基于圖像處理測量原油乳狀液直徑的方法

張紅巖 李曉平 彭 明 趙文鋒

1.中國石化魯寧輸油處 臨邑輸油首站 （山東 臨邑 251500）

2.中國石油大學（北京） 城市油氣輸配技術北京市重點實驗室 （北京 102249）

3.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 （山東 青島 266400）

4.中國石油冀東油田分公司 油氣集輸公司 （河北 唐山 063200）

基于圖像處理測量原油乳狀液直徑的方法

張紅巖1李曉平2彭 明3趙文鋒4

1.中國石化魯寧輸油處 臨邑輸油首站 （山東 臨邑 251500）

2.中國石油大學（北京） 城市油氣輸配技術北京市重點實驗室 （北京 102249）

3.中國石化青島液化天然氣有限責任公司 （山東 青島 266400）

4.中國石油冀東油田分公司 油氣集輸公司 （河北 唐山 063200）

原油-水乳狀液在石油工業中的應用十分廣泛，乳狀液的穩定性和黏度是乳狀液的重要性質，而乳狀液液滴的直徑是其穩定性和黏度的重要影響因素，因此有必要對液滴直徑進行測量。介紹了一種基于計算機圖像處理測量乳狀液液滴直徑的方法。利用光學顯微鏡攝像、計算機圖像采集、圖像處理可實現對乳狀液液滴直徑的測量。這種方法具有高精度，高分辨率等優點。

乳狀液 圖像處理 模糊聚類 液滴直徑

1 引 言

多相流是管道輸送過程中的普遍現象之一，油水兩相流的研究在多相流研究中占有非常重要的地位。要研究油水兩相流，乳狀液的性質十分關鍵，而乳狀液液滴直徑是個非常重要的參數[1-4]。因此，乳狀液液滴直徑的測量就十分必要了。目前乳狀液直徑的測量方法有間接測量法和直接測量法。間接法[5]用分散穩定性分析儀，通過相厚度隨時間的變化，確定粒子移動速度，從而計算出粒子的平均直徑。直接測量法最常見的方法是先用電子顯微鏡拍攝得到原油乳狀液的圖片，再運用相關工具對圖片進行處理，繼而測量出液滴的平均直徑。目前實驗室有一種通過處理圖片測量原油乳狀液液滴直徑的辦法，它是通過手動方法在圖片中畫出每一個液滴的直徑，最后進行綜合統計，得出液滴的平均直徑。但液滴大小不一、數目繁多，邊緣也不明了，因此誤差較大。于是引入圖像處理方法，根據圖片中乳狀液與連續相灰度值的不同進行處理，精度高，處理速度快，很好地解決了這一缺點。

2 理論分析

根據所得圖片各像素點像素的不同，可得到各像素點的灰度值。乳狀液液滴的像素點與連續相像素點由于組成成分等的不同，灰度值有比較明顯的差異（圖1、圖2所示）。因此，可以利用計算機根據灰度值的不同大致將乳狀液從連續相中分割出來。但由于乳狀液與連續相交界處并沒有一個截然區別的界限，分割所依據的灰度值的變化也具有一定的連續性（圖2），因此還需將模糊數學引入到分割（聚類分析）中，即采用模糊聚類[6,7]的方法進行乳狀液液滴的分割識別。所謂模糊聚類就是界限模糊的聚類分析，模糊聚類將數據集X分為若干個模糊集合，記為Si(i=1,2,..,c)。樣本Xi屬于哪一個子集用表述從屬程度的隸屬函數μs表示:

模糊聚類的優點是不但能明確指出每一類的中心，同時還能指明類的外圍，以及不同類之間的銜接和離散的情況。

乳狀液液滴分割完成后根據邊緣檢測的原理統計其個數，再結合油滴總的面積計算出乳狀液液滴的平均直徑。

3 具體實例

本實例所介紹的測量乳狀液液滴直徑的圖像處理軟件是在Delphi環境下進行開發的。具體步驟如下：

3.1 打開圖片與格式轉換[8,9]

要對電子顯微鏡拍攝下來的原油乳狀液圖片進行處理，首先在軟件上將其打開（如圖2左邊圖像）。為了便于位圖處理,在圖像處理時如拍攝的圖片不是BMP格式，應該首先將其轉換為BMP格式圖片。

3.2 灰度化

從圖2左邊圖中不難看出，發亮的是液滴，深色的是原油。由于區分液滴與原油最明顯的一個特征是圖像亮度，所以可以根據YUV顏色空間與RGB空間的關系，將原圖像灰度化來處理。

根據YUV的顏色空間，Y分量的物理含義就是亮度，它含了灰度圖的所有信息，只用Y分量就完全能夠表示出一幅灰度圖來。YUV和RGB之間有著如下的對應關系：

利用式（2），可以求出：

根據R、G、B的值求出Y值后，將R、G、B值都賦值成Y，就能表示出灰度圖來，這就是24位真彩色圖轉灰度圖的原理。

3.3 數據準備

在進行二值化和計算乳狀液平均直徑計算時，還要用到隸屬度和顯微鏡下觀察流體的實際面積進行計算。因此需要提前將數據輸入到面板的相應的編輯框內。

3.4 二值化[8-11]

在對圖片進行了灰度化后，由于邊緣處灰度值連續而且相差不是特別大，計算機還不能直接 “數出”液滴的直徑。因此，還需要進行二值化處理。進行二值化處理，得到二值圖像還有其他一些好處，圖像的幾何性質只與0和1的位置有關，不再涉及到像素的灰度值，使處理變得簡單，而且數據的壓縮量很大。

從灰度圖中可以看出，液滴的灰度并不一致，很難明確判斷各個像素點是否屬于液滴，特別是邊緣區比較模糊。因而采用模糊聚類的方法進行二值化處理。指定一個液滴的灰度，應用模糊數學的知識，設定一個隸屬度 （通過比較液滴中心與液滴邊緣區的灰度值，得出這個隸屬度大概為0.7；當然也可以根據圖2所示的灰度分布估計出隸屬度大概為0.7）即一個閾值，求出每一個像素點的隸屬度值，與設定的閾值進行比較 ，大于此閾值的像素點屬于液滴（設為1），小于此閾值的像素點不屬于液滴 （設為0）。將值為1的像素點的R、G、B值都設為255（即白色），值為0的像素點的R、G、B值都設為0（即黑色），于是得到原油乳狀液圖片經過模糊聚類過的二值化圖像（圖3）。

圖3 的乳狀液的二值化圖片

3.5 計算乳狀液液滴的個數[8,10,11]及平均直徑

圖片中液滴的數目很多，大小不一，且每個液滴不是規則的圓。我們要求的是液滴的平均直徑，可以通過求出液滴的平均面積的方法來求直徑。求液滴的平均面積，需要兩個條件：液滴的總面積和液滴數目。

由于0，1矩陣中值為1的像素點屬于液滴，值為0的像素點不屬于液滴，所以求出值為1的像素點的總個數M即為液滴的像素點數,便可得出液滴的總面積：

式中：Area為圖片實際面積；M*為圖片總像素點數。

乳狀液液滴平均直徑d為：

軟件計算結果如圖4所示。

4 結論

圖4 軟件計算結果

本軟件通過對顯微鏡下拍攝的乳狀液圖片進行處理測量出乳狀液平均直徑。處理過程如下：將圖片進行灰度化處理，然后用聚類模糊的方法進行二值化處理，最后進行邊緣檢測計算乳狀液液滴個數并計算乳狀液液滴平均直徑。此軟件可以比較準確的測量出乳狀液直徑，解決實驗室測量乳狀液直徑測量中手算的缺陷，并有一定的應用前景。但處理清晰度不高的圖片和乳狀液液滴較小的圖片還不夠準確，在這方面還需進行進一步研究。

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[6]高新波.模糊聚類分析及其應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.

[7]張果，李曉娟.基于模糊模式識別的顯微圖像分類[J].計算機工程與設計,2008,5(29):1241-1243.

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[11]Serra J.Image Analysis and Mathematical Morphology[M].N.Y:Academic Press,1982.

Crude oil-water emulsion is widely used in the oil industry.Its stability and viscosity are important properties of emulsion, and the diameter of emulsion droplet is the important influencing factors for its stability and viscosity,so it is necessary to measure the diameter of emulsion droplet.The method on measuring the diameter of emulsion droplets is presented in the paper,which is based on the computer image processing.The measurement of emulsion droplet diameter can be completed by using the optical microscope to get emulsion image,the computer to do image acquisition and image processing.This method has advantages of high-precision and high-resolution.

emulsion;image processing;fuzzy clustering;droplet diameter

張紅巖（1970-），女，主要從事輸油生產工作。

黃永場

2011-10-08