英语原文共 15 页
用于悬浮颗粒絮状物尺寸分布的照相机和图像处理系统
Xiaoteng Shen*, Jerome P.-Y. Maa
(弗吉尼亚海洋科学研究所,威廉玛丽学院, P.O. Box 1346, 格洛斯特角,VA 23062, USA)
摘 要:在大多数海洋环境中，观察絮状物尺寸分布( FSD )且以定量描述其在足够大的尺寸范围(从几微米到几毫米)内的特性仍然是一项挑战。在本研究中，开发了一种廉价的图像采集和处理系统来实现这一目标。图像是由索尼Alpha NEX-5R相机机身与CMOS传感器、索尼E -支架至尼康F -支架适配器、延伸管、尼康宏观透镜和能够识别的最小尺寸为5 mu;m的絮状物的特写镜头来采集的。光源和相机触发器由为本项目组装的微控制器控制。利用MATLAB图像处理工具箱对这些图像进行分析。处理后的絮体大小及其统计分布通过两个可用样本集得到证实。然后应用验证的过程来测量不同剪切速率、悬浮沉积物浓度、悬浮物和所选有机物瓜尔胶的高岭石悬浮液的稳FSDs。尽管盐的存在促进了悬浮高岭石的絮凝，但只需要少量盐，约0.5 ppt，就可以达到饱和状态。因此，对于测试盐度( 0.5、1、2、3、5和9 ppt )，测得的FSDs彼此之间几乎没有差异。另一方面，瓜尔胶显著影响高岭土絮凝，当高岭土浓度约为0.52 g/L时，瓜尔胶浓度约为15 mg/L时，絮凝效果最大。在此剂量下，絮凝物的特征尺寸最大。
关键词:非侵入式摄像系统,图像处理,絮凝物粒度分布,高岭石,混合罐实验
1 引言
在淡水(例如河流、淡水湖和水库)和盐水(例如河口、泻湖和沿海水域)地区，都发现了大量的絮状物形式的粘性沉积物。絮凝物是由较小的有机或无机初级颗粒或聚集体组成的高度多孔和不规则形状的三维聚集体(Jarvis et al., 2005)。它们在天然水域中的大小分布是决定粘性沉积物沉降速度和沉积速率的关键因素，这将显著影响流域内的各种经济和生态问题。例如，每年花费数十亿美元用于疏浚航道、维护港口和管理航道船闸(Frittelli, 2013)。由于较多絮凝物导致的高浊度限制了阳光进入水中，这通过抑制光合作用阻碍了水生植物的生长，并影响了觅食水生动物的视线。附着在这些细小粘性聚集体上的污染物可能会通过生物进食活动进入食物链，从而威胁整个生态系统。
在水柱中的絮状物，由于聚集和破裂，通常有很大的尺寸范围(即从几微米到几毫米，海洋积雪可能比正常絮凝物大得多)。准确确定絮体尺寸分布(FSD)是解决絮凝过程的关键。已经开发出了许多技术可以在实验室或野外找到粘性聚集体的FSDs。一些仪器只能提供平均的特征粒径，而不能提供整个FSD，例如光度色散分析仪( Hopkins and Ducoste, 2003)和声学反向散射系统(Smerdon et al., 1998)。虽然早期的仪器，如库尔特计数器，可以提供全套FSD，但是这些仪器会导致FSD结果的偏差。这是因为当颗粒进入孔口时，絮凝物在产生的高剪切作用下被破坏，因此它只能用于识别不易碎材料的尺寸分布，例如颗粒沉积物(Gibbs, 1982; Eisma et al., 1991 )。
先进的现场测量FSDs的方法包括基于激光的方法和基于图像的方法。基于光束反射和光束衍射的两套不同系列的激光仪器已经开发出来。基于激光反射的仪器包括Par-Tec激光反向散射仪器，它能够探测11000微米大小的粒子( Phillips and Walling, 1995)。发射的激光束聚焦在靠近探针的一个点上，当光束遇到粒子时，被粒子表面反射。通过旋转聚焦透镜旋转束斑，透镜的旋转速度以及反射激光脉冲的持续时间决定粒子的大小。与依靠光传输的仪器相比，这种仪器的优点是能在高悬浮沉积物浓度( SSC )下工作(Liss et al., 2005)。然而，用反射式激光计数器进行正确测量受些基本因素影响，例如悬浮液的良好均匀性以及流体动力学的不确定性、水温和焦点位置( Monnieret al., 1996)，使得这种仪器更适合于过程控制，而不是研究自然系统中的絮凝过程(Liss et al.,2005)。
激光衍射仪器现在被广泛用于测定FSDs。当激光束穿过颗粒时，大颗粒以小角度散射光，小颗粒则相反。使用Mie理论(e.g., Eshel et al., 2004) 假设体积等效球体直径，记录角度散射强度数据并将其转换成FSDs。一种该原理的仪器是马尔文粒度分析仪，Mastersizer 3000可以识别粒度为0.01-3500微米的颗粒，MasterSizer 3000E则可识别粒度为0.1-1000微米的颗粒， Mastersizer 2000则可识别粒度为0.02-2000微米的颗粒。尽管这种仪器可以提供大范围的颗粒尺寸，并由Bale和Morris (1987)进行了改进，以供现场使用，但操作问题和仪器的高成本限制了这种仪器的现场测量使用(Phillips and Walling, 1995)。此外，如果基于来自收集瓶的样本确定FSDs，即使在巡航后立即分析样本，样本程序(例如收集、运输和存储)本身也会或多或少地干扰絮状物。如今，市场上可买到的LISST (美国华盛顿州红杉科学公司激光原位散射和透射仪)是最流行的仪器之一(Agrawal and Pottsmith,2000)用于32种尺寸等级的基于体积的FSDs原位测量。由于LISST不抽取样本，因此可以将可能会破坏聚集体或絮状物的物理干扰降至最低。因此，这种仪器具有就地使用的优点，当与OBS (光反向散射传感器)仪器结合使用时，也可以估计沉降速度(Mikkelsen and Pejurp, 2001; Fettweis, 2008; Shao et al.,2011 )。然而，LIST结果通常会遗漏大型絮状物(例如，LIST C型，尺寸范围为2.5-500微米)或粘附大小为2-4微米的初级颗粒(例如，LIST D型，尺寸范围为7.5-1500微米)。分层和高SSC环境中可能会出现LISST的不确定性。例如，Styles (2006)指出盐度波动会导致在窄前向角散射，无法与粒子散射区分开来，Agrawal和Pottsmith (2000)指出，对于高SSC，当总透射率低于30 %时，可能会发生多重散射效应。此外，LISST通常很难在小的物理环境(例如，小罐子)中找到FSDs，因为它的仪器尺寸很大(即，81厘米高，13.3厘米直径)。
基于图像的方法是另一种被广泛使用的直接观察絮状物和寻找FSDs的方法。在这些可用的方法中，图像可以通过显微镜或照相机获取。显微镜的优点是可以在高放大倍数下观察单个颗粒，并能很好地描述絮状物的形状，甚至它们的内部结构。为了使用这种方法，应该在显微镜载玻片上放置少量悬浮颗粒样品，以获取絮状物图像(de Boer and Stone, 1999)。使用宽装移液器是絮凝物提取的常用方法。然而，这种提取可能会破坏絮状物，即使使用足够大的管子，结果也不能代表真正的FSD。因此，这种方法可能仅是识别初级颗粒或强絮状物的尺寸分布的理想方法。
无论是在实验室还是在野外，通过透明墙壁拍摄图像的数码相机或摄像机也可以用来寻找FSD。尽管它们受到悬浮颗粒浓度的限制，絮状物仅作为二维投影观察，但低干扰和宽尺寸范围(几微米到几毫米)的FSDs测量能力使其更适合野外和实验室使用。分辨率的下限取决于相机设置，相机设置被设计用于检测低至4微米的粒子( Eisma et al., 1990)。最近基于相机系统的示例包括由Fennessy et al.(1994)开发的INSSEV系统(IN Situ SEttling Velocity)。后来由Manning and Dyer (2002)改进，由Smith and Friedrichs (2011)设计的PICS系统(Particle Imaging Camera System)，以及由Cartwright et al. (2011)设计的RIPSCam系统(Remote In situ Particle Settling Camera)。INSSEV系统使用了一个带有水下摄像机的双室装置，当絮凝物沉降在较低的沉降室内时，可以观察到絮凝物。PICS系统结合了PIV (粒子图像测速仪)和PTV (粒子跟踪测速仪)技术，前者跟踪小粒子速度(也代表流体速度)，后者跟踪大粒子速度。RIPSCam系统使用水下光电以太网电缆将摄像机与水面浮标连接起来，水面浮标为摄像机的电池提供太阳能，并通过电池调制解调器传输数据。然而，这些仪器或者仅适用于单独的絮体尺寸监测，并且对物理振动敏感(例如INSSEV )，或者由于可以检测到的最小絮体尺寸的限制(例如PICS的30微米，RIPSCam的20微米)，必须与LISST仪器结果相结合，才能再现大范围的FSD。在本研究中，提出了一种具有更好图像分辨率的自动图像采集相机系统的设计，用于估计FSD。这是本研究的第一个目标。
许多图像分析方法，特别是MATLAB图像处理工具和ImageJ的使用，在各种文献中都有描述。ImageJ(Rasband, 1997)是美国国立卫生研究院开发的开源、免费、基于Java的程序，可用于显示、编辑、分析、保存和打印图像(e.g., Mazzoli and Moriconi, 2014; Tajima and Kato, 2011; Collins, 2007)。尽管ImageJ的性能和MATLAB图像处理工具一样好，运行速度也快得多，但它没有提供区分焦点外和焦点内的对象的例程(Keyvani and Strom, 2013)。因此，为了更精确地处理处理过程，本研究使用MATLAB函数来读取、增强和分析采集的图像。将处理后的结果与两个市售的人造颗粒组进行比较，使用显微镜也需要它们的图像。图像处理的验证是本研究的第二个目标。
由于高岭石在实验室中通常被用作典型的粘性沉积物，并且是自然环境中四种丰富的粘土矿物之一(另外三种是伊利石、蒙脱石和绿泥石)，这种新开发的摄像系统和图像处理软件也用于不同剪切速率和SSCs的纯高岭石。额外的实验被用来检查盐度和选择的有机物对高岭石悬浮液絮凝的影响。这是本研究的第三个目标。
2 .实验装置
2.1照相机机身和镜头组件
植绒图像是用索尼Alpha NEX-5R相机机身和其他镜头采集的。选择这种相机机身有两个原因: ( 1 )它的尺寸小，可以安装在6英寸的管道中现场使用；( 2 )它的图像传感器尺寸大，23.5 times; 15.6 mm，像素为4912times;3264。这相当于每像素4.8微米。为了让预期的小絮状物图像低至5微米，但在观察窗内仍有足够多的颗粒，以便对FSD进行有意义的统计，有必要对镜头进行一些修改，使主像比( SIR )约为2.2，观察窗约为10.7 mm times; 7.1 mm。这些修改包括( 1 )使用Nikon Macro Nikkor 55 mm镜头，设定为SIR = 2:1。在尼康F座适配器上安装NEX E座，( 2 )在宏镜头前增加三个Kenko延伸管( 36 20 12 mm )，以及( 3 )在宏镜头上增加 10特写镜头。通过拍摄标尺图像来检查这种镜头组合，即大约10.7 mm长的标尺对象具有23.5 mm的图像。这意味着图像分辨率增加到每像素2.2微米。聚焦深度约为2 mm，这是通过拍摄附着在三角形支架底部的尺子的图像来估计。被摄体和镜头之间的工作距离约为23 mm，这使得该相机系统能够通过最大厚度约为21 mm的透明壁或覆盖物获取图像。光圈的最大值为f/2.8，以允许更多的光线穿过并模糊失焦背景，快门速度设定为至少1/1000 s，以捕捉移动粒子，ISO设定为100，以最小化图像噪声。
相机系统必须解决三个常见问题: ( 1 )定义絮状物的最小像素数量；( 2 )光源类型；和( 3 )背景类型。第一个问题通常取决于摄像机系统的噪声，并因不同的应用而异。例如，Maggi et al. (2007)代表有最小尺寸等级为6.42微米的FSDs，其相机的分辨率为每像素6.42微米，这表明它们使用低至一个像素来代表絮状物。Lintern and Sills (2006)将絮状物定义为至少两个相互连接的像素。似乎使用至少3times;3像素来识别絮状物是最常见的选择(Mikkelsen et al., 2004; Kumar et al., 2010; Smith, 2010; Smith and Friedrichs, 2011, 2015; Keyvani and Strom, 2013)。在本研究中，尺寸为220微米( 80A7001，Dantec Dynamics )的球形晶种颗粒样品用于确定该系统能够识别的最小絮状物。详细内容将在第3.7节中介绍。
对于第二个问题，因为需要极快的快门速度(例如1 / 1000秒)来捕捉移动的粒子，所以需要额外的光源来照射粒子。发光二极管( LED )照明(e.g., Manning and Dyer, 2002; Smith and Friedrichs, 2011, 2015; Keyvani and Strom, 2014)或激光片(e.g., Lintern and Sills, 2006; Maggi et al., 2006)是最受欢迎的两种光源。与LED光源相比，激光片被认为更强，能穿透悬浮颗粒更多的水柱(Lintern and Sills, 2006)。然而，在没有适当保护的情况下，当看着镜头(由激光光源组装而成)时，人眼可能会被强激光束伤害。另一方面，LED具有价格便宜、体积小、安全和易于操作的优点。在这项研究中，选择12个发光二极管安装在摄像机镜头周围以提供光线。
关于第三个问题，正面照明(e.g., Van Leussen and Cornelisse, 1993; Maggi et al., 2006; Lintern and Sills, 2006)，背光照明(e.g., Fennessy et al., 1994; Manning and Dyer, 2002; Kumar et al., 2009, 2010; K
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