CN112284983A - 通过图像处理测量接触角的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过图像处理测量接触角的方法，包括：使用CCD采集图像信息，进行裁剪、放大,在预处理过程中，通过自适应灰度拉伸增加背景与液滴对比度，再进行阈值分割，随后追踪液滴重心确定范围截取有效画面，以去除干扰曲线，提取液滴轮廓曲线；完成图像预处理后，提取水滴轮廓即圆弧部分，拟合圆弧所在的圆，得到其圆心和半径；再根据圆弧高度、半径计算水滴轮廓切线角度,即接触角；相比于传统的在曲线端点画切线等方法，使用MB‑ruler角度测量软件人工测量切线与直线夹角，即接触角，将其与该算法得到的接触角直比较，验证了该算法的可靠性。该方法智能性高，操作简单易掌握，测量误差小，精确性高，功能更加完善。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过图像处理测量接触角的方法。
背景技术
在电子器材的研究与生产中，需要对器材表面的洁净度等相关信息进行评价。例如测量液晶屏表面洁净度、制作电容触摸屏时需要对成型后的盖板玻璃进行表面粗糙度的测量以判断其耐磨性等。接触角作为表征液体对固体润湿程度的重要参数，常被用于测量液晶屏等器材表面相关信息。对于同一种材料表面，通过比较其接触角大小可以了解相应的洁净程度。在表面展开的水滴直径越大，其表面洁净度越高。
接触角现有的测量方法通常有两种：其一为外形图像分析法；其二为称重法。其中测量最直接与准确的是外形图像分析法。且在提取液滴轮廓后，目前常用的方法为对液滴与被测表面接触点附近的液滴轮廓进行曲线拟合，常用多项式拟合函数，随后计算在液滴轮廓与被测器材表面接触点切线斜率，即求导来得到接触角值。然而该方法中边界点的选取将对最终切线斜率的结果造成影响，且选取拟合采样点数不同拟合出的曲线斜率也不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过图像处理测量接触角的方法，该方法智能性高，操作简单易掌握，测量误差小，精确性高，功能更加完善。
为了实现上述目的，本发明提供了一种通过图像处理测量接触角的方法，包括：
使用CCD采集图像信息，进行裁剪、放大后，在预处理过程中，通过自适应灰度拉伸增加背景与液滴对比度，再进行阈值分割，随后追踪液滴重心确定范围截取有效画面，以去除干扰曲线，提取液滴轮廓曲线；
完成图像预处理后，提取水滴轮廓即圆弧部分，拟合圆弧所在的圆，得到其圆心和半径；再根据圆弧高度、半径计算水滴轮廓切线角度；
使用MB-ruler角度测量软件人工测量切线与直线夹角，即接触角，将其与该算法得到的接触角直比较，验证了该算法的可靠性。
优选地，拟合圆弧所在的圆需要找到水滴与桌面交界线，而液滴在器材表面会发生镜面反射，通过计算轮廓对称线位置可以找到水滴与桌面交界处。
优选地，根据轮廓像素点提取轮廓平均曲线。
优选地，根据对称线上半圆弧部分拟合圆，得到圆心位置与半径。
优选地，根据圆心到对称线的距离H与半径R计算出液滴与器材表面的夹角θ；由于θ大于90°与小于90°时计算方式不同，算法在计算前需判断上半圆弧的高度X是否大于半径R；其中，当X>R时，液滴处于不润湿状态：
当X≤R时，液滴处于润湿状态，圆心到对称线的位置同样为H＝R-X：
优选地，基于MATLAB与GUI设计测量器材表面接触角的图像处理程序，以迅速可靠地计算水滴在液晶屏、光学玻璃表面的接触角。
优选地，程序中还包括在液滴不发生镜面反射的情况时的非镜面处理：自图片下方开始，自下而上逐行扫描，寻找水滴下边缘部分，以此为水滴与桌面交界处，计算拟合圆与交界线交点处切线角度。
根据上述技术方案，本发明针对器材表面液滴图像的特点，自主搭建了基于数字图像处理的接触角测试设备，使用CCD相机采集图像，编写基于MATLAB与GUI设计的图像处理程序，相比于现有的水滴测量仪采用显微镜、旋转平台等装置，该设备无需传动装置向相机移动，仅通过算法精确检测到CCD相机采集的图像中水滴的位置信息，且避免了因拟合采样点不准确等问题造成的测量误差，并对液晶屏、光学玻璃表面进行了测试验证，可满足目前基本的使用需求。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是接触角测量的GUI界面；
图2是上半圆弧的高度X不同情况下液滴状态，a为X小于等于半径R时，b为X大于半径R时；
图3是非镜面情况下的GUI界面；
图4是MB-ruler人工测量接触角；
图5是图像处理测量接触角的测量界面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
本发明提供一种通过图像处理测量接触角的方法，包括：
使用CCD采集图像信息，进行裁剪、放大后，在预处理过程中，通过自适应灰度拉伸增加背景与液滴对比度，再进行阈值分割，随后追踪液滴重心确定范围截取有效画面，以去除干扰曲线，提取液滴轮廓曲线；
完成图像预处理后，提取水滴轮廓即圆弧部分，拟合圆弧所在的圆，得到其圆心和半径；再根据圆弧高度、半径计算水滴轮廓切线角度；
使用MB-ruler角度测量软件人工测量切线与直线夹角，即接触角，将其与该算法得到的接触角直比较，验证了该算法的可靠性。
本发明还基于MATLAB与GUI设计了测量器材表面接触角的图像处理程序，可以迅速可靠的计算水滴在液晶屏、光学玻璃等器材表面的接触角。其GUI用户界面如图1所示，CCD实时监测画面(1-1)，图像预处理后图像(1-2)，计算接触角画面(1-3，显示液滴轮廓与拟合圆等部分)，开始摄像按钮(1-4)，点击后开始调用相机实时监测画面，结束摄像按钮(1-5)，截图按钮(1-6)，点击后进行图像预处理，定位液滴位置，处理图像按钮(1-7)点击后算法将通过预处理后数据计算接触角，非镜面复选框(1-8，实现计算非镜面情况下接触角)，静态文本框(1-9)将显示计算得出的接触角值。
测量器材表面接触角图像处理程序的设计重点是提高算法稳定性与准确性。实际在测量接触角时，对画面背景光要求较高，且在计算接触角时常采用多项式拟合函数，随后在接触点处对曲线求导，导致拟合采样点数不同与两端采样点不准确影响了接触角测量的准确性。
因此，本发明在预处理过程中通过自适应灰度拉伸增加背景与液滴对比度，再进行阈值分割，随后追踪液滴重心确定范围截取有效画面，从而去除干扰曲线，更好的提取了液滴轮廓曲线，解决了背景与液滴对比度低，无法获得提取液滴信息的问题。
完成图像预处理后，将提取水滴轮廓即圆弧部分，拟合圆弧所在的圆，得到其圆心、半径等参数。根据圆弧高度、半径等参数计算水滴轮廓切线角度。要拟合圆弧所在的圆，需要找到水滴与桌面交界线，对于大多数情况，液滴在器材表面会发生镜面反射，通过计算轮廓对称线位置可以找到水滴与桌面交界处。
由于图片轮廓由若干个像素点合成，根据轮廓像素点提取轮廓平均曲线。根据对称线上半圆弧部分拟合圆，得到圆心位置与半径。如图2所示，根据圆心到对称线的距离H与半径R可以计算出液滴与器材表面的夹角θ。由于θ大于90°与小于90°时计算方式不同，算法在计算前会判断上半圆弧的高度X是否大于半径R。当X>R时，液滴处于不润湿状态：
当X≤R时，液滴处于润湿状态，圆心到对称线的位置同样为H＝R-X：
考虑到并不是所有器材都能使液滴发生镜面反射，因此在GUI界面中加入非镜面复选框，如图3所示，在液滴不发生镜面反射的情况下选中复选框，当点击处理图像按钮后，算法将不会计算轮廓对称线位置，而是进入非镜面情况：自图片下方开始，自下而上逐行扫描，寻找水滴下边缘部分，以此为水滴与桌面交界处，计算拟合圆与交界线交点处切线角度。
使用MB-ruler角度测量软件人工测量切线与直线夹角，即接触角，将其与该算法得到的接触角直比较，验证了该算法的可靠性。
实际使用过程中，如图4和图5所示，对同一张图像进行测量，MB-ruler手工测量的角度为53.39°，通过图像处理检测的接触角度为53.9723°。经过多次验证，通过图像处理检测方法可满足使用需求且精度较高。
由此可见，本发明针对器材表面液滴图像的特点，使用MATLAB调用相机采集液滴图像，并搭建GUI界面通过图像处理，图像预处理中采取了包括灰度拉伸、阈值分割、中值滤波以及重心坐标获取等操作，消除了背景噪声影响，通过算法精确检测到水滴的位置并提取液滴信息。随后提取液滴轮廓，计算液滴与器材交界线，拟合液滴圆弧所在圆，获得其半径等参数，通过弦高法计算接触角。并且补充考虑了测量反射率低的器材情况，在GUI界面中增加了非镜面复选框。
该方法通过对液滴的定位减轻了背景光影响，且与切线法相比，避免了因拟合采样点不足与液滴两侧端点不准确等造成的测量误差，功能更加完善。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (7)
1.一种通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，包括：
使用CCD采集图像信息，进行裁剪、放大，在预处理过程中，通过自适应灰度拉伸增加背景与液滴对比度，再进行阈值分割，随后追踪液滴重心确定范围截取有效画面，以去除干扰曲线，提取液滴轮廓曲线；
完成图像预处理后，提取水滴轮廓即圆弧部分，拟合圆弧所在的圆，得到其圆心和半径；再根据圆弧高度、半径计算水滴轮廓切线角度；
使用MB-ruler角度测量软件人工测量切线与直线夹角，即接触角，将其与该算法得到的接触角直比较，验证了该算法的可靠性。
2.根据权利要求1所述的通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，拟合圆弧所在的圆需要找到水滴与桌面交界线，而液滴在器材表面会发生镜面反射，通过计算轮廓对称线位置可以找到水滴与桌面交界处。
3.根据权利要求1所述的通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，根据轮廓像素点提取轮廓平均曲线。
4.根据权利要求1所述的通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，根据对称线上半圆弧部分拟合圆，得到圆心位置与半径。
5.根据权利要求4所述的通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，根据圆心到对称线的距离H与半径R计算出液滴与器材表面的夹角θ；由于θ大于90°与小于90°时计算方式不同，算法在计算前需判断上半圆弧的高度X是否大于半径R；其中，当X>R时，液滴处于不润湿状态：
当X≤R时，液滴处于润湿状态：
6.根据权利要求1所述的通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，基于MATLAB与GUI设计测量器材表面接触角的图像处理程序，以迅速可靠地计算水滴在液晶屏、光学玻璃表面的接触角。
7.根据权利要求1所述的通过图像处理测量接触角的方法，其特征在于，程序中还包括在液滴不发生镜面反射的情况时的非镜面处理：自图片下方开始，自下而上逐行扫描，寻找水滴下边缘部分，以此为水滴与桌面交界处，计算拟合圆与交界线交点处切线角度。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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