【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及監(jiān)測電池濃度變化，尤其涉及一種原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法。
技術(shù)介紹
1、數(shù)字全息術(shù)的基本原理是利用電子裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照相板來記錄全息圖，并通過數(shù)字計算重新顯示被記錄的物體。這項技術(shù)已經(jīng)在許多科學研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括小尺度三維測量、顯微檢驗、監(jiān)測、顆粒測量等。數(shù)字全息技術(shù)通過記錄物體的光波信息，并利用計算機算法進行重建，可以獲取物體的三維信息和動態(tài)變化，具有非接觸、高分辨率等優(yōu)點。
2、當前，對于數(shù)字全息視頻的計算處理，通常使用ccd相機逐幀記錄觀測時間內(nèi)的多張數(shù)字全息圖，并保存至本地。隨后，對每張圖像進行逐一重建，以恢復物體在觀測期間的動態(tài)變化。這種處理方法存在以下幾個問題：
3、1)時間差異大：數(shù)字全息圖的記錄和其相應(yīng)的重建過程之間存在較大的時間差。圖像記錄通常是實時的，而重建過程則需要大量的計算資源和時間。這個時間差導致所恢復出的物體動態(tài)變化無法實時顯示。
4、2)實時性差：由于需要對每張圖像單獨進行重建，然后再匯總結(jié)果，整個過程無法滿足對實時性要求高的應(yīng)用場景。例如，在需要實時監(jiān)測和分析的醫(yī)學成像、工業(yè)檢測、動態(tài)顆粒測量等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的處理方式顯得尤為不足。
5、3)數(shù)據(jù)處理量大：全息圖像的高分辨率和大量的幀數(shù)使得數(shù)據(jù)處理量極其龐大。現(xiàn)有的處理方法通常需要較高的計算能力和存儲空間，這不僅增加了成本，還限制了系統(tǒng)的便攜性和靈活性。
6、4)延遲顯示：由于數(shù)字全息圖像的處理和重建需要較長的時間，觀測物體的變化過程只能經(jīng)過線
7、5)復雜的后處理流程：現(xiàn)有技術(shù)需要在記錄圖像后進行復雜的后處理步驟，包括數(shù)據(jù)傳輸、圖像重建、結(jié)果匯總等。這些步驟不僅耗時耗力，還容易受到硬件性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的限制，影響整體系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、專利技術(shù)目的：本專利技術(shù)的目的是提供一種原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在記錄全息圖的同時進行快速重建，并實時顯示物體動態(tài)變化。
2、技術(shù)方案：一種原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，所述數(shù)字全息系統(tǒng)包括獲取數(shù)據(jù)模塊、視頻處理模塊、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；所述獲取數(shù)據(jù)模塊包括調(diào)用相機和抓取視頻幀模塊，所述調(diào)用相機能實現(xiàn)軟件對相機的調(diào)用，并設(shè)置感興趣區(qū)域、幀率、視頻文件格式；所述抓取視頻幀模塊對ccd相機記錄的視頻幀進行實時抓??；所述視頻處理模塊用于實現(xiàn)圖像預處理、計算頻域濾波和相位重建；
3、以電化學電解池中“電極-溶液”的固液界面為待測物，通過獲取數(shù)據(jù)模塊采集待測物界面的全息圖；再由視頻處理模塊對全息圖進行處理，得到任意時刻相位差分布；所述實時顯示模塊只保留溶液相數(shù)據(jù)，顯示處理結(jié)果；所述數(shù)據(jù)存儲模塊分別保存記錄的干涉條紋視頻和處理結(jié)果數(shù)據(jù)。
4、進一步，所述圖像預處理包括求解截止頻率和固液界面的確定；
5、求解截止頻率的詳細步驟如下：
6、s11，用ccd相機記錄物光波和參考光波相互干涉產(chǎn)生的全息圖，截取第一幀圖像求得全息干涉信號i：
7、i＝|o|2+|r|2+or*+o*r
8、其中，|o|2、|r|2分別表示物光波和參考光光波的強度分布，*代表復共軛；or*、o*r分別代表再現(xiàn)像中的原始像和共軛像；
9、s12，將步驟s11中截取第一幀圖像的全息圖通過二維傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻譜圖：
10、p0＝fft{i}＝fft{|o|2}+fft{|r|2}+fft{or*}+fft{o*r}
11、其中，fft{}表示二維傅里葉變換，fft{|o|2}+fft{|r|2}共同為頻譜圖p0中的零級項頻譜，fft{or*}、fft{o*r}分別為原始像頻譜和共軛像頻譜；
12、s13，將頻譜圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，用一個圓形掩膜將位于中心的零級像去除，得到去零級衍射項圖；通過otsu算法得到閾值，并對去零級衍射項圖進行二值化處理；接著，進行水平和垂直方向的搜索，找到灰度值不低于最低閾值的點，能夠確定原始像分量的位置，以此為基準自動求得帶通濾波器的截止頻率；
13、所述固液界面的確定如下：
14、對全息圖進行高斯平滑處理，進行二值化，確定“電極-溶液”的固液界面。
15、進一步，計算頻域濾波的實現(xiàn)過程如下：
16、對所有全息圖做二維快速傅里葉變換和居中變換，得到頻譜圖，根據(jù)預處理求得的截止頻率參數(shù)，參考高斯核函數(shù)：
17、
18、構(gòu)造二維高斯帶通濾波器，將頻譜圖中的正一級分量分離出來，然后再對結(jié)果做傅里葉逆變換。
19、進一步，所述相位重建包括以下步驟：
20、s31，采用菲涅爾法獲取干涉條紋圖像的相位φ(x1,y1)：
21、
22、s32，算出相位差δφ(x1,y1)：
23、
24、s33，將相鄰兩幀干涉條紋圖像的相位差直接疊加，得到任意時刻相位差分布δφ(x1，y1，t1)，完成相位重建，其中x1、y1代表任意位置，t1代表任意時間。
25、進一步，如果固液界面處的條紋級次增加，表明離子濃度在增加；如條紋變得細密則表示該區(qū)域的濃度梯度正在增大；如果條紋在某一區(qū)域出現(xiàn)褶皺，也表示該區(qū)域的離子濃度正在增加。
26、進一步，所述視頻處理模塊將經(jīng)過預處理求得的固液界面進行二值掩膜，只保留溶液相數(shù)據(jù)，傳輸?shù)揭曨l顯示模塊，通過mesh函數(shù)，并設(shè)置axis、colormap、colorbar、view參數(shù)，再新建figure上顯示處理結(jié)果；數(shù)據(jù)存儲模塊通過新建視頻文件保存至本地，分別保存記錄的干涉條紋視頻和處理結(jié)果數(shù)據(jù)。
27、本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果如下：
28、1、高精度與高靈敏度：通過優(yōu)化的算法和高效的硬件加速，實現(xiàn)了更高的圖像處理精度和靈敏度。能夠進行全場測量，并且具備非接觸的優(yōu)勢，適用于多種高精度測量和監(jiān)測場景；
29、2、有效的局部反應(yīng)表征：在電化學領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)的宏觀表征方法，本專利技術(shù)能夠通過數(shù)字全息技術(shù)，直觀地反映出局部產(chǎn)生的化學反應(yīng)，提供更詳細的微觀信息，幫助深入研究反應(yīng)機理；
30、3、提升的運算速度與實時性能：利用快速傅里葉變換和gpu加速等技術(shù)，顯著提升了運算速度；系統(tǒng)可以在記錄全息圖的同時，快速重建并實時顯示物體動態(tài)變化，滿足高實時性觀測的要求；
31、4、廣泛的適用性與高效的軟件系統(tǒng)：設(shè)計的軟件系統(tǒng)具備良好的擴展性和兼容性，適用于更多底層控制和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域；顯著提升了數(shù)字全息視頻處理的效率和實時性，能夠滿足不同領(lǐng)域?qū)崟r動態(tài)觀測的需求。
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1.一種原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，所述數(shù)字全息系統(tǒng)包括獲取數(shù)據(jù)模塊、視頻處理模塊、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；所述獲取數(shù)據(jù)模塊包括調(diào)用相機和抓取視頻幀模塊，所述調(diào)用相機能實現(xiàn)軟件對相機的調(diào)用，并設(shè)置感興趣區(qū)域、幀率、視頻文件格式；所述抓取視頻幀模塊對CCD相機記錄的視頻幀進行實時抓取；所述視頻處理模塊用于實現(xiàn)圖像預處理、計算頻域濾波和相位重建；其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，其特征在于，所述圖像預處理包括求解截止頻率和固液界面的確定；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，其特征在于，計算頻域濾波的實現(xiàn)過程如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，其特征在于，所述相位重建包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，其特征在于，如果固液界面處的條紋級次增加，表明離子濃度在增加；如條紋變得細密則表示該區(qū)域的濃度梯度正在增大；如果條紋在某
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻處理模塊將經(jīng)過預處理求得的固液界面進行二值掩膜，只保留溶液相數(shù)據(jù)，傳輸?shù)揭曨l顯示模塊，通過mesh函數(shù)，并設(shè)置axis、colormap、colorbar、view參數(shù)，再新建figure上顯示處理結(jié)果；數(shù)據(jù)存儲模塊通過新建視頻文件保存至本地，分別保存記錄的干涉條紋視頻和處理結(jié)果數(shù)據(jù)。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種原位監(jiān)測電池體系界面濃度變化的數(shù)字全息系統(tǒng)實現(xiàn)方法，所述數(shù)字全息系統(tǒng)包括獲取數(shù)據(jù)模塊、視頻處理模塊、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊；所述獲取數(shù)據(jù)模塊包括調(diào)用相機和抓取視頻幀模塊，所述調(diào)用相機能實現(xiàn)軟件對相機的調(diào)用，并設(shè)置感興趣區(qū)域、幀率、視頻文件格式；所述抓取視頻幀模塊對ccd相機記錄的視頻幀進行實時抓??；所述視頻處理模塊用于實現(xiàn)圖像預處理、計算頻域濾波和相位重建；其特征在于：
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：袁博宇，蘇明岳，吳福利，
申請(專利權(quán))人：江蘇師范大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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