空間蒸發(fā)液滴圖像處理軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

馮艷輝 ，于 強

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學 北京 100049）

空間蒸發(fā)液滴圖像處理軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

馮艷輝1，2，于 強1

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學 北京 100049）

空間蒸發(fā)液滴圖像處理軟件是為研究空間液滴特性而設(shè)計開發(fā)的，它是實踐十號科學衛(wèi)星上蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實驗的重要數(shù)據(jù)處理平臺。本軟件采用邊緣檢測技術(shù)和輪廓擬合方法對液滴圖像進行分析處理，以獲取液滴的各項幾何特性；采用MYSQL數(shù)據(jù)庫和CSV文件對數(shù)據(jù)進行存儲，方便數(shù)據(jù)的使用。實驗結(jié)果表明，該軟件獲得的液滴幾何特性誤差范圍能夠控制在5%以內(nèi)，每張圖片的處理時間能夠控制在1 s之內(nèi)。

圖像處理；液滴幾何特性；邊緣檢測；輪廓擬合

蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)是當前國際微重力流體物理研究的熱點[1-4]，我國研究工作者通過與國外研究機構(gòu)合作，在落塔和失重飛機上進行了相關(guān)實驗[5-6]。但由于條件的限制，無法長時間觀察微重力環(huán)境下的液滴蒸發(fā)特性。為開展進一步相關(guān)研究，在我國實踐十號科學衛(wèi)星上搭載了蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實驗平臺，它主要研究微重力條件下的蒸發(fā)相變流體界面過程[7]。該實驗中的液滴狀態(tài)變化是由CCD照相機進行記錄的，所以在進行數(shù)據(jù)分析時需要對液滴圖像進行處理，獲取液滴的幾何特性。

文中所實現(xiàn)的空間蒸發(fā)液滴圖像處理軟件是基于QtCreator編程實現(xiàn)的，可跨平臺使用。它能夠高效率的計算出液滴的各項幾何特性，能夠可視化的顯示液滴處理的動態(tài)過程和處理結(jié)果。在微重力環(huán)境下液滴蒸發(fā)特性的研究中，該軟件起到了重要的作用。

1 圖像處理軟件模塊設(shè)計

Qt Creator是一款跨平臺的C++集成開發(fā)環(huán)境，可在 Windows、Linux、MacOS 等桌面操作系統(tǒng)上運行[8]。本圖像處理軟件就是使用QtCreator平臺進行開發(fā)的，其開發(fā)代碼可以方便進行地平臺間的移植，提升了軟件平臺的適用性。該軟件從功能上主要分為文件處理、預處理、圖像處理、數(shù)據(jù)處理、批處理五個模塊，如圖1所示。

2 文件處理模塊

1）文件打開

圖1 圖像處理軟件的模塊設(shè)計

文件打開是將液滴圖片載入顯示區(qū)域。在文件打開對話框中，設(shè)置了文件過濾和文件路徑記憶選項，以便高效地選擇符合要求的圖片。其中，文件路徑記憶功能是通過QSetting類實現(xiàn)的，該類可以鍵-值對的形式讀寫INI文件中的路徑信息[9]。

2）文件保存和關(guān)閉

在進行圖像處理時，為方便觀察圖像的處理過程，確定圖像結(jié)果是否正確，使用者可以通過保存功能，保留當前圖像處理狀態(tài)，以便后續(xù)觀察。程序設(shè)計中，作者使用ImgType枚舉類型儲存圖像的中間狀態(tài)，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 圖像當前處理狀態(tài)的記錄

文件關(guān)閉是關(guān)閉當前文件的顯示區(qū)。當進行文件關(guān)閉操作時，如果圖像處理狀態(tài)不是FINA，則提醒用戶是否放棄處理當前圖像；否則，關(guān)閉圖片顯示區(qū)，釋放資源。

3 預處理模塊

1）參數(shù)設(shè)置

在對液滴進行幾何特性的計算時，需要首先設(shè)置基座高度、圖像比例尺以及幾何特性文件路徑。在本軟件中，參數(shù)設(shè)置的交互方式為模式對話框，參數(shù)狀態(tài)以鍵-值對的方式存儲，通過QSetting類進行讀取和保存。

2）區(qū)域選擇

由于實驗環(huán)境并不總是處于理想狀態(tài)下，獲取的液滴圖像會伴有明顯的邊緣噪聲[10]，此時可以通過圖像截取的方式，選擇合適的目標區(qū)域，消除邊緣噪聲干擾。區(qū)域選擇的處理邏輯如圖2所示。

圖2 區(qū)域選擇功能的處理邏輯

4 圖像處理模塊

1）灰度化和二值化

原始液滴圖像為RGB三通道彩色圖像，而復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不利于圖像處理操作。本軟件中首先將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后進行二值化操作，這樣圖像數(shù)據(jù)由三通道降為單通道，方便了數(shù)據(jù)的讀取和修改操作。

2）邊緣檢測

邊緣檢測是圖像處理領(lǐng)域中最經(jīng)典的研究內(nèi)容之一，為人們解釋圖像提供了一個重要的特征參數(shù)[11]。這里使用邊緣檢測技術(shù)獲取液滴的輪廓信息，并將液滴輪廓顯示在軟件的繪圖區(qū)。本軟件中使用的邊緣檢測算子為Canny算子，該檢測算子具有良好的抗噪能力，能夠獲得較細的邊緣[12]，在工程實踐中被大量使用。

3）輪廓擬合

由邊緣檢測得到的液滴輪廓具有較大的數(shù)據(jù)量，并伴有一定的冗余信息，這里通過對獲取的液滴輪廓進行稀疏提取來降低數(shù)據(jù)量，消除冗余信息。稀疏提取的步驟包括：

①獲取液滴輪廓的最大行序號maxr，并設(shè)置當前的行序號為r=maxr；

②獲取第r行最左、最右的列序號lc、rc，則該行的輪廓坐標為（lc，r）、（rc，r）；

③令r=r+1，判斷r值是否越界。如果越界則稀疏提取結(jié)束，否則回到步驟②，繼續(xù)執(zhí)行。

輪廓的稀疏提取結(jié)束后，根據(jù)獲取的輪廓數(shù)據(jù)進行輪廓擬合，輪廓擬合采取基于表面張力方程的尋優(yōu)迭代方法。

5 數(shù)據(jù)處理模塊

1）幾何特性計算

①表面積、體積、高度、接觸面半徑的計算

根據(jù)液滴的形狀，可以以縱坐標為分割點將液滴分割為數(shù)個圓臺。根據(jù)液滴輪廓曲線的特點，可令液滴的輪廓點為

②接觸角的計算

液滴的幾何特性如圖3所示[13]，以液滴的頂點為坐標原點O，以該點切線為軸，切線垂線為軸分析液滴表面幾何特性。其中O1、O2為點P的曲率圓圓心，R1、R2為點P的曲率圓半徑，s1為點P到原點O的弧長，φ為該點切線和數(shù)據(jù)平面的偏轉(zhuǎn)角。

圖3 液滴的幾何特性

Young-Laplace方程經(jīng)推導后滿足

2）數(shù)據(jù)保存

計算得到的液滴幾何特性即為該軟件的測試結(jié)果。為了提高數(shù)據(jù)儲存的安全性，該軟件對測試結(jié)果進行了兩路存儲。

其中一路使用MYSQL數(shù)據(jù)庫進行存儲。MYSQL數(shù)據(jù)庫是一種開源數(shù)據(jù)庫，提供了C/C++，Java等多種編程語言的編程接口，支持源代碼的移植，能夠很好的實現(xiàn)程序的跨平臺使用。本次需要存儲的數(shù)據(jù)規(guī)模適中，MYSQL作為一種輕量化的數(shù)據(jù)庫，擁有較高的插入和查詢速度[16]，可以勝任此次數(shù)據(jù)存儲需求。

另外一路使用CSV（逗號分隔值）格式文件進行存儲。CSV格式文件包括兩種分隔符：逗號分隔符和換行分隔符。逗號分隔符是將字段/列分隔開，而換行分隔符是將記錄/行分隔開。需要注意的是除數(shù)值外，其他的數(shù)據(jù)必須放在引號內(nèi)。CSV文件作為一種結(jié)構(gòu)簡單的數(shù)據(jù)存儲的文本文件，方便程序的讀寫操作，而且該文件能夠以Excel形式打開，有利于用戶對科學數(shù)據(jù)進行二次處理。

6 批處理模塊

批處理模塊主要用于處理同一工況下的液滴圖像，它的處理邏輯如圖4所示。

圖4 批處理模塊的處理邏輯

其中預處理須知是指使用者在進行批處理操作時需要注意的事項，包括處理對象需為同一工況下的液滴圖像，圖像尺寸必須是相同的；批處理前需要首先進行參數(shù)設(shè)置。

7 實驗結(jié)果

1）誤差測量

為了測試軟件所計算的數(shù)據(jù)是否準確，本文使用標準球冠的最大縱向截面作為測試對象。根據(jù)球冠的表面積和體積公式可求出不同圓心角所對應(yīng)的球冠的幾何特性。在測試中，選擇了半徑300，圓心角分別為130度、140度、150度、160度、170度的球冠進行測量，測量誤差如表2所示。

表2 軟件的測量誤差

由表2的測量結(jié)果可以看出，該軟件對液滴圖像的測量誤差均能夠控制在5%范圍之內(nèi)，能夠滿足數(shù)據(jù)使用的要求。

2）實驗數(shù)據(jù)圖像

此處，選擇同一工況下的一組液滴圖像進行批處理，得到液滴的體積變化如圖5所示。

圖5 液滴表面積隨時間的變化

在圖5中，AB段為注滴過程，體積和表面積逐漸增加；BC段為液滴的飽和狀態(tài)，此時液滴在表面張力和重力的作用下體積和表面積達到了最大；CD段為液滴的蒸發(fā)過程，由該段的變化趨勢可以看出，液滴的蒸發(fā)過程是平穩(wěn)的。圖5曲線的變化過程符合液滴注滴和蒸發(fā)的特點，進一步驗證軟件測量結(jié)果的準確性。

8 結(jié) 論

該軟件使用QTCreator平臺進行編程，采用模塊化設(shè)計思想，具有良好的適用性和可靠性。該軟件已經(jīng)成功應(yīng)用在液滴圖像的分析處理中，實驗結(jié)果表明，該軟件能夠為研究者提供可靠的液滴數(shù)據(jù)，達到了設(shè)計要求。

[1]朱志強，紀巖，劉秋生，等.蒸發(fā)效應(yīng)與熱毛細對流耦合現(xiàn)象的實驗研究[J].空間科學學報，2008，28（1）:12-16.

[2]紀巖，劉秋生，朱志強.微重力環(huán)境下蒸發(fā)液層熱毛細對流的數(shù)值模擬[J].空間科學學報，2008，28（4）:350-355.

[3]孫鳳賢，王銀燕.輻射與對流耦合加熱下正十二烷液滴的蒸發(fā)特性[J].航空動力學報，2008（11）:2043-2048.

[4]劉榮，朱志強，劉秋生.蒸發(fā)液層對流穩(wěn)定性理論與實驗研究進展[J].力學進展，2007，37（2）:246-256.

[5]Zhu Z Q，Brutin D，Liu Q S，et al.Experimental Investigation of Pendant and Sessile Drops in Microgravity[J].Microgravity Science&Technology，2010，22（3）:339-345.

[6]Brutin D，Zhu Z Q，Rahli O，et al.Evaporation of Ethanol Dropson aHeated SubstrateUnder Microgravity Conditions[J].Microgravity Science&Technology，2010，22（3）:387-395.

[7]康琦，胡文瑞.微重力科學實驗衛(wèi)星——“實踐十號”[J].中國科學院院刊，2016，31（5）:574-580

[8]李文帆，劉志剛，伍文城，等.基于 Qt的電力系統(tǒng)地理接線圖繪制軟件設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（7）:72-76.

[9]布蘭切特.C++GUI Qt 4編程[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[10]劉秋生，解京昌，朱志強，等.搭載實踐十號衛(wèi)星的蒸發(fā)液滴空間實驗研究[J].力學與實踐，2016，38（2）:201-202.

[11]高朝陽，張?zhí)l(fā)，曲亞男.圖像邊緣檢測研究進展[J].科技導報，2010，28（20）:112-117.

[12]王智文.幾種邊緣檢測算子的性能比較研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（11）:14-16.

[13]Rotenberg Y，Boruvka L，Neumann A W.Determination of surface tension and contact angle from the shapes of axisymmetric fluid interfaces[J].Journal of Colloid&Interface Science，1983，93（1）:169-183.

[14]寧喬，朱志強，呂旭濤，等.圖像法求液滴表面張力和接觸角[J].空間科學學報，2008，28（1）:74-79.

[15]Qiang Y，Cai S，Zhu Z，et al.Droplet Image Feedback Control System in Evaporation Experiment[J].Microgravity-Science and Technology，2010，22（2）:139-144.

[16]施瓦茨，扎伊采夫.高性能MySQL[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

Design and implementation of space drops image processing software

FENG Yan-hui1，2，YU Qiang1
（1.National Space and Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The space drops image processing software is used to investigate the geometrical characteristic of space drops，which is an important data analysis tool for the space experiment of evaporation and liquid interfacial effect on SJ10 satellite.The software can analyze and process drop image by edge detection and contour fitting to calculate the geometrical characteristics of drops.And the data of drops is saved in MYSQLdatabase and CSV file at the same time.The results indicate that the measurement error of this software is within 5 percent，and the processing time of one image is less than 1s.

image processing； geometrical characteristics of drop； edge detection； contour fitting

TN919.81

A

1674－6236（2017）16-0179-04

2016-06-30稿件編號：201606237

馮艷輝（1990—），男，河北廊坊人，碩士研究生。研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。