一种辉光图像采集装置及其图像处理方法与流程

1.本发明属于风洞试验设备技术领域，具体涉及一种辉光图像采集装置及其图像处理方法。


背景技术：

2.稀薄气体在强电场激发下会产生辉光放电现象，且辉光强度与气体密度相关，可采用气体辉光放电法显示低密度流场，对自由射流流场，可实现流场结构观测，供流场校测确定射流边界和均匀核心区作参考；对带模型的绕流流场，可实现激波、尾流等流场波系结构的较清晰的观测。
3.目前，已在φ1米高超声速低密度风洞中实现了稳定的辉光放电，但流场成像方面依然不尽如意，主要体现在辉光成像对比度不高，以及风洞试验过程中电弧加热器电弧发光、辉光放电电极发光和试验模型反光等形成的强背景光干扰辉光成像质量两个方面。
4.因此，当前亟需发展一种用于低密度风洞试验流场显示的辉光图像采集装置及其图像处理方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种辉光图像采集装置及其图像处理方法。
6.本发明的辉光图像采集装置，包括位于试验段外部，通过试验段观察窗拍摄流场辉光图像的辉光成像装置；包括将辉光成像装置获得的流场辉光图像进行传输的数据传输装置；还包括从数据传输装置接收流场辉光图像并进行流场辉光图像处理的服务器；其特点是，
7.所述的辉光成像装置沿光路从前至后顺序包括聚光镜、滤光片和相机；
8.所述的数据传输装置从前至后依次包括usb数据线ⅰ、usb光纤转换器ⅰ、光纤、usb光纤转换器ⅱ和usb数据线ⅱ，usb数据线ⅰ连接相机，usb数据线ⅱ连接服务器；
9.所述的服务器安装有辉光图像采集分析系统，远程控制辉光成像装置进行流场辉光图像采集，并对流场辉光图像进行数据处理，获得风洞流场内试验模型周围波系结构的图像。
10.进一步地，所述的滤光片为带通滤光片。
11.进一步地，所述的相机为科学级相机，分辨率至少2560
×
2160像素，帧速率100fps，量子效率60％、动态范围30000:1，流场辉光图像存储方式为单张存储或连续自动存储，连续自动存储的采集间隔最小为0.01s。
12.进一步地，所述的辉光图像采集分析系统具有相机、程序、图像、浏览和预处理共5个界面；相机界面设置有实时图像、停止实时、自动灰阶弱、自动灰阶强、图像转换设置和相机参数设置按钮，进行截取窗格、图像对比度、饱和度、色调、采集频率和相机曝光时间的调节；图像界面设置有开始存储、停止存储、单张存储和存储设置，进行实时显示、实时采集保存、连续自动采集保存和停止采集；预处理界面设置有加载图片、sober算法、熵算法、锐化
算法、保存图片、批量处理和视频压缩按钮，进行流场辉光图像的数字滤波和图像积分，并对批量处理的流场辉光图像进行视频压缩，获得流场辉光视频。
13.本发明的辉光图像采集装置的图像处理方法，包括以下步骤：
14.a.将试验模型安装在位于试验段的喷管和扩压器之间的支撑机构上；试验段内，试验模型上方设置电极ⅰ，试验模型下方设置电极ⅱ，试验模型接地线；
15.b.在试验段外，布置辉光成像装置，将辉光成像装置通过数据传输装置连接至服务器；
16.c.进行设备联调，确定设备运行正常；
17.d.进行流场辉光图像采集；
18.d1.连接相机；
19.d2.实时显示；服务器的辉光图像采集分析系统的相机界面实时显示试验模型图像；
20.d3.设置参数；设置服务器的辉光图像采集分析系统的相关参数，包括设置存储路径、设置相机参数和设置存储格式；
21.d4.开始采集；开展风洞试验，服务器的辉光图像采集分析系统采集流场辉光图像；
22.d5.停止采集；风洞试验结束，服务器的辉光图像采集分析系统停止采集流场辉光图像；
23.e.图像处理；包括单张流场辉光图像处理和批量流场辉光图像处理；
24.e1.单张流场辉光图像处理；
25.e11.滤波参数设置；设置服务器的辉光图像采集分析系统中的图像滤波参数；
26.e12.加载单张流场辉光图像；
27.e13.选择sober算法、熵算法或锐化算法中的一种图像处理算法对图像数据进行后处理；
28.e14.保存处理后的单张流场辉光图像；
29.e2.批量流场辉光图像处理；
30.e21.滤波参数设置；设置服务器的辉光图像采集分析系统中的图像滤波参数；
31.e22.加载批量流场辉光图像；
32.e23.选择sober算法、熵算法或锐化算法中的一种图像处理算法对批量流场辉光图像中的一张流场辉光图像进行处理；
33.e24.检测评估；评估一张流场辉光图像的处理效果，如果满足需要，开始进行批量处理，否则更换图像处理算法，再进行检测评估，直至处理效果满足需要；
34.e25.批量处理；保存处理后的批量流场辉光图像。
35.本发明的辉光图像采集装置中的辉光成像装置由聚光镜、滤光片和相机组成。聚光镜和滤光片能够对流场辉光图像的亮度信号进行调制，抑制或滤除流场辉光图像的背景光，增强或减弱辉光强度，减小试验模型或电极反光对流场辉光图像的影响，提高流场辉光图像的对比度，完成对流场辉光图像的预处理。相机为科学级相机，具有高分辨率、高帧速率、高动态范围等特点，能够拍摄高质量的流场辉光图像；相机还具备远程操控功能，可单张存储或连续自动存储流场辉光图像。
36.本发明的辉光图像采集装置中的数据传输装置采用光纤、usb
‑
光纤转换器和usb数据线。光纤具有传输速度快、数据量大的优点，适用于远程控制和批量流场辉光图像的实时传输和存储；同时，由于低密度风洞的风洞试验具有高电压、大电流、高气压等特征，试验环境较复杂，光纤还能够有效屏蔽电弧加热器和辉光电极的强电磁干扰。为了适应服务器的主机和相机的usb接口，光纤的两端顺序连接usb
‑
光纤转换器和usb数据线。
37.本发明的辉光图像采集装置中的服务器包括主机和显示器及其它附属设备，服务器上运行有专用的辉光图像采集分析系统，进行流场辉光图像的采集、存储和处理。该辉光图像采集分析系统既能对相机进行远程控制以采集流场辉光图像，又能够对采集到的流场辉光图像进行后处理。
38.辉光图像采集分析系统可对单张流场辉光图像进行处理，还可对连续自动采集的批量流场辉光图像进行处理。辉光图像采集分析系统的后处理主要包含数字滤波和图像积分两种功能。
39.数字滤波，即在尽量保留图像细节特征的条件下对目标图像的噪声进行抑制，是图像预处理中不可缺少的操作，其处理效果的好坏将直接影响到后续图像处理和分析的有效性和可靠性。本发明的辉光图像处理方法通过双边滤波等方法，在有效抑制噪声和背景光，同时较好的保护图像目标的形状、大小及特定的几何和拓扑结构特征。
40.图像积分，目前主要有两种形式：模拟积分和数字积分。模拟积分是对图像的原始模拟信号直接进行积分，常常在成像器件上直接使用，但是，对于本系统，由于模拟积分在增强目标区域图像信号的同时，会加大背景光的图像信号，在一定条件下会造成成像器件的饱和，并不适合本发明使用。因此，本发明的辉光图像处理方法采用sober算法、熵算法或锐化算法等图像处理算法只对目标区域特定颜色的图像信号进行积分，从而提高图像对比度，达到了滤除流场辉光图像的背景光干扰，增强目标图像对比度，增强流场结构特征的效果。
41.本发明的辉光图像采集装置及其图像处理方法，采用聚光镜、滤波片和高性能相机组成辉光成像装置，实现对目标图像的亮度信号进行调制，并初步滤除和抑制杂散背景光的干扰，增强流场辉光图像，获得高质量的流场辉光图像。然后采用辉光图像采集分析系统对所获得的流场辉光图像进行进一步处理，通过sober算法、熵算法、锐化算法等图像处理算法进行图像滤波和图像积分，以进一步滤除目标图像背景光干扰，并增强信号对比度，从而精确提取流场特征，获得风洞流场内试验模型周围波系结构图像。
42.本发明的辉光图像采集装置及其图像处理方法相互配合，通过光学滤波和图像增强技术相结合，解决了辉光成像对比度不高、背景光干扰成像两大难题，实现了风洞流场内试验模型周围波系结构的比较清晰的观测。
附图说明
43.图1为本发明的辉光图像采集装置的结构示意图；
44.图2为本发明的辉光图像处理方法的辉光图像采集分析系统的软件架构图；
45.图3为本发明的辉光图像处理方法中的流场辉光图像采集流程；
46.图4为本发明的辉光图像处理方法中的流场辉光图像处理流程；
47.图5为本发明的辉光图像采集装置采集的原始图像；
48.图6为本发明的辉光图像处理方法对原始图像进行sober算法处理结果图；
49.图7为本发明的辉光图像处理方法对原始图像进行熵算法处理结果图；
50.图8为本发明的辉光图像处理方法对原始图像进行锐化算法处理结果图。
51.图中，1.辉光成像装置
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2.服务器
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3.数据传输装置
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4.试验段；
52.101.聚光镜
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102.滤光片
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103.相机；
53.301.usb数据线
ⅰꢀꢀ
302.usb光纤转换器
ⅰꢀꢀ
303.光纤
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304.usb光纤转换器
ⅱꢀꢀ
305.usb数据线ⅱ；
54.401.喷管
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402.扩压器
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403.试验模型
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404.电极
ⅰꢀꢀ
405.电极ⅱ。
具体实施方式
55.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.如图1所示，本发明的辉光图像采集装置，包括位于试验段4外部，通过试验段4观察窗拍摄流场辉光图像的辉光成像装置1；包括将辉光成像装置1获得的流场辉光图像进行传输的数据传输装置3；还包括从数据传输装置3接收流场辉光图像并进行流场辉光图像处理的服务器2；
57.所述的辉光成像装置1沿光路从前至后顺序包括聚光镜101、滤光片102和相机103；
58.所述的数据传输装置3从前至后依次包括usb数据线ⅰ301、usb光纤转换器ⅰ302、光纤303、usb光纤转换器ⅱ304和usb数据线ⅱ305，usb数据线ⅰ301连接相机103，usb数据线ⅱ305连接服务器2；
59.所述的服务器2安装有辉光图像采集分析系统，远程控制辉光成像装置1进行流场辉光图像采集，并对流场辉光图像进行数据处理，获得风洞流场内试验模型周围波系结构的图像。
60.进一步地，所述的滤光片102为带通滤光片。
61.进一步地，分辨率至少2560
×
2160像素，帧速率100fps，量子效率60％、动态范围30000:1，流场辉光图像存储方式为单张存储或连续自动存储，连续自动存储的采集间隔最小为0.01s。
62.进一步地，如图2所示，所述的辉光图像采集分析系统具有相机、程序、图像、浏览和预处理共5个界面；相机界面设置有实时图像、停止实时、自动灰阶弱、自动灰阶强、图像转换设置和相机参数设置按钮，进行截取窗格、图像对比度、饱和度、色调、采集频率和相机曝光时间的调节；图像界面设置有开始存储、停止存储、单张存储和存储设置，进行实时显示、实时采集保存、连续自动采集保存和停止采集；预处理界面设置有加载图片、sober算法、熵算法、锐化算法、保存图片、批量处理和视频压缩按钮，进行流场辉光图像的数字滤波和图像积分，并对批量处理的流场辉光图像进行视频压缩，获得流场辉光视频。
63.本发明的辉光图像采集装置的图像处理方法，包括以下步骤：
64.a.将试验模型403安装在位于试验段4的喷管401和扩压器402之间的支撑机构上；
试验段4内，试验模型403上方设置电极ⅰ404，试验模型403下方设置电极ⅱ405，试验模型403接地线；
65.b.在试验段4外，布置辉光成像装置1，将辉光成像装置1通过数据传输装置3连接至服务器2；
66.c.进行设备联调，确定设备运行正常；
67.d.如图3所示，进行流场辉光图像采集；
68.d1.连接相机103；
69.d2.实时显示；服务器2的辉光图像采集分析系统的相机界面实时显示试验模型403图像；
70.d3.设置参数；设置服务器2的辉光图像采集分析系统的相关参数，包括设置存储路径、设置相机103参数和设置存储格式；
71.d4.开始采集；开展风洞试验，服务器2的辉光图像采集分析系统采集流场辉光图像；
72.d5.停止采集；风洞试验结束，服务器2的辉光图像采集分析系统停止采集流场辉光图像；
73.e.如图4所示，进行图像处理；包括单张流场辉光图像处理和批量流场辉光图像处理；
74.e1.单张流场辉光图像处理；
75.e11.滤波参数设置；设置服务器2的辉光图像采集分析系统中的图像滤波参数；
76.e12.加载单张流场辉光图像；
77.e13.选择sober算法、熵算法或锐化算法中的一种图像处理算法对图像数据进行后处理；
78.e14.保存处理后的单张流场辉光图像；
79.e2.批量流场辉光图像处理；
80.e21.滤波参数设置；设置服务器2的辉光图像采集分析系统中的图像滤波参数；
81.e22.加载批量流场辉光图像；
82.e23.选择sober算法、熵算法或锐化算法中的一种图像处理算法对批量流场辉光图像中的一张流场辉光图像进行处理；
83.e24.检测评估；评估一张流场辉光图像的处理效果，如果满足需要，开始进行批量处理，否则更换图像处理算法，再进行检测评估，直至处理效果满足需要；
84.e25.批量处理；保存处理后的批量流场辉光图像。
85.实施例1
86.本实施例的工作过程如下：
87.首先应确保辉光图像采集装置的硬件连接，并通过辉光图像采集分析系统观察实时目标图像，同时精细调节辉光图像采集装置各个设备以达到最好的显示效果，然后通过辉光图像采集分析系统设置目标图像的显示范围、图像饱和度、对比度、活跃度、曝光频率等相机参数，以及图像存储间隔等参数。辉光试验过程中，可选择存储单张图像或连续自动存储，图像采集结束后，用辉光图像采集分析系统对图片进行后处理，可选择合适的参数用sober算法、熵算法或锐化算法处理单张图像或批量处理和保存，还可将处理前后的图像进
行视频压缩，以复现试验过程中风洞流场结构的变化历程。
88.本实施例的原始图像见图5，获得的sober算法处理结果图、熵算法处理结果图和锐化算法处理结果图分别见图6、图7、图8。从图中可以看出：采用聚光镜、滤光片和高性能相机等辉光图像采集装置后，能够实现在大尺寸低密度风洞中采集到较好的流场图像，但因存在干扰光，图像对比度不够高，导致模型周边的流场波系结构不是非常明显。当采用sober算法、熵算法和锐化算法进行处理之后，实现了图像滤波和图像增强，辉光图像对比度不高、背景光干扰成像的问题得到很大改善。三种图像处理算法各有其优缺点和适用范围，从图6可以看出：采用sober算法，流场中模型周围的激波很明显，而模型的轮廓较为模糊；从图7中可以看出：采用熵算法，模型的轮廓清晰而激波又稍模糊；从图8可以看出：采用锐化算法后，模型本身的轮廓和激波结构都可以较清晰地显示出来。
89.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。