一种基于数字视频的快速铁谱分析方法

摘要

一种基于数字视频的快速铁谱分析方法，采用所设计的流量可控的微流道装置与铁谱显微镜进行集成；将稀释好的油样直接通过微流道，通过调节铁谱显微镜的焦距获取清晰的磨粒图像，并将磨粒在流道内的运动视频通过数字摄像机输出至计算机，运用计算机软件直接对图像帧分析实现多个特征磨粒的精确定位与特征辨识，并形成特征库；由于磨粒在流体中存在翻滚运动，故通过不同帧图像的特征识别，可以获得磨粒不同视角的空间特征；本发明基于数字视频图像获取和计算机快速自动分析，将离线与在线分析技术的优势技术相结合，并提出了基于动态视频提取磨粒特征的新方法，成功实现了设备磨损状况的实时性和连续性的高精度和高效率的在线监测。

主权项

一种基于数字视频的快速铁谱分析方法，包括以下步骤：步骤一、通过微流道(3)框架的进出油口采用油管和管接头将微流道(3)和数字微量泵(4)进行连接，并与待测的润滑油油样(5)组成油液回路，微流道(3)置于铁谱显微镜(2)的物镜正下方，通过数字成像系统的USB连接线将铁谱显微镜(2)与计算机(1)连接；数字微量泵(4)将油液输送至微流道(3)中；调节铁谱显微镜(2)焦距获取到磨粒图像；打开计算机(1)软件控制系统，在软件界面上显示磨粒图像；调节数字微量泵(4)的转速，同时调节铁谱显微镜(2)的焦距和光源，获取到清晰的磨粒动态图像；通过软件控制进行运动磨粒视频图像采集；步骤二、基于视频进行运动目标检测，包括以下步骤：(1)提取视频中的第一帧图像I₁作为背景图像B₀，并进行灰度化处理；(2)对背景图像进行扫描，获取每个像素点的灰度值N，计算每一行的像素点的灰度平均值M，若N>(M+20)或N<(M‑20)，则将该点灰度值重新赋值为N＝M，得到新的背景图像B₁；(3)基于surendra算法对背景进行更新；包括以下步骤：①获取视频后续帧图像I_i，进行灰度化处理；②将当前帧图像与背景图像的进行差分运算，得到差分图像D_i，公式如下：$D_i=\left\{\begin{array}{cc}1& |I_i-I_{i-1}|>T\\ 0& |I_i-I_{i-1}|\le T\end{array}\right.$式中，T为设定的阈值，i≥2；③由差分图像对背景图像进行更新，公式如下：$B_i(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}{B}_{i-1}(x,y)& D_i=1\\ {\mathrm{\alpha I}}_i(x,y)+(1-\alpha )B_{i-1}(x,y)& D_i=0\end{array}\right.$式中，B_i(x,y)、I_i(x,y)分别为背景图像和当前帧图像在(x,y)处的灰度值；α为更新速度权值；此时，将B_i视为新的背景图像；④i＝i+1，返回②；当i＝K(K为设置的最大更新帧数)时，更新结束，得到的最终背景图像为B；(4)背景更新完成之后，从第K+1帧图像开始，进行运动磨粒检测，运用上述②所述方法获取到差分图像后，并对差分图像进行二值化处理，得到目标二值化图像G_i，公式如下：$G_i(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}255& I_i(x,y)-B(x,y)\ge F\\ 0& I_i(x,y)-B(x,y)<F\end{array}\right.$式中，F为分割阈值，i≤W(W为视频采集的最大图像帧数)；这样，在二值图像中灰度值为255的像素点则被视为运动磨粒；步骤三、进行磨粒跟踪与空间特征提取，分为单磨粒跟踪与单磨粒特征提取以及多目标跟踪与磨粒的统计学特征提取；所述的单磨粒跟踪与单磨粒特征提取，包括以下步骤：(1)设定目标跟踪条件，长轴尺寸达到设定值时进行跟踪；(2)基于目标检测，对二值化图像G_i进行扫描获取磨粒的轮廓信息；(3)根据所设定的跟踪条件寻找到符合条件的磨粒，基于磨粒轮廓信息按照以下公式计算得出该磨粒的形心位置坐标(x_C,y_C)并进行存储，然后用矩形框将磨粒进行标记；$x_C=\frac{{\mathrm{\Sigma x}}_j}{N}$$y_C=\frac{{\mathrm{\Sigma y}}_j}{N}$式中，x_j、y_j分别为单个像素点所对应的横纵坐标值；N为该磨粒对应的像素点总数；(4)对后续帧图像磨粒进行轮廓信息提取，寻找到符合跟踪条件的磨粒并获取每一个磨粒的形心位置坐标，并与标记磨粒的形心坐标进行目标匹配，匹配磨粒同样以矩形框进行标记；(5)当没有匹配目标时，返回步骤(3)重新标记；(6)根据所标记的目标坐标值，在对应的彩色图像上获取每一帧被标记的单磨粒图像；(7)对单磨粒图像提取单磨粒特征，然后对数据进行存储；所述的多目标跟踪与磨粒的统计学特征提取，包括以下步骤：(1)设定目标跟踪条件；(2)基于目标检测，对二值化图像G_i进行扫描获取磨粒的轮廓信息；(3)根据所设定的跟踪条件寻找到符合条件的磨粒，符合条件的按目标出现的时间顺序将矩形框依次按序列进行标记，记为1，2，…，n；(4)对后续帧图像磨粒进行轮廓信息提取，寻找到符合跟踪条件的磨粒并获取每一个磨粒的形心位置坐标，并与标记磨粒的形心坐标进行目标匹配，匹配磨粒同样以矩形框进行标记；(5)根据所标记的目标坐标值，对其所对应的彩色获取每一帧被标记的目标磨粒图像；(6)对目标磨粒图像提取每个磨粒的单磨粒特征，然后以每一个特征向量的最大参数值作为该磨粒的统计特征值并绘制参数跟踪曲线，建立油样磨粒的统计分布。