基于时序图像的边缘两相界面补全方法

本发明涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种基于时序图像的边缘两相界面补全方法。

背景技术：

1、两相流广泛存在并应用于制冷、石油、能源等领域的工业设备中，为提高相关工业设备设计性能，研究者常利用丝网测量传感器或高速相机对两相流动进行可视化测量，基于所得两相流动的二值化时序图像分析两相流中离散相的数量、尺寸以及形状，进而支撑两相流动的特性分析。因此，从两相流动时序图像中准确可靠地获取离散相数量、尺寸以及形状信息是两相流实验研究的关键。然而由于测量视野范围的限制，当离散相流经测量区域边缘附近时，部分相界面会位于测量区域之外，因此所得图像在边缘处不可避免地会出现不完整的相界面。若直接对测量的两相图像中进行统计分析，则会显著低估位于边缘的离散相的尺寸，并得到错误的离散相形状。因此，需要利用算法对处于边缘处的离散相的相界面进行补全，避免数据分析呈现较大误差。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术难以适用于两相流二值图像边缘的不完整相界面补全、补全方法复杂、处理成本较高，以及目前尚无针对图像边缘不完整界面的向外拓展补全技术的空白，提出一种基于时序图像的边缘两相界面补全方法，针对两相流动的时间序列图像，对其位于图像边缘的不完整相界面进行补全，不依赖神经网络的拓展补全算法，避免提前准备大批量训练数据带来的不便。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于时序图像的边缘两相界面补全方法，将待处理时序图像转换为三维矩阵后，识别三维矩阵任一帧图像流动出口边界的残缺离散相并基于其前一帧图像进行拓展补全后更新当前帧的数据，基于更新后的三维矩阵，再识别三维矩阵任一帧图像流动出口边界的残缺离散相并基于其后一帧图像进行二次拓展补全后再次更新当前帧的数据，实现边缘两相界面补全。

4、所述的拓展补全包括：

5、步骤a、对第k个不完整离散相的覆盖区域范围进行周向拓展，建立搜索区域范围ψsearch＝([is，min，t，k，is,max,t,k]，[js,min，t,k，js，max,t,k])，其中：is,min，t,k＝max(imin,t,k-φdt,k,1)，js，min,t,k＝max(jmin,t,k-φdt，k，1)，φ为搜索拓展系数、可根据实际情况自行确定，为矩阵p中图像i方向的坐标最大值，为矩阵p中图像j方向的坐标最大值、会随计算循环而不断改变，因此在每次调用均需对当前的矩阵p尺寸进行检查。

6、步骤b、对蒙版矩阵mt,k在覆盖区域坐标范围ψcover内的图像和矩阵p第t-1帧或第t+1帧搜索区域范围ψsearch内的图像利用canny算法或sobel算法进行边缘检测并将输出的结果进行互相关计算，记互相关计算结果中最大值所在位置(ir，t，k，jr,t，k)。

7、步骤c、利用区域种子生长算法，以(ir，t，k-is，max，t,k+is，min，t，k，jr，t，k-js，max，t,k+js，min,t，k)为种子坐标，识别副本矩阵p中第t-1帧或第t+1帧图像包含该种子坐标的离散相区域，得到该离散相的蒙版矩阵或

8、步骤d、基于步骤c中的互相关计算结果中最大值所在位置(ir，t，k，jr，t,k)，将mt,k中离散相区域平移至蒙版矩阵或中并将对应像素值标记为2，形成匹配蒙版或

9、步骤e、对匹配蒙版或进行遍历，筛选得到像素值为1且满足j1>max(j2)的像素点，即筛选确定第k个不完整离散相的应补全区域，其中j1指代匹配蒙版中像素值为1的像素点在j方向上的坐标，j2指代匹配蒙版中像素值为2的像素点在j方向上的坐标。将筛选所得像素点像素值更改为2后，将匹配蒙版中像素值为1的点的像素值修改为0，再将像素值为2的点的像素值修改为1，得到优化蒙版或

10、步骤f、将优化蒙版或反向平移至mt,k，得到三维矩阵b1第t帧第k个不完整离散相边界的拓展补全后蒙版对k从1循环计算至nt,k，将得到的各个拓展补全后蒙版叠加至三维矩阵b1的第t帧图像，得到第t帧拓展补全后图像。

11、本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：数据预处理单元、拓展补全单元以及数据整合单元，其中：数据预处理单元根据输入的时序图像信息，进行数据格式转换、不完整离散相标记，得到包含不完整离散相标记信息的三维矩阵数据，拓展补全单元根据数据预处理单元输出的三维矩阵数据，对矩阵所标记的不完整离散相进行拓展补全，得到包含拓展补全结果的三维矩阵数据，数据整合单元根据拓展补全单元输出的三维矩阵数据，进行数据格式转换，输出拓展补全后的时序图像信息。

12、技术效果

13、与现有技术相比，本发明不依赖神经网络，能够避免提前准备大批量训练数据带来的不便的同时，有效补全图像边缘不完整离散相边界结构，仅依靠算法实现适用于各类两相流动的时序图像边缘补全，对计算机性能要求低，且计算速度快。

技术特征：

1.一种基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征在于，将待处理时序图像转换为三维矩阵后，识别三维矩阵任一帧图像流动出口边界的残缺离散相并基于其前一帧图像进行拓展补全后更新当前帧的数据，基于更新后的三维矩阵，再识别三维矩阵任一帧图像流动出口边界的残缺离散相并基于其后一帧图像进行二次拓展补全后再次更新当前帧的数据，实现边缘两相界面补全。

2.根据权利要求1所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的拓展补全包括：

3.根据权利要求1所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的三维矩阵，具体为：将两相流动的二值化时序图像读取并存储为三维矩阵b1＝{δi，j，t|1≤i≤ni，1≤j≤nj，1≤t≤nt}，再创建副本矩阵p＝b1，其中：δi，j，t指第t帧，位于(i，j)位置处的图像像素值；j为两相流动方向的位置坐标，j＝1表示该像素位于图像两相流动入口边界，j＝nj表示该像素位于图像两相流动出口边界；i表征与流动方向垂直的位置坐标，ni×nj为该帧图像的像素规格，δi，j，t＝1表示图像该处为离散相，δi，j，t＝0表示图像该处为连续相。

4.根据权利要求1所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的识别，即识别三维矩阵b1第t帧图像中的完整离散相和位于出口边界处的不完整离散相，得到出口边界处不完整离散相的蒙版矩阵机器对应的不完整离散相的覆盖区域范围和特征长度，具体为：对三维矩阵b1第t帧图像的像素值进行遍历，筛选δi，j，t＝1且j＝nj的像素点，得到位于出口边界处的离散相像素点集合利用区域种子生长算法，依次以b2所含的像素点为种子坐标，对包含该像素点的离散相区域进行识别，得到第t帧图像出口边界处不完整离散相的蒙版矩阵mt，k，基于该蒙版矩阵中非零像素点的位置进一步得到对应不完整离散相的覆盖区域坐标范围ψcover＝([imin，t，k，imax，k]，[jmin,t，k，nj])并计算得到该不完整离散相的形心坐标(ic，t，k，jc，t，k)以及特征长度其中：k＝1，...，nt，k，nt，k为第t帧图像出口边界处的不完整离散相数量，δ′i，j，t∈mt，k。

5.根据权利要求4所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的蒙版矩阵mt，k中，第k个不完整离散相覆盖区域的像素值为1，其余区域像素值为0。

6.根据权利要求2所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的匹配蒙版中含有三类像素点，分别是像素值为0、1、和2的像素点，将其中：像素值为1的像素点记为代表中未被mt，k离散相覆盖的离散相区域；将像素值为2的像素点记为代表mt，k离散相平移后的区域。

7.根据权利要求1所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的更新当前帧的数据是指：使用出口边界拓展补全后的第t帧图像数据替换副本矩阵p中的第t帧数据，具体为：基于对矩阵p尺寸进行修正，矩阵新增区域像素值为0，其中为出口边界拓展补全后的第t帧图像在j方向上的坐标最大值，此后使用出口边界拓展补全后的第t帧图像替换修正后矩阵p中的第t帧图像，从而完成矩阵p更新，循环执行步骤3和步骤4至第nt帧，即t＝nt，使副本矩阵p内各帧图像均为出口边界拓展补全后图像。

8.根据权利要求1所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的再识别，即创建更新后的时序图像数据矩阵bnew＝p，识别该矩阵bnew第t帧图像中的完整离散相和位于入口边界处的不完整离散相，得到入口边界处不完整离散相的蒙版矩阵、对应不完整离散相的覆盖区域范围和特征长度，具体为：对更新后的时序图像数据矩阵bnew第t帧图像的像素值进行遍历，筛选δi，j，t＝1且j＝1的像素点，得到位于出口边界处的离散相像素点集合利用区域种子生长算法，依次以b2′所含的像素点为种子坐标，对包含该像素点的离散相区域进行识别，得到第t帧图像出口边界处不完整离散相的更新蒙版矩阵mt，k′，基于该蒙版矩阵中非零像素点的位置进一步得到对应不完整离散相的更新覆盖区域坐标范围ψcover′＝([imin，t，k，imax，k]，[jmin，t，k，nj])并计算得到该不完整离散相的更新形心坐标(ic，t，k′，jc，t，k′)以及更新特征长度其中：k＝1，...，nt，k，nt，k为第t帧图像出口边界处的不完整离散相数量，δ′i，j，t∈mt，k。

9.根据权利要求1所述的基于时序图像的边缘两相界面补全方法，其特征是，所述的再次更新，即使用拓展补全后的第t帧图像数据替换矩阵p中的第t帧数据，该步骤用于更新步骤4输出的矩阵p的尺寸及数据，使矩阵p内各帧图像均为入口及出口边界拓展补全后图像，具体包括：基于对矩阵p尺寸进行修正，矩阵新增区域像素值为0，其中为出口边界拓展补全后的第t帧图像在j方向上的坐标最大值，此后使用出口边界拓展补全后的第t帧图像替换修正后矩阵p中的第t帧图像，从而完成矩阵p更新，循环执行步骤5和步骤6至第1帧，即t＝1，使副本矩阵p内各帧图像均为入口及出口边界拓展补全后图像。

10.一种实现权利要求1-9中任一所述方法的基于时序图像的边缘两相界面补全系统，其特征在于，包括：数据预处理单元、拓展补全单元以及数据整合单元，其中：数据预处理单元根据输入的时序图像信息，进行数据格式转换、不完整离散相标记，得到包含不完整离散相标记信息的三维矩阵数据，拓展补全单元根据数据预处理单元输出的三维矩阵数据，对矩阵所标记的不完整离散相进行拓展补全，得到包含拓展补全结果的三维矩阵数据，数据整合单元根据拓展补全单元输出的三维矩阵数据，进行数据格式转换，输出拓展补全后的时序图像信息。

技术总结一种基于时序图像的边缘两相界面补全方法，将待处理时序图像转换为三维矩阵后，识别三维矩阵任一帧图像流动出口边界的残缺离散相并基于其前一帧图像进行拓展补全后更新当前帧的数据，基于更新后的三维矩阵，再识别三维矩阵任一帧图像流动出口边界的残缺离散相并基于其后一帧图像进行二次拓展补全后再次更新当前帧的数据，实现边缘两相界面补全。本发明针对两相流动的时间序列图像，对其位于图像边缘的不完整相界面进行补全，不依赖神经网络的拓展补全算法，避免提前准备大批量训练数据带来的不便。技术研发人员：杨宜昂,熊进标,曲文海,张容瑄,刘晓晶,柴翔,张滕飞,何辉受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16