基于MATLAB程序的液晶微流動(dòng)圖像處理方法

張鵬 劉春波 李賓軍

摘 要：本文通過MATLAB程序來處理電場驅(qū)動(dòng)液晶微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)視頻，得到微流動(dòng)的位移和速度。圖像處理過程是選取兩幀圖像，確定其中一幀圖像中點(diǎn)的像素灰度值，在另一幀圖像找到偏移的像素值，通過其差值即可知某時(shí)位移。

關(guān)鍵詞：電場驅(qū)動(dòng);液晶微流動(dòng);圖像處理

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）17-0023-03

Abstract： In this paper， the MATLAB programmed method was used to process the liquid crystalline micro-fluid moving video to get its displacement and speed. The processing process is to select two frames of images， determine the gray value of the pixels in one frame， and find the offset pixel value in the other frame， through which the displacement at a certain time can be known.

Keywords： electric field driving;liquid crystalline micro-flow;graphics processing

1 研究背景

液晶態(tài)是介于液態(tài)和晶體態(tài)的一種物質(zhì)的過渡態(tài)，既具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的各向異性[1，2]。在微機(jī)械電子系統(tǒng)中，液晶材料因其特有的性質(zhì)常作為一種微流體的驅(qū)動(dòng)源。當(dāng)施加電場時(shí)，液晶分子指向矢會(huì)從某一排列方向旋轉(zhuǎn)至與電場平行方向;而當(dāng)電場撤去后，分子又恢復(fù)原來某種排列或隨機(jī)排列。施加確定參數(shù)的方波電壓并固定液晶盒下基片，液晶就會(huì)驅(qū)動(dòng)液晶盒上基片沿某一方向運(yùn)動(dòng)，這樣電能就轉(zhuǎn)化為動(dòng)能[3]。

本文處理的視頻來源于電壓驅(qū)動(dòng)液晶微流體實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。對(duì)液晶盒的上下玻璃基片施加電壓[4]，上基片的運(yùn)動(dòng)過程被攝像顯微鏡錄制下來，并保存在計(jì)算機(jī)文件中[5]。但是，運(yùn)用視頻錄制軟件自帶的測量工具很難得到滿意的結(jié)果，瞬時(shí)位移速度的信息量也很難控制。目前常用的視頻位移測量方法是手測，即選擇一個(gè)明顯點(diǎn)，觀察其在顯示屏上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，記錄該點(diǎn)的位移。但這種方法也只能得到運(yùn)動(dòng)速度的平均值，難以得到實(shí)時(shí)速度信息，人為誤差也比較大。由此，本文利用MATLAB進(jìn)行計(jì)算和圖像處理。

2 視頻圖像處理過程與方法

程序算法流程如圖2所示[6，7]。

從圖2可以看出大致流程為：在一段視頻文件中，選定兩幀圖像，圖像經(jīng)過一系列處理，然后用濾波核處理尋找兩幀偏移圖像的最大相似點(diǎn)，便可獲取到位移速度圖像信息[8，9]。對(duì)流程的具體分析如下。

2.1 圖像獲取

選取一段名為video.wmv格式的液晶微流體運(yùn)動(dòng)視頻，選定起止時(shí)間[t1]、[t2]得到兩幀圖片，如圖3所示，只要計(jì)算出兩圖片中對(duì)應(yīng)點(diǎn)（圓圈表示）的位移，即可獲取想要的運(yùn)動(dòng)速度和位移。本程序就是基于此思想在附加迭代循環(huán)的過程中完成的。

2.2 視頻處理過程

對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理后如圖4所示，不同像素點(diǎn)用不同灰度值表示。

對(duì)4（a）做裁剪處理，選取因子是0.5;對(duì)圖4（b）進(jìn)行濾波核處理，選取因子是0.4，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。這樣處理的目的是在選定兩圖像偏移范圍內(nèi)便于尋找偏移的像素點(diǎn)。

2.3 線性濾波核處理

圖像進(jìn)行線性濾波核處理，并尋找圖中最大值對(duì)應(yīng)的相似點(diǎn)后[5]，用對(duì)應(yīng)坐標(biāo)做差得出的距離和已經(jīng)知道的時(shí)間段，即可求出x，y方向的位移偏移量和速度四個(gè)量。在計(jì)算過程中，對(duì)x，y方向分量進(jìn)行合成，其結(jié)果為某方向的合成值，方向也確定了。

3 結(jié)果處理

3.1 選取頻率參數(shù)1Hz對(duì)液晶微運(yùn)動(dòng)的影響

驅(qū)動(dòng)電場如圖6所示。選取了視頻中某一區(qū)間，利用MATLAB程序運(yùn)行得到其位移和速度，如圖7（a）和（b）所示。從圖中可以得到加電壓后液晶驅(qū)動(dòng)液晶盒上基片速度是16.020 8[μm/s]，這一時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)位移是224.691 1[μm/s]。

3.2 選取頻率參數(shù)5Hz對(duì)液晶微運(yùn)動(dòng)的影響

驅(qū)動(dòng)電場如圖8所示。選取了視頻中某一區(qū)間，利用MATLAB程序運(yùn)行得到其位移和速度如圖9（a）和（b）所示。從圖中可以得到加電壓后液晶驅(qū)動(dòng)液晶盒上基片速度是7.7[μm/s]，這一時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)位移是114.142 9[μm/s]。

4 結(jié)論

通過對(duì)MATLAB程序的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析可以得出如下結(jié)論：①位移、速度的圖像變化規(guī)律與視頻運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)一致，呈間歇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩組不同頻率實(shí)驗(yàn)對(duì)比，也清楚顯示出各自運(yùn)動(dòng)狀態(tài);②本MATLAB程序可以測出實(shí)時(shí)位移值，測量結(jié)果也較為準(zhǔn)確。

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