一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法与系统与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法与系统。


背景技术：

2.污泥沉降比是指曝气池混合液在量筒静止沉降一定时间后污泥所占的百分体积，是测定污泥性能最为简便的方法。并且污泥沉降比是日常污水分析中最为常见、重要的分析项目。目前，常用的污水处理方法是分析人员从污水生化曝气池采样后，将水样摇匀倒入量筒中，根据量筒上的刻度获取污泥与污水溶液的体积比值，并在量筒上标记合格时的刻度，后续处理污水时固定污水位置。该污泥沉降比测量方法不可控制，测量的效率低，测量结果误差较大。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法与系统，所采用的技术方案具体如下：将量筒内的污水均匀搅拌，并采集图像记为第一图像，并获取污水静置后的图像记为第二图像；获得第一图像中的污水区域和第二图像中的污泥区域；污泥区域中像素点的数量与污水区域中像素点数量的比值为量筒中污泥和污水溶液的体积比值，记为第一沉降比；利用二值化后的第一、第二图像中像素点的投影值分别拟合曲线获得第一曲线和第二曲线，所述投影值为图像上每行像素点灰度值的均值；根据第一曲线中突变点之间的距离和第二曲线突变点之间的距离获得量筒中污泥和污水溶液的高度比值，记为第二沉降比；根据第一沉降比与第二沉降比进行加权求和得到全局沉降比；采集相机与量筒的角度从正视角至俯视角的图像，根据图像中像素点的数量分别获取各个图像中量筒上端口面积、污水溶液体积以及污水溶液高度；随着视角变化，分别获取量筒上端口面积与污水溶液体积、量筒上端口面积与污水溶液高度的函数关系；利用所述函数关系对全局沉降比进行修正，得到修正沉降比；根据修正沉降比确定污水处理情况。
4.优选地，所述利用所述函数关系对全局沉降比进行修正的方法具体为：其中，表示修正沉降比，表示第一沉降比，表示第二沉降比，、分别表示量筒上端口面积与污水溶液体积、量筒上端口面积与污水所占高度的函数，、
分别表示量筒上端口面积为0时污水体积与污水高度的取值，、为权重系数。
5.优选地，所述相机与量筒的角度具体为：相机与量筒的角度为正视角时，角度为0
°
；相机与量筒的角度为正俯视角时，角度为90
°
。
6.优选地，所述第一曲线和第二曲线的获取方法具体为：分别对二值化后的第一图像、第二图像进行横向投影，获得横向上图像内各行像素点的投影值，所述投影值为各行像素点灰度值均值，对各行像素点对应的投影值进行拟合得到第一曲线和第二曲线。
7.优选地，述第一曲线和第二曲线的横坐标为像素点所在的行数，纵坐标为行数对应的灰度值均值。
8.优选地，所述第二沉降比的获取方法具体为：获取第一曲线上两个突变点的坐标，根据所述两个突变点的横坐标差值得到突变点之间的距离，记为量筒中污水溶液的高度；获取第二曲线上两个突变点的坐标，根据所述两个突变点的横坐标差值得到突变点之间的距离，记为量筒中污泥的高度；计算量筒中污泥与污水溶液的高度比值得到第二沉降比。
9.本发明还提供了一种基于图像处理的污泥沉降比测量系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法的步骤。
10.本发明实施例至少具有如下有益效果：根据图像中像素点的比例得到污泥和污水溶液的体积、高度之比，进而得到污泥沉降比，再根据视角的变化得到污泥和污水溶液的体积、高度的变化，并对污泥沉降比进行修正，考虑到了因相机视角变化对污泥沉降比测量造成的误差，使得测量结果更加准确。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
12.图1为本发明的一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法的方法流程图。
具体实施方式
13.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法与系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
14.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
15.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于图像处理的污泥沉降比测量
方法与系统的具体方案。
16.本发明主要目的是：在污水处理过程中，保证出水水质的稳定是最重要的一个环节。通过研究发现，污泥沉降比这一指标关系到污水处理效果。在本发明中，计算污泥沉降比是通过采集污水放置量筒中，静置30分钟，计算污泥和溶液的体积之比，这个比值就是污泥沉降比，然后再根据污泥沉降比来判断污水是否符合处理需求。
17.本发明所针对的具体场景为：在对城市污水进行处理，需要测量放入的活性污泥的浓度时。
18.实施例1：请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：首先，将量筒内的污水均匀搅拌，并采集图像记为第一图像，并获取污水静置后的图像记为第二图像。
19.具体地，使用机器将污水搅拌均匀，从中采样后倒入100ml的量筒（量筒的大小实施者也可根据实际情况进行选择），并将之放置在采集台上，使用图像采集设备（即数码相机等）对一量筒污水进行图像的采集，将污水静置30分钟后，再次进行图像采集，并对这两次采集得到的图像分别进行灰度化处理。
20.由于采集污水所用的量筒较细，并且在工业生产中，无法保证量筒和相机的相对角和相对位置，因此，需要对灰度化处理后的两张图像进行图像分割处理，具体方法为：利用边缘检测分别对两张图像进行处理得到量筒边缘图像，以量筒为中心，将量筒边缘图像的高度恢复到与原始图像的高度相同，将量筒边缘图像的宽度变为量筒的3倍宽度，得到两张分割处理后的图像，记静置前的图像为第一图像a，静置后的图像为第二图像b，且图像的大小为n*m。
21.然后，获得第一图像中的污水区域和第二图像中的污泥区域；污泥区域中像素点的数量与污水区域中像素点数量的比值为量筒中污泥和污水溶液的体积比值，记为第一沉降比。
22.具体地，分别获取第一图像a和第二图像b的灰度直方图，记为a0和b0。利用大津阈值分割算法对两个灰度直方图进行处理，得到阈值，使得分割后的两部分方差相差最大，则根据该阈值对第一图像a和第二图像b进行分割，得到分割后的二值图，记为a1和b1，可表示为：为：其中，a1和b1分别为第一图像a和第二图像b分割后的二值图，和分别为第一图像a和第二图像b进行大津阈值分割时对应的阈值，和分别为第一图像a和第二图像b中位处像素点的灰度值。
23.根据二值化后的图像，在污水静置之前，污水溶液是均匀的，灰度值为0的像素点
认定为污水所占像素点，记为污水区域，灰度值为255的像素点认定为背景及其他所占像素点，则根据第一图像对应的二值图a1上污水区域中像素点的数量，可得到污水溶液整体溶液所占的像素点数量。在污水静置之后，包括上清液和污泥，灰度值为0的像素点认定为污泥所占像素点，记为污泥区域，灰度值为255的像素点认定为上清液、背景及其他所占像素点，则根据第二图像对应的二值图b1上污泥区域中像素点的数量，可得到污水中污泥所占的像素点数量。
24.因此，根据污水溶液整体溶液所占的像素点数量与污水中污泥所占的像素点数量的比值，来反应两者的体积之比，进而得到第一沉降比：其中，表示第一沉降比，、分别表示污水溶液整体溶液所占的像素点数量与污水中污泥所占的像素点数量。
25.接着，利用二值化后的第一、第二图像中像素点的投影值分别拟合曲线获得第一曲线和第二曲线，所述投影值为图像上每行像素点灰度值的均值；根据第一曲线中突变点之间的距离和第二曲线突变点之间的距离获得量筒中污泥和污水溶液的高度比值，记为第二沉降比；并根据第一沉降比与第二沉降比进行加权求和得到全局沉降比。
26.具体地，分别对第一图像、第二图像的二值图a1和b1进行横向投影，获得横向上图像内各行像素点的投影值，所述投影值为各行像素点灰度值均值，建立二维坐标系，将每一行的行数和对应的平均灰度值记在坐标系中，绘制曲线图像得到第一曲线和第二曲线。其中坐标系的横坐标为像素点所在的行数，纵坐标为行数对应的灰度值均值。
27.平均灰度值用公式表示为：其中，为当前行像素点的平均灰度值，m为当前行像素点的数量，为当前行第i个像素点的灰度值。
28.需要说明的是，静置之前的第一图像的纵向上，从上到下包括背景图像、污水溶液图像以及背景图像，因此根据第一曲线可以获得两个突变点，则可知两个突变点之间的距离为污水溶液对应的高度。静置之后的第二图像的纵向上，从上到下包括背景图像、上清液和污泥图像以及背景图像，经过二值化处理后的图像b1，上清液和背景图像灰度值相同，因此根据第二曲线也可获得两个突变点，则可知两个突变点之间的距离为污泥对应的高度。
29.其中，突变点是由于相邻两个坐标点的平均灰度值大幅度变化而出现，因此可根据相邻两个坐标点的平均灰度值作差得到的两个最大差值，确定两个突变点的位置，具体步骤如下:获取曲线中点的坐标，记为，则该点到横坐标轴的距离为，则可得曲线中点与其相邻坐标点纵坐标的差值，即，进而获取曲线上所有坐标点与其相邻坐标点纵坐标差值的集合，记为。获取集合中两个最大的差值，即
，。其中，两个最大的差值对应的式子为：。其中，两个最大的差值对应的式子为：则可得到两个突变点对应的坐标、。在第一曲线上根据两个突变点横坐标的差值得到污水溶液的高度，在第二曲线上根据两个突变点横坐标的差值得到污泥的高度，进而根据污泥和污水溶液的高度比值得到第二沉降比，即：。
30.根据第一沉降比与第二沉降比进行加权求和得到全局沉降比，用公式表示为：其中，为全局沉降比，为第一沉降比，为第二沉降比，、为权重系数，在本实施例中，权重系数的取值分别为、，实施者可根据实际情况进行设定。
31.需要说明的是，在实际工业生产中，相机不一定都是正视量筒的，也可能存在俯视或者仰视的情况。而在俯视和仰视的角度下，由于近大远小，当俯视的时候，相机采集到的图像，上半部分物体会相对的变大变长。当仰视的时候，相机采集到的图像，下半部分物体会相对的变小变短，根据视角的变化以及其对应的变化关系，对采集到的图像进行修正。
32.进一步的，采集相机与量筒的角度从正视角至俯视角的图像，根据图像中像素点的数量分别获取各个图像中量筒上端口面积、污水溶液体积以及污水溶液高度；随着视角变化，分别获取量筒上端口面积与污水溶液体积、量筒上端口面积与污水溶液高度的函数关系；利用所述函数关系对全局沉降比进行修正，得到修正沉降比。
33.具体地，以量筒中心为球心，以相机所在位置到量筒中心的距离为半径，构成一个球体，相机在该球体上移动，且相机对准量筒进行图像采集。其中，需要说明的是在实际工业生产中，只会出现平视或者俯视的情况，因此本实施例中只考虑俯视时的情况。
34.在俯视的情况下，相机采集到的图像中量筒上端口会随着俯视角度的增大而从椭圆变为正圆，正视时量筒上端口不会形成圆。其中，相机与量筒的角度为正视角时，角度为0
°
；相机与量筒的角度为正俯视角时，角度为90
°
。因此，随着角度的增大，量筒上端口的圆越来越大，直到形成正圆时，这个圆的面积达到最大，此时为正俯视角，由此，就得到了量筒上端口面积和俯视角度成正相关。其中，量筒上端口面积可以采用边缘检测算法得到量筒上端口区域，根据量筒上端口区域内的像素点数量得到量筒上端口区域面积，实施者可根据实际情况选择合适的方法进行计算。
35.同时，随着角度的增大，采集到的图像中上半部分变大变长，进而变小变短，因此可知俯视角度与图像中污水溶液所占像素点呈负相关，则量筒上端口面积和图像中污水溶液所占像素点呈负相关。
36.在实际检测过程中，针对一量筒污水，采集角度从0
°
逐渐增加至60
°
时的图像（其中，在实际工业生产中，为了便于观察，俯视角度不会超过60
°
），并获取其对应的量筒上端口面积、污水溶液体积以及污水溶液高度，分别获取量筒上端口面积与污水溶液体积、量筒
上端口面积与污水溶液高度的函数关系，并且随着量筒上端口面积的增大，两者都减少。
37.用所述函数关系对全局沉降比进行修正，得到修正沉降比，用公式表示为：其中，表示修正沉降比，表示第一沉降比，表示第二沉降比，、分别表示量筒上端口面积与污水溶液体积、量筒上端口面积与污水所占高度的函数，、分别表示量筒上端口面积为0时污水体积与污水高度的取值，、为权重系数。
38.最后，根据修正沉降比确定污水处理情况。具体地，污泥修正沉降比为最终的污泥沉降比。在实际工业生产中，污泥沉降比较为合适的大概范围在20%-30%之间。若污泥沉降比不在此区间内，则需要对其进行调整。即当污泥沉降比大于30%时，需要排放出一部分的污泥。当污泥沉降比小于20%时，需要增加营养物来培养污泥的活性。
39.实施例2：本实施提供了一种基于图像处理的污泥沉降比测量系统，括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法的步骤。由于实施例1已经对一种基于图像处理的污泥沉降比测量方法进行了详细的阐述，此处不再过多介绍。
40.需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
41.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。