟如下：

3.1 打開圖片與格式轉(zhuǎn)換[8,9]

要對(duì)電子顯微鏡拍攝下來的原油乳狀液圖片進(jìn)行處理，首先在軟件上將其打開（如圖2左邊圖像）。為了便于位圖處理,在圖像處理時(shí)如拍攝的圖片不是BMP格式，應(yīng)該首先將其轉(zhuǎn)換為BMP格式圖片。

3.2 灰度化

從圖2左邊圖中不難看出，發(fā)亮的是液滴，深色的是原油。由于區(qū)分液滴與原油最明顯的一個(gè)特征是圖像亮度，所以可以根據(jù)YUV顏色空間與RGB空間的關(guān)系，將原圖像灰度化來處理。

根據(jù)YUV的顏色空間，Y分量的物理含義就是亮度，它含了灰度圖的所有信息，只用Y分量就完全能夠表示出一幅灰度圖來。YUV和RGB之間有著如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

利用式（2），可以求出：

根據(jù)R、G、B的值求出Y值后，將R、G、B值都賦值成Y，就能表示出灰度圖來，這就是24位真彩色圖轉(zhuǎn)灰度圖的原理。

3.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在進(jìn)行二值化和計(jì)算乳狀液平均直徑計(jì)算時(shí)，還要用到隸屬度和顯微鏡下觀察流體的實(shí)際面積進(jìn)行計(jì)算。因此需要提前將數(shù)據(jù)輸入到面板的相應(yīng)的編輯框內(nèi)。

3.4 二值化[8-11]

在對(duì)圖片進(jìn)行了灰度化后，由于邊緣處灰度值連續(xù)而且相差不是特別大，計(jì)算機(jī)還不能直接 “數(shù)出”液滴的直徑。因此，還需要進(jìn)行二值化處理。進(jìn)行二值化處理，得到二值圖像還有其他一些好處，圖像的幾何性質(zhì)只與0和1的位置有關(guān)，不再涉及到像素的灰度值，使處理變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)的壓縮量很大。

從灰度圖中可以看出，液滴的灰度并不一致，很難明確判斷各個(gè)像素點(diǎn)是否屬于液滴，特別是邊緣區(qū)比較模糊。因而采用模糊聚類的方法進(jìn)行二值化處理。指定一個(gè)液滴的灰度，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)，設(shè)定一個(gè)隸屬度 （通過比較液滴中心與液滴邊緣區(qū)的灰度值，得出這個(gè)隸屬度大概為0.7；當(dāng)然也可以根據(jù)圖2所示的灰度分布估計(jì)出隸屬度大概為0.7）即一個(gè)閾值，求出每一個(gè)像素點(diǎn)的隸屬度值，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較 ，大于此閾值的像素點(diǎn)屬于液滴（設(shè)為1），小于此閾值的像素點(diǎn)不屬于液滴 （設(shè)為0）。將值為1的像素點(diǎn)的R、G、B值都設(shè)為255（即白色），值為0的像素點(diǎn)的R、G、B值都設(shè)為0（即黑色），于是得到原油乳狀液圖片經(jīng)過模糊聚類過的二值化圖像（圖3）。

圖3 的乳狀液的二值化圖片

3.5 計(jì)算乳狀液液滴的個(gè)數(shù)[8,10,11]及平均直徑

圖片中液滴的數(shù)目很多，大小不一，且每個(gè)液滴不是規(guī)則的圓。我們要求的是液滴的平均直徑，可以通過求出液滴的平均面積的方法來求直徑。求液滴的平均面積，需要兩個(gè)條件：液滴的總面積和液滴數(shù)目。

由于0，1矩陣中值為1的像素點(diǎn)屬于液滴，值為0的像素點(diǎn)不屬于液滴，所以求出值為1的像素點(diǎn)的總個(gè)數(shù)M即為液滴的像素點(diǎn)數(shù),便可得出液滴的總面積：

式中：Area為圖片實(shí)際面積；M*為圖片總像素點(diǎn)數(shù)。

乳狀液液滴平均直徑d為：

軟件計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)論

圖4 軟件計(jì)算結(jié)果

本軟件通過對(duì)顯微鏡下拍攝的乳狀液圖片進(jìn)行處理測(cè)量出乳狀液平均直徑。處理過程如下：將圖片進(jìn)行灰度化處理，然后用聚類模糊的方法進(jìn)行二值化處理，最后進(jìn)行邊緣檢測(cè)計(jì)算乳狀液液滴個(gè)數(shù)并計(jì)算乳狀液液滴平均直徑。此軟件可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量出乳狀液直徑，解決實(shí)驗(yàn)室測(cè)量乳狀液直徑測(cè)量中手算的缺陷，并有一定的應(yīng)用前景。但處理清晰度不高的圖片和乳狀液液滴較小的圖片還不夠準(zhǔn)確，在這方面還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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Crude oil-water emulsion is widely used in the oil industry.Its stability and viscosity are important properties of emulsion, and the diameter of emulsion droplet is the important influencing factors for its stability and viscosity,so it is necessary to measure the diameter of emulsion droplet.The method on measuring the diameter of emulsion droplets is presented in the paper,which is based on the computer image processing.The measurement of emulsion droplet diameter can be completed by using the optical microscope to get emulsion image,the computer to do image acquisition and image processing.This method has advantages of high-precision and high-resolution.

emulsion;image processing;fuzzy clustering;droplet diameter

張紅巖（1970-），女，主要從事輸油生產(chǎn)工作。

黃永場(chǎng)

2011-10-08