本发明涉及船舶动力技术，特别是指一种获取空泡的分布特征的方法和装置。
背景技术：
船舶螺旋桨工作过程中，产生的空泡及其导致的空化问题会引起严重后果，空化使液体的连续性遭到破坏，引起液体和边界之间的动力作用发生变化，增加水流的阻力，降低机械的效率并产生空蚀，对船舶螺旋桨、水力机械及水工建筑物等设备产生极大的危害。空泡流结构精细测量技术中，国内早期传统的测试方法主要为超声测试法，通过发射超声波照射尾流的空泡，声换能器接收空泡的后向散射超声信号，通过接收信号强度特征的变化实现对空泡流特性的测量，这一测量过程费时费力且测试误差大。
双目视觉方法对水下空泡进行三维重构的技术很新颖，目前对其立体成像中的对应点匹配还没有可行的算法。
现有技术存在如下问题：即使采用结构光立体成像技术，由于空泡是透明物体，投射的结构光几乎全部发生透射，无任何信息反馈回测量系统。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种获取空泡的分布特征的方法和装置，解决现有技术中，采用结构光立体成像技术无法精细检测空泡的空间和时间分布特征的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种获取空泡的分布特征的方法，方法包括：
采用双目ccd摄像设备获取图像序列，图像序列中的空泡的空泡边界包括多个特征点；
对每一个特征点，采用双目视觉及立体匹配算法获取特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标；
将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，得到空泡边界的真实坐标；
对空泡边界的真实坐标进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征。
其中，采用双目ccd摄像设备获取图像序列具体包括：两个相同的摄像设备在同一时刻获取空泡所在空间的多个图像，在多个图像中提取关键帧，所述关键帧具有大于预定阈值的分辨率，将提取出的关键帧作为所述图像序列。
其中，在采用双目ccd摄像设备获取图像序列的步骤之后，所述方法还包括：
对图像序列进行畸变处理和图像预处理。
其中，对图像序列进行畸变处理和图像预处理具体包括：
对图像序列进行灰度化，滤波，灰度拉伸，锐化，以及检测图像序列的边缘。
其中，将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，包括：
根据尚未空化时螺旋桨的图像标定尺寸和有空化时螺旋桨的图像标定尺寸，得到一比例系数，根据所述比例系数进行映射。
其中，采用双目视觉及立体匹配算法测量特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标，包括：
双目ccd摄像设备中，两个相同的摄像设备在同一时刻拍摄到空泡的特征点p，特征点p在左摄像设备的第一图像中的坐标为pleft＝(xleft,yleft)，在右摄像设备的第二图像中的坐标为pright＝(xright,yright)；
第一图像和第二图像位于同一个平面，特征点p在第一图像和第二图像中的y坐标相同，由三角几何关系得到：
视差disparity＝xleft-xright，计算出特征点p在摄像设备坐标系中的三维坐标p(xc,yc,zc)为：
其中，f是摄像设备焦距，基线距b是两个摄像设备的投影中心连线的距离。
其中，得到空泡边界的真实坐标，具体包括：
采用基于光学三角测量原理的非编码差分测距定位匹配算法，拾取图像序列中空泡边界的像素点，记录这些像素点的真实坐标并保存为数据文件。
其中，对空泡边界的真实坐标进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征，具体包括：
对于空间中的每一个特征点p，找到其k个邻近点；
利用k个邻近点近似地计算出待重建曲面m在特征点p处的法矢量；
根据特征点及所述法矢量得到待重建曲面m在特征点p处的有向切平面，调整法矢量的方向使所述法矢量指向待重建曲面m的同一侧；
建立特征点到未知的待重建曲面m间的有向距离函数f(p)；
采用体数据场等值面抽取的步进立方体算法输出f(p)的零集z(f)的三角化模型。
其中，建立特征点到未知的待重建曲面m间的有向距离函数f(p)包括：
采用特征点p处的有向切平面的集合表示待重建曲面m，找到与特征点p距离最近的第一有向切平面；f(p)为特征点p到该第一有向切平面的有向距离，是一个标量的体数据场，待重建曲面m是使该标量的体数据场取零值的所有点的集合。
一种获取空泡的分布特征的装置，包括：摄像设备，用于采用摄像设备获取图像序列，图像序列中的空泡的空泡边界包括多个特征点；
特征点提取单元，用于对每一个特征点，采用双目视觉及立体匹配算法获取特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标；
映射单元，用于将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，得到空泡边界的真实坐标；
分布特征分析单元，用于对获得的空泡边界的真实坐标进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：采用双目ccd摄像设备实时测试空泡，采用双目视觉及立体匹配算法获取特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标，将空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，在真实坐标系中提取空泡的空间分布特征，实现了空泡的3d定量测量。
附图说明
图1表示一种获取空泡的分布特征的方法流程示意图；
图2表示获取空泡的分布特征的应用场景示意图；
图3表示获取空泡的分布特征的业务逻辑示意图；
图4表示获取空泡的分布特征的硬件环境示意图；
图5表示双目视觉及立体匹配算法测量特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图2所示，将螺旋桨放置于水槽中，为同时获得空泡在时间和空间上的精细分布特征，采用双ccd成像理论、多路高速摄影成像以及片激光照明技术，精细测量计算出空泡的三维尺寸，获得空泡时间和空泡空间分布特征。
本发明实施例提供一种获取空泡的分布特征的方法，如图1所示，包括：
步骤101，采用双目ccd摄像设备获取图像序列，图像序列中的空泡的空泡边界包括多个特征点；
步骤102，对每一个特征点，采用双目视觉及立体匹配算法获取特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标；
步骤103，将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，得到空泡边界的真实坐标；
步骤104，对空泡边界的真实坐标进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征。
应用所提供的技术，采用双目ccd摄像设备实时测试空泡，采用双目视觉及立体匹配算法获取特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标，将空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，在真实坐标系中提取空泡的空间分布特征，实现了空泡的3d定量测量。
在一个优选实施例中，采用双目ccd摄像设备获取图像序列具体包括：
两个相同的摄像设备在同一时刻获取空泡所在空间的多个图像；
在多个图像中提取关键帧，所述关键帧具有大于预定阈值的分辨率，将提取出的关键帧作为所述图像序列。
为使得获取的空泡特征达到预定的要求，在测量过程中，实现对高速气流中的微小透明体在背景为灰色的螺旋桨(主要指螺旋桨的叶片)或高速航行体表面处的成像，通过调整摄影频率、成像分辨精度、亮度和均匀性等参数，提高拍摄对象与背景之间的反差，以提高成像的品质。当需要测量空泡生长、溃灭过程时，双目ccd摄像设备采用高帧率进行高速拍摄，基于时间对空间结构进行分辨，拍摄空泡的产生、脉动和溃灭这一近似完整的动态过程。
在一个优选实施例中，在采用双目ccd摄像设备获取图像序列之后，所述方法还包括：
对图像序列进行畸变处理和图像预处理。
在一个优选实施例中，对图像序列进行畸变处理和图像预处理具体包括：
对图像序列进行灰度化，滤波，灰度拉伸，锐化，以及检测图像序列的边缘。
检测图像序列的边缘的结果应当表明图像序列可以在后续处理中被正常使用。
在一个优选实施例中，将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，包括：
根据尚未空化时螺旋桨的图像标定尺寸和有空化时螺旋桨的图像标定尺寸，得到一比例系数，根据所述比例系数进行映射。
尚未空化时螺旋桨的图像标定尺寸是指，将螺旋桨放置在水中，当螺旋桨处于静止状态时拍摄的模型图像的标定尺寸。由于水对光线有折射作用，导致拍摄到的图像中的螺旋桨看起来会失真，即，模型图像中的螺旋桨比螺旋桨的真实尺寸要小。
螺旋桨旋转起来之后，形成了围绕其周围的空泡，对围绕着空泡的螺旋桨进行拍摄得到图像序列，由于空泡近似真空，因此空泡本身对光线没有折射作用，不会导致螺旋桨失真。
因此在实施例中，根据尚未空化时螺旋桨的图像标定尺寸和有空化时螺旋桨的图像标定尺寸，得到一比例系数，根据所述比例系数将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，消除了由于水的存在造成的失真现象。
在一个优选实施例中，还包括：记录空泡脉动的周期、空泡尺寸变化及溃灭冲击波速度。
通过对拍摄的图像进行分析可以准确地得到空泡尺寸变化，溃灭冲击波速度，以及空泡脉动的周期等特性。
采用双目ccd摄像设备获取图像序列的同时记录获取图像序列的拍摄时间。空泡脉动的周期以及拍摄时间作为时间分布特征。
根据尚未空化时螺旋桨背景的模型图像得到图像序列的比例系数，这是因为：当螺旋桨(模型)在空泡中时，其反射的光线经过空泡壁的折射，会导致螺旋桨(模型)在图像中呈现的尺寸是一个变小的尺寸；而空泡边界本身无此光学效应，空泡边界的比例应该与尚未空化时的模型图像比例是一致的。
在一个应用场景中，获取空泡的分布特征包括：
步骤1，研究空泡的演化过程需要提取关键帧，关键帧反应了空泡演化的发展过程或周期性，研究空泡外形需要保留全部图像中具有较高分辨率的关键帧以提高测量的精度。这些关键帧属于图像序列。
步骤2，在摄像设备坐标系中，根据需要对图像序列进行初步的处理，包括对图像序列进行灰度化，滤波，灰度拉伸，锐化，增加对比度，检测图像序列的边缘等。
步骤3，将图像序列显示在屏幕的摄像设备坐标系中，采用定位设备如鼠标或光笔拾取图像序列的特征点，对包括有空泡的图像序列拾取空泡边界的像素点，记录空泡边界的摄像设备坐标，保存为数据文件。
步骤4，摄像设备坐标系与真实坐标系之间存在一个比例系数，根据尚未空化时螺旋桨背景的模型图像的尺寸与螺旋桨的实际尺寸的比例，得到图像序列的比例系数。
步骤5，根据比例系数，将空泡边界上的像素点变换到屏幕坐标系，得到空泡边界的真实坐标。为提高精确度，因此考虑了空泡边界需要比例系数调整这个微小的差异。
步骤6，对获得的空泡边界在真实坐标系中进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征，空间分布特征包括长度和直径。
如图4所示，针对空泡图像为运动透明群气泡，无法进行常规的接触式测量，为获取空泡流的细节特征综合参数，仪器总体方案采取led光源完成对空泡流区域的照明，通过控制系统控制照明成像系统启动，并控制led光源对测量区域的照明强度。ccd光学系统定标后，打开快门，曝光成像，获取空泡区域的光学图像，进行连续高速拍摄传输至便携设备(图像处理单元)并记录；各类传感器(形成综合参数采集单元)输出的模拟电流信号经a/d转换，或者复杂可编辑逻辑器件(cpld)进入mcu(或者dsp)进行处理；采用图像分析逻辑对空泡图像进行分析处理，记录并输出结果。
水体的水温、流速和深度等同空泡的分布都有关系，为获取空泡的时间和空间分布特征，采用以下所描述的硬件和业务逻辑环境：
照明单元，采取led光源；
电源，用于供电；
综合参数采集单元，包括：
摄像设备，采集并输出视频信号，视频信号是指多个甚至全部的图像。
环境传感器；
环境信号采集模块，其中，环境信号采集模块采集环境传感器感应到的环境信号并输出环境信号。
图像处理单元，集成在便携设备上，用于处理传感器信号、环境信号和视频信号。
运用硬件对整个系统进行测试比单纯运用软件具有更好的实时性，能更快的处理复杂问题，此外还可以进行模块化的设计，从而进行工程化的运用。
设计硬件环境和业务逻辑环境的过程中，硬件遵循的原则包括：具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性，以及满足系统在体积、功耗和稳定性方面的严格要求。
为此，采用现场可编程门阵列(fpga)、dsp以及数模转换器来采集数据。
fpga与其他中小规模集成电路相比具有高度灵活性，且内部具体逻辑功能可以根据需要配置，方便修改和维护。
dsp适用于算法控制结构复杂、运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强的应用场景，具体可采用tms320c56处理器。
数模转换器采用+5v电源供电的ads82x系列数模转换器，采用差动输入方式的cmos数模转换器，其内部具有校正失调电压以及满刻度误差的功能。
采用dsp+fpga的数字硬件系统可以将二者的优点结合，兼顾速度和灵活性，同时满足底层信号处理和高层信号处理要求。
照明单元，由于需要照明的区域不到0.2m3，照度不低于1lx，选用led光源较适宜。led光源属于冷光源，电光转换效率高，用多组led光源照射，使光分布均匀稳定，同时其发光强度可在水面自由调节，可以用不同的发光强度满足对不同目标光照度的需要。
采取led光源对空泡区域的照明，控制单元启动光源并控制光源对空泡区域照明的强度；图像采集单元的ccd光学系统标定后，快门打开，曝光成像，获取空泡区域的光学图像，进行连续高速拍摄，将图像传输至便携设备的图像处理单元并记录；传感器输出的模拟电流信号经a/d转换进入dsp进行处理，dsp输出信号至便携设备的图像处理单元；对系统的标定及对拍摄图像的分析、统计，输出空泡的大小、密度、运动速度等规律参数，并将统计结果、工作环境参数和精确的时间叠加在空泡图像上通过监视器反馈，同时将显示的图像内容压缩和数据后存储以便反复使用。
系统中，会遇到连续、多层次和循环调用等运算过程，有的运算本身结构比较简单，但数据量大，对计算速度要求较高，另外一些对速度没有特殊的要求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以用纯硬件实现，因此需要采用业务逻辑将数据采集、数据处理和计算、人机交互、智能控制综合于一体。设计业务逻辑遵循的原则包括：根据ccd接收的照明空泡图像信号来计算空泡参数的编程过程中，涉及到rs-232串口编程以及大量的数学计算。选择c语言作为开发工具，其具有简洁、灵活和快速的特点，选择visualc++作为开发平台，可以方便的移植到其他平台和系统。
业务逻辑在控制单元中实现，功能包括：
对系统硬件、软件进行初始化；
控制键盘的输入、数据信号的输出、存储和打印；
控制测量电路、照明光源、ccd、变焦光学系统、信号传输和采集；
根据获取图像，进行数据处理和计算，测量空泡尺寸、密度和运动速度；
支持图形化查询空泡参数走势；
支持图形化显示接收到空泡参数数据功能；
具有良好的人机界面，操作简单、方便。
如图3所示，业务逻辑包括：
步骤301，上电开始，系统自检。
步骤302，设置端口号、传输速度、效验位、数据位。
步骤303，照明系统启动。控制单元，启动照明单元，控制led在空泡区域的照明强度。
步骤304，ccd成像系统启动。摄像设备，标定ccd光学系统后，打开快门，曝光成像，获取空泡区域的光学图像，进行连续高速拍摄，将图像传输至便携设备并记录。
步骤305，采集、接收ccd的成像数据，成像数据是指摄像设备获取空泡所在空间的多个图像。采集环境信号的传感器，输出的模拟电流信号经a/d转换进入dsp进行处理，dsp输出信号至便携设备。
步骤306，根据设置处理计算成像数据。
步骤307，对接收的数据进行有效性检验，若有效，转步骤308，否则转步骤305。
步骤308，根据图像序列计算空泡参数。
步骤309，结束。
应用所提供的技术，获取空泡的模拟图像，将模拟图像经过a/d转化得到视频(帧)信号，在视频(帧)信号中选取关键帧作为数字的图像序列，对数字的图像序列进行畸变处理和图像预处理。根据空泡特征识别空泡图像，并计算空泡的尺寸、密度和运动速度，将测试的数据嵌入到空泡图像，显示到显示器并且定时保存压缩的视频和数据文件。
在一个优选实施例中，采用双目视觉及立体匹配算法测量特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标，如图5所示，包括：
两个相同的摄像设备在同一时刻观看空泡的特征点p，特征点p出现在左摄像设备的第一图像中，坐标为pleft＝(xleft,yleft)，以及出现在右摄像的第二图像中，坐标为pright＝(xright,yright)，
第一图像和第二图像在同一个平面上，且特征点p的y坐标相同，由三角几何关系得到：
视差disparity＝xleft-xright，由此计算出特征点p在摄像设备坐标系中的三维坐标p(xc,yc,zc)为：
其中，f是摄像设备焦距，基线距b是两个摄像设备的投影中心连线的距离。
在完全的点对点运算中，若左摄像设备中显示的任意一点能在右摄像设备上找到对应的匹配点，可以确定出该点的三维坐标，从而获取该点的三维坐标。
常用的测量空泡的方法有点投影、线投影与光栅投影三种。
在一个优选实施例中，得到空泡边界的真实坐标，具体包括：
采用基于光学三角测量原理的非编码差分测距定位匹配算法，拾取图像序列中空泡边界的像素点，记录这些像素点的真实坐标并保存为数据文件。
非编码差分测距定位匹配算法对测量环境要求相对较低，而且对硬件性能的要求低，容易实现。
在一个优选实施例中，对获得的空泡边界的真实坐标进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征，具体包括：
对于空间中的每一个特征点p，找到该特征点p的k个邻近点；
这里需说明的是，空间中的特征点是散乱分布的。
利用k个邻近点近似计算出待重建曲面m在特征点p处的法矢量；
根据特征点及所述法矢量得到待重建曲面m在特征点p处的有向切平面，对法矢量方向做自动调整使得指向待重建曲面m的同一侧；
建立特征点到未知的待重建曲面m间的有向距离函数f(p)；
采用体数据场等值面抽取的步进立方体算法(mc，marchingcube)输出f(p)的零集z(f)的三角化模型。
3d立体匹配系统得到的是被测物体特征点的云数据，而在快速成形重构过程中，常常要求提供stl格式的图形数据，这样的数据是曲面数据，不是简单的数据点，因此有必要对散乱的点云数据进行三维重构。
在一个优选实施例中，建立特征点到未知的待重建曲面m间的有向距离函数f(p)包括：
采用特征点p处的有向切平面的集合表示待重建曲面m，找到与特征点p距离最近的第一有向切平面，f(p)为特征点p到该第一有向切平面的有向距离，f(p)是一个标量的体数据场，待重建曲面m应是使该标量的体数据场取零值的所有点的集合。
在一个应用场景中，采用hoppe算法展开，根据空泡区域中的特征点重构该空泡区域的三角网格，三角网格中每一个三角形称为三角面片：找到特征点的k个邻近点，根据稠密的特征点集建立特征点到未知的待重建曲面m间的有向距离函数f(p)，采用体数据场等值面抽取的步进立方体算法输出f(p)的零集z(f)的三角化模型。
其中，三维重构算法对点云数据进行三角网格重构3d的空泡区域具体包括：
建立哈希表；
计算k_邻域，hoppe算法首先在密集的特征点集中寻找每一个特征点p的k_邻近；
计算特征点p的法矢量，利用k个邻近点近似地计算出待重建曲面m在特征点p处的法矢量；
建立微切平面，根据特征点及其法矢量可以得到待重建曲面m在该特征点处的切平面，虽然还没有待重建曲面m的整体形状信息，但可以利用特征点处的有向切平面作为待重建曲面m在该特征点处的线性逼近。
由于用k个邻近点算出的法矢量可以有正负两个方向，为了保证切平面方向的协调一致(指向曲面的同一侧)，自动调整法矢量的方向。
计算有向距离函数f(p)，给定空间一点p，对应一个距离值f，因而f(p)是一个标量的体数据场，待重建曲面m应是使该标量体数据场取零值的所有点的集合。
生成对应的三角面片。算法最后一步，用体数据场等值面抽取的mc算法，即按立方体索引号顺序进行处理，最后输出f(n)的零集z(f)。
本发明实施例提供一种获取空泡的分布特征的装置，如图2所示，包括：
摄像设备，用于采用摄像设备获取图像序列，图像序列中的空泡的空泡边界包括多个特征点；
特征点提取单元，用于对每一个特征点，采用双目视觉及立体匹配算法获取特征点在摄像设备坐标系中的三维坐标；
映射单元，用于将空泡的空泡边界从摄像设备坐标系映射到真实坐标系，得到空泡边界的真实坐标；
分布特征分析单元，用于对获得的空泡边界的真实坐标进行椭圆拟合，提取空泡的空间分布特征。
采用本方案之后的优势是：获取空泡的模拟图像，将模拟图像经过a/d转化得到视频(帧)信号，在视频(帧)信号中选取关键帧作为数字的图像序列，图像序列中的空泡的空泡边界包括多个特征点；对数字的图像序列进行畸变处理和图像预处理。根据空泡特征识别空泡图像，并计算空泡的尺寸、密度、运动速度，将测试的数据嵌入到空泡图像，显示到显示器并且定时保存压缩的视频和数据文件。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。