一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法

1.本发明属于数字图像处理技术领域，具体涉及一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法。


背景技术：

2.空化泡溃灭现象是指在液体中存在气泡时，当气泡大小超过一定限制时，使得周围的液体在气泡表面形成高速的液体蒸汽流，这种液体蒸汽流会对气泡表面形成高压冲击波，产生巨大的冲击波和热量。空化泡溃灭现象在自然界中广泛存在，同时也是许多工业领域中的一个重要问题。
3.早期的研究主要通过实验手段观察空化泡溃灭形态。研究者通过高速摄影、激光散斑等技术，观察空化泡溃灭过程中气泡表面形态、液体动力学和声波产生等现象。研究空化泡溃灭形态的意义在于，能够深入了解空化泡溃灭的物理过程和影响因素，为工程应用提供重要的理论基础。例如，研究空化泡溃灭对材料的疲劳损伤机理和疲劳寿命进行分析，可以为工程设计提供可靠性评估和寿命预测，为材料的改进和优化提供参考。此外，空化泡溃灭在许多工业过程中都会发生，如石油开采、船舶工程、能源产业等，研究其形态和影响因素可以为这些工业过程提供有效的控制和优化方案。因此，研究空化泡溃灭形态具有广泛的理论和应用价值。
4.目前，多数空化泡溃灭过程的研究重点落在空化泡溃灭不同进程中的形态分析，典型的定量分析参数有空化泡最大半径、无量纲距离、迁移速度等，还有对大量空化泡产生的噪声进行分析，这些方法可以描述出空化泡溃灭过程中的部分特点，但是对于空化泡的形变特点却无法定量描述。并且缺少对较靠近弹性薄膜的单个空化泡进行处理的手段，对于这种情况，排除背景的干扰、仅保留空化泡的形状是非常重要的。对空化泡自身进行形态学变化分析，为空化泡溃灭现象的研究提供了新的手段和思路。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，能够自动消除背景影响并提取空化泡边缘，计算两张图像之间的豪斯多夫距离进行形态学分析，有助于研究空化泡在弹性边界附近的溃灭特性，在保证边缘提取误差较小的同时提高图像处理的效率，并为空化泡的形态学分析提供新的角度。
6.本发明提供的基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，包括如下步骤：s1，获取空化泡在弹性边界的环境下由产生到溃灭的图像；s2，对所述图像进行边缘检测，从而得到空化泡边缘轮廓并输出各点坐标；s3，对所述图像进行豪斯多夫距离的计算。
7.进一步地，步骤s1的过程具体如下：高速摄像机布置在弹性薄膜边界环境的一侧，其镜头垂直于空化泡射流方向；由高电压致泡装置放电产生空化泡，并通过高速摄像机拍摄空化泡由产生到溃灭过程的图像。
8.进一步地，步骤s2的过程具体如下：步骤s21，对所述图像去除包括弹性薄膜边界、钨针、薄膜夹持装置、透明尺的背景；步骤s22，对经过去背景处理的图像进行膨胀腐蚀，以填补空化泡内因去除钨针导致存在的间隙；步骤s23，对经过膨胀腐蚀的图像进行空洞填充，防止边缘化时采集到内部空心的边缘；步骤s24，对经过空洞填充的图像使用sobel算子进行边缘锐化，再二值化，得到完整的空化泡边缘；步骤s25，以图片左下角为坐标原点，构造xoy坐标系，输出边缘各点的坐标。
9.进一步地，步骤s21的过程具体如下：获取空化泡产生前的环境图像，为8位灰度图像，对图像的每个像素点的灰度值取反，与所述图像相加，去掉背景；对图像进行中值滤波，去除空化泡以外的细小点线。
10.进一步地，步骤s22的过程具体如下：选取球形结构元素，对灰度图像进行膨胀，建立空化泡内部区域的边缘连接，消除间隙；对经过膨胀的图像，以相同结构元素进行腐蚀，还原空化泡原本的边缘。
11.进一步地，步骤s23中使用imfill()函数填充图像中的空洞区域。
12.进一步地，步骤s24的过程具体如下：对所述图像使用sobel算子进行边缘锐化；对经过边缘锐化的图像进行二值化和细化，使空化泡边缘更加精确。
13.进一步地，步骤s3的计算具体过程如下：s31，将所述图像的空化泡边缘点坐标存入程序数组中；s32，利用豪斯多夫距离定义编写程序以计算两张图像间的豪斯多夫距离。
14.进一步地，步骤s32的过程具体如下：定义部分豪斯多夫距离的运算过程原理；利用部分豪斯多夫距离求取平均值减小误差。
15.进一步地，两张图像间的豪斯多夫距离通过曲线表示，曲线上任意一点的横坐标是时间，纵坐标是当前时刻的空化泡图像与选定的第一帧图像间的无量纲豪斯多夫距离。
16.本发明的有益效果：本发明根据高速摄像机得到的空化泡在弹性边界附近的由产生到溃灭的过程图像集，通过消除钨针和背景，边缘锐化和细化、坐标设置和输出，排除了背景和空化泡中心透光造成的影响，准确得到了空化泡变化过程中不同时刻的边缘坐标信息。
17.本发明基于豪斯多夫距离原理对空化泡进行形态学分析，能够定量体现空化泡溃灭过程中的膨胀或坍塌速度；能够得到空化泡在弹性边界附近由产生到溃灭过程的特性，并进行定性分析。本发明分析的对象是空化泡本身，所以即使弹性边界在空化泡溃灭过程
中产生了较大形变，也不影响本发明的应用。同时弹性边界对溃灭过程的影响可以通过本发明的结果体现出来，即本发明为弹性边界附近的空化泡溃灭过程研究提供了有效的研究方法，有助于指导通过使用弹性材料或对材料的改进和优化从而降低空蚀效应，具有重大的研究意义。
附图说明
18.图1为本发明中就算豪斯多夫距离基本流程图；图2为图像处理流程图；图3为本发明中整体系统基本框架图；图4为本发明中图像处理的系统原理图；图5为本发明中获取的空化泡图像集；图6为本发明中空化泡图像集中的其中一张原始图像；图7为空化泡未产生时的环境图像；图8为去除背景之后的图像；图9为经过中值滤波后的图像；图10为经过灰度取反处理后的图像；图11为经过膨胀操作后的图像；图12为经过腐蚀操作后的图像；图13为经过边缘锐化和细化处理后的图像；图14为本发明中豪斯多夫距离数据可视化效果展示图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.如图1和图2所示，一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，包括如下过程：s1、获取空化泡在弹性边界的环境下由产生到溃灭的图像；如图4所示，本实施例中涉及的空化泡4由高压脉冲致泡装置1产生，并由每秒三万四千帧高速摄像机5拍摄空化泡4与弹性薄膜8相互作用时，空化泡4由产生到溃灭过程的图像，并将图像进行存储。空化泡4的部分图像如图5所示。
21.高电压致泡装置结构原理图如图3所示，该装置由低压电源输入，经过高频倍压模块转化为高频高压交流电，进一步经过倍压整流模块，最终形成10k伏高压直流电给储能电容进行充电，由机械开关控制充放电过程，最终在放电钨针电极上进行放电形成空化泡。
22.高速摄像机5布置在弹性薄膜边界环境的一侧，其镜头垂直于空化泡射流方向。弹性薄膜边界环境主要由水槽3及设置于水槽3底部的弹性薄膜8构成。高压脉冲致泡装置1设置于水槽3的顶部，与高速摄像机5相对的水槽3另一侧布置玻璃板7，于玻璃板7另一侧设置补光源6。电源9向整体装置进行供电，高速摄像机5、光源6和计算机2均由220v电源供电，高压脉冲致泡装置1由8v低压直流电源供电。获取的图像均为8位灰度图像，如图5所示，每个像素点的像素值在0-255范围内,像素值为0时为黑色，为255时为白色。
23.本发明中涉及到的图像处理过程主要由计算机2内的相关程序完成。计算机2先保存超高速摄像机拍摄的图片，再运行图像处理等程序得到相关的数据。
24.s2、对步骤s1得到的图像进行边缘检测，从而得到空化泡边缘轮廓并输出各点坐标。
25.在本实施例中，步骤s2的具体过程如下：s21、对所述图像去除包括弹性薄膜边界、钨针、薄膜夹持装置、透明尺的背景，如图6；具体地，如图8和图9所示，步骤s21的具体过程如下：s211、由步骤s1得到的图像中，筛选一张空化泡未产生的环境图像，如图7，为8位灰度图像，对此图像进行取反，即取其每个像素点与255的差值。将此差值与步骤s1得到的包含空化泡变化过程的图像的各像素值对应相加，可以使背景部分变为白色，即消除背景的干扰，如图8所示。
26.s212、将步骤s211得到的图像进行中值滤波，仅保留下空化泡形态，消除了图中细小点线的影响，如图9所示。
27.s22、对步骤s21得到的图像进行膨胀腐蚀，以填补空化泡内因去除钨针导致存在的间隙；具体地，如图10和图11所示，步骤s22的具体过程如下：s221、对步骤s21得到的图像进行取反，结果如图10。选取球形结构元素，先进行膨胀，膨胀后的白色图形比原图像大一圈，可以建立空化泡内部区域的边缘连接，消除去除钨针时留下的间隙，如图11所示。需要说明的是，形态学操作的膨胀腐蚀是针对白色部分而言的，故需要对s21得到的图像先进行取反，使空化泡部分为白色，背景为黑色。球形结构元素是针对灰度图像进行膨胀腐蚀的，可以更好地还原空化泡的原本形态。
28.s222、对经过膨胀的图像，以相同结构元素进行腐蚀，还原空化泡原本形态。需要说明的是，腐蚀时使用与膨胀相同的结构元素，由步骤s221得到的图像中，能够完全包含结构元素的像素被保留下来，即消除了步骤s221得到的图像中由膨胀带来的多余边界点，恢复了空化泡原本的形态，如图12所示。
29.s23、对经过膨胀腐蚀的图像使用imfill()函数进行空洞填充，防止边缘化时采集到内部空心的边缘。
30.需要说明的是，步骤s21得到的空化泡图像内部，除了钨针原本所在位置存在间隙，还有空化泡本身因透光导致的空洞，该空洞在空化泡体积较大时比较明显。且在经步骤s22处理后得到的图像中，也有少数经膨胀没有完全将内部边缘连接起来导致的空隙。故需要s23步骤对空洞进行填充，防止进行边缘锐化时，将空化泡内部空洞的边缘一并提取出来。s23步骤得到的图像，仅保留了一个实心的空化泡形状。
31.s24、对经过空洞填充的图像使用sobel算子进行边缘锐化，再二值化，接着细化，得到完整的空化泡边缘，如图13。
32.s25、以图片左下角为坐标原点，构造xoy坐标系，输出边缘各点的坐标。在matlab软件中读取图像中每个点的像素值并进行判断，若像素值为1，则将该点坐标进行记录保留存入文本文件中。
33.s3、对所述图像进行豪斯多夫距离的计算；
在本实施例中，步骤s3的具体过程如下：s31、将步骤s2得到的空化泡边缘点坐标存入程序数组中；s32、利用豪斯多夫距离定义编写程序以计算两张图像间的豪斯多夫距离。
34.豪斯多夫距离的计算具有不同的方式：双向豪斯多夫距离：h(a,b)实际上首先对点集a中的每个点ai，到距离此点ai最近的b集合中点bj之间的距离‖ai-bj‖进行排序,然后取该距离中的最大值作为h(a,b)的值，其中‖ai-bj‖为两点二维平面直线距离。双向豪斯多夫距离度量了两个点集间的最大不匹配程度。
35.部分豪斯多夫距离：当图像受到噪声污染或存在遮挡等情况时，原始的豪斯多夫距离容易造成误匹配。部分豪斯多夫距离即选取某个集合中部分点参与计算单向豪斯多夫距离。
36.平均豪斯多夫距离：将得出的各点单向最短距离不选择最大者，将初步计算得出的各点豪斯多夫距离进行平均运算，作为最终的双向豪斯多夫距离数值。
37.基于以上三种方式，本实施例最终选用部分豪斯多夫距离和平均法得到空化泡间变化程度的量化参数。
38.s33、将计算得出的豪斯多夫距离进行记录存储，利用二维平面绘制生成出折线图。
39.需要说明的是，豪斯多夫距离可以选取不同的思路进行计算。若选定最大半径的空化泡图像，计算所有时刻的图像与该图的豪斯多夫距离，则纵坐标豪斯多夫距离显示的是不同时刻空化泡的形变程度，该曲线的斜率可以看为形变的速度。若绘制的是相邻两个时刻的图像的豪斯多夫距离，这纵坐标显示的是空化泡形变的速度。
40.虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。如中值滤波和二值化，针对空化泡溃灭阶段的不同时刻，相应调整执行的顺序可得到更好的效果。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。
41.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：包括如下步骤：s1，获取空化泡在弹性边界的环境下由产生到溃灭的图像；s2，对所述图像进行边缘检测，从而得到空化泡边缘轮廓并输出各点坐标；s3，对所述图像进行豪斯多夫距离的计算。2.根据权利要求1所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s1的过程具体如下：高速摄像机布置在弹性薄膜边界环境的一侧，其镜头垂直于空化泡射流方向；由高电压致泡装置放电产生空化泡，并通过高速摄像机拍摄空化泡由产生到溃灭过程的图像。3.根据权利要求1所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s2的过程具体如下：步骤s21，对所述图像去除包括弹性薄膜边界、钨针、薄膜夹持装置、透明尺的背景；步骤s22，对经过去背景处理的图像进行膨胀腐蚀，以填补空化泡内因去除钨针导致存在的间隙；步骤s23，对经过膨胀腐蚀的图像进行空洞填充，防止边缘化时采集到内部空心的边缘；步骤s24，对经过空洞填充的图像使用sobel算子进行边缘锐化，再二值化，得到完整的空化泡边缘；步骤s25，以图片左下角为坐标原点，构造xoy坐标系，输出边缘各点的坐标。4.根据权利要求3所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s21的过程具体如下：获取空化泡产生前的环境图像，为8位灰度图像，对图像的每个像素点的灰度值取反，与所述图像相加，去掉背景；对图像进行中值滤波，去除空化泡以外的细小点线。5.根据权利要求3所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s22的过程具体如下：选取球形结构元素，对灰度图像进行膨胀，建立空化泡内部区域的边缘连接，消除间隙；对经过膨胀的图像，以相同结构元素进行腐蚀，还原空化泡原本的边缘。6.根据权利要求5所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s23中使用imfill()函数填充图像中的空洞区域。7.根据权利要求3所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s24的过程具体如下：对所述图像使用sobel算子进行边缘锐化；对经过边缘锐化的图像进行二值化和细化，使空化泡边缘更加精确。8.根据权利要求1所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法， 其特征在于：步骤s3的计算具体过程如下：s31，将所述图像的空化泡边缘点坐标存入程序数组中；s32，利用豪斯多夫距离定义编写程序以计算两张图像间的豪斯多夫距离。
9.根据权利要求8所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：步骤s32的过程具体如下：定义部分豪斯多夫距离的运算过程原理；利用部分豪斯多夫距离求取平均值减小误差。10.根据权利要求9所述的一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，其特征在于：两张图像间的豪斯多夫距离通过曲线表示，曲线上任意一点的横坐标是时间，纵坐标是当前时刻的空化泡图像与选定的第一帧图像间的无量纲豪斯多夫距离。

技术总结
本发明公开了一种基于边缘坐标提取和豪斯托夫距离形态分析的弹性边界附近的空化泡图像处理方法，包括如下过程：获取空化泡在弹性边界的环境下由产生到溃灭的图像；对所述图像进行边缘检测，从而得到精确的空化泡边缘轮廓并输出各点坐标；通过边界坐标对所述图像进行豪斯多夫距离的计算，定量分析空化泡由产生到溃灭过程中的形态学变化。本发明基于豪斯多夫距离原理对空化泡进行形态学分析，能够定量体现空化泡溃灭过程中的膨胀或坍塌速度；能够得到空化泡在弹性边界附近由产生到溃灭过程的特性，并进行定性分析。并进行定性分析。并进行定性分析。


技术研发人员：韩晓 王成 朱立超 单鸣雷 陈国宁 傅琳轲 李越 杨墨文
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/16