一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法技术

针对降低风洞运行能耗、提高风洞试验运行标准化程度、降低人为因素干扰、保证风洞试验数据质量稳定的需要，本发明专利技术提出了一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，利用流场建立后模型周围稳定激波系所表现出的梯度方向集中这一特征，通过对视频图像的处理分析判断流场建立。该方法可以用于风洞自动数据采集系统，判断出流场建立后立刻开始数据采集。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法
本专利技术涉及超声速风洞试验
，尤其是涉及一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法。
技术介绍
超声速风洞运行的主要动力为压缩气体。随着风洞建造技术的发展，且由于风洞试验尽可能模拟真实飞行条件的需要，工业界不断建造更大口径的超声速风洞。风洞口径越大，运行消耗的压缩气体越多，由此带来的能耗也越大。超声速风洞开车时，流场不是立刻建立的。初始一段时间由于各种扰动的影响，风洞流场处于较紊乱的状态，此时不能进行数据采集。流场的是否建立可以从纹影视频图像中直观地判别。从纹影视频中可以看到，吹风刚刚开始的时候，流场纹影呈现不规则的抖动，此时流场的总压、静压等参数在不断变化。当流场参数逐渐收敛到设定值时，有一道斜激波快速掠过整个流场，随后模型周围会出现一系列稳定的激波，流场其它区域变得干净清晰，说明流场已经建立。为了降低风洞运行能耗，并且提高风洞试验运行标准化程度，降低人为因素干扰，保证风洞试验数据质量稳定，需要通过流场监控视频自动判断流场建立，并开始数据采集。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：为保证风洞试验数据质量稳定，降低人为因素干扰，需要建设风洞运行自动控制系统。对于超声速风洞，开车初始一段时间流场不是立刻建立的，需要流场参数逐渐收敛，模型周围出现一系列稳定的激波时才能进行数据采集。超声速风洞运行的主要动力为压缩气体。为了降低风洞运行能耗，需要自动判断流场建立，并开始数据采集。本专利技术的技术方案是：一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，包括步骤1：对每一帧纹影图像N，计算流场纹影的灰度梯度直方图；步骤2：将计算得到的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(N)与初始帧纹影图像的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(0)比较；N为正整数；步骤3：如果满足条件MaxVal(N)>k*MaxVal(0)MaxVal(N)<MaxVal(N-1)则判断流场已经建立，输出流场建立信号；其中，倍数k表示稳定激波系造成的纹影灰度梯度方向集中度。所述步骤1具体包括：步骤11：将纹影图像转化成灰度图；步骤12：对纹影图像灰度图进行滤波；步骤13：在滤波后的纹影图像灰度图中排除预先获取的模型阴影、摄像机暗视野及噪声点部分，排除掉的流场信息在计算梯度直方图时不予统计，将剩余部分作为流场判别区；步骤14：将流场判别区划分为图像小块，计算每个图像小块的灰度梯度幅值g和方向θ；步骤15：将灰度梯度方向取值范围分为z个方向块，对每个图像小块，判断灰度梯度方向θ落在哪个方向块中，则将该图像小块的灰度梯度幅值g累加在该方向块的统计数量上，所有图像小块统计完成后即得到包含z个方向的灰度梯度直方图。所述步骤13中，被排除的模型阴影、摄像机暗视野及噪声点部分是在初始帧纹影图像中预先获取得到的，其获取步骤具体包括：步骤131：对初始帧纹影图像，执行步骤11和步骤12，获得滤波后的初始帧纹影图像；步骤132：对滤波后的初始帧纹影图像，执行步骤14，获得每个图像小块的灰度梯度幅值g和方向θ；步骤133：设定两个阈值，包括边缘梯度下界minVal与边缘梯度上界maxVal，满足minVal<maxVal，对每个图像小块，当其灰度梯度高于maxVal时记为边界点，低于minVal时记为非边界点，对介于两者之间的图像小块，如果该小块与某个已被确定为边界点的小块相连，则记为边界点，否则记为非边界点；步骤134：获得所有边界点后，将边界点及其周围宽度为w个像素以内的部分排除；步骤135：将滤波后的初始帧纹影图像转换到HSV空间，排除亮度低于v0的部分。所述倍数k的大小足以区分流场建立后模型周围稳定激波系所表现出的梯度方向集中。步骤12中的滤波操作用于去掉影响边缘检测的主要噪声。所述图像小块为长方形或正方形，其尺寸大小需既便于去除噪声，又足以分辨流场中的激波结构。所述方向块的数量z的取值足以分辨稳定激波系产生的集中梯度方向。步骤133中的两个阈值满足minVal≤maxVal，其取值既不会漏掉重要的边界点，又不会包含进过多的非边界点。步骤134中的宽度w足以包含模型抖动造成的影响，又不会掩盖重要的流场结构。步骤135中的阈值v0足以排除模型阴影与摄像机暗视野，又不会排除正常的流场区域。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1.现有判断流场建立的方法主要是人工判断。人工判断受操作人员经验影响较大，难以准确把握，标准化程度较低，容易引入误差。本专利技术基于纹影视频自动判断流场建立，并开始数据采集，有助于降低风洞运行能耗，降低人为因素干扰，保证风洞试验数据质量稳定。2.现有自动判断流场建立的方法是通过监测洞内静压，当静压达到稳定时判断流场建立。这种方法的缺点在于当流场最终无法建立时，洞内静压仍然可以达到稳定，造成误判。本专利技术利用流场建立后模型周围出现稳定激波系这一空气动力学特性，通过对视频图像的处理分析判断流场建立，可以有效避免误判。3.现有风洞纹影图像分析方法主要是颜色空间变换、滤波、Sobel梯度分析等方法，无法实现自动判断流场建立。本专利技术将图像分成小块分别统计灰度梯度，其尺寸大小既便于去除噪声，又足以分辨流场中的激波结构。附图说明图1是本专利技术原理框图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，包括步骤1：对每一帧纹影图像N，计算流场纹影的灰度梯度直方图；步骤2：将计算得到的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(N)与初始帧纹影图像的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(0)比较；N为正整数；步骤3：如果对倍数k，满足条件MaxVal(N)>k*MaxVal(0)MaxVal(N)<MaxVal(N-1)则判断流场已经建立，输出流场建立信号。所述步骤1具体包括：步骤11：将纹影图像转化成灰度图；步骤12：对纹影图像灰度图进行滤波；步骤13：在滤波后的纹影图像灰度图中排除预先获取的模型阴影、摄像机暗视野及噪声点部分，排除掉的流场信息在计算梯度直方图时不予统计，将剩余部分作为流场判别区；步骤14：将流场判别区划分为图像小块，计算每个图像小块的灰度梯度幅值g和方向θ；步骤15：将灰度梯度方向取值范围分为z个方向块，对每个图像小块，判断灰度梯度方向θ落在哪个方向块中，则将该图像小块的灰度梯度幅值g累加在该方向块的统计数量上，所有图像小块统计完成后即得到包含z个方向的灰度梯度直方图。所述步骤13中，被排除的模型阴影、摄像机暗视野及噪声点部分是在初始帧纹影图像中预先获取得到的，其获取步骤具体包括：步骤131：对初始帧纹影图像，执行步骤11和步骤12，获得滤波后的初本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，其特征在于，包括/n步骤1：对每一帧纹影图像N，计算流场纹影的灰度梯度直方图；/n步骤2：将计算得到的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(N)与初始帧纹影图像的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(0)比较；N为正整数；/n步骤3：如果满足条件/nMaxVal(N)>k*MaxVal(0)/nMaxVal(N)<MaxVal(N-1)/n则判断流场已经建立，输出流场建立信号；其中，倍数k表示稳定激波系造成的纹影灰度梯度方向集中度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，其特征在于，包括
步骤1：对每一帧纹影图像N，计算流场纹影的灰度梯度直方图；
步骤2：将计算得到的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(N)与初始帧纹影图像的灰度梯度直方图最大统计数量MaxVal(0)比较；N为正整数；
步骤3：如果满足条件
MaxVal(N)>k*MaxVal(0)
MaxVal(N)<MaxVal(N-1)
则判断流场已经建立，输出流场建立信号；其中，倍数k表示稳定激波系造成的纹影灰度梯度方向集中度。


2.根据权利要求1所述的一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：
步骤11：将纹影图像转化成灰度图；
步骤12：对纹影图像灰度图进行滤波；
步骤13：在滤波后的纹影图像灰度图中排除预先获取的模型阴影、摄像机暗视野及噪声点部分，排除掉的流场信息在计算梯度直方图时不予统计，将剩余部分作为流场判别区；
步骤14：将流场判别区划分为图像小块，计算每个图像小块的灰度梯度幅值g和方向θ；
步骤15：将灰度梯度方向取值范围分为z个方向块，对每个图像小块，判断灰度梯度方向θ落在哪个方向块中，则将该图像小块的灰度梯度幅值g累加在该方向块的统计数量上，所有图像小块统计完成后即得到包含z个方向的灰度梯度直方图。


3.根据权利要求2所述的一种基于纹影视频自动判断超声速风洞流场建立的方法，其特征在于：所述步骤13中，被排除的模型阴影、摄像机暗视野及噪声点部分是在初始帧纹影图像中预先获取得到的，其获取步骤具体包括：
步骤131：对初始帧纹影图像，执行步骤11和步骤12，获得滤波后的初始帧纹影图像；
步骤132：对滤波后的初始帧纹影图像，执行步骤14，获得每个图像小块的灰度梯度幅值g和方向θ；
步骤133：设定两个阈值，包括边缘梯度下界minVal与边缘梯度上界max...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宁，王亭亭，苏诚，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11