基于图像处理算法的相变热图显示系统技术方案

技术编号:3945605 阅读:445 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术提供了一种基于图像处理算法的相变热图显示系统,包括初始图像预处理模块、相变线提取模块、热图谱的显示模块,初始图像预处理模块还包括序列图像位置匹配模块,用于调整模型偏移产生的初始序列图像位置偏移;相变线提取模块采用融合形状先验特性的相变线跟踪算法,从模型初始轮廓中提取模型相变线;此算法采用对传统的C-V主动轮廓模型进行改进的基于差分信息且融合形状先验特性的C-V主动轮廓模型。本发明专利技术的序列图像位置匹配模块,提高了图像帧间差分的准确性,融合形状先验特性的相变线跟踪算法对差分变化信息进行能量曲线演化,可以有效地对多种模型种类提取出序列图像中的相变线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相变热图显示系统,尤其涉及一种基于图像处理算法的相变热图 显不系统。
技术介绍
随着国际形势的复杂化,我国发展高性能的战略武器和航天飞行器已成为及其紧 迫的任务。飞行器在大气层中高速飞行时,由于激波压缩和表面粘性摩擦,飞行器巨大动能 的一部分转变成空气的热能,飞行器周围的空气温度会很高,对飞行器表面进行加热,即气 动加热。在大气层中长时间高速飞行,飞行器所受的局部气动加热和总加热都很大,因此飞 行器必须进行防热结构设计。防热结构设计的基础是准确了解气动加热参数,而风洞试验 是了解气动加热参数、进行气动加热研究的重要手段。在风洞各种测热手段中,常规的热电偶等单点测量技术不能够提供足够多的点来 全面地描绘气动加热参数,因此相变热图试验技术被普遍采用。相变热图试验技术根据涂 料的相变判定物体表面的温度,不仅可以实现大面积的热测绘,并且能够对整个试验物气 动加热率分布进行普查。相对于红外技术来说,该技术具有使用成本低、方便、灵活的特点, 且不受环境温度的影响。相变热图试验技术测试系统框图见附附图说明图1。用高分辨率的CCD摄 像头及视频图像采集卡,以每秒25帧的速率采集模型表面相变图像,实时捕获模型表面相 变历程。CXD摄像头选用合适焦距的镜头,使采集到的模型图像大小适宜,调焦后可获得很 清晰的图形。相变热风洞试验的具体过程是在实验物的表面均勻地涂上一层相变漆(固定融 熔温度T。),相变漆未发生相变时是白色不透明的,当温度升高到相变温度时(由于涂层很 薄,可以认为涂料相变温度T。即为模型壁面温度Tw),便发生相变而成为透明体。每一种相 变漆,其相变温度是固定的。如果将相变漆涂于各向同性的绝热材料制作的模型表面,那么 模型表面将变成白色的,在试验过程中,由于处于风洞中的模型表面不均勻受热,有的部位 先达到相变温度,发生相变,显现出模型的真实颜色,有的部位,由于温度低没有相变,仍为 白色。因此透明部分与不透明部分形成分界线,这条线即是相变线,其代表的温度是相变温 度,而且随着时间推移,模型其它部位也将出现一系列相变线。在相变线上Tw = T。,通过图 像采集系统记录下模型表面各位置发生相变历程的图像(即不同时刻的相变线位置),进 行图像处理提取相变线,再依据热图关系式计算模型表面的气动加热系数和热流等参数, 得到模型表面的气动加热分布。西安交通大学王晓年博士等针对一类模型表面情况较为简单的相变热序列图像 提出了一种自动提取方法。该方法通过时间_空间变换把原始序列图像转变成一组合成图 像,合成图像中的一列记录了特征图像上一点的相变过程,其中竖向灰度剧烈变化的位置 (分割线的位置)就是特征图像上的相变位置。但是该方法基于如下前提首先,相变线没 有拓扑变化,且其运动方向为简单的单向运动。其次,图像序列转换方式易于人工确定,且 合成图像具有优于原图的相变线特征。因此,目前的算法只能针对某一类相变热图实现有效分割,且需要人工确定图像转换方式。从而限制了相变热图测试系统模型多样化的需求。
技术实现思路
本专利技术提供一种能精确地对相变热图测试系统的多类模型进行相变热图显示的 系统。—种基于图像处理算法的相变热图显示系统,包括初始图像预处理模块,相变线 提取模块、热图谱的显示模块,其中,初始图像预处理模块用于对CCD摄像头及视频图像采 集卡采集的表现模型表面相变的初始序列图像进行预处理,包括序列图像位置匹配模块,用于调整因模型偏移所产生的初始序列图像位置偏移, 形成归一化的序列图像;初始轮廓选取模块,用于从归一化的序列图像中选取模型初始轮廓;所述的相变线提取模块采用融合形状先验特性的相变线跟踪算法,从模型初始轮 廓中提取模型相变线;所述的融合形状先验特性的相变线跟踪算法采用基于差分信息且融 合形状先验特性的C-V主动轮廓模型,通过相变线提取算法从模型初始轮廓中提取模型相 变线;所述的热图谱的显示模块包括模型参数输入模块,通过模型与模型初始轮廓大小的对应关系,实现模型参数的 调整输入;热图谱绘制与输出模块,通过模型相变线以及模型参数绘制出模型的热图谱,并 进行输出。在风洞试验中,模型(试验物)的相变过程非常短,一般需要先使风洞试验环境达 到稳定状态,再投放试验物至实验位置。并且在投放过程中,试验物也存在相变。因此在实 验过程获得的视频数据是包含试验物运动的初始序列图像,所以需要先对试验物下放过程 中的开始几帧进行位置调整,保证序列图像中试验物位置的一致性。本专利技术的序列图像位置匹配模块根据模型本身的结构特征,通过基于结构特征的 图像匹配算法对初始序列图像进行位置调整,并经过重命名形成归一化的序列图像。因为 调整好位置的序列图像会覆盖掉初始序列图像,需对调整好位置的序列图像进行重命名。 初始序列图像最初始没有相变的帧为第一帧作为归一化的序列图像序列号1 (完全没有相 变的帧),后序的归一化的序列图像序列号为2。所述的基于结构特征的图像匹配算法为设起始帧图像特征矩阵用Pu表示,待匹 配区域某一特征矩阵qu(qu,Pu拥有相同的空间大小)表示,本文所提边缘特征统计指标为权利要求一种基于图像处理算法的相变热图显示系统,包括初始图像预处理模块、相变线提取模块、热图谱的显示模块,其特征在于所述的初始图像预处理模块包括序列图像位置匹配模块,用于调整因模型偏移所产生的初始序列图像位置偏移,形成归一化的序列图像;所述的相变线提取模块采用融合形状先验特性的相变线跟踪算法,从模型初始轮廓中提取模型相变线;所述的融合形状先验特性的相变线跟踪算法采用基于差分信息且融合形状先验特性的C V主动轮廓模型,所述的基于差分信息且融合形状先验特性的C V主动轮廓模型为假定Ω为R2中的有界开集,为开集的边界,u0Ω→R是给定的图像,假设图像u0是由有两个灰度值分别近似于常数c1和c2的区域组成,进一步假定要分割的对象的轮廓是Co,对象的点数值为u0(x,y),那么在对象内部,有u0=c1,而在对象外部有u0=c2,则基于差分信息且融合形状先验特性的C V主动轮廓模型的能量函数为 <mrow><mi>E</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>c</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>c</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>&phi;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>&mu;</mi> <mn>2</mn></msub><mo>&Integral;</mo><mfrac> <mn本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种基于图像处理算法的相变热图显示系统,包括初始图像预处理模块、相变线提取模块、热图谱的显示模块,其特征在于:所述的初始图像预处理模块包括序列图像位置匹配模块,用于调整因模型偏移所产生的初始序列图像位置偏移,形成归一化的序列图像;所述的相变线提取模块采用融合形状先验特性的相变线跟踪算法,从模型初始轮廓中提取模型相变线;所述的融合形状先验特性的相变线跟踪算法采用基于差分信息且融合形状先验特性的C-V主动轮廓模型,所述的基于差分信息且融合形状先验特性的C-V主动轮廓模型为:假定Ω为R↑[2]中的有界开集,*Ω为开集的边界,u↓[0]:Ω→R是给定的图像,假设图像u↓[0]是由有两个灰度值分别近似于常数c↓[1]和c↓[2]的区域组成,进一步假定要分割的对象的轮廓是C↓[o],对象的点数值为u↓[0](x,y),那么在对象内部,有u↓[0]=c↓[1],而在对象外部有u↓[0]=c↓[2],则基于差分信息且融合形状先验特性的C-V主动轮廓模型的能量函数为:E(c↓[1],c↓[2],φ)=μ↓[2]∫1/2(|▽φ(x,y)|-1)↑[2]dxdy+μ↓[1]*δ(φ(x,y))|▽φ(x,y)|dxdy+α∫(H(φ)-H(φ↓[l]))↑[2]dx+λ↓[1]*|I↓[0](x,y)-c↓[1]|↑[2](H(φ(x,y)))dxdy+λ↓[2]*|I↓[0](x,y)-c↓[2]|↑[2](1-H(φ(x,y)))dxdy(1)其中,φ(x,y)是水平集函数,I↓[0](x,y)=γ.(g(x,y)-k(x,y)),k(x,y)为归一化的序列图像中的初始图像,g(x,y)为归一化的序列图像中后序相变图像,γ为对比度增强的系数,u↓[1],u↓[2],α,λ↓[1],λ↓[2]为各项的系数常量。根据欧拉-拉格朗日方程推导出使式(1)极小化的水平集函数φ满足的偏微分方程:***(2)其中,φ为当前帧的水平集函数,φ↓[l]为前帧的水平集函数,φ↓[0]为起始帧的水平集函数,H(x),δ(x)分别为Heaviside函数和Dirac函数,在实际计算中,分别取:H↓[ε](x)=1/2(1+2/πarctan(2/ε)),δ↓[ε](x)=1/π.ε/ε↑[2]+x↑[2],ε是一变量,具体取值为1;所述的融合形状先验特性的相变线跟踪算法包括以下步骤:1)选取归一化的序列图像的起始帧;2)通过间隔N帧,自动选取后序帧,通...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:冯远静陶沁沁王彬乐浩成王哲进
申请(专利权)人:浙江工业大学
类型:发明
国别省市:86[中国|杭州]

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