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液滴撞击的高通量分析

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DOI：

10.3791/60778

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2020年3月6日

 , 
1The Department of Physics and The MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology, The University of Auckland, 2School of Chemical Sciences, The University of Auckland

本文内容

摘要

本方案能够高效采集液滴撞击过程的实验高速图像，并批量快速分析这些数据。为了简化这些流程，该方法描述了如何校准和设置设备、生成合适的数据结构，以及部署图像分析脚本。

摘要

由于可能的实验参数范围广泛，例如材料特性、撞击条件和实验构型，液滴撞击表面的实验研究通常在研究范围上受到限制。此外，液滴撞击通常通过数据密集型的高速摄影进行研究，这使得难以对大量实验进行详细且及时的分析。本方法旨在通过系统化的方法，实现利用高速摄影对液滴撞击进行高效研究。通过精确对准和校准设备，生成可由自定义图像处理代码准确处理的视频。此外，本文所述的文件结构设置和工作流程确保了数据处理的高效性和条理性，且数据处理可在研究人员仍在实验室时即刻进行。该图像处理方法可提取视频每一帧中撞击液滴的数字化轮廓，并将处理后的数据存储起来以供后续分析。本方案假设液滴在重力作用下垂直释放，并由侧向摄像机记录撞击过程，同时采用阴影法对液滴进行照明。许多涉及高速事件图像分析的类似实验均可通过对该方案和设备进行少量调整后加以适用。

引言

液滴撞击表面的现象在基础现象研究1和工业过程应用2中均具有重要意义。液滴撞击已研究逾百年3，但仍有许多方面尚未得到充分探索。高速摄影几乎被普遍用于液滴撞击研究4，因其可提供丰富且易于获取的数据，能够实现具有良好时间分辨率的定量分析。液滴撞击固体表面的结果5,6,7从简单的沉积到飞溅不等8。超疏水表面的撞击常被研究，因其可产生特别有趣的现象，包括液滴反弹9,10,11,12。本文所述方案旨在研究水滴在具有微尺度图案的聚合物表面的撞击行为，特别是图案对撞击结果的影响13,14。

液滴撞击实验的结果可能受到大量变量的影响。液滴的尺寸和速度可能各不相同，流体性质如密度、表面张力和黏度也可能变化。液滴可以是牛顿型15或非牛顿型16。已有大量不同类型的撞击表面被研究过，包括液体7,17、固体18和弹性19表面。Rein 等人17此前已描述过多种可能的实验构型。液滴可能呈现不同的形态，可能发生振荡、旋转，或以一定角度撞击表面。表面的纹理以及温度等环境因素也可能存在变化。所有这些参数使得液滴撞击领域极为广泛。

由于变量范围广泛，对动态液体润湿现象的研究通常局限于相对较具体或狭窄的主题。许多此类研究依赖于通过手动处理高速视频获得的有限数量的实验（例如，50−200 个数据点）10,20,21,22。这类研究的广度受限于研究人员在合理时间内所能获取的数据量。视频的手动处理要求用户执行重复性任务，例如测量撞击液滴的直径，通常借助图像分析软件完成（Fiji23 和 Tracker24 是常用选择）。表征液滴撞击最常用的测量参数是液滴铺展过程中的直径25,26,27,28。

由于图像处理技术的进步，计算机辅助的自动化方法正逐步提高数据采集效率。例如，现已开发出用于自动测量接触角29以及利用悬滴法测定表面张力30的图像分析算法。在液滴撞击的高速摄影中，可实现更高的效率提升，因为此类实验会产生包含大量单帧图像的视频用于分析；事实上，一些近期研究已开始采用自动化分析方法15,18，但实验流程尚未发生明显改变。液滴撞击实验的其他改进则源于商用LED光源技术的发展，这些光源可通过阴影成像技术与高速相机耦合使用31,32,33,34。

本文介绍了一种用于采集和分析液滴撞击过程影像的标准化方法。该方法的主要目标是实现大规模数据集的高效收集，从而广泛适用于上述各类液滴撞击研究。采用此方法，每天可获得约100次实验的液滴撞击过程时间分辨数字化轮廓。分析过程可自动计算液滴撞击参数（液滴尺寸、速度、韦伯数和雷诺数）以及最大铺展直径。该实验方案可直接适用于任意基本液滴参数（包括液体种类、尺寸和撞击速度）、基底材料或环境条件。该方法可在相对较短的时间内完成对大量实验参数范围的系统性研究，同时也支持针对少量变量开展高分辨率、多次重复的精细实验研究。

该方法的优势在于其实验的标准化，以及清晰的数据结构和工作流程。实验装置生成的图像具有稳定一致的特性（空间和对比度），可直接输入到自定义的图像分析代码中（作为可在 MATLAB 上运行的补充编码文件提供），从而在实验结束后立即对记录的视频进行快速处理。数据采集与处理的整合是提高整体数据收集速度的主要原因。在一次数据采集会话结束后，每个视频均已处理完毕，所有相关的原始数据均已被存储，可供后续分析使用，无需再次重新处理视频。此外，用户可在实验完成后立即直观地检查每次实验的质量，并在必要时重复实验。初始校准步骤确保了该实验装置能够在不同实验批次之间以较高的精度被准确重现。

假设用户能够使用一台高速相机，该相机应布置成从水平（侧向）视角拍摄表面。这种布置方式的示意图如图1所示，其中包括笛卡尔坐标轴的定义。该系统应具备在三个维度（X、Y 和 Z）上精确定位相机和样品的能力。采用阴影成像法（shadowgraph method）对液滴进行照明，并将其置于相机的光路中。系统应使用高质量的直流（DC）LED 照明系统（包括准直聚光镜），该系统可在 X 和 Z 方向上移动，以使光路与相机对齐。同时假设用户可使用可编程的注射泵，当其连接特定针头时，能够程序化地生成指定体积的单个液滴35。液滴在重力作用下下落，其撞击速度由针头相对于表面的高度位置控制。尽管该装置具有一定的通用性，但材料表列出了获得代表性结果所使用的具体设备，并指出了设备选择可能带来的一些潜在限制。

静态平衡装置示意图；包含针头、相机、用于冲击分析的LED灯以及XYZ对准控制。
图1：最小实验装置的示意图。 高速相机从侧面定位，用于拍摄液滴垂直撞击样品的过程。LED光源与相机的视线对齐，以实现阴影成像。使用针头产生单个液滴，并定义了笛卡尔坐标轴。 请点击此处查看该图的放大版本。

该方法描述的重点是测量下落并撞击表面的液滴边缘。图像是从常用的侧视角度获取的。可以使用两台高速相机分别从侧视和仰视角度研究液滴的铺展过程13,14，但对于不透明材料无法实现仰视观察，而俯视角度则会带来对准上的困难。该基本工作流程可用于改进任何小尺寸（直径2−3 mm）物体撞击表面的相关研究，稍作调整后也可适用于更大或更小的物体。实验装置与方法的改进方案及其他替代方法将在讨论部分进一步阐述。

方案

1. 设置高速相机

  1. 设置相机的固定视场（FOV），并计算像素到毫米的转换系数。
    1. 将一个对齐标记（例如，边长为 4 mm 的正方形标记，附带提供的图像分析代码）放置在样品台的中心位置，使其正对相机。调整相机的放大倍数，使正方形标记恰好位于视场范围内。确保标记处于焦点位置，并拍摄一张图像。
      注意：图像分析代码要求成像液滴覆盖的面积超过总视场的 1%，否则将被归类为噪声。同样，液滴不应占据超过视场的 40%，否则会被识别为图像处理失败事件。
    2. 锁定镜头的放大倍数，并确保在一批实验过程中该设置保持不变。
    3. 通过点击 MATLAB 中的图标，启动液滴撞击分析软件的图形用户界面（GUI）。
    4. 运行图像分析代码。在 GUI 上点击 校准相机 按钮，并选择步骤 1.1.1 中获得的图像。输入校准方块的尺寸（单位：mm），然后点击 确定。
    5. 移动屏幕上显示的矩形框，使校准方块成为框内唯一的对象。点击 确定，软件将自动计算转换系数。如果自动校准失败，请按照软件指南进行手动校准。
  2. 对齐实验系统。
    1. 准备用于单个液滴分配的液体。
      1. 将针头支架置于用户眼睛水平位置附近，以便于装载。
      2. 手动排空管路中的液体，使用注射器推动空气完成吹扫。确保管路无扭曲，针头固定且清洁。将针头和管路固定，使针头保持垂直。
        注意：如有需要，可在超声波浴中使用乙醇清洗钢针。
      3. 用待研究的液体（例如水）填充注射器，并将其连接到计算机控制的注射泵。使用注射泵（点击并按住分配按钮）对针头进行排空，直至液体中无气泡。
      4. 设置注射泵，使其分配单个液滴所需的体积。
        注意：在代表性结果中，使用 0.5 mL/min 的分配速率和 11 µL 的分配体积，平均液滴直径为 2.6 mm。泵送速率应足够慢，使液滴在重力作用下形成并释放，可通过反复试验进行微调。液滴体积可近似表示为14
        Equation of liquid volume Vol=(Dπγ_LG)/(ρg) for static equilibrium analysis.
        其中 D 为针头直径，γLG 为液-气表面张力，ρ 为流体密度。
    2. 通过将样品（例如，平坦的聚二甲基硅氧烷 [PDMS]）置于针头下方，并使用注射泵分配单个液滴，对样品进行对齐。检查液滴是否落在样品的目标区域并展开；如未命中，按需调整样品位置。
      注意：如果液滴对齐困难，请检查针头是否在针座中正确垂直安装且未弯曲。样品现在已相对于 X 和 Y 轴对齐，在实验过程中不应再移动。
    3. 对齐并聚焦相机。
      1. 在样品上分配一个单液滴。调整样品台的垂直位置（Z），使样品表面与相机视场中心齐平。
      2. 调整相机的水平位置（X），使样品上的液滴位于视场中心。调整 LED 的垂直（Z）和水平（X）位置，使其与相机位置匹配，使光线中心出现在视场中心。调整相机与液滴之间的距离（Y），使液滴清晰对焦。
        注意：系统现已对齐并校准。若所有设备的位置保持不变，可在无需重新对齐的情况下暂停并重启实验流程。对于不同厚度的样品，必须重复进行垂直方向（Z）的样品对齐。
    4. 设置相机的录制条件。
      1. 将相机的帧率设置为适合被记录物体的最佳值。
        注意：相机的最佳帧率（fps）可通过以下公式预测31
        Static equilibrium formula fps=NV/j; mathematical equation; educational use.
        其中 N 为采样率（物体跨越长度尺度时捕获的图像数量，通常为 10），V 为液滴速度，j 为成像长度尺度（例如，视场）。
      2. 将相机的曝光时间设置为尽可能小的值，同时保持足够的照明。在此阶段，将镜头光圈调整为最小可用设置，同时保持足够的照明。
        注意：最小曝光时间（te）的估算值由下式给出31
        Equation showing equilibrium time, te=k/(PMAG*V), in a scientific formula context.
        其中 k 为长度尺度（例如，像素尺寸），PMAG 为主放大倍率，V 为液滴速度。
      3. 设置相机的触发模式。使用结束模式触发，使相机缓存录制内容，然后在触发信号（例如，用户鼠标点击）时停止。
        注意：可使用自动触发系统来自动化此过程。

2. 实验操作

  1. 为一批实验准备计算机文件系统。
    1. 创建一个文件夹用于存储当前批次实验的视频文件。根据相机制造商的指南，将该文件夹设置为相机软件的保存位置。确保所采集图像的文件格式为 .tif。
    2. 在图像分析图形用户界面（GUI）中点击 Set Path 按钮，并选择与步骤 2.1.1 相同的文件夹，以告知软件监控该文件夹中的新视频。
    3. 为一批实验创建文件夹结构。
      1. 在图像分析 GUI 中点击 Make Folders 按钮，并按提示输入四个值：1）液滴释放的最低高度，2）最高释放高度，3）每次实验之间的高度步长，以及 4）每个高度下的重复实验次数。
        注：撞击速度可近似为 V = (2gh)1/2，其中 g 为重力加速度，h 为液滴释放高度。
      2. 点击 OK 以运行 Make Folders 脚本。
        注：现在已在该实验目录下创建了一系列文件夹。这些文件夹命名为“height_xx”，其中 xx 为液滴释放高度。在每个此类文件夹中，已准备好空的子文件夹用于存储每次重复实验的数据。对每一个新的待研究表面或流体，重复执行第 2.1 节。
  2. 根据实验要求准备表面。对于在干燥固体表面上的撞击实验，使用适当的标准化协议清洁表面，并使其完全干燥。
  3. 记录一次液滴撞击事件。
    1. 将样品放置在样品台上。如有需要，旋转表面以使其与相机对齐。将针头移动至所需的液滴释放高度。
    2. 确保相机视野无遮挡，然后使用相机软件拍摄并保存一张图像（供后续图像处理使用）。开始视频录制，使相机进入录制和缓冲状态（即填充相机内部存储器）。
    3. 使用注射泵（步骤 1.2.1.4）向样品表面释放单个液滴。在撞击事件完成后触发停止录制。根据需要从样品夹持器上取下表面并进行干燥处理。
  4. 为后续分析准备视频文件。
    1. 裁剪视频。
      1. 使用合适的软件（例如高速相机软件），浏览视频以找到液滴完全进入视场（FOV）的第一帧。将视频起始点裁剪至此帧。
      2. 向前移动所需帧数以完整捕获撞击实验中感兴趣的物理现象（例如，以 10,000 fps 捕获的撞击通常 250 帧已足够）。将视频结束点裁剪至此帧。
      3. 将视频保存为 .avi 文件，并将保存路径设置为当前实验批次、释放高度及重复编号对应的文件夹。
    2. 在图像分析 GUI 中点击 Sort Files 按钮。目视确认步骤 2.3.2 中拍摄的背景图像现已显示在屏幕上。该操作将查找最近保存的 .avi 文件和 .tif 文件，并将其移至同一文件夹中，前提是它们为同时采集。
    3. 点击 Run Tracing 按钮以开始图像处理。视频将显示叠加处理结果后的图像。通过观看视频定性检查图像处理是否正确运行。
      注：图像处理完成后，图像处理代码将显示液滴最大铺展时刻的图像。若相机未正确校准，可能导致图像处理错误。如有需要，重复校准过程直至图像处理成功。
    4. 重复执行第 2.3 和 2.4 节，根据需要调节针头高度，以完成本批次中的所有实验。
      注：每个实验文件夹中现在包含一系列 .mat 文件。这些文件包含由图像处理软件提取并保存的用于后续分析的数据，包括每帧中液滴的轮廓、面积、边界框和周长。

3. 原始数据分析

  1. 在图像分析图形用户界面中，单击 处理数据 单击按钮，开始根据原始处理数据计算主要变量。如果在实验会话结束后运行此操作，系统将提示用户选择包含待处理实验批次的文件夹。
  2. 按照提示输入以下四个值：1）录制帧率（fps），2）流体密度（kg/m³）3），3）流体表面张力（N/m），以及4）流体黏度（Pa·s）。
    注意：软件默认帧速率为 9,300 fps，并设定环境条件下水的流体性质。输入的数值将用于计算韦伯数（Weber number）和雷诺数（Reynolds number）。
  3. 将数据保存在 videofolders.mat 文件中，并导出为 .csv 文件。
    注意：代码将加载单次实验的文件 prop_data.mat，计算液滴中心的位置，确定撞击帧（定义为液滴中心减速前的最后一帧）以及液滴水平铺展最大时的帧。保存的输出数据为撞击速度（使用 1st 对液滴中心垂直位置随时间变化进行多项式拟合，得到液滴的等效直径（通过假设液滴绕Z轴旋转对称以计算其体积，再求取具有相同体积的球体的直径）36最大铺展时的液滴直径、冲击韦伯数和雷诺数。

结果

通过使用已知尺寸的参考方格，可将图像中以像素为单位测量的距离转换为毫米。该参考方格必须在相机视场（FOV）中无遮挡且处于焦点位置（图2A）。若参考方格未正确对焦（图2B），将导致计算变量（如速度）出现系统性误差。为减小转换系数计算中的误差，参考方格应尽可能覆盖整个视场。在相机分辨率限制条件下，方格的边长应尽可能精确已知。

液滴识别软件依赖于样品表面以水平方向朝向相机放置，如图2C所示。弯曲或成像不清晰的表面（图2D）将导致图像处理错误。只要表面边缘与背景之间形成清晰对比，该软件即可用于分析撞击非水平平面的液滴。

为确保软件能够追踪液滴的整个铺展过程，液滴应落在样品的中心位置（图 2E）。如果系统未正确对准，液滴可能会偏离中心位置，导致失焦（图 2F）。一旦液滴失焦，所计算的尺寸将不准确。该现象通常是由于控制针头垂直远离表面的系统对准不良所致，这会随着高度变化引起撞击位置的偏移。建议用户采用光学面包板系统（或类似装置），以确保系统的平行与垂直对准。

为了确保成像中撞击液滴的边缘清晰，建议使用现有光源条件下尽可能短的曝光时间（图2G）。照明光路与相机的未正确对准通常会导致调整其他参数，例如相机光圈和曝光时间，从而造成运动液滴边缘模糊（图2H）。

液滴在表面的撞击动力学；高速成像；微秒时间尺度；流体动力学分析。
图2：系统校准不当的常见问题。（A）校准方格正确对齐且聚焦清晰。（B）校准方格失焦，导致校准因子错误。（C）样品表面水平，且样品表面与背景之间具有高对比度。（D）样品相对于相机倾斜，形成反射表面。（E）液滴落在焦平面内样品的中心位置。（F）液滴落点偏离中心，由于使用了大光圈而导致失焦。（G）由于曝光时间短（10 µs），液滴成像边缘清晰。（H）照明条件不理想且曝光时间较长（99 µs），导致运动模糊。请点击此处查看该图的放大版本。

样品的照明不当或未对准可能会在记录的图像中产生眩光和阴影。这些现象通常会在图像处理阶段产生伪影，从而减少所采集到的高质量数据点的数量。如果照明光路未水平对准，透明液体容易出现眩光。软件应能够在视频图像中完整追踪液滴的整个轮廓（图3A）。如果追踪不完整，所测量的参数（如液滴铺展长度）将不准确（图3B）。

流体动力学图；液滴铺展；误差；数据缺失；帧分析；实验结果。
图 3：撞击液滴长度随视频帧数的变化关系（撞击帧 = 0）。 每个蓝色数据点对应于插图中的图像。（A）正确的照明条件使软件能够追踪液滴的完整轮廓（黄色线条）。接触点（绿色十字）被准确识别，记录的铺展液滴长度随帧数呈平滑变化。（B）照明不良导致液体表面出现眩光，液滴左侧边缘未能被正确追踪，导致记录的铺展液滴长度在数据中表现出不准确性。请点击此处查看此图的放大版本。

补充代码文件。 请点击此处下载该文件。

讨论

该方法依赖于对系统多个部件位置和对准的控制。使用此方法的最低要求是能够对准样品、相机和照明LED。光源与相机传感器对准不当是一个常见问题。如果光路以一定角度进入相机，会产生不必要的伪影，从而妨碍图像处理。用户应力求在LED与相机传感器之间实现近乎完美的水平照明光路。精确的定位控制装置（例如千分尺载物台）对此方法的这一环节非常有帮助。

镜头的选择取决于实验所需的视场角（FOV）。尽管常见的变焦镜头可实现系统在使用过程中的实时调整，但它们通常存在其他问题。如果使用变焦镜头，用户必须确保在一批实验过程中总放大倍数保持不变（系统校准后，参见方案部分第1节）。通过使用固定放大倍数的镜头可避免此问题。在放大倍数固定的情况下，可通过移动相机相对于样品的位置，来调节两种类型镜头的焦平面位置。

在对系统进行校准时，建议使用与待测样品相同厚度的空白样品。这样可以防止待测样品在实验前受到损坏或被润湿。如果在一批实验过程中样品厚度发生变化，则需要在Z方向上重新校准系统。

尽管并非必需，但添加计算机控制的针头定位系统可显著提高该方法的速度和分辨率。可使用常见的步进电机导轨系统，实现以微米级精度对针头进行定位。通过数字控制针头，用户还能更精确地将针头高度相对于表面归零。这一附加步骤可确保在新一轮实验开始时，实验装置能够被准确复原。

建议用户学习如何使用高速相机的控制软件。大多数现代系统可以使用图像触发功能。该方法利用相机内部的高速电子元件来监测视场（FOV）中某一区域的变化。如果经过仔细校准，可在液滴撞击表面时自动触发相机拍摄。该方法可减少录制视频后寻找正确帧进行剪辑所需的时间。

该方法可扩展至使用多个相机来分析具有方向依赖性的现象。若使用多个相机，建议用户采用硬件触发和同步。大多数高速相机系统支持多台相机同步，以相同的帧率进行记录。通过共用一个硬件触发信号（例如晶体管-晶体管逻辑[TTL]脉冲），用户可以同时记录同一实验的不同视角。该方法还可进一步改进，用于在同一事件中以两种不同放大倍数进行记录。

本方案旨在实现液滴撞击表面时高速视频数据的快速采集与处理。如文中所示，该方法在多种撞击条件下均具有良好的适用性。通过对接分析代码进行相对较小的修改，该方案可进一步扩展，以获取更多数据（例如时间依赖性及飞溅轮廓）或用于研究不同的撞击几何构型。进一步的改进可包括对视频进行自动裁剪，以仅包含关键感兴趣帧。结合针头高度的自动化调节，该步骤将能够以完全自动的方式批量采集视频，用户仅需在每次撞击之间更换样品即可。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由新西兰皇家学会管理的马斯登基金资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
24号钝头针Sigma AldrichCAD7930
4 × 4 mm 对准方格（玻璃镀铬）采用光刻技术自行制备。
5 ml 注射器~~应与注射泵兼容。使用鲁尔锁接头将注射器与针头连接。
非球面聚光镜Thor LabsACL5040U用于确定光束宽度，应覆盖整个视场。
Cat 5e 以太网电缆~~用于高速相机与计算机之间的高速数据连接，适用于Photron相机。
液滴撞击分析软件~~作为补充代码文件提供。轮廓数据存储在.mat文件中，计算结果以.csv文件输出。
前表面高功率LEDLuminusCBT-40-G-C21-JE201 LED应使用直流电源供电，以避免闪烁。
高速相机PhotronPhotron SA5通常以约10,000 fps的帧率运行，用于液滴撞击实验。
高速相机软件PhotronPhotron Fastcam Viewer本方案假设相机具备末端触发功能；视频文件可保存为.avi格式，截图可保存为.tif格式，并存储至指定文件夹；且视频可进行裁剪。
线性平移台Thor LabsDTS25/M用于调节LED、样品和相机的位置。
F卡口宏镜头NikonNikkor 105mm f/2.8 镜头镜头的选择决定了视场范围。
运行Matlab 2018b的计算机Matlab~计算机的处理能力和内存容量会影响实验方案的运行速度，从而影响效率。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）DowSYLGARD™ 184 Silicone Elastomer基底制备采用10:1（单体：交联剂）的比例。
聚四氟乙烯（PTFE）管~~
注射泵Pump Systems IncNE-1000本方案假设该泵可设置为精确释放特定体积的液体。

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