王颖1,2,3，陈召全1,2,3，彭继1,2,3，赵松1,2,3，卢业能1,2,3，沈健1,2,3，袁烨1,2,3，张伟1,2,3,*
1.中航华东光电有限公司，芜湖，241002；
2. 国家企业技术中心，芜湖，241002；
3. 国家新型平板显示创新中心，芜湖，241002
摘 要? 液滴接触角可以有效表征材料表面的浸润特性，在材料表征方面有广泛应用。本文搭建了测试设备，编写了GUI界面的测试软件，用于液滴接触角的测试。测试设备通过CCD相机采集样品表面的液滴图像，使用MATLAB对图像进行灰度拉伸、阈值分割、中值滤波、重心坐标获取等操作，来消除背景噪声，提取液滴边缘，使用弦高法计算液滴的接触角。使用该测试设备实现了玻璃、液晶屏等材料表面的接触角测试。
关键词?数字图像处理；接触角；表面浸润性；弦高法
中图分类号TP751 文献标志码 A
The Detection for the Contact Angle Basing on Digital Image Processing Methods
Wang Ying1,2,3, Chen Zhaoquan1,2,3, Peng Ji1,2,3, Zhao Song1,2,3, Lu Yeneng1,2,3, Shen Jian1,2,3, Yuan Ye1,2,3, Zhang Wei1,2,3,*
1AVIC Huadong Photo-electronics Co.,Ltd, Wuhu, 241002
2 National Enterprise Technology Center, Wuhu, 241002
3 National Innovation Center for New Flat Panel Display, Wuhu, 241002
Abstract The measurement of droplet contact angle can effectively characterize the wettability of the material surface. In this paper, a test equipment for the droplet contact angle is built, and a test software for the GUI interface is written. The test equipment collects the droplet image on the sample surface through a CCD camera, uses MATLAB to perform operations such as gray-scale stretching, threshold segmentation, median filtering, and center of gravity coordinate acquisition on the image to eliminate background noise, extract the edge of the droplet, and use the chord height method to calculate the contact angle of the droplet. The contact angle test of the surface of glass, liquid crystal screen and other materials can be realized with this test equipment.
Key words contact angle, digital image processing, surface wettability, chord height algorithm
OCIS codes 100.2000; 100.3005; 100.2960
1 引 言
在液晶显示模块的科研与生产中，需要使用胶水对组件进行粘接。对不同的基底，由于材料的性质、表面洁净度、表面粗糙度等不同，导致表面能不同，胶水在基底表面的铺展程度也不同。为排除胶水与粘接表面之间的空气，应使胶水在粘接表面充分铺展。接触角是表征液体对固体润湿程度的重要参数。接触角是指固体-液体-气体三相交点处气-液界面的切线与固-液界面间的夹角。由Young方程可知，当接触角接近0°时，可以认为液滴已经完全在器件表面上铺展开，称为完全润湿；当接触角大于或等于90°时，材料表面洁净度较低且较为粗糙，系统为不润湿或沾湿状态；当接触角小于90°时，为润湿状态，且在表面展开的液滴直径越大[3,4]。接触角测量是将蒸馏水等液体作为探针液体，将液滴置于受检器材表面[1,2]。一般采用切线法计算接触角[5,6]，该方法对拟合采样点数要求较高，且当检测的液滴两侧端点不准确时将造成较大的测量误差。
本文自主搭建了基于数字图像处理的接触角测试设备，使用注射器手动将水滴滴注在待测样品表面，利用CCD相机采集水滴和待测样品表面图像，通过基于MATLAB与GUI设计的图像处理程序对图像进行处理[7]，包括灰度拉伸、二值化、重心像素坐标获取、边缘提取等操作，对获得的图像信息，使用弦高法计算水滴的接触角。利用该测试设备实现了对液晶屏、光学玻璃表面的水滴角测试。
2 测量平台与GUI操作界面
2.1 接触角测量装置搭建
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图1 接触角测量装置
搭建的接触角测量装置如图1所示，主要包括光学平板、升降台、CCD、照明光源、计算机等组件。升降台用于放置待测样品，并可根据不同样品调整高度；CCD相机与计算机相连接，采集样品表面的液滴信息并传输给计算机；根据测试的照明条件及样品表面的反射率，当采集的画面较暗时，使用照明光源进行补光；升降台、CCD和照明光源均搭建在光学平板上；计算机中安装Matlab软件，对CCD采集到的画面进行处理，获取水滴角信息。
2.2 GUI界面设计
图2为MATLAB环境中搭建的GUI界面，其包括三个坐标轴界面、四个按钮、一个复选框与静态文本框。按下开始摄像按钮，坐标轴界面将会显示相机实时监测画面；按下截图按钮，坐标轴界面将会显示经过图像预处理后的当前画面；按下处理图像按钮，坐标轴显示计算接触角画面，包括液滴轮廓，液滴与器材交界面，拟合圆等曲线；经过几何计算得到的接触角将显示在静态文本框中。复选框作为补充部分，当液滴不发生镜面反射时，勾选该复选框并点击处理图像按钮，算法将自动进入非镜面情况中进行计算；计算结束后点击结束摄像可关闭调用相机。
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图2 测量接触角的GUI操作界面
3 图像处理
使用MATLAB进行图像处理的流程如图3所示。使用MATLAB获取相机信息、连接摄像头，并设置帧率持续获取图像，在GUI窗口中显示实时画面。随后利用getsnapshot函数导出当前画面，截取画面为RGB图像，将用rgb2gray函数将其改为gray形式。算法将分两步处理图像：先由灰度拉伸，阈值分割，寻找重心等操作实现对截取画面的图像预处理；再通过提取液滴轮廓，拟合圆弧等操作计算接触角。
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图3 测量接触角的图像处理流程图
3.1图像预处理
测试中采用室内的常规照明，且手动滴注液滴的位置有较大的随意性，截取的画面中存在较多的背景噪声，影响信息提取，需要通过图像预处理消除噪声影响，具体表现为利用液滴与背景灰度差分割图像。由于背景与液滴灰度相差不大，直接使用Otsus算法获取全局阈值并采用函数im2bw进行图像分割的结果无法获得提取液滴信息。计算截取图片中间位置平均值作为参考值，对图片进行灰度拉伸再分割图像，如图4(a)为阈值分割后得到的二值图像。
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图4 阈值分割后二值化图像：(a) 采用全局阈值分割；(b) 灰度拉伸后阈值分割
二值化后的图像，除液滴外，还存在长条状的条纹，该信息干扰液滴轮廓曲线的提取。该条纹是待测样品边缘有较多光线进入CCD所致，稳定出现在不同样品的测试中。为消除该条纹的影响，对整幅图像进行逐行扫描，若该行为1的像素点总数占该行的1/3，则删除该行像素点。去除条纹背景后的画面如图4(b)所示，图中液滴中仍具有孔洞，算法中通过提取边缘来解决该问题。常用的边缘检测方法中Canny算子具有低误码率、定位精度高且可以抑制虚假边缘等特点，相比于Sobel、Prewitt等算子，Canny在当前应用中能取得更好的效果。使用Canny算子对液滴进行轮廓的提取，提取出的轮廓包含液滴内部孔洞，调用MATLAB函数bwareaopen对连通区域进行筛选，连接像素点少于100的将被删除。
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图5 (a)填充液滴轮廓后图像；(b) 寻找液滴重心图像
为提高算法稳定性，需要在预处理过程中截取有效画面，从而去除干扰曲线更好的提取液滴轮廓曲线。如图5所示，此时通过调用imfill函数先填充轮廓再通过下式追踪液滴重心确定截取图像范围：
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其中，XC，YC为重心坐标，Pi为第i个像素点的值，xi、yi为该像素点的坐标。
确定重心坐标后通过重心寻找液滴上下左右边缘位置并根据该位置截取液滴。使用该方法计算重心坐标不易受背景噪声影响，且几乎去除了除液滴外所有信息。
3.2弦高法计算水滴角
提取液滴轮廓后，计算在液滴轮廓与被测样品表面接触点切线斜率，即可得到接触角的数值。本程序中将液滴边缘近似为圆弧，提取液滴轮廓，使用最小二乘法拟合圆弧所在的圆，得到其圆心、半径等参数，并采用弦高法计算液滴轮廓切线角度。所谓弦高法，是指在已知圆弧半径R和弦高X时，计算圆弧边缘切线角度的方法。
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图6 上半圆弧的高度X不同情况下液滴状态：(a) X小于半径R时；(b) X大于于半径R时
根据弦高与半径的关系，存在图6所示的两种几何关系。如图6(a)所示，当X≤R时，液滴处于润湿状态：
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为检测、拟合圆弧的轮廓以及计算弦高，需要找到液滴与桌面交界线，弦高即为拟合圆的圆心到桌面交界线的距离。对于液晶屏和玻璃等待测样品，液滴在器材表面会发生镜面反射，通过计算轮廓对称线位置即可确定液滴与桌面的交界线。
3.3 非镜面情形
以上通过计算对称线位置获取圆弧参数，需要在液滴发生镜面反射的前提下才能准确执行。而考虑到并非所有待测样品都能使液滴发生镜面反射，因此在非镜面情况下需要重新寻找液滴与桌面交界处。
考虑以上情况，在GUI界面中加入非镜面复选框，在液滴不发生镜面反射的情况下选中复选框，当点击图像处理按钮后，算法将不会计算轮廓对称线位置，而是进入非镜面情况。自图片下方开始，自下而上逐行扫描，寻找液滴下边缘部分，以此为液滴与桌面交界处，计算拟合圆与交界线交点处切线角度。
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图7 非镜面情况下GUI界面
4 接触角测量验证
对不同材料进行了接触角的测量验证，当光学玻璃作为基底时，将CCD采集到的图像信息进行裁剪、放大后，寻找并连接液滴两端直线，在曲线端点画切线，用MB-ruler角度测量软件人工测量切线与直线夹角，即接触角。如图8所示，对同一张图像进行测量，MB-ruler手工测量的角度为53.39°，通过图像处理检测的接触角度为53.9723°。当液晶屏作为基底材料时，手工测量的角度为53.95°，通过图像处理检测的接触角度为52.4046°。经过多次验证，本文所使用的通过图像处理检测方法可满足目前基本的使用需求。
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图8 玻璃表面水滴接触角测量：(a) MB-ruler人工测量；(b) 图像处理测量
5 结 论
本文基于数字图像处理的方式，搭建了液滴接触角测试设备。为从CCD采集到的图像中提取液滴信息，在图像预处理过程中，采用了中值滤波、灰度拉伸、阈值分割、Canny边缘检测等操作提取了液滴边缘曲线以利于后续的图像处理。在二值化的过程中，通过自适应灰度拉伸方式提高液滴与背景的对比度，以解决不同背景光情况下液滴与背景对比度不同的图像特点。经过预处理的图像将通过圆拟合方式计算液滴轮廓所在圆弧参数，并通过弦高法计算接触角。测试设备具备简洁的操作界面，利用该测试设备实现了液晶屏和玻璃表面的接触角的测试。
参考文献
[1] 李小兵,刘莹. 微观结构表面接触角模型及其润湿性[J]. 材料导报, 2009,23(24): 101-103.
[2] Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronies[J]. Phys Rev Lett, 1987,58(20): 2059-2061.
[3] 张东琪. 液滴振荡动态接触角的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2019:17-25.
[4] 王晓东,彭晓峰,陆建峰,王补宣. 接触角测试技术及粗糙表面上接触角的滞后性I:接触角测试技术[J]. 应用基础与工程科学学报, 2003, 11(3):174-184.
[5] 陈陶,胡晨晨,方圆,等.一种测量液滴接触角的方法[J].激光与光电子学进展, 2017, 54(8):289-293.
[6] 陶维亮,王先培,刘艳,等.复合绝缘子接触角的图像处理检测[J].电机与控制学报, 2009, 244(2):232-237.
[7] González, Woods. Digital Image Processing (3rd edition)[ M ]. Ruan Q Q, Ruan Y Z, transl. 3rd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2011: 204-241.
[8] 林志勇,王晓东,彭晓峰, 外形分析-拟合求导法测接触角[J]. 工程热物理学报, 2005, 25(5):847.
[9] 王晓辉,李军建,杨威,等.接触角的图像处理与检测[J]. 光电子技术, 2011, 34(1):14-19.