氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置及方法，裝置包括無人飛行器、支架、監測機構和遠程計算機；監測機構通過支架固定安裝在無人飛行器上，并通過通信網絡與遠程計算機連接通信。本發明一方面可以對氣體中凝聚態結構發展進行遠程快速監測，另一方面能得到待監測氣體中凝聚態結構的實時演變規律。與傳統的測量方法相比，提高了精度；同時可以調節LED白光燈燈光的強弱和監測機構兩個伸出段的夾角，進而調高采集圖像的質量。本發明可以利用多個該裝置組成陣列，分布在大氣中不同高度的不同位置，可以同時對空間內不同位置的氣體中凝聚態物質演變進行監測,建立地區氣體狀態微觀層面的預警和干預機制。
【專利說明】
氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于氣體中凝聚態結構演變監測領域，具體涉及一種無人飛行器載氣體中 凝聚態結構演變實時監測的微距微觀圖像識別裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 普通流體不是純物質，而是存在各種物質的動態凝聚過程，一般包括晶核的成核 過程和不斷長大的過程。天空中的云、霧、雨、燃燒生成的煙，水體中冰的結晶，一些化學反 應過程中新物質的形成，均為成核現象。成核是相變初始時的"孕育階段"，也即生成晶核的 過程，是結晶的初始階段。之后，晶核不斷長大形成晶體。目前對流體中的凝聚態結構演變 規律的監測主要采用以小試樣測量的實驗室測量，但這種方法不適用于現場測試，效率較 低，精度較低，并且誤差大，測量結果往往不能反映現實環境流體中的動態凝聚規律，不能 及時對有害物生成產生最早期微觀層面的預警和干預。
【發明內容】
[0003] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種無人飛行器載氣體中凝聚態結構演變 實時監測的微距微觀圖像識別裝置及方法。
[0004] 本發明的裝置所采用的技術方案是:一種無人飛行器載氣體中凝聚態結構演變實 時監測的圖像識別裝置，其特征在于:包括無人飛行器、支架、監測機構和遠程計算機;所述 監測機構通過所述支架固定安裝在所述無人飛行器上，并通過通信網絡與所述遠程計算機 連接通信。
[0005] 作為優選，所述監測機構為兩組，均通過所述支架對稱固定安裝在所述無人飛行 器上。
[0006] 作為優選，所述監測機構包括微型溫度計、防水鏡頭、照明機構、導線、無線通信模 塊、PVC套筒和電源；
[0007] 所述微型溫度計、防水鏡頭、照明機構有若干組，均安裝在所述PVC套筒上預先設 置的凹槽之中；所述微型溫度計、防水鏡頭、照明機構、無線通信模塊均通過所述導線與所 述電源連接;所述無線通信模塊通過通信網絡與所述遠程計算機連接通信。
[0008] 作為優選，所述照明機構為LED白光燈。
[0009] 作為優選，所述防水鏡頭為電子顯微鏡頭，具有足夠大的放大倍數，可以保證拍到 氣體中凝聚態結構及其變化過程。
[0010] 作為優選，所述微型溫度計設置在所述防水鏡頭旁。
[0011] 作為優選，所述PVC套筒為兩根，均可旋轉地安裝在基座上，兩根PVC套筒之間通過 伸縮機構連接在一起;伸縮機構通過所述導線與所述無線通信模塊連接。遠程計算機可以 通過無線通信模塊控制伸縮機構的伸長或縮短，從而調整PVC套筒張開的角度。
[0012] 本發明的方法所采用的技術方案是:一種無人飛行器載氣體中凝聚態結構演變實 時監測的圖像識別方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0013] 步驟1:根據微距微觀視頻圖像采集的最優確定值，利用遠程計算機調整照明機構 的亮度，利用防水鏡頭對不同溫度空中凝聚態進行微距微觀拍攝成像，并記錄此時每個防 水鏡頭旁邊微型溫度計的示數，然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉成微距微觀視頻灰 度圖像；
[0014] 步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得 到氣體中晶體核的輪廓；
[0015] 步驟3:根據晶體核的輪廓確定它的形態學參數，并且建立該形態學參數與溫度的 對應關系；
[0016] 步驟4:建立晶體核的形態學參數與凝聚態濃度的定量關系，根據事先設置的凝聚 態濃度閾值反推出晶體核的形態學參數臨界值和溫度閾值；
[0017] 步驟5:在對氣體中的凝聚態進行監測的過程中，當監測的溫度與溫度閾值相差大 于預設值時，采集此時的凝聚狀態圖像；
[0018] 步驟6:輸入待監測氣體中的凝聚態原始真彩微距微觀視頻圖像，經過步驟1-3處 理得到晶體核的形態學參數，然后，將其與形態學參數臨界值比較，如果大于閾值，立即建 立微觀層面預警機制，并根據其成長狀態，實施即時干預機制，在微觀層面及時采取有效措 施阻止有害物質的凝聚。
[0019] 作為優選，步驟3中所述晶體核的形態學參數包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬 比t;所述晶體核的形態學參數與溫度T(°C)的對應關系為：
[0020]
[0021]
[0022] 其中也，1?，1?和1^4均為常數。
[0023] 作為優選，步驟4中所述凝聚態濃度c與晶體核的形態學參數的定量關系為：
[0024] c = k5Jrr2/1
[0025] 其中:1?為常數。
[0026]本發明的優點是：
[0027] 1、該一種無人飛行器載空中凝聚態結構演變實時監測的微距微觀圖像識別方法 和裝置，一方面可以對大氣中凝聚態結構發展進行遠程快速監測，另一方面能得到待監測 氣體中凝聚態結構的實時演變規律。與傳統的測量方法相比，提高了精度；
[0028] 2、設置了凝聚態濃度閾值和形狀參數閾值，建立微觀層面預警機制，并進一步在 微觀層面建立干預機制，及時采取有效措施阻止有害物質的凝聚；
[0029] 3、可以調節LED白光燈燈光的強弱和監測機構兩個伸出段的夾角，進而調高采集 圖像的質量；
[0030] 4、可以利用多個該裝置組成陣列，分布在大氣不同高度的不同位置，可以同時對 空間內不同位置的氣體中凝聚態物質演變進行監測，建立地區氣體狀態微觀層面的預警和 干預機制。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明實施例的裝置結構圖；
[0032] 圖2為本發明實施例的監測機構圖；
[0033] 圖3為本發明實施例的遠程計算機機構圖。
[0034] 圖中，1為無人飛行器，2為支架，3為監測機構、4為微型溫度計、5為防水鏡頭、6為 照明機構、7為導線、8為伸縮機構、9為無線通信模塊、10為PVC套筒、11為電源、12為遠程計 算機。
【具體實施方式】
[0035] 為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發 明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0036] 請見圖1、圖2和圖3,本發明提供的一種無人飛行器載氣體中凝聚態結構演變實時 監測的圖像識別裝置，包括無人飛行器1、支架2、監測機構3和遠程計算機12;監測機構3為 兩組，均通過支架2對稱固定安裝在無人飛行器1上。監測機構3包括微型溫度計4、電子顯微 鏡頭5、LED白光燈6、導線7、無線通信模塊9、PVC套筒10和電源11;微型溫度計4、電子顯微鏡 頭5、LED白光燈6有若干組，均安裝在PVC套筒10上預先設置的凹槽之中；微型溫度計4設置 在電子顯微鏡頭5旁;微型溫度計4、電子顯微鏡頭5、LED白光燈6、無線通信模塊9均通過導 線7與電源11連接;無線通信模塊9通過通信網絡與遠程計算機12連接通信;PVC套筒10為兩 根，均可旋轉地安裝在基座上，兩根PVC套筒10之間通過伸縮機構8連接在一起;伸縮機構8 通過導線7與無線通信模塊9連接。監測機構3通過支架2固定安裝在無人飛行器1上，并通過 通信網絡與遠程計算機12連接通信。
[0037] 本發明提供的一種無人飛行器載氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0038]步驟1:根據微距微觀視頻圖像采集的最優確定值，利用遠程計算機12調整LED白 光燈6的亮度，利用電子顯微鏡頭5對不同溫度空中凝聚態進行拍攝成像，并記錄此時每個 電子顯微鏡頭5旁邊微型溫度計4的示數，然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉成微距微 觀視頻灰度圖像；
[0039]步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得 到氣體中晶體核的輪廓；
[0040] 本實施例在二值化過程中將氣體中的凝聚態的晶體核和其他物質各視為一種物 質，再進行其后的操作;橋接和去雜處理是通過開操作和閉操作去除凝聚態圖像中孤立的 噪聲點，同時保留圖像中本來的細節結構;細化處理是將圖像中晶體核的輪廓變成單像素 厚度組成的細線，骨化處理是保留圖像中心線的細化。
[0041] 步驟3:根據晶體核的輪廓確定它的形態學參數，并且建立該形態學參數與溫度的 對應關系；
[0042] 所述晶體核的形態學參數包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比t;所述晶體核的 形態學參數與溫度T(°C)的對應關系為：
[0043]
[0044]
[0045] 其中:ki，k2，k3和k4均為常數；
[0046] 步驟4:建立晶體核的形態學參數與凝聚態濃度的定量關系，根據事先設置的凝聚 態濃度閾值反推出晶體核的形態學參數臨界值和溫度閾值；
[0047] 所述凝聚態濃度c與晶體核的形態學參數的定量關系為：
[0048] c = k5Jrr2/1
[0049] 其中:1?為常數；
[0050]假設凝聚態濃度閾值為co時，晶體核的形態學參數臨界值ro和to,溫度閾值為To。 [00511將步驟3中的兩個公式代入步驟4中的公式可得：
[0052]
[0053]解得溫度閾值為 [0054]
[0055]故晶體核的形態學參數臨界值ro和to為
[0056]
[0057]
[0058]步驟5:在對氣體中凝聚態結構進行監測的過程中，當監測的溫度與溫度閾值相差 較近時，利用微距微觀視頻圖像采集設備對其進行拍攝成像；
[0059]步驟6:輸入待監測氣體中凝聚態結構的原始真彩微距微觀視頻圖像，經過步驟1-3處理得到晶體核的形態學參數，然后，將其與形態學參數臨界值比較，如果大于閾值，立即 采取有效措施，從而建立預警機制。
[0060] 盡管本說明書較多地使用了無人飛行器1、支架2、監測機構3、微型溫度計4、防水 鏡頭5、LED白光燈6、導線7、伸縮機構8、無線通信模塊9、PVC套筒10、電源11和遠程計算機12 等術語，但并不排除使用其他術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便的描述本發 明的本質，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。
[0061] 應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現有技術。
[0062] 應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本 發明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權 利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護范圍之內，本發 明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1. 一種氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置，其特征在于:包括無人飛行 器（1)、支架(2)、監測機構(3)和遠程計算機（12);所述監測機構（3)通過所述支架(2)固定 安裝在所述無人飛行器(1)上，并通過通信網絡與所述遠程計算機(12)連接通信。2. 根據權利要求1所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述監測機構(3)為兩組，均通過所述支架(2)對稱固定安裝在所述無人飛行器(1)上。3. 根據權利要求1-2任意一項所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝 置，其特征在于:所述監測機構（3)包括微型溫度計(4)、防水鏡頭（5)、照明機構(6)、導線 (7)、無線通信模塊(9)、PVC套筒(10)和電源(11); 所述微型溫度計(4)、防水鏡頭(5)、照明機構(6)有若干組，均安裝在所述PVC套筒（10) 上預先設置的凹槽之中；所述微型溫度計(4)、防水鏡頭（5)、照明機構(6)、無線通信模塊 (9)均通過所述導線(7)與所述電源（11)連接;所述無線通信模塊(9)通過通信網絡與所述 遠程計算機(12)連接通信。4. 根據權利要求3所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述照明機構(6)為L邸白光燈。5. 根據權利要求3所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述防水鏡頭(5)為電子顯微鏡頭。6. 根據權利要求3所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述微型溫度計(4)設置在所述防水鏡頭(5)旁。7. 根據權利要求3所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別裝置，其特征在 于:所述PVC套筒（10)為兩根，均可旋轉地安裝在基座上，兩根PVC套筒（10)之間通過伸縮機 構(8)連接在一起;伸縮機構(8)通過所述導線(7)與所述無線通信模塊(9)連接。8. -種氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1:根據微距微觀視頻圖像采集的最優確定值，利用遠程計算機（12)調整照明機構 (6)的亮度，利用防水鏡頭(5)對不同溫度空中凝聚態進行微距微觀拍攝成像，并記錄此時 每個防水鏡頭(5)旁邊微型溫度計(4)的示數，然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉成微 距微觀視頻灰度圖像； 步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得到氣 體中晶體核的輪廓； 步驟3:根據晶體核的輪廓確定它的形態學參數，并且建立該形態學參數與溫度的對應 關系； 步驟4:建立晶體核的形態學參數與凝聚態濃度的定量關系，根據事先設置的凝聚態濃 度闊值反推出晶體核的形態學參數臨界值和溫度闊值； 步驟5:在對氣體中的凝聚態進行監測的過程中，當監測的溫度與溫度闊值相差大于預 設值時，采集此時的凝聚狀態圖像； 步驟6:輸入待監測氣體中的凝聚態原始真彩微距微觀視頻圖像，經過步驟1-3處理得 到晶體核的形態學參數，然后，將其與形態學參數臨界值比較，如果大于闊值，立即建立微 觀層面預警機制，并根據其成長狀態，實施即時干預機制，在微觀層面及時采取有效措施阻 止有害物質的凝聚。9. 根據權利要求8所述的氣體中凝聚態結構演變實時監測的圖像識別方法，其特征在 于，步驟3中所述晶體核的形態學參數包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比t;所述晶體核 的形態學參數與溫度T(°C)的對應關系為：其中：ki，k2，k3和k期為常數。10.根據權利要求9所述的氣體凝聚態結構演變實時監測的微距微觀圖像識別方法，其 特征在于，步驟4中所述凝聚態濃度C與晶體核的形態學參數的定量關系為： c = ltt3Tr2/t 其中:ks為常數。
【文檔編號】G08C17/02GK105973891SQ201610588972
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月25日
【發明人】王若林, 朱道佩, 呂鉻, 桑農
【申請人】武漢大學