用于確定顆粒尺寸的方法及設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于確定顆粒尺寸的方法及設(shè)備
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2014年2月28日提交的第14/194, 154號美國申請和于2013年2 月28日提交的第61/770, 743號美國臨時申請的權(quán)益，其通過引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 本文公開的發(fā)明構(gòu)思涉及用于確定顆粒的尺寸分布的方法和設(shè)備。
[0004] 存在用于測量小顆粒尺寸分布的多種方法。這些方法包括使用篩分法、沉積測量 法、激光衍射、動態(tài)光散射和使用顯微鏡。使用篩分法包括基于篩子的不同網(wǎng)孔尺寸，分離 顆粒并測量顆粒的尺寸分布。利用沉積儀進行測量的沉積測量法測量顆粒沉降通過粘性介 質(zhì)的速率，然后將該速率與顆粒尺寸關(guān)聯(lián)。激光衍射和動態(tài)光散射使用指向顆粒的激光。對 于激光衍射，顆粒尺寸分布基于由顆粒散射的光的衍射圖案確定。對于動態(tài)光散射，顆粒尺 寸分布基于由溶液中顆粒散射的光的強度的變化確定。顯微鏡可用于直接測量顆粒尺寸。
[0005] 上述方法伴有的問題是，其費力又費時且需要專門的和昂貴的儀器，例如激光器 或合適的顯微鏡或者兩者。每個方法通常還需要受過訓(xùn)練的人員來準確地使用儀器。這種 需求限制了這些方法的工業(yè)應(yīng)用和實驗室應(yīng)用。因此，期望一種可由個體在任意環(huán)境（例 如，在普通家庭中）中更容易地使用的、用于測量小顆粒尺寸分布的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一方面，發(fā)明構(gòu)思涉及用于確定顆粒尺寸的計算機實現(xiàn)的方法。該方法需要：獲 得至少一個顆粒和校準標記的圖像，其中使用相同的透鏡獲取顆粒和校準標記；針對畸變 影響修正圖像以生成修正的圖像，其中相同的修正因子被用于顆粒和校準標記；以及利用 修正的圖像確定顆粒的尺寸。
[0007] 在另一方面，發(fā)明構(gòu)思涉及用于獲得對于咖啡研磨物的期望顆粒尺寸的計算機實 現(xiàn)的方法。該方法包含：獲得分散在具有校準標記的表面上的咖啡研磨物的圖像，其中使用 相同的透鏡獲取顆粒和校準標記；針對畸變影響修正圖像以生成修正的圖像，其中相同的 修正因子被應(yīng)用于咖啡研磨物和校準標記；以及利用修正的圖像確定對于咖啡研磨物的顆 粒尺寸范圍。
[0008] 在又一方面，發(fā)明構(gòu)思涉及存儲用于確定顆粒尺寸的指令的計算機可讀媒介，其 中指令是：獲得至少一個顆粒和校準標記的圖像，其中使用相同透鏡獲取顆粒和校準標記； 針對畸變影響修正圖像以生成修正的圖像，其中相同的修正因子被應(yīng)用于顆粒和校準標 記；以及利用修正的圖像確定顆粒的尺寸。
[0009] 在再一方面，發(fā)明構(gòu)思涉及存儲用于確定顆粒尺寸的指令的計算機可讀媒介，所 述確定通過以下來實現(xiàn)：使用透鏡獲得至少一個顆粒的圖像；獲得圖像中的顆粒的測量； 確定與透鏡關(guān)聯(lián)的透鏡畸變參數(shù)和透視畸變參數(shù)；以及通過使用透鏡畸變參數(shù)和透視畸變 參數(shù)修改顆粒的測量。
【附圖說明】
[0010] 圖1是用于確定顆粒尺寸的設(shè)備的實施方式。
[0011] 圖2是可與本公開的方法一起使用的校準圖案的示例。
[0012] 圖3示出了與顆粒尺寸和像素大小有關(guān)的校準圖案的示例性大小。
[0013] 圖4示出了校準圖案上的樣品顆粒的圖像的示例。
[0014] 圖5是本文中公開的顆粒尺寸確定方法的實施方式的流程圖。
[0015] 圖6是用于修正圖像中的透鏡畸變和透視畸變的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明公開了用于使用小顆粒的圖像確定這種小顆粒的尺寸分布的方法。該方法 需要產(chǎn)生或另外獲得包括小顆粒和校準圖案的圖像（例如，位圖），，其中校準圖案的尺寸 是已知的。所述圖像可以通過以下來生成：例如利用任何傳統(tǒng)相機形成位于校準圖案上或 圍繞校準圖案的小顆粒的圖像。在顆粒尺寸較?。ɡ?，大約10 6英寸）的情況中，對由相 機透鏡引起的畸變進行修正。
[0017] 在公開的方法的一個實施方式中，利用包括已知尺寸的標記的校準圖案來確定顆 粒尺寸。假設(shè)校準圖案和顆粒兩者將發(fā)生相同的畸變，則校準圖案和顆粒共同成像。利用 已知的校準圖案的尺寸進行變換，以消除畸變影響并將圖像轉(zhuǎn)換為沒有畸變影響的修正圖 像。然后，通過修正圖像，應(yīng)用所述變換圖像來確定顆粒尺寸分布。
[0018] 有利地，任何相機（或其它能夠生成位圖的裝置）都可用于記錄位圖，而不需要專 門的成像或記錄裝備。此外，因為校準圖案和顆粒共同記錄在一個圖像中，所以修正畸變和 提取準確的顆粒尺寸不需要知道相機、透鏡和其它圖像參數(shù)。在一個圖像中一起捕捉顆粒 和校準圖案消除了以下需求：在記錄測量圖像之前記錄附加的、單獨的校準圖像，以獲得用 于修正畸變的一組參數(shù)。在所公開的方法中，精確確定顆粒尺寸所需的信息內(nèi)嵌在一個圖 像中。
[0019] 圖1示出了可用于實現(xiàn)本文中公開的顆粒尺寸確定技術(shù)的設(shè)備100的實施方式。 如圖所示，設(shè)備100包括相機110,相機110設(shè)置成捕捉位于校準圖案120上的顆粒112的 圖像。如圖所示，相機110將所捕捉的圖像存儲在存儲器150中并通過直接連接或經(jīng)由網(wǎng) 絡(luò)與處理器140通信。在一個實施方式中，相機110可以是例如智能電話、平板電腦、或膝 上型計算機的移動裝置的一部分。在本文中使用時，"相機"旨在指能夠利用一個或多個透 鏡產(chǎn)生物理對象的電子圖像（例如，位圖）的任何成像裝置。
[0020] 可以使用支架（未示出）來保持固定相機110,盡管支架不是必需的并且可由人來 保持相機110。不需要已知或?qū)ｉT設(shè)定相機110到校準圖案120的距離，并且該距離應(yīng)在允 許利用校準標記和顆粒的合適的像素覆蓋范圍來區(qū)分校準圖案120和顆粒的范圍內(nèi)。當使 用由蘋果公司制造的iPhone?時，距離例如可以是約10英寸。
[0021] 圖2描述了校準圖案120的示例性實施方式。校準圖案120包括背景121和校準 標記122。在示于圖2中的示例性校準圖案120中，校準標記122是具有一致的X尺寸和 y尺寸的正方形輪廓，所述輪廓用基本恒定粗細的線畫出并在行和列上以一致的間隔w重 復(fù)。校準標記122的尺寸是已知的（例如，通過測量物理圖案）。校準標記122可以是提供 足以用于產(chǎn)生修正圖像的信息的任何尺寸，其中修正圖像允許在期望的顆粒尺寸范圍內(nèi)實 現(xiàn)精確測量。
[0022] 如果背景121的主要顏色或陰影相對于待測量的顆粒的顏色和校準標記122的顏 色具有高對比度，則校準圖案120最有益。使校準標記122的顏色與待確定尺寸的顆粒的 顏色不同也是有益的。例如，如果顆粒是棕色或黑色的，則背景121可以是白色的并且校準 圖案122可具有藍色調(diào)。通常，任何材料都可用于校準圖案120,并且如果校準圖案120的 表面不受顆粒材料的影響，則顆粒不會損壞校準圖案120,這將是有用的。在一個示例中，校 準圖案120是印刷于紙片上的圖案并且顆粒撒在圖案上。用戶可獲取校準圖案120的數(shù)字 圖像并在家打印。
[0023] 可利用本文中公開的技術(shù)確定的最小顆粒尺寸取決于諸多因素，其中一個是最小 可測量對象的像素覆蓋范圍和校準標記的像素覆蓋范圍之間的比值。還應(yīng)該有足夠的相機 分辨率以獲得一個或多個校準標記和充足的樣品顆粒以收集統(tǒng)計量。作為iPhone? (現(xiàn)在 可在市場上買到）一部分的相機將能夠確定小到IX10 6英寸的顆粒尺寸。在一個實施方 式中，校準標記122的尺寸取決于相機的數(shù)字分辨率和待測量的最小顆粒的尺寸。例如，如 圖3所示，對于具有3264X2448像素分辨率的相機，需要2像素乘2像素的正方形310來 測量具有25X10 6英寸直徑的顆粒，并且使用每邊400像素（即圍繞160, 000像素的區(qū)域） 的校準圖案322。在圖1所示的設(shè)備中，這種校準圖案120將包括校準圖案122,校準圖案 122為1英寸的正方形。
[0024] 除示于圖2中的重復(fù)正方形之外的圖案可用于校準圖案122。然而，對于校準圖案 122,使用數(shù)學(xué)上易于建模的規(guī)則圖案（例如，包括垂直線）可簡化所記錄圖像的處理。另 外，如圖2中所示，校準標記122最大限度地使用相對于正在確定尺寸的顆粒的顏色具有高 對比度的顏色。例如，諸如"棋盤"圖案的圖案可能不能有效地工作，因為盒子的一半?yún)^(qū)域 將是暗的，并且在顆粒為深色的情況下，過多顆粒將位于顆粒和顆粒所處的表面之間不存 在高對比度的暗區(qū)上。
[0025] 圖4示出了校準圖案120上的顆粒112的示例。為了進行測量，待測量顆粒的樣 品隨機放置（例如，撒）在校準圖案120上?？稍O(shè)想的是，使校準標記122具有正在確定尺 寸的顆粒112的互補色。例如，如果顆粒112是藍色，則校準標記122可以是紅色。
[0026] 從圖像確定顆粒尺寸分布的方法參照圖5和圖6來進行描述。
[0027] 圖5示出了用于確定顆粒尺寸的方法的實施方式。在待測量的顆粒分布在校準圖 案120上之后，相機110用于獲得校準圖案120上的顆粒的數(shù)字圖像（例如記錄位圖）（步 驟S510)。圖像生成可包括例如通過應(yīng)用圖像處理技術(shù)（包括但不限于降噪和/或閾值處 理和/或濾色）來改善圖像的清楚度/清晰度，準備有助于對象識別的圖像。任何合適的 降噪技術(shù)均可使用。
[0028] 在步驟S510中，可使用用于獲得或產(chǎn)生二維或三維圖像的任何技術(shù)，包括利用照 相、超聲、X射線、或雷達的技術(shù)。本發(fā)明構(gòu)思不局限于獲得位圖的任何特定方法。
[0029] 在步驟S520中，修正校準圖案120的圖像以消除畸變。使用用于確定顆粒尺寸的 成像的一個問題是，記錄圖像中的多種畸變將導(dǎo)致尺寸確定不準確。當試圖進行在例如10 6 英寸尺寸范圍內(nèi)的小顆粒的精確測量時，這些畸變尤其不利。這種畸變可歸因于透鏡幾何 結(jié)構(gòu)或校準上的不足，所述不足例如可能導(dǎo)致直線圖像中被捕捉