气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置及方法，装置包括无人飞行器、支架、监测机构和远程计算机；监测机构通过支架固定安装在无人飞行器上，并通过通信网络与远程计算机连接通信。本发明一方面可以对气体中凝聚态结构发展进行远程快速监测，另一方面能得到待监测气体中凝聚态结构的实时演变规律。与传统的测量方法相比，提高了精度；同时可以调节LED白光灯灯光的强弱和监测机构两个伸出段的夹角，进而调高采集图像的质量。本发明可以利用多个该装置组成阵列，分布在大气中不同高度的不同位置，可以同时对空间内不同位置的气体中凝聚态物质演变进行监测,建立地区气体状态微观层面的预警和干预机制。
【专利说明】
气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于气体中凝聚态结构演变监测领域，具体涉及一种无人飞行器载气体中 凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别装置及方法。
【背景技术】
[0002] 普通流体不是纯物质，而是存在各种物质的动态凝聚过程，一般包括晶核的成核 过程和不断长大的过程。天空中的云、雾、雨、燃烧生成的烟，水体中冰的结晶，一些化学反 应过程中新物质的形成，均为成核现象。成核是相变初始时的"孕育阶段"，也即生成晶核的 过程，是结晶的初始阶段。之后，晶核不断长大形成晶体。目前对流体中的凝聚态结构演变 规律的监测主要采用以小试样测量的实验室测量，但这种方法不适用于现场测试，效率较 低，精度较低，并且误差大，测量结果往往不能反映现实环境流体中的动态凝聚规律，不能 及时对有害物生成产生最早期微观层面的预警和干预。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人飞行器载气体中凝聚态结构演变 实时监测的微距微观图像识别装置及方法。
[0004] 本发明的装置所采用的技术方案是:一种无人飞行器载气体中凝聚态结构演变实 时监测的图像识别装置，其特征在于:包括无人飞行器、支架、监测机构和远程计算机;所述 监测机构通过所述支架固定安装在所述无人飞行器上，并通过通信网络与所述远程计算机 连接通信。
[0005] 作为优选，所述监测机构为两组，均通过所述支架对称固定安装在所述无人飞行 器上。
[0006] 作为优选，所述监测机构包括微型温度计、防水镜头、照明机构、导线、无线通信模 块、PVC套筒和电源；
[0007] 所述微型温度计、防水镜头、照明机构有若干组，均安装在所述PVC套筒上预先设 置的凹槽之中；所述微型温度计、防水镜头、照明机构、无线通信模块均通过所述导线与所 述电源连接;所述无线通信模块通过通信网络与所述远程计算机连接通信。
[0008] 作为优选，所述照明机构为LED白光灯。
[0009] 作为优选，所述防水镜头为电子显微镜头，具有足够大的放大倍数，可以保证拍到 气体中凝聚态结构及其变化过程。
[0010] 作为优选，所述微型温度计设置在所述防水镜头旁。
[0011] 作为优选，所述PVC套筒为两根，均可旋转地安装在基座上，两根PVC套筒之间通过 伸缩机构连接在一起;伸缩机构通过所述导线与所述无线通信模块连接。远程计算机可以 通过无线通信模块控制伸缩机构的伸长或缩短，从而调整PVC套筒张开的角度。
[0012] 本发明的方法所采用的技术方案是:一种无人飞行器载气体中凝聚态结构演变实 时监测的图像识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013] 步骤1:根据微距微观视频图像采集的最优确定值，利用远程计算机调整照明机构 的亮度，利用防水镜头对不同温度空中凝聚态进行微距微观拍摄成像，并记录此时每个防 水镜头旁边微型温度计的示数，然后，将原始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰 度图像；
[0014] 步骤2:二值化微距微观视频灰度图像，然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理，得 到气体中晶体核的轮廓；
[0015] 步骤3:根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数，并且建立该形态学参数与温度的 对应关系；
[0016] 步骤4:建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系，根据事先设置的凝聚 态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值；
[0017] 步骤5:在对气体中的凝聚态进行监测的过程中，当监测的温度与温度阈值相差大 于预设值时，采集此时的凝聚状态图像；
[0018] 步骤6:输入待监测气体中的凝聚态原始真彩微距微观视频图像，经过步骤1-3处 理得到晶体核的形态学参数，然后，将其与形态学参数临界值比较，如果大于阈值，立即建 立微观层面预警机制，并根据其成长状态，实施即时干预机制，在微观层面及时采取有效措 施阻止有害物质的凝聚。
[0019] 作为优选，步骤3中所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽 比t;所述晶体核的形态学参数与温度T(°C)的对应关系为：
[0020]
[0021]
[0022] 其中也，1?，1?和1^4均为常数。
[0023] 作为优选，步骤4中所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为：
[0024] c = k5Jrr2/1
[0025] 其中:1?为常数。
[0026]本发明的优点是：
[0027] 1、该一种无人飞行器载空中凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别方法 和装置，一方面可以对大气中凝聚态结构发展进行远程快速监测，另一方面能得到待监测 气体中凝聚态结构的实时演变规律。与传统的测量方法相比，提高了精度；
[0028] 2、设置了凝聚态浓度阈值和形状参数阈值，建立微观层面预警机制，并进一步在 微观层面建立干预机制，及时采取有效措施阻止有害物质的凝聚；
[0029] 3、可以调节LED白光灯灯光的强弱和监测机构两个伸出段的夹角，进而调高采集 图像的质量；
[0030] 4、可以利用多个该装置组成阵列，分布在大气不同高度的不同位置，可以同时对 空间内不同位置的气体中凝聚态物质演变进行监测，建立地区气体状态微观层面的预警和 干预机制。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明实施例的装置结构图；
[0032] 图2为本发明实施例的监测机构图；
[0033] 图3为本发明实施例的远程计算机机构图。
[0034] 图中，1为无人飞行器，2为支架，3为监测机构、4为微型温度计、5为防水镜头、6为 照明机构、7为导线、8为伸缩机构、9为无线通信模块、10为PVC套筒、11为电源、12为远程计 算机。
【具体实施方式】
[0035] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发 明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0036] 请见图1、图2和图3,本发明提供的一种无人飞行器载气体中凝聚态结构演变实时 监测的图像识别装置，包括无人飞行器1、支架2、监测机构3和远程计算机12;监测机构3为 两组，均通过支架2对称固定安装在无人飞行器1上。监测机构3包括微型温度计4、电子显微 镜头5、LED白光灯6、导线7、无线通信模块9、PVC套筒10和电源11;微型温度计4、电子显微镜 头5、LED白光灯6有若干组，均安装在PVC套筒10上预先设置的凹槽之中；微型温度计4设置 在电子显微镜头5旁;微型温度计4、电子显微镜头5、LED白光灯6、无线通信模块9均通过导 线7与电源11连接;无线通信模块9通过通信网络与远程计算机12连接通信;PVC套筒10为两 根，均可旋转地安装在基座上，两根PVC套筒10之间通过伸缩机构8连接在一起;伸缩机构8 通过导线7与无线通信模块9连接。监测机构3通过支架2固定安装在无人飞行器1上，并通过 通信网络与远程计算机12连接通信。
[0037] 本发明提供的一种无人飞行器载气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0038]步骤1:根据微距微观视频图像采集的最优确定值，利用远程计算机12调整LED白 光灯6的亮度，利用电子显微镜头5对不同温度空中凝聚态进行拍摄成像，并记录此时每个 电子显微镜头5旁边微型温度计4的示数，然后，将原始真彩微距微观视频图像转成微距微 观视频灰度图像；
[0039]步骤2:二值化微距微观视频灰度图像，然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理，得 到气体中晶体核的轮廓；
[0040] 本实施例在二值化过程中将气体中的凝聚态的晶体核和其他物质各视为一种物 质，再进行其后的操作;桥接和去杂处理是通过开操作和闭操作去除凝聚态图像中孤立的 噪声点，同时保留图像中本来的细节结构;细化处理是将图像中晶体核的轮廓变成单像素 厚度组成的细线，骨化处理是保留图像中心线的细化。
[0041] 步骤3:根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数，并且建立该形态学参数与温度的 对应关系；
[0042] 所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t;所述晶体核的 形态学参数与温度T(°C)的对应关系为：
[0043]
[0044]
[0045] 其中:ki，k2，k3和k4均为常数；
[0046] 步骤4:建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系，根据事先设置的凝聚 态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值；
[0047] 所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为：
[0048] c = k5Jrr2/1
[0049] 其中:1?为常数；
[0050]假设凝聚态浓度阈值为co时，晶体核的形态学参数临界值ro和to,温度阈值为To。 [00511将步骤3中的两个公式代入步骤4中的公式可得：
[0052]
[0053]解得温度阈值为 [0054]
[0055]故晶体核的形态学参数临界值ro和to为
[0056]
[0057]
[0058]步骤5:在对气体中凝聚态结构进行监测的过程中，当监测的温度与温度阈值相差 较近时，利用微距微观视频图像采集设备对其进行拍摄成像；
[0059]步骤6:输入待监测气体中凝聚态结构的原始真彩微距微观视频图像，经过步骤1-3处理得到晶体核的形态学参数，然后，将其与形态学参数临界值比较，如果大于阈值，立即 采取有效措施，从而建立预警机制。
[0060] 尽管本说明书较多地使用了无人飞行器1、支架2、监测机构3、微型温度计4、防水 镜头5、LED白光灯6、导线7、伸缩机构8、无线通信模块9、PVC套筒10、电源11和远程计算机12 等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发 明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0061] 应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0062] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本 发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权 利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发 明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在于:包括无人飞行 器（1)、支架(2)、监测机构(3)和远程计算机（12);所述监测机构（3)通过所述支架(2)固定 安装在所述无人飞行器(1)上，并通过通信网络与所述远程计算机(12)连接通信。2. 根据权利要求1所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在 于:所述监测机构(3)为两组，均通过所述支架(2)对称固定安装在所述无人飞行器(1)上。3. 根据权利要求1-2任意一项所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装 置，其特征在于:所述监测机构（3)包括微型溫度计(4)、防水镜头（5)、照明机构(6)、导线 (7)、无线通信模块(9)、PVC套筒(10)和电源(11); 所述微型溫度计(4)、防水镜头(5)、照明机构(6)有若干组，均安装在所述PVC套筒（10) 上预先设置的凹槽之中；所述微型溫度计(4)、防水镜头（5)、照明机构(6)、无线通信模块 (9)均通过所述导线(7)与所述电源（11)连接;所述无线通信模块(9)通过通信网络与所述 远程计算机(12)连接通信。4. 根据权利要求3所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在 于:所述照明机构(6)为L邸白光灯。5. 根据权利要求3所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在 于:所述防水镜头(5)为电子显微镜头。6. 根据权利要求3所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在 于:所述微型溫度计(4)设置在所述防水镜头(5)旁。7. 根据权利要求3所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别装置，其特征在 于:所述PVC套筒（10)为两根，均可旋转地安装在基座上，两根PVC套筒（10)之间通过伸缩机 构(8)连接在一起;伸缩机构(8)通过所述导线(7)与所述无线通信模块(9)连接。8. -种气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1:根据微距微观视频图像采集的最优确定值，利用远程计算机（12)调整照明机构 (6)的亮度，利用防水镜头(5)对不同溫度空中凝聚态进行微距微观拍摄成像，并记录此时 每个防水镜头(5)旁边微型溫度计(4)的示数，然后，将原始真彩微距微观视频图像转成微 距微观视频灰度图像； 步骤2:二值化微距微观视频灰度图像，然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理，得到气 体中晶体核的轮廓； 步骤3:根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数，并且建立该形态学参数与溫度的对应 关系； 步骤4:建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系，根据事先设置的凝聚态浓 度阔值反推出晶体核的形态学参数临界值和溫度阔值； 步骤5:在对气体中的凝聚态进行监测的过程中，当监测的溫度与溫度阔值相差大于预 设值时，采集此时的凝聚状态图像； 步骤6:输入待监测气体中的凝聚态原始真彩微距微观视频图像，经过步骤1-3处理得 到晶体核的形态学参数，然后，将其与形态学参数临界值比较，如果大于阔值，立即建立微 观层面预警机制，并根据其成长状态，实施即时干预机制，在微观层面及时采取有效措施阻 止有害物质的凝聚。9. 根据权利要求8所述的气体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法，其特征在 于，步骤3中所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t;所述晶体核 的形态学参数与溫度T(°C)的对应关系为：其中：ki，k2，k3和k期为常数。10.根据权利要求9所述的气体凝聚态结构演变实时监测的微距微观图像识别方法，其 特征在于，步骤4中所述凝聚态浓度C与晶体核的形态学参数的定量关系为： c = ltt3Tr2/t 其中:ks为常数。
【文档编号】G08C17/02GK105973891SQ201610588972
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月25日
【发明人】王若林, 朱道佩, 吕铬, 桑农
【申请人】武汉大学