本发明涉及液滴动力学领域，具体是一种精确快速处理液滴铺展图像的方法。

背景技术：

液滴撞击壁面现象出现在很多行业中，例如航空航天，农业，工业中的喷淋和印刷等。研究液滴撞击壁面的铺展过程对研究液滴与壁面之间的流动换热起着重要作用。国内外大量学者对单液滴撞击壁面的铺展过程进行了研究，由于高速摄影仪拍摄的每个工况液滴铺展过程都包含大量的图片，并且为了研究某个参数的变化规律需要大量工况的研究。传统的人工测量耗费了学者大量的时间和精力，同时，也存在人为因素造成的误差，这不利于液滴撞击壁面铺展规律的研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种精确快速处理液滴铺展图像的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种精确快速处理液滴铺展图像的方法，包含以下步骤：

步骤1)，采用补光灯与高速摄影仪相对布置的方式、通过高速摄影仪对液滴在壁面的铺展过程进行图像采集，以获取清晰的液滴撞击壁面的铺展图像集；

步骤2)，基于Matlab软件利用加权平均的方法对步骤1)中获取的铺展图像集进行灰度处理，处理过后图像的灰度值为0~255；

步骤3)，基于Matlab软件对步骤2)获取的灰度图像集进行二值图像处理，使用阈值变换法，根据灰度图像中液滴边界的灰度值设定阈值，使液滴与环境的交界线两侧附近区域灰度值分别为0和1；

步骤4)，在步骤3)处理后的二值图像集中选取液滴撞击壁面前一时刻的二值图像，查看并获取该二值图像最低像素点的横坐标Xbc和最高像素点的横坐标Xtc；

如果该二值图像中同时存在若干个最低像素点，则选取其中心的最低像素点的横坐标作为Xbc，如果该二值图像中同时存在若干个最高像素点，则选取其中心的最高像素点的横坐标作为Xtc；

步骤5)，在步骤3)处理后的二值图像集中选取液滴铺展特征二值图像，液滴在壁面上呈现清晰倒影的图像为特征图像，液滴与倒影的交界面为液滴铺展的壁面像素点位置Yc，即液滴撞击中心像素点纵坐标；

步骤6)，读取步骤3)处理后的二值图像集，对其中的每一幅二值图像：

步骤6.1)，基于Matlab软件计算液滴的接触线半径和直径：

定义接触线左边界为壁面像素点位置Yc与液滴左侧边缘的交接线，通过while循环进行查值得到左边界像素点横坐标Xl和右边界像素点横坐标Xr，结合横坐标Xbc得到该时刻液滴接触线的左像素半径Rl、右像素半径Rr和接触线像素直径D(t)；

步骤6.2)，基于Matlab软件计算液滴上表面中心高度：

定义液滴上表面高度为液滴上表面最高像素点与撞击壁面的垂直距离，通过while循环进行查值得到横坐标Xtc所对应的液滴上表面像素点的纵坐标Yt，结合壁面像素点位置Yc可得该时刻液滴上表面的中心像素高度H(t)；

步骤6.3)，在相同图像分辨率下，经过像素比例标定得到该二值图像的液滴真实铺展左半径Rl’、右半径Rr’、直径D’(t)和液滴上表面真实中心高度H’(t)；

步骤7)，通过for循环和zeros函数以矩阵的方式列出每幅二值图像的液滴铺展半径、直径、液滴上表面的中心高度、图像帧数和铺展时间。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本发明通过高速摄影仪获得液滴铺展图像，并基于Matlab软件开发液滴铺展图像处理程序，可快速测量液滴铺展半径和直径以及液滴上表面的中心高度。

2. 本发明可对单个工况中的大量图片进行批量处理，节省了大量的测量时间，同时，避免了人工测量带来的误差，使实验结果更加精确。

附图说明

图1是本发明中液滴铺展图像处理流程示意图；

图2是本发明中液滴在壁面上的铺展过程示意图；

图3是本发明中液滴灰度图像；

图4是本发明中液滴二值图像；

图5是本发明中液滴撞击壁面前一时刻撞击中心像素坐标示意图；

图6是本发明中液滴上表面中心像素坐标示意图；

图7是本发明中壁面位置像素坐标示意图；

图8是本发明中某时刻液滴的左接触线边界示意图；

图9是本发明中某时刻液滴的右接触线边界示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供了一种基于Matlab平台开发的精确快速处理液滴铺展图像的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1)，采用补光灯与高速摄影仪相对布置的方式、通过高速摄影仪对液滴在壁面的铺展过程进行图像采集，获取液滴撞击壁面的铺展图像集，液滴撞击壁面的铺展图像过程如图2所示。由于高速摄影仪和补光灯相对布置，与液滴周围区域相比，液滴边界区域较暗。

步骤2)，基于Matlab软件利用加权平均的方法对步骤1)中获取的铺展图像集进行灰度处理，处理过后图像的灰度值为0~255；如图3所示。

步骤3)，基于Matlab软件对步骤2)获取的灰度图像集进行二值图像处理，使用阈值变换法，根据灰度图像中液滴边界的灰度值，阈值设定为0.30，如图4所示，图中液滴的边界区域均为黑色，其周围区域为白色。由于高速摄影仪接受的光亮较多，液滴的中心区域呈白色，然而对后面的程序计算没有影响。

步骤4)，在步骤3)处理后的二值图像集中选取液滴撞击壁面前一时刻的二值图像，查看并获取该二值图像最低像素点的横坐标Xbc和最高像素点的横坐标Xtc；如果该二值图像中同时存在若干个最低像素点，则选取其中心的最低像素点的横坐标作为Xbc，如果该二值图像中同时存在若干个最高像素点，则选取其中心的最高像素点的横坐标作为Xtc。

如图5所示，图中最低点有11个点处于同一纵坐标，因此取第6个点的横坐标460作为最低像素点的横坐标Xbc，同理，如图6所示，最高像素点的横坐标Xtc为459。

步骤5)，在步骤3)处理后的二值图像集中选取液滴铺展特征二值图像，如图7所示，由于该工况下液滴撞击壁面前一时液滴与壁面的位置相对特殊，液滴与壁面之间只存在一个像素值，因此，把间隙所在位置的像素点纵坐标作为液滴与倒影的交界面为液滴铺展的壁面像素点位置Yc为122，即液滴撞击中心像素点纵坐标。

步骤6)，读取步骤3)处理后的二值图像集，对其中的每一幅二值图像：

步骤6.1)，基于Matlab软件计算液滴的接触线半径和直径(液滴铺展半径和直径)：

定义接触线左边界为壁面像素点位置Yc与液滴左侧边缘的交接线，通过while循环进行查值得到左边界像素点横坐标Xl为263，如图8所示。同理，可得接触线的右边界像素点横坐标Xr为665，如图9所示。结合横坐标Xbc可得该时刻液滴接触线的左像素半径Rl=Xl-Xc+0.5=195.5、右像素半径Rr= Xc-Xr+0.5=197.5和接触线像素直径D(t)= Xl-Xr+1=393。

步骤6.2)，基于Matlab软件计算液滴上表面中心高度：

定义液滴上表面高度为液滴上表面最高像素点与撞击壁面的垂直距离，通过while循环进行查值得到横坐标Xtc所对应的液滴上表面像素点的纵坐标Yt为5，如图6所示。结合液滴撞击中心纵坐标Yc可得该时刻液滴上表面的中心像素高度H(t) =Yc-Yt+1=118。

步骤6.3)，在相同图像分辨率下，标定圆柱的真实直径为11.94mm，像素宽度为363，经过像素比例标定得到此图像的液滴真实铺展左半径Rl’为6.43mm、右半径Rr’为6.50mm、直径D’(t)为12.93mm和液滴上表面真实中心高度H’(t)为3.88mm；

步骤7)，通过for循环和zeros函数以矩阵的方式列出每幅二值图像的液滴铺展半径、直径、液滴上表面的中心高度、图像帧数和铺展时间。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。