CN106679581A - 一种高温环境下物体变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种高温环境下物体变形测量方法，首先对于表面区域亮度差异较大的物体进行不同光衰减率下的图像采集，并在此基础上提出不同光衰减率下图像系列的合成方法，进而在合成图像的基础上进行变形信息的获取。该方法消除了高温环境下物体表面亮度差异过大的影响，实现了高温环境下表面温度梯度较大的物体的变形的测量，填补了高温环境下表面亮度差异较大的物体的变形测量的空缺，为目前高超声速飞行器的发动机、鼻锥、前缘的考核提供重要参考依据。

Description

一种高温环境下物体变形测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光衰减和图像处理技术的高温变形测量方法，属于材料学和光学实验技术领域。

背景技术

高超声速飞行器在服役过程中，其发动机叶片、鼻锥及前缘等结构往往面临极高的温度，正式服役前须对这些热端部件进行地面高温测试。其中热端部件在高温环境下变形的测量对于评估其热力学性能指标具有重要指导意义。以目前对于飞行器热端结构和部件考核的主要方式高温风洞考核为例，该种考核方式情况下，正对风洞高温高速气流出口的试件前端温度较高，可达1500℃甚至更高；而背对风洞气流出口的试件末端温度较低，一般在200-300℃。

目前高温物体变形的测量方法一般为基于数字图像处理技术的非接触式测量方法(如数字图像相关技术等)，这类方法首先需要获取物体表面变形前后的清晰图像，然后对所获取图像进行处理，得到对应的全场位移等信息。然而，对于高温风洞的考核情况，如前文所言，试件在高温气流方向的前后两端温度差异较大，导致在记录图像时前后两端的亮度调节存在很大挑战。为得到试件前端部分的亮度合适的图像，需要极小的光圈和极短的曝光时间；而为得到试件后端部分的亮度合适的图像，需要较大的光圈和较长的曝光时间。因此，高温测量的变形区域往往不能兼顾。目前，虽然有报道提出利用窄带滤波外加对应单色光补偿的方法抑制高温辐射的影响，但是在温度差异较大的情况下依然不能得到清晰的图像。而且高精度的窄带滤波片价格较高，不适合大规模推广使用。因此，需要开发一种低成本高效的装置完成高温环境下物体表面图线的清晰采集，进而获取高精度的变形信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光衰减和图像处理技术的高温环境下物体变形测量方法，实现对于表面区域亮度差异较大的物体的不同光衰减率下的图像的采集，并在此基础上提出不同光衰减率下图像系列的合成方法，进而在合成图像的基础上进行变形信息的获取。

本发明的技术方案如下：

一种高温环境下物体变形测量方法，该方法使用具有可自动调节衰减率的滤光片或滤光片组的图像采集装置采集被测物体的图像，包括以下步骤：

1)在使被测物体清晰成像的情况下，将图像采集装置中的滤光片或滤光片组的衰减率调节到最低作为初始衰减率，并保证此衰减率下物体表面最暗部位所成图像亮度适中；

2)在一个测试周期内，对被测物体采集初始衰减率下的图像一张，然后自动调节滤光片或滤光片组的衰减率，将其提高至一固定数值，采集图像；重复以上调节衰减率和采集图像操作，直到遍历所有设定的衰减率并回到初始衰减率，至此，所采集图像称为一组图像序列；然后再次从初始衰减率开始采集下一组图像序列，直至测试结束；采集每一组图像序列的时间内，被测物体表面无明显变化；

3)对于每一组图像序列，首先分析第一幅图像，将灰度值在≥T_h的像素点的集合定义为高光区域(T_h根据实际情况确定，一般取值范围在200-240)，存储高光区域的坐标点数据；用第二幅图像中位于高光区域坐标上且灰度值小于T_h的点的灰度值代替第一幅图像中对应点的灰度值，并将替换后的点的坐标从高光区域中剔除，形成新的高光区域；然后用第三幅图像中位于高光区域坐标上且灰度值小于T_h的点的灰度值代替第一幅图像中对应点的灰度值，并将替换后的点的坐标从高光区域中剔除，形成新的高光区域；依此类推，直到该组图像序列中的最后一幅图像；至此，由该组图像序列生成了一幅物体表面图像灰度值非饱和的新的图像；对各组图像序列进行相同操作，得到测试的不同时刻的物体表面非饱和灰度值的图像；

4)以第一组图像序列得到的非饱和灰度值的图像为初始图像(即变形前的目标图像)，后续各组得到的非饱和灰度值的图像为测试过程中图像(即变形后的目标图像)，将每张图像相应分成若干子区，利用数字图像相关方法对测试过程中图像和初始图像进行对比分析，初始图像的每一点(x,y)具有一个灰度值f(x,y)，测试过程中图像每一点(x′,y′)具有一个新的灰度值g(x′,y′)，对于每个子区计算以下相关函数：

其中：(x,y)表示变形前的坐标，(x′,y′)表示变形后的坐标，M表示选定的图像子区宽度的一半，f(x,y)表示变形前的灰度值函数，g(x′,y′)表示变形后的灰度值函数，f_m表示变形前的平均灰度值，g_m表示变形后的平均灰度值，其中u、v分别表示水平和竖直方向位移，表示相关函数，通过对相关函数求极值，可求得每一点的位移(u,v)，从而得到物体的变形信息。

只要是具有能够自动调节衰减率的滤光片或滤光片组的图像采集装置都可以应用于本发明。一种简单的高温环境下物体变形测量装置如图1所示，包括镜头、滤光片(或滤光片组)、相机和计算机，其中镜头用于对准高温环境下的被测物体；滤光片(或滤光片组)设置在镜头和相机之间，该滤光片(或滤光片组)能按照预先设定的程序自动调节衰减率；所述相机与计算机相连，相机采集的图像序列由计算机进行分析处理，得到物体在高温环境下的变形信息。

所述滤光片(或滤光片组)可以是以下设备中的一种，但不限于以下所列设备：带有转轮装置的滤光片组，相对偏振角度可调的双偏振片组合，电致衰减率变化的滤光片等。

在步骤1)使图像采集装置的镜头对准被测物体，调节焦距，使物体清晰成像，并将滤光片或滤光片组的衰减率调节到最低，调节镜头光圈和相机曝光时间，保证物体表面最暗部位所成图像亮度适中，通常是使该部分图像的灰度值在100～150。

在步骤2)中，所述测试周期通常是指被测物体经历的一个变温过程，测试通常需要在温度升高后并稳定一段时间才结束。衰减率调节间隔根据物体表面亮度梯度进行设定，亮度梯度越大，衰减率调节间隔越小，一组图像序列中所包含图像数越多。

步骤2)中所述“采集每一组图像序列的时间内，被测物体表面无明显变化”是指，在采集一组图像序列的时间要小于被测物体温度发生较大变化的时间。

在步骤4)求得每一点的位移(u,v)之后，通过局部最小二乘拟合原理或其他方法可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x,ε_y,γ_xy)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明通过一种基于光衰减和图像处理技术的高温变形测量装置，消除了高温环境下物体表面亮度差异过大的影响，实现了高温环境下表面温度梯度较大的物体的变形的测量，填补了高温环境下表面亮度差异较大的物体的变形测量的空缺，为目前高超声速飞行器的发动机、鼻锥、前缘的考核提供重要参考依据。

附图说明

图1为本发明采用的一种高温环境下物体变形测量装置系统示意图，其中：1-被测物体；2-镜头；3-自动调节衰减率滤光片组；4-相机；5-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是一种高温环境下物体变形测量装置的结构原理示意图，该装置包括镜头2、自动调节衰减率滤光片组3、相机4和计算机5。

首先将镜头2对准被测物体1，并调节镜头2焦距，使被测物体1清晰成像。

然后将滤光片组3衰减率手动调节到最低，调节镜头2光圈和相机4曝光时间，保证被测物体1表面最暗部位所成图像亮度适中。

测试开始，相机采集初始衰减率下的图像一张，然后滤光片组3自动调节滤光片组合，将衰减率提高至一固定数值，之后由相机4采集此衰减率下的图像。重复以上调节衰减率和采集操作，直到将所有设定衰减率遍历并回到初始衰减率，至此，相机所采集图像称为一组图像序列。衰减率调节间隔根据物体表面亮度梯度决定，亮度梯度越大，衰减率调节间隔越小，一组图像序列中所包含图像数越多。然后再次从初始衰减率开始采集下一组图像序列，直至测试结束。采集每一组图像序列时间内，被测物体表面无明显变化。

对于某一组图像序列，以8位灰度图像为例，首先分析第一幅图像，将灰度值在T_h以上(包括T_h)的像素点的集合定义为高光区域(T_h根据实际情况确定，一般取值范围在200-240)，存储高光区域的坐标点数据；将第二幅图中位于高光区域坐标上且灰度值小于T_h的点的灰度值代替第一幅图像中对应点的灰度值，并将替换后的点的坐标从高光区域中剔除，形成新的高光区域；然后将第三幅图中位于高光区域坐标上且灰度值小于T_h的点的灰度值代替第一幅图像中对应点的灰度值，并将替换后的点的坐标从高光区域中剔除，形成新的高光区域；依此类推，直到该组图像序列中的最后一幅图像。至此，由该组图像序列生成了一幅物体表面图像灰度值非饱和的新的图像。对其他各组图像序列进行相同操作，可得到测试的不同时刻的物体表面非饱和灰度值的图像。

对于得到的新的非饱和灰度值的图像，利用数字图像相关方法对测试过程中图像和初始图像进行对比分析，对于未变形前的目标图像每一点(x,y)具有一个灰度值f(x,y)，变形后目标图像子区中每一点(x′,y′)具有一个新的灰度值g(x′,y′)，对于每个子区计算以下相关函数：

其中(x,y)表示变形前的坐标，(x′,y′)表示变形后的坐标，M表示选定的图像子区宽度的一半，f(x,y)表示变形前的灰度值函数，g(x′,y′)表示变形后的灰度值函数，f_m表示变形前的平均灰度值，g_m表示变形后的平均灰度值，其中u、v分别表示水平和竖直方向位移，表示相关函数，通过对相关函数求极值，可求得每一点的位移(u,v)，通过局部最小二乘拟合原理可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x,ε_y,γ_xy)。

Claims (7)

1.一种高温环境下物体变形测量方法，该方法使用具有可自动调节衰减率的滤光片或滤光片组的图像采集装置采集被测物体的图像，包括以下步骤：

1)在使被测物体清晰成像的情况下，将图像采集装置中的滤光片或滤光片组的衰减率调节到最低作为初始衰减率，并保证此衰减率下物体表面最暗部位所成图像亮度适中；

2)在一个测试周期内，对被测物体采集初始衰减率下的图像一张，然后自动调节滤光片或滤光片组的衰减率，将其提高至一固定数值，采集图像；重复以上调节衰减率和采集图像操作，直到遍历所有设定的衰减率并回到初始衰减率，至此，所采集图像称为一组图像序列；然后再次从初始衰减率开始采集下一组图像序列，直至测试结束；采集每一组图像序列的时间内，被测物体表面无明显变化；

3)对于每一组图像序列，首先分析第一幅图像，将灰度值在≥T_h的像素点的集合定义为高光区域，存储高光区域的坐标点数据；用第二幅图像中位于高光区域坐标上且灰度值小于T_h的点的灰度值代替第一幅图像中对应点的灰度值，并将替换后的点的坐标从高光区域中剔除，形成新的高光区域；然后用第三幅图像中位于高光区域坐标上且灰度值小于T_h的点的灰度值代替第一幅图像中对应点的灰度值，并将替换后的点的坐标从高光区域中剔除，形成新的高光区域；依此类推，直到该组图像序列中的最后一幅图像；至此，由该组图像序列生成了一幅物体表面图像灰度值非饱和的新的图像；对各组图像序列进行相同操作，得到测试的不同时刻的物体表面非饱和灰度值的图像；

4)以第一组图像序列得到的非饱和灰度值的图像为初始图像，后续各组得到的非饱和灰度值的图像为测试过程中图像，将每张图像相应分成若干子区，利用数字图像相关方法对测试过程中图像和初始图像进行对比分析，初始图像的每一点(x,y)具有一个灰度值f(x,y)，测试过程中图像每一点(x′,y′)具有一个新的灰度值g(x′,y′)，对于每个子区计算以下相关函数：

$C_{f,g}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\Σ}}\[f(x,y)-f_m\]\×\[g(x^{\′},y^{\′})-g_m\]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\Σ}}{\[f(x,y)-f_m\]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\Σ}}{\[g(x^{\′},y^{\′})-g_m\]}^2}}$

其中：(x,y)表示变形前的坐标，(x′,y′)表示变形后的坐标，M表示选定的图像子区宽度的一半，f(x,y)表示变形前的灰度值函数，g(x′,y′)表示变形后的灰度值函数，f_m表示变形前的平均灰度值，g_m表示变形后的平均灰度值，其中u、v分别表示水平和竖直方向的位移，表示相关函数，通过对相关函数求极值，可求得每一点的位移(u,v)，从而得到物体的变形信息。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述具有可自动调节衰减率的滤光片或滤光片组的图像采集装置包括镜头、滤光片或滤光片组、相机和计算机，其中所述滤光片或滤光片组设置在镜头和相机之间，该滤光片或滤光片组能按照预先设定的程序自动调节衰减率；所述相机与计算机相连，相机采集的图像序列由计算机进行分析处理。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述滤光片或滤光片组是以下设备中的一种：带有转轮装置的滤光片组、相对偏振角度可调的双偏振片组合和电致衰减率变化的滤光片。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤1)使图像采集装置的镜头对准被测物体，调节焦距，使物体清晰成像，并将滤光片或滤光片组的衰减率调节到最低，调节镜头光圈和相机曝光时间，保证物体表面最暗部位图像的灰度值在100～150。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤3)中所述T_h的取值范围在200-240。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在步骤4)求得每一点的位移(u,v)之后，由位移场进一步计算出应变场(ε_x,ε_y,γ_xy)。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，通过局部最小二乘拟合原理由步骤4)中得到的位移场进一步计算出应变场(ε_x,ε_y,γ_xy)。