重叠气泡图像处理获得气泡直径

气泡直径是鼓泡塔性能一个重要指标，影响着液相流动、返混以及传质等性能。根据测量方式可以将气泡直径测量方法分为侵入式与非侵入式两种。侵入式的测量技术包含毛细管吸力探针测量技术、电导探针测量技术、光纤探头测量技术，金属网感应器测量技术；非侵入式测量技术包含相位多普勒测速技术、干涉粒子成像测量技术、数字图像分析测量技术。由于侵入式测量技术会干扰液相的流动，因此通常会选用非侵入式测量技术测量气泡直径的分布。在所有的非侵入式测量技术中，数字图像处理技术能处理非规则的气泡直径，但该方法的缺点也很明显：墙壁与液体必须是透明的；当气含率较高时，只能看到边壁处的气泡。Lecuona et al.报道当气含率大于1%时，超过40%气泡会重叠。因此很难从数字图像中探测识别划分气泡。通常处理重叠气泡的方法是通过某种限制条件将其忽略，另一种是将目标区域通过拟合椭圆的形式识别重叠气泡，但是气泡的形状非常复杂，往往非圆形或者椭圆形，因此引入了分水岭技术划分重构重叠气泡。

图1给出了单气泡与重叠气泡分离步骤，首先获得高速摄像获得气泡运动的照片(a)，将其进行灰度化处理获得图像(b)，接着采用Ostu提出算法找出图像(b)中自动阈值，用其作为判断标准将图像(b)转化为二值图并求得补集从而获得图像(c)，然后将图像进行填洞处理从而获得图像(d)，最后根据连续像素的覆盖面积将单气泡(e)与重叠气泡分离(f)。

图2给出了重叠气泡分离步骤，对于目标图像(a)而言，重叠气泡将采用分水岭法进行分离。首先按照图1的步骤将单气泡与背景分离，从而获得重叠气泡的覆盖面积，再与原图2(a)相乘便可以得到重叠区域气泡图2(b)，根据气泡内部与外部的灰度的强度选着合适的阈值，通过阈值限定将气泡外边缘移除，从而获得气泡内部图2(c)，这区域将作为分水岭处理过程中局部最小值区域。气泡外边缘将在二值图1(f)基础上求图像的梯度获得，将作为图像的汇水盆地，再与图2(c)叠加获得图2(e)，经过分水岭算法计算便可以获得每个气泡的轮廓如图2(f)，将气泡轮廓图与原始图2(a)叠加便可以获得图2(g)。由图像中可以清楚的看到采用分水岭算法划分的气泡形态基本与原气泡形态重合，意味着将重叠气泡分离成功。经过标定分析获得每个像素所代表的面积，再按照如下公式便可以计算气泡的直径：

此外，将图像3-2(f)进行封闭填洞处理，获得每个区域内的质心。再根据两幅连续的图像算得质心间的运动距离，结合采集频率便可以算得气泡的运动速度。MATLAB中已经包含相关的图像算法函数，所有程序均可通过MATLAB编程实现。

图1 单气泡与重叠气泡分离

图2 重叠气泡分离