CN104458187A - 风洞多片光流动显示系统及其图像三维重建方法 - Google Patents

风洞多片光流动显示系统及其图像三维重建方法 Download PDF

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刘国政
张伟
李周复
唐敏中
多勐
明强
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Abstract

一种风洞多片光流动显示系统及其图像三维重建方法，系统包括飞行器模型、平面镜、示踪粒子产生与投放系统、激光器，滑块、丝杠、电机、柱镜、高帧频外触发自动调焦相机和同步控制系统，平面镜安装在滑块上，滑块安装在丝杠上，柱镜安装在丝杠下方，随着平面镜的移动，片光将照射飞行器模型不同剖面位置，同步控制系统能够实时获取片光剖面位置，并按照预先设定的位置启动高帧频外触发自动调焦相机进行外触发采集，所获得的图像与片光剖面位置一一对应。方法是在空间不同剖面的图像显示的基础上，建立整个空间的三维流动显示图像，即用平面图像复原出空间体的图像。本发明结构简单，能够显示连续的剖面图像，获得整个空间的流动显示图像。

Description

风洞多片光流动显示系统及其图像三维重建方法
技术领域
本发明所属的领域是实验空气动力学领域，具体涉及一种风洞多片光流动显示系统及其图像三维重建方法。
背景技术
如图1所示，传统片光流动显示系统包括风洞、飞行器模型、激光片光系统、示踪粒子产生与投放系统和照相机；片光流动显示方法为在风洞中投放示踪粒子，用激光片光系统照亮飞行器模型待测量区域，用照相机以单帧形式记录待测区域的流动图像。在传统的片光流动显示风洞试验中，激光片光一般垂直于模型表面某个位置，仅能得到流场中该平面内的流动图像，不利于了解空间流场特性；或者是多片光试验，仅获得不同独立截面的流动显示结果，没有将三维空间的结果再现出来。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提供一种风洞多片光流动显示系统及其图像三维重建方法。
本发明所采用的技术如下：一种风洞多片光流动显示系统，包括飞行器模型、平面镜、示踪粒子产生与投放系统和激光器，示踪粒子产生与投放系统和飞行器模型，示踪粒子产生与投放系统安装在飞行器模型的前方，用于向飞行器模型布撒粒子，本系统还包括滑块、丝杠、电机、柱镜、高帧频外触发自动调焦相机、同步控制系统，同步控制系统分别与电机、高帧频外触发自动调焦相机电信号连接，平面镜安装在滑块上，滑块安装在丝杠上，丝杠与电机连接，电机驱动丝杠旋转，从而带动滑块上的平面镜能够沿丝杠的轴线平移；平面镜与丝杠的轴线成45°夹角，柱镜安装在丝杠下方，丝杠的轴线和柱镜的轴线平行，激光器安装在丝杠前方，激光器发出的激光沿丝杠的轴线入射，经平面镜反射后入射到柱镜上，经柱镜折射后形成片光照射到飞行器模型流场区域；随着平面镜的移动，片光将照射飞行器模型不同剖面位置，同步控制系统能够实时获取片光剖面位置，并按照预先设定的位置启动高帧频外触发自动调焦相机进行外触发采集，所获得的图像与片光剖面位置一一对应。
本发明还具有如下技术特征：
1、一种采用如上所述的的一种风洞多片光流动显示系统，所得到的图像三维重建方法，步骤如下：
步骤一：在软件平台中创建一个三维空间，将各片光位置的流动显示图像中各像素的灰度值赋给三维空间中对应的平面上相应的像素，形成一个三维的图像数据，再用伪彩色图将三维图像显示出来；
步骤二：计算各单片光流动图像的涡核位置，在三维图像中将其依次连接起来，用以显示前缘涡的空间分布；
步骤三：将模型外形在三维空间中表示出来；
步骤四：变换不同的视角进行观测流动状态，显示原片光剖面图像的局部或整体，还能够在软件中剖视片光显示以外任何剖面的流动显示图像，以观测该剖面的流动，实现虚拟显示。
2、以上方法的步骤二所述的涡核位置确定的方法为：对流动显示图像各像素的灰度值进行阀值滤波，将滤掉的图像的灰度值赋0；对阀值滤波后剩下的涡核附近像素的灰度值用质心公式求出灰度中心，即为涡核位置；灰度值阀值滤波相当于按照一定的灰度值沿涡核外圈画等灰度线，逐步改变阀值大小、去掉涡核区以外的图像，以确定涡核位置。
本发明结构简单，能够显示连续的剖面图像，获得整个空间的流动显示图像，在此基础上的三维重建，能够体现三维流场的真实状态，并能够在重建的空间流场中用流场处理软件“剖视”片光显示以外任何剖面的流动显示图像，以“观测”该“剖面”的流动，实现虚拟显示。
附图说明
图1为原有的片光流动显示系统；
图2为本发明的多片光流动显示系统；
其中1、风洞，2、飞行器模型，3、激光片光系统，4、示踪粒子产生与投放系统，5、照相机，6、激光器，7、平面镜，8、滑块，9、丝杠，10、柱镜，11、高帧频外触发自动调焦相机，12、同步控制系统。
具体实施方式
下面举例对本发明做进一步说明：
实施例1
一种风洞多片光流动显示系统，包括飞行器模型、平面镜、示踪粒子产生与投放系统和激光器，示踪粒子产生与投放系统和飞行器模型，示踪粒子产生与投放系统安装在飞行器模型的前方，用于向飞行器模型布撒粒子，本系统还包括滑块、丝杠、电机、柱镜、高帧频外触发自动调焦相机、同步控制系统，同步控制系统分别与电机、高帧频外触发自动调焦相机电信号连接，平面镜安装在滑块上，滑块安装在丝杠上，丝杠与电机连接，电机驱动丝杠旋转，从而带动滑块上的平面镜能够沿丝杠的轴线平移；平面镜与丝杠的轴线成45°夹角，柱镜安装在丝杠下方，丝杠的轴线和柱镜的轴线平行，激光器安装在丝杠前方，激光器发出的激光沿丝杠的轴线入射，经平面镜反射后入射到柱镜上，经柱镜折射后形成片光照射到飞行器模型流场区域；随着平面镜的移动，片光将照射飞行器模型不同剖面位置，同步控制系统能够实时获取片光剖面位置，并按照预先设定的位置启动高帧频外触发自动调焦相机进行外触发采集，所获得的图像与片光剖面位置一一对应。
实施例2
图像三维重建方法的过程为：
步骤一：在软件平台中创建一个三维空间(用三维数组表示)，将各片光位置的流动显示图像中各像素的灰度值赋给三维空间中对应的平面上相应的像素，形成一个三维的图像数据，再用伪彩色图将三维图像显示出来——采用matlab软件或常规图像处理或流场后处理软件即可实现；
步骤二：计算各单片光流动图像的涡核位置，在三维图像中将其依次连接起来，用以显示前缘涡的空间分布；
步骤三：将模型外形在三维空间中表示出来；
步骤四：可以变换不同的视角进行观测流动状态，可以显示原片光剖面图像的局部或整体，还可以在软件中“剖视”片光显示以外任何剖面的流动显示图像，以“观测”该“剖面”的流动，实现虚拟显示；常规流场后处理软件即可实现。
步骤二描述的涡核位置确定的方法为：对流动显示图像各像素的灰度值进行阀值滤波，将滤掉的图像的灰度值赋0；对阀值滤波后剩下的涡核附近像素的灰度值用质心公式求出灰度中心，即为涡核位置；灰度值阀值滤波相当于按照一定的灰度值(阀值)沿涡核外图画等灰度线，逐步改变阀值大小、去掉涡核区以外的图像，以确定涡核位置。

Claims (3)

1.一种风洞多片光流动显示系统，包括飞行器模型、平面镜、示踪粒子产生与投放系统和激光器，示踪粒子产生与投放系统和飞行器模型，示踪粒子产生与投放系统安装在飞行器模型的前方，用于向飞行器模型布撒粒子，其特征在于：还包括滑块、丝杠、电机、柱镜、高帧频外触发自动调焦相机、同步控制系统，同步控制系统分别与电机、高帧频外触发自动调焦相机电信号连接，平面镜安装在滑块上，滑块安装在丝杠上，丝杠与电机连接，电机驱动丝杠旋转，从而带动滑块上的平面镜能够沿丝杠的轴线平移；平面镜与丝杠的轴线成45°夹角，柱镜安装在丝杠下方，丝杠的轴线和柱镜的轴线平行，激光器安装在丝杠前方，激光器发出的激光沿丝杠的轴线入射，经平面镜反射后入射到柱镜上，经柱镜折射后形成片光照射到飞行器模型流场区域；随着平面镜的移动，片光将照射飞行器模型不同剖面位置，同步控制系统能够实时获取片光剖面位置，并按照预先设定的位置启动高帧频外触发自动调焦相机进行外触发采集，所获得的图像与片光剖面位置一一对应。
2.根据权利要求1所述的一种风洞多片光流动显示系统，所得到的图像三维重建方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：在软件平台中创建一个三维空间，将各片光位置的流动显示图像中各像素的灰度值赋给三维空间中对应的平面上相应的像素，形成一个三维的图像数据，再用伪彩色图将三维图像显示出来；
步骤二：计算各单片光流动图像的涡核位置，在三维图像中将其依次连接起来，用以显示前缘涡的空间分布；
步骤三：将模型外形在三维空间中表示出来；
步骤四：变换不同的视角进行观测流动状态，显示原片光剖面图像的局部或整体，还能够在软件中剖视片光显示以外任何剖面的流动显示图像，以观测该剖面的流动，实现虚拟显示。
3.根据权利要求1所述的一种风洞多片光流动显示图像三维重建方法，其特征在于：
步骤二涡核位置确定的方法为：对流动显示图像各像素的灰度值进行阀值滤波，将滤掉的图像的灰度值赋0；对阀值滤波后剩下的涡核附近像素的灰度值用质心公式求出灰度中心，即为涡核位置；灰度值阀值滤波相当于按照一定的灰度值沿涡核外圈画等灰度线，逐步改变阀值大小、去掉涡核区以外的图像，以确定涡核位置。
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