[发明专利]一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法

权利要求书

1.一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取一堆颗粒制作为颗粒样本，得到初始状态的颗粒样本，改变该颗粒样本中颗粒之间的相对位置，获得变形状态的颗粒样本，CT扫描该初始状态和变形状态下的颗粒样本，分别获得各自的CT影像视图；

(b)分别对所述初始状态和变形状态的CT影像视图进行图像处理和分析，获得其中每个颗粒的体积、表面积、三维尺寸、质心坐标和三维主轴方向，同时，通过颗粒之间灰度值不同分别对所述初始状态和变形状态的CT影像视图中的每个颗粒编号；

(c)分别检测所述初始状态和变形状态的CT影像视图中每个颗粒的边界像素，并根据该边界像素的分辨率换算获得组成颗粒表面的各个顶点在空间三维坐标系中的三维坐标，通过坐标转换将所述三维坐标转化为极坐标，由此获得所述颗粒表面所有顶点的极坐标并构成极坐标集，采用球谐函数序列逼近所述极坐标集，使得每个颗粒均通过一个球谐函数来表征其三维表面形态，从而使得所述初始状态和变形状态的CT影像视图中每个颗粒均形成相应的球谐函数，同时通过该球谐函数获得对应的球谐函数不变量；

(d)逐个计算所述变形状态的CT影像视图中的颗粒j与所述初始状态的CT影像视图中的每个颗粒之间的球谐函数不变量二阶范数距离，获得在所述初始状态的CT影像视图中与所述颗粒j的所述球谐函数不变量二阶范数距离最小的颗粒，该距离最小的颗粒即为所述颗粒j在所述初始状态中的待识别颗粒，同时将所述颗粒j的编号更改为该距离最小的颗粒的编号，当所述变形状态的CT影像视图中的每个颗粒均完成编号的更改时，完成所述变形状态的CT影像视图中每个颗粒的识别，从而实现颗粒的识别，其中，j＝1,2,...,N，N是颗粒的总数量。

2.如权利要求1所述的一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述图像处理和分析包括：首先获取所述初始状态和变形状态的CT影像视图中颗粒的二值化图像，然后对该二值化图像采用三维中值滤波器进行处理，最后采用三维分水岭算法对滤波后的图像中所有相互接触的颗粒进行分离。

3.如权利要求1或2所述的一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述球谐函数采用下列表达式，

其中，是在球坐标系下关于天顶角θ和方位角的球谐函数，θ∈[0,π]，是球谐函数第n阶m级项对应的球谐系数，是球谐函数第n阶m级项对应的勒让德多项式，i是虚数单位。

4.如权利要求1所述的一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述球谐函数不变量采用下列表达式

其中，是球谐函数的不变量，是球谐函数第n阶的二阶范数，是球谐函数第n阶的频率成分。

5.如权利要求1所述的一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述球谐函数不变量的二阶范数距离采用下列表达式，

其中，SH(f)是颗粒在初始状态的球谐函数不变量，SH(g)是颗粒在变形状态的球谐函数不变量，||f_n||是颗粒在初始状态的球谐函数第n阶的二阶范数，||g_n||是颗粒在变形状态的球谐函数第n阶的二阶范数。

6.如权利要求1所述的一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述球谐函数的最大阶数为15。

7.如权利要求1所述的一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，在完成所述颗粒识别后，分别获取在所述初始状态和变形状态下颗粒的质心和主轴方向，该质心和主轴方向在所述初始状态和变形状态下的变化即为颗粒运动行为，由此实现颗粒运动行为的追踪。