基于图像处理的乳状液液滴粒径分布测量*

李晓平 吕勃蓬 李永壮,2 刘人玮 于 越 成 龙

1.中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室 （北京 102249）

2.西澳大学 （澳大利亚 珀斯 6009）

乳状液广泛存在于石油生产的各个环节中。目前，世界上开采的以乳状液形式为主的原油接近其总产量的80%[1]。研究乳状液的性质对于原油的开采、集输、处理都具有重要意义。乳状液分散相的液滴粒径分布规律，作为表征油水乳化程度的重要因素，将直接决定乳状液体系的物性及流变特性，它是乳状液物性研究的关键因素[2]。因此，实现乳状液液滴粒径分布的准确测量非常必要。

实验室最常见的粒径分布测量方法是先用电子显微镜拍摄得到乳状液的图片，再用相关工具对图片进行处理，继而测出液滴的粒径。实验室通过手动方法在图片中逐一画出每个液滴的直径，最后进行综合统计，得出液滴的平均直径及分布规律。但液滴大小不一、数目繁多、边缘也不明确，仅凭肉眼手工测量误差较大、工作量也很大。张红岩等引入图像处理技术，编写程序，先通过边缘检测确定液滴个数，再通过计算液滴所含像素的总数来确定液滴的平均直径[3]。该方法排除了测量中的主观因素、测量效率较高，克服了粒径测量中手工测量的缺陷。但是，这种方法仅能测量液滴的平均粒径，尚不能实现液滴粒径分布规律的测量。

1 测量原理及方法

实验过程中，对乳状液液滴粒径分布规律的测量，先通过KONKYO公司生产的配有Anymico DSSTM数码相机的CN15-T型三目生物显微镜对预先制备的油样拍照，然后运用Matlab（数据可视化）软件对乳状液图像进行处理分析获得。

1.1 图像处理

用数码相机获取的图像为真彩色图像，它既含亮度信息又含色彩信息，是一个三维矩阵；而灰度图像只含亮度信息不含色彩信息，是一个二维矩阵。将真彩色图像转换为灰度图像，一则可以去掉一些无用信息；二则可大幅度减少图像的数据量，减轻后期处理工作量。W/O型乳状液图像分为目标（分散相、液滴）与背景（连续相、油相）2部分，宜先进行灰度化处理过滤掉色彩信息以便于后续处理。在Matlab中“rgb2gray”函数可实现图像的灰度化处理。

在获取图像的过程中，由于受到各种因素的影响，所得到的图像或多或少会感染一些噪声信息，这使得图像质量恶化（如某些液滴边缘不明确），所以要进行去噪处理。作者采用时域去噪中值滤波法，其具有抑制干扰脉冲与点状噪声的作用，并且可保持较好的图像边缘。该方法把以某点为中心的小窗口内的所有像素的灰度值按从小到大的顺序排列，取中间值作为该处的灰度值。在Matlab中中值滤波的函数是“medfilt2”。

二值化处理是利用图像中要提取的目标 （分散相、液滴）与其背景（连续相、油相）在灰度特性上的差异，把图像分割为2类区域。当某个像素的灰度值超过某个阈值，即认为这个像素属于要提取的目标，反之则属于背景。Matlab中的二值化函数是“im2bw”。阈值的选取采取自动寻找最佳阈值法，该方法自动分析图像的灰度直方图，根据直方图确定最佳阈值。这种方法排除了阈值选取中的主观因素。Matlab中寻找最佳阈值的函数为“graythresh”。

二值化处理后的图像是一个二值矩阵，像素只有1和0两个值，分别代表目标与背景。因为单个液滴图像的像素是相同的，在二值图像中表现为连通性。在Matlab中可利用“bwlabel”函数来标记连通图以提取液滴的个数。用“label2rgb”函数可将标记过的图像显示为一幅伪彩色索引图像，即将所有液滴用不同的颜色显示出来。

对于标记过的图像，可用“Regionprops”函数进行处理，以提取目标的信息。“Regionprops”函数可以快速获取目标的详细信息，它返回一个数据结构，该结构的“Area”属性就代表目标（单个液滴）所含像素的数目。通过编写循环结构语句逐次调用“Regionprops”函数就可以逐次获取每一个目标所含像素的数目。

1.2 粒径测量

经过Matlab图像处理后得到了乳状液图像中每个液滴所含像素的数目，依据面积法，结合图像的属性及显微镜的放大倍数即可还原出真实的液滴粒径分布。

式中 A—整个图像的面积，6.45cm2(in2)；

H—图像的高度，pixel；

W—为图像的宽度，pixel；

DPIH—图像的垂直分辨率，dpi；

DPIW—图像的水平分辨率，dpi；

a—单个液滴的面积，6.45cm2(in2)；

n—图像中单个液滴所含像素的数目；

N—图像中像素的总数目；

d—单个液滴的粒径，μm；

m1—显微镜物镜的放大倍数；

m2—显微镜目镜的放大倍数。

1.3 软件开发

基于上述图像处理技术与粒径测量方法，采用Matlab与Visual Basic语言进行混合编程，在Visual Studio 6.0集成开发环境下开发了《乳状液液滴粒径分布测量软件V1.0》。

2 应用实例

现有搅拌转速分别为600r/min和900r/min时配制的W/O型乳状液油样，含水率为0.3。应用该软件可较快测出乳状液的液滴粒径分布规律，粒径分布规律如图1所示。

相对于手工测量方法，新方法可识别更多的液滴，且测量精度更高。手工方法识别出的液滴最小粒径不足1.2μm，而新方法可识别0.5μm的粒径，甚至更小。此外，分析图1可知：搅拌转速为900r/min的乳状液比转速为600r/min的乳状液液滴粒径更细小，其粒径为2～3μm之间的液滴更多，而粒径为4～7μm之间的液滴较少。

3 结 论

乳状液分散相液滴粒径的大小及分布规律是影响乳状液流变性和稳定性的重要因素。基于Matlab图像处理技术的乳状液液滴粒径分布测量方法，排除了测量中的主观因素，测量效率与精度更高，不仅可以准确地测量液滴的平均直径，还能实现液滴粒径分布规律的高效测量；基于该方法开发的测量软件界面友好，操作方便，可作为实验室乳状液液滴粒径分布测量和特性研究的实用工具。

[1]江延明,李传宪.W/O乳状液的流变性研究[J].油气储运,2000,19(1):10-12.

[2]王玮.油水混合液物性及流动规律研究[D].北京:中国石油大学,2009.

[3]张红岩,李晓平,彭明,等.基于图像处理测量原油乳状液直径的方法[J].石油工业技术监督,2011(12):44-46.

[4]康万利,李金环,赵学乾.界面张力和乳滴大小对乳状液稳定性的影响[J].油气田地面工程,2005,24(1):11-12.

[5]于万波.基于Matlab的图像处理[M].第2版.北京:清华大学出版社,2011.

[6]刘炳文.Visual Basic程序设计教程[M].第3版.北京:清华大学出版社,2006.