基于图像处理的超声速流场预测准确度判定装置及方法与流程

本发明属于航天航空领域，涉及一种图像处理方法，特别涉及一种通过纹影实验结果对超声速流场仿真的准确度判定装置及方法。
背景技术：
：在飞行器的超声速流场预测中，需要对流场预测的正确性进行量化判定。如何利用流场的纹影实验结果对流场仿真预测结果准确度进行判定，是空气动力学研究中迫切需要解决的问题。本文提供一种超声速流场预测准确度判定方法，该方法利用纹影实验获得的流场图像和流场仿真预测的云图，通过计算机对图像进行处理分析，从而识别实验图像和数值仿真图像的相似度，再依据流场的物理特点建立合理的准确度判据，给出流场预测的准确度。技术实现要素：本发明提供了一种基于图像处理的超声速流场预测准确度判定装置及方法，通过纹影实验结果对超声速流场仿真进行判定，判定结果准确。本发明采用以下技术方案：一种基于图像处理的超声速流场预测准确度判定方法，包括以下步骤：(1)获取超声速流场的纹影实验图和数值仿真图；(2)以纹影实验图为基准，将数值仿真图与其进行配准；(3)分别提取纹影实验图和数值仿真图中的流场激波线；(4)分别提取纹影实验图和数值仿真图中流场激波线所有组成点的位置坐标，以此计算两条流场激波线的曲线拟合度，确定纹影实验图和数值仿真图的相似度。步骤(1)中，获取超声速流场的纹影实验图和数值仿真图后，对其进行去噪和灰度处理，通过图像的灰度分布直方图和灰度分布统计量分别对图像进行灰度分析。步骤(1)中，获取超声速流场的纹影实验图和数值仿真图后，分别进行如下步骤：(1.1)对图像去噪；(1.2)将图像由GBR空间转换到灰度空间，得到灰度分布直方图和灰度分布统计量；(1.3)根据灰度直方图上的灰度值分布情况，判断图像对比度的高低。步骤2的具体方法为：以图像中的拐点作为特征点，经特征点检测、特征匹配，实现数值仿真图与纹影实验图配准。步骤3的具体方法为：(3.1)别读取纹影实验图和数值仿真图中激波线的RGB数值，然后设定该区域为黑色；(3.2)计算步骤(3.1)所得图像的全局阈值，根据该全局阈值将灰度图转化为二值图；(3.3)对于步骤(3.2)获得的二值图，遮蔽掉不需研究的部分，保留具体需要研究的区域，其中，具体需要研究的区域至少含有激波线的区域；(3.4)将步骤(3.2)和步骤(3.3)所得的图像中的各个像素点分别相乘，获得激波线；(3.5)通过调用bwmorph去毛刺函数，识别图像的边缘线，即所需研究的流场激波线。采用相关系数判断纹影实验图和数值仿真图的相似度，所述相关系数根据以下公式计算：其中，Cov(X,Y)为协方差，D(X)为纹影实验图中激波线的方差，D(Y)为数值仿真图中激波线的方差；若相关系数小于0.3，则两变量无直线相关；若相关系数大于0.3，两变量直线相关，其中0.3到0.5为低度相关，0.5到0.8为显著相关，0.8到1为高度相关；相关系数的绝对值越接近1，两变量越相关。采用确定系数判断纹影实验图和数值仿真图的相似度，所述确定系数根据以下公式计算：其中，SSE是和方差，SSR是仿真图数据与实验图数据均值之差的平方和，SST是实验图数据与实验图数据均值之差的平方和，wi是激波线第i个点的权重，是数值仿真图中激波线第i个点的纵坐标，是纹影实验图中激波线第i个点纵坐标的均值，yi是纹影实验图中激波线第i个点的纵坐标，n是激波线组成点的数目；确定系数表征两组数据拟合的好坏，其值越接近1，表明两组数据拟合度越高。采用均方根误差判断纹影实验图和数值仿真图的相似度，所述均方根误差根据以下公式计算：其中，wi是激波线第i个点的权重，yi是纹影实验图中激波线第i个点的的纵坐标，是数值仿真图中激波线第i个点的的纵坐标；n是激波线组成点的数目。均方根误差反映测量数据偏离真实值的程度，其值越小，表示测量精度越高。一种基于图像处理的超声速流场预测准确度判定装置，依次连接的图像预处理模块、特征点匹配模块、特征线提取模块，以及图像相似度识别模块，其中，图像预处理模块，用于获取超声速流场的纹影实验图和数值仿真图，并对图像进行降噪和灰度处理；特征点匹配模块，用于将数值仿真图与纹影实验图进行配准，其中，以纹影实验图为基准；特征线提取模块，用于提取纹影实验图和数值仿真图中的流场激波线；图像相似度识别模块：用于提取纹影实验图和数值仿真图中流场激波线所有组成点的位置坐标，以此计算两条流场激波线的曲线拟合度，确定纹影实验图和数值仿真图的相似度。以相关系数或确定系数或均方根误差判断纹影实验图和数值仿真图的相似度。本发明具有以下有益效果：本发明对纹影实验获得的流场图像和流场仿真预测的云图，首先进行特征点匹配得到大小位置完全对应的图像，再通过特征线提取得到所需研究的流场特征线，最后通过曲线拟合得到纹影实验图和数值仿真图的流场相似度，从而实现利用流场的纹影实验结果对流场仿真预测结果的准确度判定。【附图说明】图1为本发明判定方法的流程图。图2为本发明应用到实施例的检测结果：其中(a)和(b)分别为超声速流场的纹影实验图和数值仿真图，(c)和(d)分别为超声速流场的纹影实验图和数值仿真图的灰度分布直方图，(e)和(f)分别为纹影实验图和数值仿真图的特征点选取图，(g)为数值仿真图配准后的图像，(h)和(i)分别为从纹影实验图和数值仿真图中提取出的激波线。【具体实施方式】本发明提供一种基于图像处理的超声速流场预测的准确度判定装置及方法，为超声速流场预测的定量分析提供工具。以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明基于流场的纹影实验结果对流场仿真预测结果准确度判定的详细过程。(1)图像预处理模块，用于预处理输入图像，去除一些与流场无关的干扰信息，以及对流场图像的特征信息进行增强处理；(2)特征点匹配模块，用于识别两幅图像中的特征点，并确定每个特征点之间的一一对应关系，从而实现对图像的大小、位置的校准；(3)特征线提取模块，从匹配后的流场图像中提取出所关注的激波特征线；(4)图像相似度识别模块，基于提取出的激波线所有组成点的位置，通过曲线拟合度计算，确定输入图像与数据原图像之间的图像相似度大小。步骤(1)图像预处理模块：将待识别图像(即纹影实验图和数值仿真图)进行降噪处理和灰度处理，并通过图像的灰度分布直方图和灰度分布统计量对图像进行灰度分析。具体地，采用高斯滤波器对图像进行降噪处理，再将图像由RGB空间转换到灰度空间，得出灰度分布直方图和灰度分布统计量，进而对其灰度分布特征进行分析。纹影实验图和数值仿真图如图2中(a)和(b)所示。纹影实验图和数值仿真图的灰度分布直方图如(c)和(d)所示。图像的灰度分布统计量如表1所示。通过灰度直方图上的灰度值分布情况，可以判断图像对比度的高低。由图2(c)和图2(d)可得，纹影实验图的灰度值主要分布在70至230的范围内，其中在灰度值为83处含有峰值1636，在灰度值为137处含有峰值909，是图像上的两个最主要的灰度分布，这和纹影实验图一致。数值仿真图的灰度值主要分布在全场范围内，其中在灰度值为3处含有峰值13669，在灰度值为255处含有峰值19030，是图像上的两个最主要的灰度分布，这和数值仿真图一致。由灰度分布可得，数值仿真图的对比度高于纹影实验图。表1纹影实验图的灰度分布统计均值标准差平滑度三阶矩一致性熵实验123.252733.52380.99910.05840.01586.4022仿真121.5632116.04010.99994.60710.23863.7340相差-1.689582.51630.00084.54870.2228-2.6682表1反映了纹影实验图和数值仿真图的一些基本特性。由表1可知，两图的均值和平滑度相差较小。纹影实验图的标准差较小，数值仿真图的标准差较大，这和图像的对比度相一致。步骤(2)特征点匹配模块：以纹影实验图为基准，将数值仿真图与其进行配准。具体地，采用基于特征点的手动配准的方法，在图像中人工选择五个特征点，利用cpselect函数进行特征点检测，特征匹配，将数值仿真图与纹影实验图配准。从而实现两图像大小和位置的完全匹配。选择的特征点均为图像中的转折点，才能保证特征点容易被区分和正确检测。特征点的选取如图2(e)和图2(f)所示。图2(g)为配准后的图像。步骤(3)特征线提取模块：采用在RGB向量空间的阈值分割法，通过人工选择的方法，分别提取出纹影实验图和数值仿真图中所关注的流场激波线。具体地，(1)分别在纹影实验图和数值仿真图中用DataCursor工具读出需要保留的特征线(即流场激波线)的R,G,B值大致范围，根据该大致范围，取图像的RGB值为140～162处的像素点区域设置为0，即黑色；(2)根据函数level＝graythresh(x)计算所得图像的全局阈值，然后将灰度图转化为二值图，其中，X为图像，level代表该图像的全局阈值。(3)针对所得二值图，用Mask遮蔽掉不需研究的部分，保留具体需要研究的区域(该区域为至少包含激波线的区域)，Mask保留后的区域为白色，其他区域为黑色。(4)将步骤(2)和步骤(3)的二值图相乘，即图像中各个像素点的数值相乘，保证处理后的图像仅保留激波线。(5)通过调用bwmorph去毛刺函数，计算机自动识别出图像的边缘线，即所需研究的流场激波线。边缘检测结果如图2(h)和图2(i)所示。步骤(4)图像相似度识别模块：分别提取出两幅图的激波线所有组成点的位置坐标，计算曲线拟合度，从而确定输入图像与数据原图像之间的图像相似度大小。分别通过相关系数，确定系数以及均方根误差判断曲线拟合度，其公式如下。相关系数：相关系数反映两组数据的相似程度。其中Cov(X,Y)为协方差，D(X)为纹影实验图中激波线的方差，D(Y)为数值仿真图中激波线的方差。若相关系数小于0.3，则两变量无直线相关。若相关系数大于0.3，两变量直线相关。其中0.3到0.5为低度相关，0.5到0.8为显著相关，0.8到1为高度相关。相关系数的绝对值越接近1，两变量越相关。本实施例中测得的两图像的相关系数为0.9994，所以两图像高度相关。确定系数(R-square)：其中，上式中，SSE是和方差，SSR是仿真图数据与实验图数据均值之差的平方和，SST是实验图数据与实验图数据均值之差的平方和，wi是激波线第i个点的权重，是数值仿真图中激波线第i个点的纵坐标，是纹影实验图中激波线第i个点纵坐标的均值，yi是纹影实验图中激波线第i个点的纵坐标，n是激波线组成点的数目；确定系数表征两组数据拟合的好坏，其值越接近1，表明两组数据拟合度越高。本实施例中测得的两图像的确定系数为1.0869，所以两图像拟合度很高。均方根误差(RMSE)：均方根误差(RMSE)是观测值与真值偏差的平方和观测次数比值的平方根，在实际测量中，观测次数总是有限的，真值只能用最可信赖(最佳)值来代替。均方根误差对一组测量中的特大或特小误差反映非常敏感，所以，均方根误差能够很好地反映出测量的精密度。均方根误差反映测量数据偏离真实值的程度，其值越小，表示测量精度越高，因此可用均方根误差作为评定这一测量过程精度的标准。本实施例中测得的均方根误差为3.1742，可见两条曲线的误差较小，相似度较高。本发明找到了一种有效的超声速流场准确度判定技术。应用到本实施例中可得，纹影实验图和数值仿真图的相关系数为0.9994，确定系数(R-square)为1.0869，均方根误差(RMSE)为3.1742。由此可得，两幅图中流场的相似度很高，拟合度良好。本发明提供的超声速流场准确度判定技术，可有效地识别出超声速流场的纹影实验图和数值仿真图的相似性，从而实现利用流场的纹影实验结果对流场仿真预测结果的准确度判定，可应用于不同流场预测的准确度判定中，识别效率高，自适应性强。本发明的优点有：(1)本发明是以超声速流场的纹影实验图和数值仿真图为图像来源，图像采集方法简单有效，易于处理；(2)本发明通过计算机图像分析处理来判定流场预测的正确性，处理速度快，计算结果准确：(3)本发明设计了基于RGB向量空间阈值分割的流场特征线的提取算法，具有很高的识别效率和自适应性；(4)本发明可应用于不同流场，对超声速飞行器流场预测的正确性判定具有重要价值。当前第1页1 2 3