老婆饼的由来-先进单位事迹材料

计测技术理论与实践　　・　
9
・
图像分析法测量液滴接触角
熊艳
,
贾志海
,
蔡小舒
(
上海理工大学能源与动力工程学院 颗粒与两相流测量技术研究所
,
上海
200093
)
摘　要
:
接触角是表征液体对固体润湿程度的重要参数
,
本文采用基于
Matlab
计算软件的图像分析法测量液
滴接触角。首先使用图像增强、去噪、锐化手法对
CCD
采集到的液滴图像进行预处理
;
再运用
Canny
多阶段优化
算子提取液滴轮廓线
;
最后以多项式为拟合框架
,
获得了接触角稳定状态下 液滴轮廓区间和接触角测量结果。本
文为接触角测量技术提供了一种有效实用的方法。
关键词< br>:
接触角
;
图像处理
;
曲线拟合
中图分类号
:TN911
1
73
　　　　文献标识码
:A
　　　　　文章编号< br>:1674-5795
(
2010
)
02-0009-03
M easurementofDropletContactAnglewithImageAnalyzingM ethod
XIONGYan,JIAZhihai,CAIXiaoshu
(
Ins tituteofParticle&Two
2
phaseFlowMeasurement, UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai 200093,China
)
Abstract:Contactangleisoneoft heimportantparametersinjudgingthelevelofwettingabi lityofliquidtosolid
1
AmethodcalleddropletimageanalyzingwhichusedMatlabisintroducedinthisp aper
1
Firstly,originalimagesareacquiredwith CCDcameraandpre
2
processedbyim
2
agee nhancement,imagede
2
noisingandimagesharpeni ngtechnologies
1
Secondly,theCannyoptimizati onoperatorisappliedtoextractthedrop
2
let
’
scontour
1
Finally,thecontactanglewasa cquiredbycurvefitting
1
Anovelmethodwasprovi dedformeasurementsofcontactangle
1
Keywords: contactangle;imageprocessing;curvefitting
0
　引言
接触角
,
是指固
-
液
-
气三相点交点处气< br>-
液界
面的切线与固
-
液交界线之间的夹角
,
它是表 征液体
对固体润湿程度的重要参数。通过对接触角的研究
,
可以获得固、液、气分子互 相作用的诸多信息
,
如表
面润湿性、表面粗糙度、固液界面张力等。目前
接触 角测量技术主要以实验研究为主
,
主要分为角度
测量法、力测量法、长度测量法和透过 法
,
然而以上
方法都存在测量装置复杂、人为操作因素影响较大等
缺点
,
因此
,
研究者们一直在努力探究较好的接触角
测量技术。近年来
,
随着图像处理技术的迅速发展
,
国内外研究者将图像法与接触角测量技术相结合,
发
现与传统接触角测量方法相比
,
图像法以其重现性更
好、灵 活性更大、精度更高、装置更简易
,
成为接触
角测量技术中一次质的飞跃。
本 文以疏水性载玻片表面的液滴为实验研究对象
,
通过
CCD
直接记录液滴外形
,
利用图像处理软件将液
收稿日期
:2010-3-10
作者简介< br>:
熊艳
(
1985-
)
,
女
,
硕士 研究生
,
研究方向为自然
冷凝中纳米特性研究。
[1-3]
滴从背景 中提取出来
,
运用多项式拟合其轮廓
,
计算
接触角
;
探讨了图像处理和接触角算法遇到的难点
,
并总结此类固液系统图像法测量接触角的经验和规 律。
1
　实验装置系统
接触角测量装置如图
1
所示。采用疏水试剂均 匀
涂覆载玻片制备疏水平面
,
实验设备包括
:Zoom6000
成像
CCD
相机、
LED
光源、表面均匀涂覆疏水剂的载
玻片、滴管等。 实验在室温为
30
℃、湿度为
75%
的条
件下进行
,
打开
LED
光源
,
将实验载玻片放置在水平
台工作面上
,
滴下液滴
,
再调整计算机控制的
CCD
相
机
,待液滴平衡后
,
拍摄图像
,
并以
bmp
图片格式保存。实验中对同一水滴进行多次拍摄并储存。
图
1
　接触角测量装置示意图

・　
10
・　　理论与实践
2010
年第
30卷第
2
期
2
　图像处理
图像处理流程如图
2
所 示。首先对采集得到的液
滴灰度图像进行图像预处理
,
包括图像增强、去噪、
锐化
,
再经过边缘提取和曲线拟合
,
最后采用
Matlab
软件计算得到接触角。
行平滑滤波
,
抑制图像噪声
,
然后采用一种非 极值抑
制技术
,
细化平滑后的图像梯度幅值矩阵
,
寻找图像
中的可能边缘
,
最后利用双门限检测通过双阈值递归
寻找图像的边缘点
,实现边缘提取。由图
4
可见
,
与
文献
[5]
中 采用的
Roberts
算子提取结果相比
,
采用
Canny
算子提取的液滴边缘更清晰
,
效果更好。
图
4
　边缘检测梯度算子图
2
1
3
　接触角的计算
图
2
　图像分析法处理流程 图
2
1
1
　图像预处理
对液滴的灰度图像首先采用图像增强处理,
并在
一定对比度范围内对图像进行灰度调整
;
其次采用平
滑去 噪对增强的图像进行处理
,
以消除由于图像采集、
量化等过程造成的干扰。平滑去噪法 主要有掩膜平滑
法、领域平均法、中值滤波法等
,
图
3
给出了这三种
方法的比较图
,
可见中值滤波法的消噪效果较好
,
在
一定条 件下还能减小线性滤波带来的图像细节模糊
,
比较适合液滴轮廓的提取。最后采用图像锐化处理 技
术
,
进一步增强液滴的边缘和灰度跳变部分
,
消除图
像传 输过程中造成的图像模糊。本文采用模板匹配法
滤波
,
并以二值图像输出。
提 取出的液滴轮廓线的像素点并不均匀
,
而是呈
竖阶梯状分布
,
尤其越 靠近三相接触点
,
像素点分布
越不均匀。可见计算接触角的关键是如何精确地对三[6]
相点附近的液滴轮廓进行曲线拟合
,
然后对曲线求
导
,< br>即可得到接触角。
曲线拟合的拟合框架对接触角的结果影响很大。文
[7]
献中 多采用多项式、圆和椭圆等为拟合框架
,
但是得
到的结论并不一致
,
目前有关液滴轮廓的拟合框架仍处
于探索阶段
,
还没有得到一种统一认可的拟合框架。 本
文选用较为常用的多项式为拟合框架
,
其表达式为
N
f
(
a
)
=
∑
pa
i
i=
0
i
(
1
)
式中
:
a,f
(
a
)
为 液滴轮廓像素点的拟合位置坐标
;
p
i
为系数
,
由最小二乘 法确定。本文将液滴边缘图进行行
列划分
,
每一像素点代表一行一列
,
因此将液滴轮廓线
由左边三相接触点开始
,
沿右上方按行划分区间
,
区间
为
[145,465],
取步长
y
=16
。多项式的 阶次取为
N
=
2,3,
…
,9;
编程计算不同阶次和区间的 液滴接触角。
3
　实验数据分析
计算液滴的接触角
,
必须求出三相点 附近的曲线
的切线斜率。由于选取液滴轮廓的范围不同
,
拟合出
曲线的切线斜 率自然不同
;
多项式拟合的阶次不同
,
拟合出曲线的切线斜率也不相同。因此
,
寻找一段较
为合适的液滴轮廓和较好的多项式拟合阶次就成为提
高接触角精 度的关键。
将液滴轮廓线按上述分为若干段
,
对这些曲线进
行不同阶次的拟合
,
结果如图
5
所示。分析发现
,
从
三相点开始向右 上方选取液滴轮廓线
,
当选取的范围
较小时
,
接触角随轮廓线变化的 波动较大
;
而在一定
范围内
,
接触角随轮廓线变化较为平缓
,
即接触角呈
图
3
　去噪效果图
2
1
2
　 边缘提取
边缘是图像最基本的特征
,
分为两种
:
阶跃性边
缘 和屋顶状边缘。液滴边缘属于阶跃性边缘。本文采
用边缘检测算子法
,
并选用具有滤波 、增强和检测的
[4]
多阶段优化算子———
Canny
算子进行边缘检测。 其
基本思想是先对处理的图像选择一定的高斯滤波器进

计测技术
现稳定 状态
;
当液滴轮廓线范围增大到一定程度之后
,
接触角呈发散状态。可见,
液滴轮廓线范围对接触角
结果影响很大
,
过宽过窄都会降低其精度。由 该图还
可看出
,
曲线随多项式的阶次不同
,
其波动也不同
,
阶次越小
,
波动越小
,
阶次越大
,
波动越大
;
多项式
理论与实践　　・　
11
・
的阶次不同
,
接触角的稳定区间也有差别。通过多次
比较
,
发现二、三、四阶多项式拟合的品质较 好
,
存
在重叠的稳定区间
,
而三阶多项式的稳定区间最宽
,
因此本文选用三阶多项式为拟合框架
,
在像素点所在
区间
[120, 260]
范围内进行接触角的拟合计算。
图
5
　接触角计算结果
通过 多次实验
,
用相同的实验装置在不同视场下
拍摄同一水滴
,
利用上述 液滴轮廓线的提取方法和接
触角的计算分析方法
,
得到水滴的左、右接触角。结
果如表
1
所示。
表
1
　接触角多次测量结果
接触角
位置
左
右
1
109
1
22
112
173
2
109
1
46
108
1
33
(
°
)
2
)
接触角计算结果受多项式拟合阶次和拟合区间
的选 择影响较大。通过多次实验发现
,
对于本文所得
到的液滴图像
,
采用 三阶多项式拟合框架
,
在区间
[120,260]
范围内进行拟合
,
得到的结果较为稳定和
实验次数
3
108
1
53
1 08
1
41
4
107
1
58
109
194
5
105
1
20
100
1
92
可 靠。左右两边接触角的测量误差在
6
1
7%
以内。
3
)所设计的液滴图像法测量装置结构简单
,
适合
于对液滴接触角进行有效的测量。< br>参考文献
[1]KwokXD,TianY,PengXF
1
Self- aggregationofvapor-liq
2
uidphasetransition[ J]
1
ProgressinNaturalScience,2003,
13
(
6
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:451-456
1
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1
Contactanglemeasurementandcon
2
t actangleinterpretation[J]
1
AdvancesinColloi dandInter
2
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(
3
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:167-249
1
[3]EmilChibowski,RafaelPere a
2
Carpio
1
Problemsofcontactan
2< br>gleandsolidsurfaceenergydetermination[J]
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2
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1
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2
gence,1986,8
(
6
)
:679-69 7
1
[5]
陶维亮
,
王先培
,
刘艳
,王泉德1复合绝缘子接触角的图像处
由表中数据可知
,
在
CCD
相机同一放大倍率下
,
左右两边接触角并不同
,
且在
CCD
相机不同放大倍率
下
,
同一边的接触角也不同
,
其原因可能是
:
表面组
分不均匀、粗糙度不同以及表面吸附杂质的污染
,
都
将导 致液滴左右两边不对称
;
图像采集过程中
,
载玻
片和
CCD
相机视场的水平度、
CCD
镜头的洁净度以及
CCD
相机放大倍率的 变化都将影响液滴图像质量
,
从而
造成接触角的不同
;
图像处理过程 中
,
液滴边缘提取和
接触角的算法对接触角精度也有一定影响
;
水滴 的表面
张力随时间改变也将影响液滴左右接触角。通过多次实
验
,
液滴左右两 边接触角测量误差在
6
1
7%
以内。
理检测
[J]
1电机与控制学报
,2009,13
(
2
)
:232-237
1
[6]
王先培
,
张爱菊
,
李少雄1基于非均匀
B
样条曲线的红外
4
　结论
1
)
计算液滴接触角
,
必须对采集得到的液滴灰度
图像进行图像预处理、边缘提取、曲线拟合等过程。
其中图 像预处理包括
:
图像增强、去噪和锐化。通过
比较发现
,
基于中值滤 波的平滑去噪技术和采用
Canny
多阶段优化算子能获得更好的实验结果。
数据的精 确拟合及校正
[J]
1光谱学与光谱分析
,2006,
26
(
10
)
:1850-1853
1
[7]BateniA,SusnarSS ,AmirfazliA
1
Ahigh-accuracypolynomi
2
alfittingapproachtodeterminecontactangles[J]
1
Colloids
andSurfacesA:Physicochem
1
E ng
1
Aspects,2003,219
(
1-
3
):215-231
1