CN103983419A - 风洞运动模型视觉测量图像采集方法 - Google Patents

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刘巍
尚志亮
贾振元
马鑫
张洋
李肖
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Abstract

本发明风洞运动模型视觉测量图像采集方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于风洞实验的运动模型视觉测量图像采集方法。该图像采集方法是采用微型高亮度LED作为缩比模型自发光标记点，将微型LED以及微型供电电源布置于目标物外壁内，利用环氧树脂还原缩比模型气动外形，配合使用架设于风洞试验段外的高速摄像机透过观察窗拍摄缩比模型运动图像。本发明利用微型自发光单元作为特征点表征缩比模型，缩小数据处理量，提高测量速度；同时无需外部投影、光源等设备，有效避免了观察窗反光对图像采集的影响；通过自发光标记点光强高、通光孔圆度好、树脂透光性强等优点提高图像采集质量。

Description

风洞运动模型视觉测量图像采集方法
技术领域
本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于风洞实验的运动模型视觉测量图像采集方法。
背景技术
随着现代科技的不断进步，对航空、航天飞行器及附属设备的研究逐渐成为现阶段科学研究的重点。飞行器及附属设备在研发过程中需要在高度模拟飞行环境的风洞中对相关缩比模型进行反复试验确定飞行参数。风洞实验中，缩比模型的气动外形是风洞实验模拟参数可信度的重要保证，尤其在对飞行器投放物等运动模型进行运动参数测量时，其模型缩比较大，尺寸较小，微小的气动外形变化都会对测量产生严重的干扰，这导致很多接触式测量方法都不能应用于风洞实验，近年来视觉测量作为一种高精度、非接触式测量方式被广泛的应用于飞行器风洞实验中。风洞视觉测量精度极大程度上通过图像采集质量保证，随之而来的图像采集质量问题便成为现阶段要解决的主要难题。
目前，对于风洞运动模型视觉测量图像采集方法的研究相对较少，多为通过外置设备向风洞内打光、投影进行图像采集，这种图像采集方法不能很好的应用于高速风洞的特殊图像采集环境。张龙、郭隆德等人发明的《风洞模型冰形测量方法及装置》中提出到了一种利用外加线激光器的静止模型冰形图像采集方法，其不能应用于高速风洞特殊图像采集环境下的运动模型图像采集。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种风洞运动模型视觉测量图像采集方法，采用自发光单元作为风洞模型合作标记点并利用双目高速摄像机通过风洞试验段观察窗拍摄缩比模型在风洞中运动图像，完成图像采集。选用微型自发光单元作为特征点表征缩比模型，缩小数据处理量，提高测量速度；并且自发光标记点可代替风洞外部投影特征以及反光式标记，保证缩比模型全视场可测，同时消除外部投影、光源等导致的观察窗反光对图像采集的影响；通过自发光标记点光强高、圆度好、抗干扰能力强等优点提高图像采集质量。
本发明所采用的技术方案是一种风洞运动模型视觉测量图像采集方法，其特征是，采用微型高亮度LED作为缩比模型自发光标记点，将微型LED以及微型供电电源布置于目标物外壁内，利用环氧树脂还原缩比模型气动外形，配合使用架设于风洞试验段外的高速摄像机透过观察窗拍摄缩比模型运动图像；具体步骤如下：
(1)自发光标记点布置
在模型表面，根据所需标记点大小加工通光孔7，利用模型外表面通光孔圆度保证图像特征圆度；在模型内表面通光孔处加工适合安装微型高亮度LED6的安装槽8，保证微型LED的光心在通光孔中心处；在模型适当位置加工微型电源安装槽，并对安装槽做绝缘处理；采用串联的方式给所有标记点供电，完成标记点布置；
(2)缩比模型气动外形保护
采用可加工的透光环氧树脂对标记点通光孔进行填充，首先将通光孔内表面封闭，形成可注入树脂的注室；按照比例调制好的环氧树脂需要加入消泡剂并静置将其中气泡除去；使用带有细长注头的推注器填充树脂，在保证通光孔内不存在气泡的情况下，将整个通光孔填满并使树脂适当溢出通光孔，在通光孔外表面形成突起；待树脂完全固化后，利用机械加工手段对填充树脂9进行加工去除多树脂10，保证模型气动外形；
(3)摄像机图像采集
使用高速摄像机对风洞内运动模型进行拍摄，捕捉风洞缩比模型2表面自发光标记点5运动图像；高速摄像机拍摄系统1通过风洞观察窗4进行图像采集，通过调节摄像机完成所需亮度、帧频的风洞模型运动图像采集。
本发明的有益效果是在风洞测量环境下，采用微型高亮度LED作为风洞模型特征标记点，无需配置外置光源便可进行高质量的图像采集，消除了外置光源与摄像机的安装干涉，并有效避免了外置光源引起的观察窗反光；微型LED亮度高，配合填充树脂与通光孔外圆周圆度可以保证风洞模型在全视场范围内都具有较高的图像采集质量。
附图说明
图1为图像采集方法原理图。其中，1-高速摄像机拍摄系统、2-风洞缩比模型、3-风洞、4-风洞观察窗、5-自发光标记点。
图2为自发光标记点安装图。其中，6-微型高亮度LED、7-通光孔、8-安装槽、9-填充树脂、10-多余树脂。
图3为图像采集灰度反色图。其中，11-图像采集所得标记点。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1为图像采集方法原理图。本方法采用高速摄像机拍摄系统1通过风洞观察窗4采集在风洞3中带有自发光标记点5的风洞缩比模型2运动图像，完成风洞视觉测量图像采集。
本发明采用带有广角镜头的两个高速摄像机拍摄模型运动情况，两个高速摄像机型号为FASTCAM SAX摄像机，采用5050型微型LED灯珠制作自发光标记点。以下为图像采集方法的具体流程：
(1)模型标记点布置
本实施例缩比模型为回转体模型，标记点采用微型LED制作，制作方法如图2自发光标记点安装图所示，在模型表面加工通光孔7，并在模型内部加工安装槽8，将微型LED安装于安装槽8，在模型内部连接导线与微型电源，完成标记点布置。
(2)模型气动外形保护
按照比例配制环氧树脂，并加入消泡剂并静置至无气泡。使用带有细长注头的推注器将树脂注入通光孔7，保证通光孔内无气泡并且树脂溢出通光孔为加工留有余量。待树脂完全固化后，对模型外表面进行车削，保证安装标记点后模型气动外形保持原模型气动外形。
(3)摄像机图像采集
首先，将高速摄像机架设于风洞观察窗外，调节摄像机视角保证视场尺寸，并对摄像机进行焦距调整使风洞缩比模型表面标记点清晰可见。然后，接通模型标记点电源，调整摄像拍摄帧频，确认摄像机拍摄参数，帧频为3000fps，图片像素为1024×1024，镜头焦距为17mm，物距为750mm，视场约为800mm×800mm。高速摄像机拍摄模型运动图像，完成图像采集，将采集所得图像进行灰度反色处理得到图3中的图像采集所得标记点11。本发明采用微型高亮度LED作为风洞模型自发光标记点，利用标记点的高亮度、加工通光孔的高圆度以及树脂强透光性保证视觉测量在全测量视场内具有高图像采集质量。同时，自发光标记点无需外置光源照明，在风洞狭小环境内为图像采集设备提供安装空间，并有效避免了外置光源配置引起的观察窗反光，进一步提高运动风洞模型视觉测量图像采集质量。

Claims (1)

1.风洞运动模型视觉测量图像采集方法，其特征是，采用微型高亮度LED作为缩比模型自发光标记点，将微型LED以及微型供电电源布置于目标物外壁内，利用环氧树脂还原缩比模型气动外形，配合使用架设于风洞试验段外的高速摄像机透过观察窗拍摄缩比模型运动图像；具体步骤如下：
(1)自发光标记点布置
在模型表面，根据所需标记点大小加工通光孔(7)，利用模型外表面通光孔圆度保证图像特征圆度；在模型内表面通光孔处加工适合安装微型高亮度LED6的安装槽(8)，保证微型LED的光心在通光孔中心处；在模型适当位置加工微型电源安装槽，并对安装槽做绝缘处理；采用串联的方式给所有标记点供电，完成标记点布置；
(2)缩比模型气动外形保护
采用可加工的透光环氧树脂对标记点通光孔进行填充，首先将通光孔内表面封闭，形成可注入树脂的注室；按照比例调制好的环氧树脂需要加入消泡剂并静置将其中气泡除去；使用带有细长注头的推注器填充树脂，在保证通光孔内不存在气泡的情况下，将整个通光孔填满并使树脂适当溢出通光孔，在通光孔外表面形成突起；待树脂完全固化后，利用机械加工手段对填充树脂(9)进行加工去除多树脂(10)，保证模型气动外形；
(3)摄像机图像采集
使用高速摄像机对风洞内运动模型进行拍摄，捕捉风洞缩比模型(2)表面自发光标记点(5)运动图像；高速摄像机拍摄系统(1)通过风洞观察窗(4)进行图像采集，通过调节摄像机完成所需亮度、帧频的风洞模型运动图像采集。
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