CN112229943B - 一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法及系统，将所观测的喷雾火焰安置在彩色相机与背景光源之间，所观测的喷雾火焰与背景光源产生的背景光在彩色相机的视场内重叠，包括如下步骤：步骤1，启动背景光源、关闭喷雾火焰发生装置，获取没有喷雾与火焰的背景图像；步骤2，启动喷雾火焰发生装置，获取具有喷雾与火焰的观测图像；步骤3，基于背景图像与观测图像的RGB信息得到喷雾图像与火焰图像。本发明仅仅采用一个相机对喷雾和火焰进行成像，喷雾和火焰同时在CCD/CMOS上成像，时间精度相比目前大多数方案采用时间同步器进行同步的精度更高，且观测仅需一台彩色相机、背景光源以及数据处理模块，光路结构简单，便于调试。

Description

一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法及系统

技术领域

本发明涉及光学观测技术领域，具体是一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法及系统。

背景技术

同时观测喷雾与火焰有助于分析液体燃料喷雾燃烧过程，揭示喷雾燃烧机理。这对于研究燃烧的瞬态过程尤其重要。比如内燃机中燃油的脉冲喷注燃烧过程，火箭发动机连续变工况过程，以及燃气轮机、火箭发动机中的不稳定燃烧过程的研究。

目前对喷雾分布的观察主要采用三种方法，包括背景光成像，纹影，以及激光散射方法。研究者们常采用高速摄影、自发辐射、平面激光诱导荧光(PLIF)观测火焰。为了同步观察喷雾燃烧过程中的喷雾分布和火焰，可以采用这些方法的组合。采用这些组合的方法通常需要采用两个相机分别捕捉喷雾和火焰。两个相机需要将混合在一起的喷雾信息与火焰信息分离开，并且两个相机之间的同步十分重要。除此之外，为了获得相同的拍摄视角就还需要采用分光镜等辅助光路。总而言之，这些组合方法成像系统复杂，对设备的要求很高。

目前的喷雾和火焰同步捕捉方法中需要采用两个相机。采用两个相机成像存在以下不足：

喷雾和火焰信息分离效果不佳，存在喷雾与火焰信号相互影响，影响观测效果。

两个相机拍摄不可能从相同角度拍摄，就会存在拍摄视角不一致的问题。如果采用分光镜进行光路处理，则会使得相机接收到的光信号大大减弱，相机的信噪比降低。

为了获得高时间分辨率的喷雾和火焰图像，需要对两个相机进行精确同步，因此需要高精度的时间同步器。如此，整个系统相对复杂，成本高昂，而且时间精度受到同步器的限制。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法及系统，不仅光路结构简单、便于调试，还具有更高的时间精度。

为实现上述目的，本发明提供一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法，将所观测的喷雾火焰安置在彩色相机与背景光源之间，所观测的喷雾火焰与背景光源产生的背景光在彩色相机的视场内重叠，具体包括如下步骤：

步骤1，启动背景光源、关闭喷雾火焰发生装置，获取不含喷雾与火焰的背景图像；

步骤2，启动喷雾火焰发生装置，获取同时包含喷雾与火焰的观测图像；

步骤3，基于背景图像与观测图像的RGB信息得到喷雾图像与火焰图像。

在其中一个实施例中，步骤3中，所述基于背景图像与观测图像的RGB信息得到喷雾信息与火焰信息，具体为：

获取背景图像与观测图像中RGB三个通道的灰度信息：I_bg，R、I_bg，G、I_bg，B、I_R、I_G、I_B，其中，I_bg，R为背景图像中R通道的灰度信息，I_bg，G为背景图像中G通道的灰度信息，I_bg，B为背景图像中B通道的灰度信息，I_R为观测图像中R通道的灰度信息，I_G为观测图像中G通道的灰度信息，I_B为观测图像中B通道的灰度信息；

基于背景图像与观测图像中RGB三个通道的灰度信息实现喷雾与火焰图像分离并得到喷雾图像与火焰图像：

I_spray＝[I_bg,R-I_R,0,0]

I_flame＝[0,I_G-I_bg,G,I_B-I_bg,B]

式中，I_spray为喷雾图像，I_flame为火焰图像。

在其中一个实施例中，所述背景光源为红色平面背景光源。

在其中一个实施例中，所述背景光源的波长大于600nm。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于单相机的喷雾火焰同步观测装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有基于单相机的喷雾火焰同步观测程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤3。

为实现上述目的，本发明提供一种基于单相机的喷雾火焰同步观测系统，包括：

彩色相机，用于成像并存储相机获得的原始图像；

背景光源，用于产生背景光，位于彩色相机的视场内；

所观测的喷雾火焰位于彩色相机与背景光源之间，且所观测的喷雾火焰、背景光源位于彩色相机的视场内并且重叠；

数据处理模块，与彩色相机通信相连，用于处理相机获得的原始图像以获取喷雾图像与火焰图像。

相较于现有技术中的不足，本发明提供的一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法及系统具有如下有益效果：

1.仅仅采用一个相机对喷雾和火焰进行同步成像，喷雾和火焰同时在CCD/CMOS上成像，时间精度相比目前大多数方案采用时间同步器进行同步的精度更高。

2.观测仅需一台彩色相机、背景光源和数据处理模块，光路结构简单，便于调试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于单相机的喷雾火焰同步观测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中基于单相机的喷雾火焰同步观测系统的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法，将所观测的喷雾火焰安置在彩色相机与背景光源之间，喷雾火焰发生装置产生的喷雾火焰与背景光源产生的背景光在彩色相机的视场内重叠，其中，所观测的喷雾火焰由喷雾火焰发生装置产生，背景光源为波长大于600nm的红色平面背景光源。该方法具体包括如下步骤：

步骤1，启动背景光源、关闭喷雾火焰发生装置，获取不含喷雾与火焰的背景图像；

步骤2，启动喷雾火焰发生装置，获取同时包含喷雾与火焰的观测图像；

步骤3，基于背景图像与观测图像的RGB信息得到喷雾图像与火焰图像，其具体过程为：

首先是获取背景图像与观测图像中RGB三个通道的灰度信息：I_bg，R、I_bg，G、I_bg，B、I_R、I_G、I_B，其中，I_bg，R为背景图像中R通道的灰度信息，I_bg，G为背景图像中G通道的灰度信息，I_bg，B为背景图像中B通道的灰度信息，I_R为观测图像中R通道的灰度信息，I_G为观测图像中G通道的灰度信息，I_B为背景图像中B通道的灰度信息；

由于在观测图像中存在喷雾的位置为投影，其图像灰度值降低；而存在火焰的位置亮度增加，相应灰度值升高。因此，在存在火焰或者喷雾的位置有如下式关系所示：

再由于大多数火焰发出的光波长在蓝绿波段，而本实施例中的背景光为红色，因此观测图像中绿蓝通道仅仅包含了火焰的信息且不包含背景光产生的信息，观测图像中红通道保存了喷雾在红色背景光源照射条件下的投影信息但不会包含火焰信息。因此可以基于背景图像与观测图像中RGB三个通道的灰度信息得到喷雾图像与火焰图像：

喷雾信息仅仅采用红色通道即可获得，喷雾图像计算方法为

I_spray＝[I_bg,R-I_R,0,0]

火焰信息为蓝色和绿色通道包含的信息，可通过下面计算得到火焰图像：

I_flame＝[0,I_G-I_bg,G,I_B-I_bg,B]

式中，I_spray为喷雾图像，I_flame为火焰图像。

本实施例中，分别采用背景光成像方法和直接成像方法对喷雾和火焰进行观测。红色背景光源正对着相机，待测的喷雾火焰介于红色背景光源与相机之间。红色背景光源发出的红光和火焰发出的光信号同时经过镜头进入彩色相机。彩色相机的CCD(或者CMOS)记录下包含喷雾和火焰的信息。由于彩色相机中的拜耳滤镜会将进入相机的光分为红绿蓝三种光分别记录到彩色图像的RGB通道中。根据喷雾和火焰的特点，大多数火焰发出的光波长在蓝绿波段，而背景光为红色，因此可以认为彩色图像中的绿蓝通道仅仅包含了火焰的信息。类似地，彩色图像的红色通道中不保存火焰的绿蓝色信息，仅仅保留了喷雾在红色背景光源照射条件下的投影信息。于是通过本方法可以实现通过一个相机实现喷雾和火焰的同步观测。

如图2所示为本实施例公开的一种基于单相机的喷雾火焰同步观测系统，包括彩色相机、背景光源与数据处理模块，其中，背景光源为波长大于600nm的红色平面背景光源。其中具体的：

彩色相机用于成像并存储相机获得的原始图像；

背景光源位于彩色相机的视场内，用于产生波长大于600nm的红色的背景光；

所观测的喷雾火焰位于彩色相机与背景光源之间，且所观测的喷雾火焰、背景光源位于彩色相机的视场内并且重叠；

数据处理模块与彩色相机通信相连，用于获取喷雾图像与火焰图像。具体的：数据处理模块上具有基于单相机的喷雾火焰同步观测装置，该观测装置包括存储器和处理器，存储器存储有基于单相机的喷雾火焰同步观测程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤3。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于单相机的喷雾火焰同步观测方法，其特征在于，将所观测的喷雾火焰安置在彩色相机与背景光源之间，所观测的喷雾火焰与背景光源产生的背景光在彩色相机的视场内重叠，具体包括如下步骤：

步骤1，启动背景光源、关闭喷雾火焰发生装置，获取不含喷雾与火焰的背景图像；

步骤2，启动喷雾火焰发生装置，获取同时包含喷雾与火焰的观测图像；

步骤3，基于背景图像与观测图像的RGB信息得到喷雾图像与火焰图像；

步骤3中，所述基于背景图像与观测图像的RGB信息得到喷雾信息与火焰信息，具体为：

获取背景图像与观测图像中RGB三个通道的灰度信息：I_bg，R、I_bg，G、I_bg，B、I_R、I_G、I_B，其中，I_bg，R为背景图像中R通道的灰度信息，I_bg，G为背景图像中G通道的灰度信息，I_bg，B为背景图像中B通道的灰度信息，I_R为观测图像中R通道的灰度信息，I_G为观测图像中G通道的灰度信息，I_B为观测图像中B通道的灰度信息；

基于背景图像与观测图像中RGB三个通道的灰度信息实现喷雾与火焰图像分离并得到喷雾图像与火焰图像：

I_spray＝[I_bg,R-I_R,0,0]

I_flame＝[0,I_G-I_bg,G,I_B-I_bg,B]

式中，I_spray为喷雾图像，I_flame为火焰图像。

2.根据权利要求1所述基于单相机的喷雾火焰同步观测方法，其特征在于，所述背景光源为红色背景光源。

3.根据权利要求1所述基于单相机的喷雾火焰同步观测方法，其特征在于，所述背景光源的波长大于600nm。

4.一种基于单相机的喷雾火焰同步观测装置，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有基于单相机的喷雾火焰同步观测程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1至3任一项方法所述的步骤3。

5.一种基于单相机的喷雾火焰同步观测系统，其特征在于，采用权利要求1至3任一项方法进行喷雾火焰同步观测，包括：

彩色相机，用于成像并存储相机获得的原始图像；

背景光源，用于产生背景光，位于彩色相机的视场内；

所观测的喷雾火焰位于彩色相机与背景光源之间，且所观测的喷雾火焰、背景光源位于彩色相机的视场内并且重叠；

数据处理模块，与彩色相机通信相连，用于处理相机获得的原始图像以获取喷雾图像与火焰图像。

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