劉維龍, 劉文芳, 高心悅, 田漢民*
(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 天津 300401; 2.天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300401)
接觸角是表征材料表面性能的重要參數(shù)之一[1-2],通過(guò)對(duì)接觸角進(jìn)行測(cè)量可以獲得液體熱力學(xué)表面自由能、黏附功、表面張力、固體表面自由能等重要信息,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于船舶防污、礦物浮選、石油開(kāi)采、醫(yī)學(xué)材料、農(nóng)學(xué)、洗滌劑制造等領(lǐng)域[3-5]。例如,Ramírez-González等[6]提出了基于接觸角的巖塞與原油間界面張力快速計(jì)算方法,建立原油-巖石體系固-液界面張力與接觸角之間的關(guān)系,用于計(jì)算在同類(lèi)巖石上鋪展的任何其他流體的界面張力;Kamp等[7]研究表明接觸角可以作為各向異性膠體合成的有力工具。
接觸角是指在固體、液體、氣體三相的交界處,液固界面水平線與氣液界面切線形成的相對(duì)夾角θ[8]。按照液滴在固體表面是否達(dá)到平衡,將接觸角分為靜態(tài)接觸角和動(dòng)態(tài)接觸角[9]。靜態(tài)接觸角表征了惰性、均勻的理想固體表面上液滴達(dá)到平衡狀態(tài),而動(dòng)態(tài)接觸角是液滴傾斜或體積改變時(shí)處于非平衡狀態(tài)的接觸角。其中,動(dòng)態(tài)接觸角更能反映實(shí)際情況下液滴在材料表面的潤(rùn)濕行為,有效地體現(xiàn)材料的表面性能。例如,Wang等[10]研究了一種表面抗磨損能力強(qiáng)的超疏水自清潔材料,且接觸該材料表面的水滴有較大的接觸角(大于150°)和較小的滾動(dòng)角(小于10°)。 Nabizadeh等[11]研究了動(dòng)態(tài)接觸角對(duì)角形孔中不混溶兩相流驅(qū)替的影響,發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接觸角對(duì)黏性主導(dǎo)流的影響是不可忽略的。白歡等[12]應(yīng)用動(dòng)態(tài)接觸角評(píng)判復(fù)合絕緣子憎水性等級(jí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與靜態(tài)接觸角相比,綜合利用前進(jìn)接觸角和后退接觸角能客觀、精確地對(duì)復(fù)合絕緣子憎水性等級(jí)進(jìn)行評(píng)判。因此,接觸角的測(cè)量,特別是動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)量是非常有必要的。
目前常用的接觸角測(cè)量方法有:測(cè)高法[13]、量角法[14]、圓擬合法[15]、橢圓擬合法[16]、Young-Laplace法[17]和曲線擬合法。測(cè)高法和量角法是假定液滴形狀近似于圓球形的測(cè)量方法,該方法的優(yōu)勢(shì)在于方便、快捷,但測(cè)量誤差大,精度不高。圓擬合法和橢圓擬合法是通過(guò)圖像處理找到液滴邊緣輪廓后,將輪廓坐標(biāo)擬合到圓或橢圓曲線方程,該方法受液滴大小和重力影響較大,而且無(wú)法擬合非軸對(duì)稱(chēng)圖像,無(wú)法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角。Young-Laplace法基于Young-Laplace方程的物理關(guān)系對(duì)液滴輪廓點(diǎn)進(jìn)行擬合,是一種精度較高的接觸角測(cè)量方法,具有非常好的重復(fù)性,但測(cè)量速度較慢,同樣不適用于測(cè)量非軸對(duì)稱(chēng)形狀液滴。
由于動(dòng)態(tài)接觸角一般呈現(xiàn)非軸對(duì)稱(chēng)形狀,上述方法不再適用于動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)量。多項(xiàng)式擬合只對(duì)三相接觸點(diǎn)附近的輪廓進(jìn)行擬合,通過(guò)三相接觸點(diǎn)處多項(xiàng)式的斜率計(jì)算接觸角,因此該方法可以用來(lái)測(cè)量不對(duì)稱(chēng)液滴的接觸角。例如,王曉輝等[18]將采集的液滴圖像進(jìn)行預(yù)處理后,利用邊緣檢測(cè)算法提取液滴的邊界曲線,采用多項(xiàng)式曲線對(duì)其擬合,求導(dǎo)得到三相點(diǎn)處的接觸角值。由于多項(xiàng)式中的自變量與因變量為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,故多項(xiàng)式擬合法在擬合疏水液滴邊緣時(shí)存在不準(zhǔn)確的問(wèn)題。Chini等[19]提出了一種測(cè)量對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)液滴接觸角的新方法。通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)算法找到液滴邊緣,其次利用液滴在材料表面反射的方式找到液滴的三相點(diǎn),最后使用二次多項(xiàng)式對(duì)三相點(diǎn)附近的液滴邊界進(jìn)行擬合,并考慮了接觸角接近90 °時(shí),多項(xiàng)式擬合不準(zhǔn)確的問(wèn)題,采用將圖像旋轉(zhuǎn)90 °后再進(jìn)行擬合。該方法雖然考慮了多項(xiàng)式擬合疏水液滴不準(zhǔn)確的問(wèn)題,但是將圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)需要人為的選擇修改,增加了測(cè)量難度,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量,且二次多項(xiàng)式擬合品質(zhì)低于高次多項(xiàng)式擬合。同時(shí),多項(xiàng)式的次數(shù)是多項(xiàng)式擬合法的一個(gè)重要參數(shù)。研究表明,高次多項(xiàng)式擬合需要更多地像素點(diǎn),且對(duì)噪聲更敏感;低次多項(xiàng)式擬合品質(zhì)較差,誤差較大。
接觸角測(cè)量的準(zhǔn)確性很大程度上取決于液滴輪廓的提取、液滴三相接觸點(diǎn)的定位和準(zhǔn)確的液滴外形分析。因此,現(xiàn)提出一種新的接觸角測(cè)量方法。對(duì)液滴圖像預(yù)處理后,基于Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法,將液滴灰度圖像和邊緣圖像角點(diǎn)檢測(cè)進(jìn)行結(jié)合,通過(guò)角點(diǎn)間距離最小原則,進(jìn)行偽角點(diǎn)去除和真實(shí)角點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè),同時(shí)利用亞像素角點(diǎn)檢測(cè),得到精確的三相點(diǎn)的位置。針對(duì)多項(xiàng)式曲線擬合法測(cè)量疏水液滴接觸角不準(zhǔn)確的問(wèn)題,提出使用對(duì)數(shù)螺線和阿基米德螺線對(duì)液滴輪廓進(jìn)行擬合,最終求得三相點(diǎn)處的接觸角值。通過(guò)對(duì)多幅液滴圖片進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果表明該方法操作簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差小,既適用于測(cè)量靜態(tài)接觸角,也適用于動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)量,提高了接觸角測(cè)量的工作效率和準(zhǔn)確性。
圖像采集設(shè)備為手動(dòng)型DonanoV5,如圖1所示為其簡(jiǎn)易模型。打開(kāi)LED背景光源,由注射器將微量液滴滴在載物臺(tái)上,應(yīng)用分辨率為1 280×1 024的高倍圖像傳感器(charge-coupled device,CCD)攝像頭拍攝液滴圖片并傳輸?shù)诫娔X上,進(jìn)行接觸角測(cè)量。測(cè)量軟件為Visual Studio 2015結(jié)合Opencv程序?qū)崿F(xiàn)接觸角的自動(dòng)測(cè)量。
圖像預(yù)處理是實(shí)現(xiàn)接觸角自動(dòng)測(cè)量的重要步驟,尤其是硬件質(zhì)量不能拍攝出理想圖片的情況下,選用好的圖像處理算法將會(huì)提高接觸角測(cè)量精度。首先將采集的彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像,其次,對(duì)液滴灰度圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng),利用直方圖均衡提高圖像對(duì)比度,突出圖片中的液滴部分。再次,使用雙邊濾波[20]對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理,去除圖像中的無(wú)關(guān)噪聲,并將濾波后的圖像做Otsu二值化處理。最后,使用Canny邊緣[21]檢測(cè)算法提取出液滴的邊緣。
傳統(tǒng)的Canny邊緣檢測(cè)算法濾波時(shí)采用高斯濾波,在清除噪聲的過(guò)程中會(huì)丟失圖像的邊緣信息,導(dǎo)致最終邊緣提取效果不理想。本文研究采用雙邊濾波代替高斯濾波進(jìn)行圖像濾波,在保留更多圖像邊緣細(xì)節(jié)的同時(shí)有效地去除無(wú)關(guān)噪聲,得到了準(zhǔn)確的液滴邊緣,且對(duì)后續(xù)三相接觸點(diǎn)位置檢測(cè)的精準(zhǔn)度提高有重要作用。利用改進(jìn)Canny邊緣檢測(cè)提取液滴邊緣,效果對(duì)比如圖2所示。
圖1 圖像采集設(shè)備模型Fig.1 Image acquisition device model
圖2 液滴邊緣檢測(cè)效果對(duì)比Fig.2 Comparison of droplet edge detection effect
三相接觸點(diǎn)的精確檢測(cè),是接觸角測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響因素之一。傳統(tǒng)的液滴三相接觸點(diǎn)檢測(cè)方法多數(shù)需要手動(dòng)篩選接觸點(diǎn)的位置或者限定液滴形狀。例如,王曉輝等[18]提出將檢測(cè)的液滴邊緣曲線下方邊界設(shè)置為背景灰度,僅保留其上方的真實(shí)邊界,將上方邊界的最低點(diǎn)作為液滴三相接觸點(diǎn)。即通過(guò)人為的方式,去除液滴不需要的邊緣,達(dá)到三相接觸點(diǎn)檢測(cè)的目的,該方法受人為干擾因素,故最終檢測(cè)誤差較大,導(dǎo)致三相點(diǎn)位置檢測(cè)不準(zhǔn)確。Chini等[19]提出利用水滴從材料表面反射的方式,通過(guò)軸對(duì)稱(chēng)的方法檢測(cè)液滴的三相接觸點(diǎn),因此在采集圖像時(shí),反射應(yīng)該是可見(jiàn)的,對(duì)于反射不可見(jiàn)的情況,用戶需要手動(dòng)選擇接觸點(diǎn)。高心悅等[22]使用深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)液滴圖像進(jìn)行圖像分割,將分割后液滴圖像寬度最大處作為液滴的三相點(diǎn),該方法極易受到圖像分割的結(jié)果影響,且只適用于三相點(diǎn)位于液滴最寬處的液滴圖像。
針對(duì)傳統(tǒng)的液滴三相接觸點(diǎn)檢測(cè)方法存在的問(wèn)題,提出了一種基于Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法[23]的液滴三相接觸點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)方法,具體流程如圖3所示。
分別對(duì)液滴的灰度圖像和邊緣圖像做角點(diǎn)檢測(cè)[24],對(duì)比兩圖角點(diǎn)檢測(cè)的結(jié)果,依據(jù)角點(diǎn)間距離最小原則進(jìn)行角點(diǎn)篩選。
假設(shè)灰度圖像檢測(cè)的某個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)為(a,b),邊緣圖像檢測(cè)的某個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)為(c,d),兩點(diǎn)之間的距離記為D,公式為
(1)
閾值記為E,取值不宜太大,需保證兩個(gè)角點(diǎn)的位置足夠接近,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,E選取方法為
(2)
當(dāng)D
通過(guò)遍歷所有灰度圖像與邊緣圖像角點(diǎn)間的距離,篩選出滿足條件的角點(diǎn)。最后,從篩選出新角點(diǎn)的基礎(chǔ)上,利用亞像素角點(diǎn)檢測(cè)確定角點(diǎn)的精確位置,該角點(diǎn)即為液滴三相接觸點(diǎn)。
本文方法克服了灰度圖像角點(diǎn)檢測(cè)易受噪聲影響,把大的噪聲檢測(cè)為角點(diǎn)的問(wèn)題,同時(shí)克服了對(duì)邊緣圖像進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)易受邊緣檢測(cè)結(jié)果的影響,存在細(xì)邊緣引起的邊緣移位、邊緣像素鋸齒化和邊緣斷裂產(chǎn)生的錯(cuò)誤角點(diǎn)問(wèn)題。在篩選時(shí)保留的角點(diǎn)為灰度圖像檢測(cè)的角點(diǎn),最大程度保留了原始圖像的角點(diǎn)信息。通過(guò)該方法自動(dòng)篩選液滴三相接觸點(diǎn)的結(jié)果,如圖4所示。
使用該方法對(duì)多幅液滴圖像進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)效果圖如圖5所示。
圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flow chart
圖4 液滴三相接觸點(diǎn)篩選過(guò)程及結(jié)果Fig.4 Screening process and results of droplet three-phase contact points
圖5 液滴三相接觸點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Test results of droplet three-phase contact point
利用檢測(cè)出的兩個(gè)三相接觸點(diǎn),找到液滴的固液接觸線,并采用輪廓跟蹤技術(shù)找出真正的液滴邊緣輪廓,如圖6所示。
液滴輪廓擬合常用的方法為多項(xiàng)式曲線擬合法[18-19,25],從三相接觸點(diǎn)附近的液滴輪廓上提取一定數(shù)量的坐標(biāo)(xi,yi),利用最小二乘法進(jìn)行擬合[26],擬合公式為
圖6 液滴真實(shí)輪廓和固液接觸線Fig.6 Real outline of droplet and solid-liquid contact line
(3)
式(3)中:j為多項(xiàng)式的次數(shù);M為多項(xiàng)式的最高次數(shù);ω為擬合權(quán)重。由于接觸角是左、右三相點(diǎn)附近輪廓曲線的切線,若對(duì)整個(gè)輪廓進(jìn)行擬合,輪廓邊界最高處的點(diǎn)將影響端點(diǎn)處的擬合效果,使得擬合誤差較大。
利用多項(xiàng)式擬合法對(duì)液滴圖像擬合求接觸角,通過(guò)改變擬合時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)和多項(xiàng)式次數(shù),觀察接觸角測(cè)量結(jié)果的變化,如圖7所示。
圖7 擬合點(diǎn)數(shù)和多項(xiàng)式階數(shù)對(duì)接觸角值的影響Fig.7 Influence of fitting points and polynomial order on contact angle value
分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)擬合采樣點(diǎn)數(shù)在10~30個(gè)時(shí),接觸角值波動(dòng)較大;而擬合點(diǎn)數(shù)高于40個(gè)時(shí),接觸角值波動(dòng)較小,測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。同時(shí),接觸角測(cè)量結(jié)果也隨多項(xiàng)式階數(shù)不同而發(fā)生變化。對(duì)比二次、三次、四次和五次多項(xiàng)式擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn),四次和五次多項(xiàng)式擬合比較穩(wěn)定,擬合品質(zhì)較好。故選取四次或五次多項(xiàng)式對(duì)液滴輪廓進(jìn)行擬合,且擬合采樣點(diǎn)數(shù)在40~150個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行擬合時(shí),測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定。
但是,多項(xiàng)式作為擬合基函數(shù)擬合液滴輪廓,只適用于測(cè)量較小的接觸角[19],對(duì)于疏水液滴的接觸角,特別是接觸角值接近90°時(shí),多項(xiàng)式擬合法不能準(zhǔn)確逼近液滴輪廓,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差較大。
針對(duì)這一問(wèn)題,本文研究采用對(duì)數(shù)螺線和阿基米德螺線作為擬合基函數(shù)[27]對(duì)液滴輪廓進(jìn)行擬合。結(jié)果表明,本方法擬合精度高、品質(zhì)好,得到了準(zhǔn)確的接觸角測(cè)量結(jié)果。
對(duì)數(shù)螺線、等角螺線或生長(zhǎng)螺線是在自然界中常見(jiàn)的螺線,在極坐標(biāo)系中的方程為
r=aebθ
(4)
(5)
式中:r為極半徑;θ為曲線上任意一點(diǎn)的極角;a、b為常數(shù)。
阿基米德螺線是一個(gè)點(diǎn)均速離開(kāi)一個(gè)固定點(diǎn)的同時(shí)又以固定的角速度繞該固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的軌跡。軌跡在極坐標(biāo)下的方程為
ρ=ρ0+vθ
(6)
式(6)中:ρ為曲線的極半徑;ρ0為曲線初始點(diǎn)的極半徑;θ為曲線上任意一點(diǎn)的極角;v為常數(shù)。
螺線擬合方法的基本思想是:對(duì)已給出的液滴輪廓,用一段方向與原曲線段相同的螺線線段擬合液滴局部輪廓,通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配,找到一條最貼合的曲線對(duì)其進(jìn)行擬合,最大程度地逼近已知的液滴輪廓,如圖8所示。
為了驗(yàn)證本文方法,對(duì)不同濃度鹽水在樣品表面形成的液滴接觸角進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)從接觸點(diǎn)附近的液滴輪廓上提取一定數(shù)量的坐標(biāo),利用對(duì)數(shù)螺線和阿基米德螺線作為基函數(shù)對(duì)液滴輪廓進(jìn)行擬合,求得接觸角測(cè)量值,并且與測(cè)量小接觸角時(shí)較穩(wěn)定的四次多項(xiàng)式進(jìn)行比較。首先是一幅電子量角器測(cè)量接觸角值為108°的液滴圖片,結(jié)果如圖9所示。
結(jié)果分析:當(dāng)液滴邊緣沒(méi)有發(fā)生急劇的方向變化時(shí),四次多項(xiàng)式擬合與對(duì)數(shù)螺線擬合、阿基米德螺線擬合結(jié)果相差不大;但是隨著擬合采樣點(diǎn)數(shù)的增多,使得液滴邊緣方向發(fā)生急劇變化,導(dǎo)致四次多項(xiàng)式擬合的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大波動(dòng),測(cè)量誤差也隨之增大,而對(duì)數(shù)螺線擬合和阿基米德螺線擬合依然穩(wěn)定,保持好的擬合質(zhì)量。其次,測(cè)量了接觸角值約95°的液滴圖片,結(jié)果如圖10所示。
圖9 接觸角測(cè)量結(jié)果Fig.9 Contact angle measurement results
結(jié)果分析:當(dāng)液滴的接觸角接近于90°時(shí),四次多項(xiàng)式擬合將不再穩(wěn)定,對(duì)數(shù)螺線和阿基米德螺線擬合仍然保持較好的穩(wěn)定性,且擬合采樣點(diǎn)數(shù)在60~130個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行擬合時(shí),測(cè)量角度值偏差不大,當(dāng)擬合采樣點(diǎn)數(shù)為90個(gè)時(shí),測(cè)量結(jié)果與實(shí)際接觸角值最相近。
通過(guò)本方法分別對(duì)靜態(tài)接觸角和動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)量,并且與常用的測(cè)高法、圓擬合法、四次多項(xiàng)式曲線擬合法以及電子量角器測(cè)量結(jié)果作比較,靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果如表1所示,動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果如表2所示。
由表1和表2可見(jiàn),多項(xiàng)式曲線擬合法存在測(cè)量疏水液滴不準(zhǔn)確的問(wèn)題;圓擬合法受液滴大小和重力影響,僅適合測(cè)量軸對(duì)稱(chēng)且接近圓球形液滴的接觸角值;量高法受液滴形狀影響,僅適合于測(cè)量小于80°的靜態(tài)接觸角值。而利用對(duì)數(shù)螺線和阿基米德螺線擬合液滴輪廓進(jìn)行接觸角的測(cè)量,不僅適用于測(cè)量小的接觸角,對(duì)于疏水液滴的接觸角測(cè)量同樣適用,且不受液滴大小和重力的影響,測(cè)量結(jié)果與電子量角器測(cè)量結(jié)果相差不大。同時(shí)利用本方法與參考文獻(xiàn)[15-16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)接觸角測(cè)量結(jié)果偏差不到1°。
圖10 接觸角測(cè)量結(jié)果Fig.10 Contact angle measurement results
表1 靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果Table 1 Static contact angle measurement results
表2 動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果Table 2 Dynamic contact angle measurement results
通過(guò)本文方法測(cè)量接觸角效果和電子量角器測(cè)量效果如圖11所示。
最后,使用多幅液滴圖片對(duì)本方法進(jìn)行驗(yàn)證,測(cè)量結(jié)果如圖12所示。
圖11 接觸角測(cè)量效果對(duì)比Fig.11 Comparison of contact angle measurement results
圖12 接觸角測(cè)量結(jié)果Fig.12 Contact angle measurement results
對(duì)于接觸角測(cè)量存在的問(wèn)題,提出了一種新的接觸角測(cè)量方法,得到以下結(jié)論。
(1)對(duì)采集的液滴圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理后,基于Harris算法進(jìn)行三相接觸點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè),準(zhǔn)確定位了液滴三相接觸點(diǎn)的位置。
(2) 針對(duì)多項(xiàng)式曲線擬合法測(cè)量接觸角時(shí)存在的問(wèn)題,采用對(duì)數(shù)螺線和阿基米德螺線擬合液滴輪廓并求出接觸角值。選取多種不同的液體和樣品材料表面形成的接觸角對(duì)本方法準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,本文方法測(cè)量精度高于多項(xiàng)式擬合法、圓擬合法等常規(guī)測(cè)量方法,在合適的采樣點(diǎn)范圍內(nèi),測(cè)量誤差小于1°。且適合測(cè)量接近90°和疏水液滴的接觸角,測(cè)量簡(jiǎn)便,對(duì)于動(dòng)態(tài)接觸角和靜態(tài)接觸角都適用,是一種可行的接觸角測(cè)量方法。
(3)在進(jìn)一步的研究中,將優(yōu)化液滴三相接觸點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)模糊圖像的三相點(diǎn)定位;同時(shí)提高螺線擬合對(duì)不同品質(zhì)液滴圖片擬合的魯棒性,更好的應(yīng)用在接觸角測(cè)量中。