CN104537631B - 一种基于数字图像配准技术的plif图像校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字图像配准技术的PLIF图像校正装置及方法。所述装置包括Nd:YAG激光器、片状光束整形透镜组、测量目标、参考目标物、像增强型相机、计算机、时序控制系统,所述时序控制系统用于同步泵浦激光器和像增强型相机,使得像增强型相机开门时间与被测目标荧光时间同步,滤除非被测信号造成的噪声干扰,所述计算机用于记录采集到的PLIF图像并进行数字图像配准校正。本发明通过利用数字图像配准技术消除图像畸变的方法,解决了与其他光学测量方法联合进行在线测量时,由于PLIF技术对测量机位要求,各种光学测量手段之间存在冲突的问题,大大的增加了应用PILF技术进行在线测量的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于图像处理及激光测量学领域,涉及一种基于数字图像配准技术对平面激光诱导荧光(PLIF)图像进行校正的方法。
背景技术
平面激光诱导荧光(PLIF)技术是一种重要燃烧场及流场可视化诊断测量方法。它利用特定波长的片状激光,有选择地把燃烧中所关心的组分或流场中的示踪粒子激发到高能态,收集其向低能态跃迁时发出的荧光并进行分析,从而获取激光激发截面的组分浓度分布、温度分布、流场结构等物理信息。因其具有非接触测量、高时空分辨率等优点,可广泛适用高温、高压、高速湍流条件下的流场可视化应用。因此近年来受到了人们广泛的关注,并将其应用于燃烧机理研究、超声速燃烧、高超声速流场显示等研究当中。
然而当将PLIF技术应用于超燃冲压发动机、液体火箭发动机、燃气轮机、高超声速风洞等大型工程化研究对象进行燃烧场诊断、流场显示等在线测量研究时,PLIF测量所用的像增强型相机(ICCD)常常难以放置在最佳位置。这是由于实际在线测量中,通常会同时应用诸如纹影、高速摄影、TDLAS等多种光学测量手段。而理想条件下PLIF测量需要将所用的ICCD相机放置在与片状激光传播方向垂直、正对被研究的区域。但如果这样放置PLIF相机会与上述光学测量手段发生冲突,对其他光学测量手段造成影响。而如果PLIF相机不能正对被研究目标放置,所获得的测量结果难以避免的会出现图像失真,给PLIF测量技术的实际在线测量带来较大困难。这种对于测量条件较为苛刻的要求给应用PLIF技术进行准确的燃烧场和流场在线测量带来了很大的困难。因此利用某种技术对所获得的PLIF图像进行校正来修正由于实验中PLIF相机摆放问题造成的测量误差,将畸变的PLIF测量图像还原,使其等价于在理想条件下获得的PLIF图像就变的非常有意义。这将可以极大的降低PLIF技术对测量条件的要求,使得在可以兼顾其他多种光学测量手段的条件下获得能准确反应被测信息的PLIF图像。
发明内容
为了解决与纹影、高速摄影、TDLAS等其他多种光学测量方法联合进行燃烧场或流场在线测量时,PLIF相机机位布置困难,通常无法布置在理想位置,进而造成获得的PLIF图像存在畸变的问题,本发明提供了一种基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于数字图像配准技术的PLIF图像校正装置,包括Nd:YAG激光器、片状光束整形透镜组、测量目标、参考目标物、像增强型相机、计算机、时序控制系统,所述时序控制系统用于同步泵浦激光器和像增强型相机,使得像增强型相机开门时间与被测目标荧光时间同步,滤除非被测信号造成的噪声干扰,所述计算机用于记录采集到的PLIF图像并进行数字图像配准校正。
一种基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,由以下步骤实现:
步骤一:Nd:YAG激光器激发被测目标粒子输出PLIF所需特定波长激光经过片状光束整形透镜组整形,获得片状激光光束,并入射到测量目标待研究的特定截面。
步骤二:确定片状激光光束入射到测量目标中的具体位置,将参考目标物放置在待研究区域中,且与片状激光入射位置重合。
步骤三:将像增强相机放置在正对待研究区域且与入射片状激光垂直的理想位置“I”处,并在这个位置对参考目标物进行成像,获得理想位置的参考目标图像。
步骤四:移动像增强相机放置位置,将其布置在真实测量时的相机机位“II”,在这一位置对参考目标物进行成像,获得真实测量位置处的参考目标物图像。
步骤五:撤去用于校准的参考目标,PLIF相机保持在真实测量机位“II”,开启Nd:YAG激光器、像增强相机和测量对象,对测量对象进行PLIF测量,获得带有畸变的PLIF测量图像。
步骤六:选择Matlab中的’edge’函数,利用’sobel’算符及合适的阈值,对理想位置的参考目标图像及真实测量位置处的参考目标图像进行二值化并提取图形边缘信息,其中阈值的选择可根据二值化效果进行优化。
步骤七:利用Hough变换算法,识别并提取出两种参考目标图片中的网格线条信息,并将二值化的图像转换为只包含参考目标中网格直线信息的网格图片。
步骤八:将转换后的理想位置“I”的参考目标图像作为目标图像,转换后的真实测量位置“II”处参考目标图像作为浮动图像,将网格交点作为图像配准的特征点,利用Matlab中的’cp2select’函数对两图像中的特征点进行对应标注。为满足图像配准变换关系构造条件,至少应标注四对以上特征点。
步骤九:将’cp2select’函数输出的特征点带入到’cp2tform’函数,并根据成像原理选择投影变换作为变换形式,构造从浮动图像到目标图像的图像变换关系矩阵。
步骤十:利用构造的图像变换关系,对两图像进行图像配准,配准后将目标图像与浮动图像同时显示,设置目标图像在底层,浮动图像在顶层并具有一定的透明度,以使顶层图片与底层图片同时可见,可根据图像特征判断两图像是否实现图像配准。如未能实现配准返回步骤八,重新选择图像配准特征点,直到图像实现配准为止。
步骤十一:判断标准图像实现配准后,证明已经成功构造了实际测量位置测量图像与理想位置图像之间的图像变换关系。利用此变换关系使用Matlab中的’imtransform’函数对实际测量的PLIF图像变换,消除图像畸变,获得与在理想位置“I”测量等价的PLIF图像。
本发明通过利用数字图像配准技术消除图像畸变的方法,解决了与其他光学测量方法联合进行在线测量时,由于PLIF技术对测量机位要求,各种光学测量手段之间存在冲突的问题,大大的增加了应用PILF技术进行在线测量的灵活性。在兼顾其他多种光学测量手段,PLIF相机机位不理想时,利用本发明仍然可以获得的与在理想位置进行测量等价的PLIF测量结果。
附图说明
图1为用于校正平面激光诱导荧光(PLIF)图像的装置示意图;
图2为相机摆放于机位“I”时参考目标hough变换后图像;
图3为相近摆放于机位“II”时参考目标hough变换后图像;
图4为两机位参考目标图像配准结果;
图5为PLIF图像校正前后对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限如此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示,本发明提供了一种平面激光诱导荧光(PLIF)图像的校正装置装置,该装置由Nd:YAG激光器1、可调谐染料激光器2、片状光束整形透镜组3、测量目标4、参考目标物5、像增强型相机6、计算机7、时序控制系统8组成。
上述装置中,Nd:YAG激光器激光中心波长1064nm,经过倍频或和频后可实现532nm、355nm、266nm波长激光输出;激光脉宽10ns;不同激光波长条件下激光单脉冲能量为10mJ至60mJ。当被测目标粒子激发波长为Nd:YAG激光器可直接输出波长(532nm、355nm、266nm)时,可单独使用Nd:YAG激光作为激发激光,激发被测目标粒子;当被测目标激发波长无法由Nd:YAG激光器直接输出时,需使用Nd:YAG激光器作为泵浦光,泵浦可调谐染料激光器实现可调谐激光输出。
针对不同被测目标粒子,染料激光器可选用DCM、若丹明6G、香豆素系列染料,实现220nm~700nm波长激光可调谐输出,激光线宽小于0.1cm-1,单脉冲能量不小于0.5mJ。
上述装置中,片状光束整形透镜组为由熔融石英柱透镜组组成的片状光束望远镜扩束系统和聚焦系统构成,可实现将激光光束整形为高度10mm~100mm,厚度小于1mm的片状激光。
测量目标可为各种开有光学窗口的模型发动机中的燃烧场,如超燃冲压发动机、液体火箭发动机、燃气轮机、内燃机等;也可为高、超声速风洞中的流场。
参考目标物作用为提供标准图像供PLIF相机拍摄,用于后续进行图像配准处理,提取理想机位所成图像与实际测量机位所成图像之间图像变换关系。参考目标物可选择具有栅格的图像标定板,也可自制具有网格线条特征的图像卡片,以便于提取特征信息进行图像配准。
时序控制系统用于同步泵浦激光器和像增强型相机,使得像增强型相机开门时间与被测目标荧光时间同步,滤除非被测信号造成的噪声干扰。采集到的PLIF图像由计算机记录并进行数字图像配准校正。
利用上述装置进行校正测量的方法,由以下步骤实现:
步骤一:利用Nd:YAG激光器1激光泵浦可调谐染料激光器2,染料激光经波长调谐后实现PLIF所需特定波长激光输出。
步骤二:PLIF所需特定波长激光经过片光束整形透镜组3整形,获得PLIF所需片状激光光束,并入射到测量目标4待研究的特定截面。
步骤三:确定片状激光光束入射到测量目标4中的具体位置,将参考目标物5放置在待研究区域中,且与片状激光入射位置重合。
步骤四:将像增强相机6放置在正对待研究区域且与入射片状激光垂直的理想位置“I”处,并在这个位置对参考目标5进行成像,获得理想位置的参考目标图像。
步骤五:移动像增强相机6放置位置,将其布置在真实测量时的相机机位“II”,以保证不对其他光学测量手段造成影响。在这一位置对参考目标物5进行成像,获得真实测量位置处的参考目标物图像。
步骤六:撤去用于校准的参考目标物5,像增强相机6保持在真实测量机位“II”,开启Nd:YAG激光器1、像增强相机6,并启动测量对象4,对测量对象4进行测量,获得带有畸变的PLIF测量图像。
步骤七:选择Matlab中的’edge’函数,利用’sobel’算符及合适的阈值对理想位置的参考目标图像及真实测量位置处的参考目标图像进行二值化并提取图形边缘信息。
步骤八:利用Hough变换算法,识别并提取出两种参考目标图片中的网格线条信息,并将二值化的图像转换为只包含参考目标中网格直线信息的网格图片。
步骤九:将转换后的理想位置“I”的参考目标图像作为目标图像,转换后的真实测量位置“II”处参考目标图像作为浮动图像,将网格交点作为图像配准的特征点,利用Matlab中的’cp2select’函数对两图像中的特征点进行对应标注。为满足图像配准变换关系构造条件,至少应标注四对以上特征点。
步骤十:将’cp2select’函数输出的特征点带入到’cp2tform’函数,并根据成像原理选择投影变换作为变换形式,构造从浮动图像到目标图像的图像变换关系。
步骤十一:利用构造的图像变换关系,对两图像进行图像配准,配准后将目标图像与浮动图像同时显示,设置目标图像在底层,浮动图像在顶层并具有一定的透明度,以使顶层图片与底层图片同时可见,可根据图像特征判断两图像是否实现图像配准。如未能实现配准返回步骤八,重新选择图像配准特征点,直到图像实现配准为止。
步骤十二:判断标准图像实现配准后,证明已经成功构造了实际测量位置测量图像与理想位置图像之间的图像变换关系。利用此变换关系使用Matlab中的’imtransform’函数对实际测量的PLIF图像变换,消除图像畸变,获得与在理想位置“I”测量等价的PLIF图像。
将PLIF相机处于理想机位“I”进行拍摄时获取的参考目标图像,经过hough变换处理后,提取到的直线网格信息图片如图2所示。
将PLIF相机处于实际测量机位“II”进行拍摄时获取的含有图像畸变的参考目标图像,经过hough变换处理后,提取到的直线网格信息图片如图3所示。
应用数字图形配准方法,将图3经过图像变换配准到图2中所得结果如图4所示。图中上层为半透明显示的经过图像变换的图3,下层为未经变换的图2。从图中可以看出,图3中的特征信息经过图像变换后已与图2完成配准。
图5左侧为PILF相机处于机位“II”处测量到的平面预混火焰中OH基分布图像,由于机位限制,PLIF测量结果中存在着图像畸变。如步骤十二所述,步骤十构造的图像变换关系,将其进行图像变换得到的PLIF图像如图5右侧所示,可见PLIF图像的畸变得到了有效的校正。
Claims (10)
1.一种基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述方法步骤如下:
步骤一:Nd:YAG激光器激发被测目标粒子输出PLIF所需特定波长激光,经过片状光束整形透镜组整形获得片状激光光束,并入射到测量目标待研究的特定截面;
步骤二:确定片状激光光束入射到测量目标中的具体位置,将参考目标物放置在待研究区域中,且与片状激光入射位置重合;
步骤三:将像增强相机放置在正对待研究区域且与入射片状激光垂直的理想位置“I”处,并在这个位置对参考目标物进行成像,获得理想位置的参考目标图像;
步骤四:移动像增强相机放置位置,将其布置在真实测量时的相机机位“II”,在这一位置对参考目标物进行成像,获得真实测量位置处的参考目标物图像;
步骤五:撤去用于校准的参考目标,PLIF相机保持在真实测量机位“II”,开启Nd:YAG激光器、像增强相机和测量对象,对测量对象进行PLIF测量,获得带有畸变的PLIF测量图像;
步骤六:选择Matlab中的’edge’函数,利用’sobel’算符及合适的阈值对理想位置的参考目标图像及真实测量位置处的参考目标图像进行二值化并提取图形边缘信息;
步骤七:利用Hough变换算法,识别并提取出两种参考目标图片中的网格线条信息,并将二值化的图像转换为只包含参考目标中网格直线信息的网格图片;
步骤八:将转换后的理想位置“I”的参考目标图像作为目标图像,转换后的真实测量位置“II”处参考目标图像作为浮动图像,将网格交点作为图像配准的特征点,利用Matlab中的’cp2select’函数对两图像中的特征点进行对应标注;
步骤九:将’cp2select’函数输出的特征点带入到’cp2tform’函数,并根据成像原理选择投影变换作为变换形式,构造从浮动图像到目标图像的图像变换关系矩阵;
步骤十:利用构造的图像变换关系,对两图像进行图像配准,配准后将目标图像与浮动图像同时显示,设置目标图像在底层,浮动图像在顶层并具有一定的透明度,以使顶层图片与底层图片同时可见;根据图像特征判断两图像是否实现图像配准,如未能实现配准返回步骤八,重新选择图像配准特征点,直到图像实现配准为止;
步骤十一:判断标准图像实现配准后,证明已经成功构造了实际测量位置测量图像与理想位置图像之间的图像变换关系,利用此变换关系使用Matlab中的’imtransform’函数对实际测量的PLIF图像变换,消除图像畸变,获得与在理想位置“I”测量等价的PLIF图像。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述特征点的标注个数为四对以上。
3.根据权利要求1所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述Nd:YAG激光器激光中心波长1064nm,激光脉宽10ns,激光单脉冲能量为10-60mJ。
4.根据权利要求1或3所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于当被测目标粒子激发波长为Nd:YAG激光器可直接输出波长时,可单独使用Nd:YAG激光作为激发激光,激发被测目标粒子;当被测目标激发波长无法由Nd:YAG激光器直接输出时,需使用Nd:YAG激光器作为泵浦光,泵浦可调谐染料激光器实现可调谐激光输出。
5.根据权利要求4所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述染料激光器可选用DCM、若丹明6G或香豆素系列染料,实现220nm~700nm波长激光可调谐输出,激光线宽小于0.1cm-1,单脉冲能量不小于0.5mJ。
6.根据权利要求1所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述片状光束整形透镜组由片状光束望远镜扩束系统和聚焦系统构成,可实现将激光光束整形为高度10~100mm、厚度小于1mm的片状激光。
7.根据权利要求6所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述片状光束望远镜扩束系统由熔融石英柱透镜组组成。
8.根据权利要求1所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述测量目标为各种开有光学窗口的模型发动机中的燃烧场或高、超声速风洞中的流场。
9.根据权利要求1所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法,其特征在于所述参考目标物为具有栅格的图像标定板或具有网格线条特征的图像卡片。
10.一种实现权利要求1-9任一所述的基于数字图像配准技术的PLIF图像校正方法的装置,其特征在于所述装置包括Nd:YAG激光器、片状光束整形透镜组、测量目标、参考目标物、像增强型相机、计算机、时序控制系统,所述时序控制系统用于同步泵浦激光器和像增强型相机,使得像增强型相机开门时间与被测目标荧光时间同步,滤除非被测信号造成的噪声干扰,所述计算机用于记录采集到的PLIF图像并进行数字图像配准校正。
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