CN103217238B - 压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法，首先建立被测模型三维坐标数据，并对被测模型表面进行划分、标记，其次对被测模型表面压力测量，获取表示荧光光强的二维图像，再次建立各个划分区域中二维坐标与三维坐标的关系，最后根据坐标关系将二维压力图像转换为三维显示。该方法可以校正所得图像的变形问题，对被测模型表面压力分布进行多角度显示，且可以根据需要对其表面进行分区细化处理，以方便准确无误地提高在需要高精度测量区域的结果显示精度，精确提供被测三维模型上任一点的压力信息，有效对实验过程中真实压力场进行还原。

Description

压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法

技术领域

本发明涉及光学压力敏感涂料测压技术，具体为一种压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法。

背景技术

光学压力敏感涂料测压技术作为一种新兴的压力测量技术，以不破坏流场结构、测量周期短、成本低、可以进行全域压力测量的优势而广受关注。根据摄影测量学原理可知，其测量结果为一张二维灰度图像，代入校准曲线得到的二维压力分布图可以定性地显示出被测模型上各个区域的压力变化状况。然而，在气动测量中，实际的被测模型表面多为三维空间曲面，使得实际的压力三维分布被表现为二维平面图像；同时考虑实验过程中被测模型的刚性和承受空气动力时的形变情况、相机拍摄角度、位置变化等无法避免的因素而导致所获二维平面图像扭曲严重，存在的平移、旋转、拉伸及压缩等现象，最终使得所获的二维压力分布图像失真，测量精度下降，使压力信息提取不便。

针对压力敏感涂料测压技术测量结果的二维显示形式，目前现有技术如实验流体力学中文章《压敏漆图像数据处理技术》，将图像三维重构技术应用于叶片表面压力中，得到压力敏感涂料测压技术所得二维结果的三维转化，但是，对于被测三维模型表面曲率变化大、几何形状不规则的情况，该方法在实施过程中仅考虑了整个被测模型表面的曲率变化，忽略了其表面上曲率变化大、几何形状不规则的区域，导致被测三维模型坐标与所得二维图像坐标间的转化误差变大，压力值被赋予被测三维模型表面时出现错位问题，影响压力敏感涂料测压技术所得结果的显示精度。

发明内容

要解决的技术问题

压敏涂料测压技术所得结果为二维图像，而被测模型表面通常为不规则的三维立体曲面，获得的图像为扭曲、变形的三维模型的平面图，为了克服所得图像存在扭曲、变形现象导致的无法直接提供具体位置的压力信息的问题，本发明提出了一种压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法，该方法可以校正所得图像的变形问题，对被测模型表面压力分布进行多角度显示，且可以根据需要对其表面进行分区细化处理，以方便准确无误地提高在需要高精度测量区域的结果显示精度，精确提供被测三维模型上任一点的压力信息，有效对实验过程中真实压力场进行还原。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：对被测模型进行三维扫描，得到被测模型的三维坐标数据，构建被测模型的三维造型；

步骤2：将被测模型表面划分为至少5个大区域；对于区域表面存在曲率变化的大区域，将该大区域均匀划分为至少5个小区域；在每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域内，均匀标记至少6个标记点；根据步骤1得到的被测模型的三维坐标数据，确定所有标记点的三维坐标；

步骤3：完成采用光学压力敏感涂料进行被测模型表面压力测量，获取表示荧光光强的二维图像；

步骤4：对于每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域，采用以下方法建立单个区域二维图像坐标与被测模型表面三维坐标的转换方程：

建立被测模型表面三维坐标与二维图像坐标的线性转换方程：

$x=\frac{L_{1}X+L_{2}Y+L_{3}Z+L_4}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

$y=\frac{L_{5}X+L_{6}Y+L_{7}Z+L_8}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

其中（X，Y，Z）表示标记点在被测模型表面的三维坐标，（x，y）表示标记点在二维图像中的坐标，L₁～L₁₁是11个坐标转换参数；将单个区域内的所有标记点在被测模型表面的三维坐标以及在二维图像中的坐标代入线性转换方程，拟合得到11个坐标转换系数，将得到的11个坐标转换系数代入线性转换方程，得到该单个区域的坐标线性转换方程；

步骤5：根据步骤4得到的各个小区域以及内部没有小区域的大区域对应的坐标线性转换方程，将步骤3得到的二维图像中各像素点上的压力值直接赋予被测模型表面对应三维坐标位置，从而得到被测模型三维表面的压力分布。

本发明的一个优选方案，其特征在于：步骤4改为：

步骤4：对于每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域，采用以下方法建立单个区域二维图像坐标与被测模型表面三维坐标的转换方程：

建立被测模型表面三维坐标与二维图像坐标的线性转换方程：

$x=\frac{L_{1}X+L_{2}Y+L_{3}Z+L_4}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

$y=\frac{L_{5}X+L_{6}Y+L_{7}Z+L_8}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

其中（X，Y，Z）表示标记点在被测模型表面的三维坐标，（x，y）表示标记点在二维图像中的坐标，L₁～L₁₁是11个坐标转换参数；将单个区域及与之相邻区域内的所有标记点在被测模型表面的三维坐标以及在二维图像中的坐标代入线性转换方程，拟合得到11个坐标转换系数，将得到的11个坐标转换系数代入线性转换方程，得到该单个区域的坐标线性转换方程。

有益效果

本发明的有益效果是：

1)将压力敏感涂料测压技术的结果三维转化，有效还原真实流场，方便被测模型表面任意精确位置压力值的量化提取。

2)对压力显示精度要求高的情况，将测量结果进行分区三维转化处理，有效提高结果三维转化精度。

3)针对分区转化方法不同分区所得压力分布结果中边界错位问题提出解决方法，形成完整的压力敏感涂料测压技术结果高精度显示方法。

4)提高现有压力敏感涂料测量技术所得结果的显示精度，凸显压敏测量技术高空间分辨率的特点。

5)将二维显示结果进行三维转化，可以推广应用到其他流场显示技术的结果处理。

附图说明

图1：本发明的流程图；

图2：压敏涂料测量二维结果；

图3：真实被测模型三维结构；

图4：将被测模型表面进行均匀分区；

图5：对整个被测模型表面进行处理得到的压敏涂料测量结果的三维压力分布图；

图6：对整个被测模型表面进行处理得到的压敏涂料测量结果的三维压力分布图；

图7：应用本发明的完整过程，对被测模型表面分区处理所得压敏涂料测量结果的三维压力分布图；

图8：进行分区处理和未进行分区处理所得结果像素点对准误差；

图9：应用本发明提供方法，所得压敏测量结果和扫描阀测量结果的对比。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例为应用压力敏感涂料测量技术对叶栅表面压力进行测量，并对测量结果进行高精度显示。采用以下步骤：

步骤1：获取模型三维数据：在一般压力敏感涂料测压试验中，被测模型三维数据已知，对于未知被测模型三维数据的情况，可以采用三维扫描或其他现有技术，对被测模型进行三维扫描，得到被测模型的三维坐标数据，构建被测模型的三维造型。

步骤2：将被测模型表面划分为至少5个大区域；为提高压力敏感涂料测压结果显示精度，对于区域表面存在曲率变化的大区域，将该大区域又均匀划分为至少5个小区域；在每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域内，均匀标记至少6个标记点；根据步骤1得到的被测模型的三维坐标数据，确定所有标记点的三维坐标。

步骤3：完成采用光学压力敏感涂料进行被测模型表面压力测量，获取表示荧光光强的二维图像。

该步骤为现有的公知技术，本实施例中具体过程为：

首先，以实验时大气压为基准压力值，采集此压力值处的被测模型表面涂料荧光图像作为参考图像，对不同压力条件下被测模型表面涂料荧光强度进行标定，拟合得到光学压敏涂料的校准曲线。

其次，通过光学压敏涂料校准曲线，根据光学压敏涂料测量原理，对所获得的二维图像进行图像处理，即采用图像匹配的方法来校正模型因承受空气动力而导致的移动、旋转和变形，然后进行参考图像与压力图像的比运算，消除预算过程中的噪声，再代入光学压敏涂料的校准曲线，将光强转换为压力，获得模型表面的二维压力分布。测量结果如图2所示，而模型的真实三维结构如图3所示，对比可以明显看出未进行三维转换所得到的二维图像严重失真。

步骤4：根据摄影测量学原理，对于每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域，采用以下方法建立单个区域二维图像坐标与被测模型表面三维坐标的转换方程：

忽略相机镜头变形带来影响，建立被测模型表面三维坐标与二维图像坐标的线性转换方程：

$x=\frac{L_{1}X+L_{2}Y+L_{3}Z+L_4}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

$y=\frac{L_{5}X+L_{6}Y+L_{7}Z+L_8}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

其中（X，Y，Z）表示标记点在被测模型表面的三维坐标，（x，y）表示标记点在二维图像中的坐标，L₁～L₁₁是11个坐标转换参数；将单个区域内的所有标记点在被测模型表面的三维坐标以及在二维图像中的坐标代入线性转换方程，拟合得到11个坐标转换系数，将得到的11个坐标转换系数代入线性转换方程，得到该单个区域的坐标线性转换方程。

进一步的，为有效实现压敏测量结果的分区三维转化精度，消除分区处理所得三维结果中存在的不同分区间边界错位问题，本实施例将步骤4改为：

步骤4：对于每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域，采用以下方法建立单个区域二维图像坐标与被测模型表面三维坐标的转换方程：

建立被测模型表面三维坐标与二维图像坐标的线性转换方程：

$x=\frac{L_{1}X+L_{2}Y+L_{3}Z+L_4}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

$y=\frac{L_{5}X+L_{6}Y+L_{7}Z+L_8}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

其中（X，Y，Z）表示标记点在被测模型表面的三维坐标，（x，y）表示标记点在二维图像中的坐标，L₁～L₁₁是11个坐标转换参数；将单个区域及与之相邻区域（指相邻的小区域或内部没有小区域的大区域）内的所有标记点在被测模型表面的三维坐标以及在二维图像中的坐标代入线性转换方程，拟合得到11个坐标转换系数，将得到的11个坐标转换系数代入线性转换方程，得到该单个区域的坐标线性转换方程。

步骤5：根据步骤4得到的各个小区域以及内部没有小区域的大区域对应的坐标线性转换方程，将步骤3得到的二维图像中各像素点上的压力值直接赋予被测模型表面对应三维坐标位置，并应用绘图软件，显示被测的三维模型表面的压力分布，从而实现测量结果的高精度显示。

图5、图6为应用本发明方法，对上述测量结果进行三维转化后不同视角下结果显示，从图中可以看出，使用本方法，有效克服了压力敏感涂料测压技术测得二维结果中存在的问题，提供真实三维试件表面任意位置的压力分布信息。同时提出改变压敏测量结果三维显示精度的方法，以及对该方法存在问题的解决方案。图7所示为应用本发明方法的完整过程，所得被测模型表面压敏涂料测量结果的三维压力分布图，引入坐标转换误差概念，如下式所示：

$\mathrm{error}=\sqrt{{({x_i}^{\′}-x_i)}^2+{({y_i}^{\′}-y_i)}^2}$

其中(x_i',y_i')为压敏所得二维结果图像上点的坐标，(x_i,y_i)为根据被测模型三维坐标、图像二维坐标之间的关系，计算得到的该点的二维坐标，图5、图6所得结果的坐标转换误差为3.857，而经过大区域分区细化处理，所得结果图7的坐标转换误差为0.96478，如图8所示，为进行分区处理和未进行分区处理所得结果像素点对准误差，可见应用分区细化处理方法，可以明显减小转化过程中的误差，而对分区处理引起的不同分区所得结果间的错位问题，应用优化方案中的步骤4方法可以得到有效解决。图9为应用本发明提供方法处理所得压敏测量结果和扫描阀测量结果的对比，如果不对压力敏感涂料测得的结果进行三维转化将得不到如图所示模型上每一点具体的、精确的值，只能根据定性知道的大概压力分布范围，粗略估计出相应的压力值，可以看出，对压力敏感涂料测压技术所得结果完整应用本发明方法，明显提高了其结果的显示精度。

Claims (1)

1.一种压力敏感涂料测量结果的高精度显示方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：对被测模型进行三维扫描，得到被测模型的三维坐标数据，构建被测模型的三维造型；

步骤2：将被测模型表面划分为至少5个大区域；对于区域表面存在曲率变化的大区域，将该大区域均匀划分为至少5个小区域；在每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域内，均匀标记至少6个标记点；根据步骤1得到的被测模型的三维坐标数据，确定所有标记点的三维坐标；

步骤3：完成采用光学压力敏感涂料进行被测模型表面压力测量，获取表示荧光光强的二维图像；

步骤4：对于每个小区域以及每个内部没有小区域的大区域，采用以下方法建立单个区域二维图像坐标与被测模型表面三维坐标的转换方程：建立被测模型表面三维坐标与二维图像坐标的线性转换方程：

$x=\frac{L_{1}X+L_{2}Y+L_{3}Z+L_4}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

$y=\frac{L_{5}X+L_{6}Y+L_{7}Z+L_8}{L_{9}X+L_{10}Y+L_{11}Z+1}$

其中(X，Y，Z)表示标记点在被测模型表面的三维坐标，(x，y)表示标记点在二维图像中的坐标，L₁～L₁₁是11个坐标转换参数；将单个区域及与之相邻区域内的所有标记点在被测模型表面的三维坐标以及在二维图像中的坐标代入线性转换方程，拟合得到11个坐标转换系数，将得到的11个坐标转换系数代入线性转换方程，得到该单个区域的坐标线性转换方程；

步骤5：根据步骤4得到的各个小区域以及内部没有小区域的大区域对应的坐标线性转换方程，将步骤3得到的二维图像中各像素点上的压力值直接赋予被测模型表面对应三维坐标位置，从而得到被测模型三维表面的压力分布。