基于数字图像处理的掺气水流气泡分布研究

水利水电技术第43卷2012年第4期WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol.43No.4基于数字图像处理的掺气水流气泡分布研究李静，周赤，姜伯乐(长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010)摘要:通过试验室研究，借助高速数码摄像机，结合VC高级编程技术，开发掺气水流气泡分析软件，提出一种自动识别水气两相流中气泡的数字图像处理方法，为图像处理技术与水气两相流实测研究相结合的尝试和探索。研究成果将提高对高速水流掺气机理的认识，为今后进一步深入研究图像处理技术在水流流场特别是高速水气两相流流场测量中的应用打下良好的基础，对提高掺气浓度的测量水平和精度，进而提高水力模型试验水平、满足工程设计要求等都具有较高的学术意义和实用价值。关键词:掺气气泡;阈值分割;迭代法;OTSU法;局部动态阈值中图分类号:TP751文献标识码:A文章编号:1000-0860(2012)04-0037-04DigitalimageprocessingbasedstudyonbubbledistributionofaeratedflowLIJing，ZHOUChi，JIANGBole(ChangjiangRiverScientificResearchInstituteofChangjiangWaterResourcesCommission，Wuhan430010，Hubei，China)Abstract:Throughlaboratorystudyandbasedonhigh-speeddigitalvideocamera，asoftwareforanalysisonbubbleofaeratedflowisdevelopedhereinincorporatedwiththeadvancedVCprogrammingtechniquefortrialandexplorationmadeonthecombina-tionbetweentheimageprocessingtechniqueandthestudyontheactualmeasurementofthetwo-phaseflow(air-water)，andthenadigitalimageprocessingmethodforautomaticallyrecognizingthebubbleinthetwo-phaseflowisputforwardaswell.Thisstudylaysabetterbasisforthefurtherstudytobemadeontheapplicationofimageprocessingtechniquetothemeasurementofflowfield，especiallyhigh-speedtwophaseflowfieldinthedaystocome;whichhasahigherapplicablevalueforenhancingthelevelandaccuracyofthemeasurementontheaerationconcentration，improvingthelevelofhydraulicmodeltestandmeetingthere-quirementfromtheengineeringdesignconcerned.Keywords:aerationflow;thresholdsegmentation;iterativemethod;OTSUmethod;localdynamicthreshold收稿日期:2011-07-18基金项目:长江水利委员会长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费资助(YWF1009)。作者简介:李静(1976—)，女，湖北武汉人，高级工程师。1引言泄水建筑物过流时，由于水头高、流速大，或者水流表面或过流边界突变，造成大量的空气掺入水流中，此种局部区域或整体上掺有大量空气的水流称为掺气水流［1］。应用数字图像处理技术，通过图像分析直观地计算掺气浓度，可以弥补传统方法的一些缺陷［2］。图像处理技术分析掺气水流气泡分布进行掺气浓度测量的一个关键因素是:由于气泡反射光要比水的反射光强，在一幅图像上将出现不同的灰度级，从而为采用阈值法识别图像中的气泡和水成为可能，实验证明:只要图像的质量保证，就可以在误差允许的范围内采用阈值分割技术识别气泡和水，从而进一步计算掺气浓度。这种方法可以在很短的时间内集中研究一幅有大量气泡的图像且可以同时研究大量的图73李静，等∥基于数字图像处理的掺气水流气泡分布研究水利水电技术第43卷2012年第4期图1某工程跌坎掺气设施布置(单位:m)像。本文利用高速摄像机，采集某工程掺气设施后水流掺气图像，对应用图像处理技术分析水流气泡