CN114485477A - 一种结冰三维外形在线测量方法及测量装置 - Google Patents

一种结冰三维外形在线测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明适用于冰形测量技术领域，提供了一种结冰三维外形在线测量方法及测量装置，本发明将特定波长的线激光投射到结冰物面上，相机捕获多个不同波段光谱响应的调制激光图案，得到结冰物面反射的不同波段激光下的图像，经过对多张不同波段激光下的图像进行处理，剔除各个图像中的过曝像素，并保留各幅图像中对应位置上的不饱和像素中的像素值最大的像素值，再由保留下来的各个像素值融合成最终的结冰面图像，解决了明冰和混合冰对可见光反射率极低，摄像机难以得到清晰的光条图案，导致测量精度偏低的技术问题。本发明的测量装置和测量方法测得的结冰冰形图像对比度高、测量精度高，可以实现对结冰三维生长的原位在线测量。

Description

一种结冰三维外形在线测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及冰形测量技术领域，尤其是涉及一种结冰三维外形在线测量方法及测量装置。
背景技术
研究发现，飞行过程中的结冰现象是造成飞机飞行安全的主要诱因之一。飞机不同部位的结冰会造成不同程度的影响，如机翼、机尾的结冰会导致扰流流场的改变，从而严重影响飞机的气动性能、操纵性和稳定性；发动机进气道的结冰可能导致发动机停车，危害飞行安全。因此探索结冰机理、进行结冰气象条件下飞行器空气动力性能评估、安全评估，进行防除冰等研究工作具有重要意义。为探索结冰机理、进行结冰气象条件下飞行器空气动力性能评估等研究，研究人员需要对飞行部件在不同气象环境下的结冰外形进行测量研究。获取结冰外形的途径主要有3种：软件仿真计算；飞行试验；地面模拟试验。地面模拟试验由于成本低、能够获得定量结果，是主要的获取结冰外形手段。地面模拟试验通常在结冰风洞中进行。精细化的冰块三维形状信息对提升结冰条件下飞机气动力CFD计算精度具有重要价值。因此，迫切需要可用于结冰生长过程冰形在线三维测量的方法。
国内外学者尝试了采用基于面结构光的三维扫描仪非接触测量方法进行冰横截面轮廓和三维形状半在线测量，但是，由于冰块表面反射系数低、透射系数高，需向冰块表面喷洒深色涂料，才能得到高对比度编码图案图像，极大地限制了该测量方法应用范围，也无法用于在线测量。
与投影仪投射的编码条纹相比，激光器投射的线激光具有亮度集中、图像对比度高等优点，已被广泛应用于工业三维测量领域，无需向冰块喷洒深色涂料也可得到较好的观测图像。一系列研究工作以及后期学者们进行的一系列探索性实验，证实了激光三角测量法在结冰模型表面轮廓测量的可行性以及相对传统冰形测量方法的优势。
然而，明冰的反射率在整个有记录的光谱范围内都极低，在可见光范围内，仅有不到2%的入射光在物面被反射。由于明冰的透明度高且表面光滑，线激光投射在冰体表面，多数光线投射冰体，只有小部分光线通过冰体表面进行反射，造成采集图像激光带区域严重扩散，表现在图像上则是一个亮斑区域，摄像机难以得到清晰的光条图案，导致测量精度偏低，无法准确获得冰形结构。
发明内容
为了能够在线准确获取冰形的三维结构，特别是对于测试明冰和混合冰，本发明提供一种结冰三维外形在线测量装置及方法，采用多光谱成像技术，通过获取扫描激光图案的多张不同光谱响应的图像，然后从多张图像中提取、融合包含激光中心线信息较多的图像分量，从而滤除过曝光和杂散光对中心线提取的影响，实现明冰和/或混合冰冰形的在线三维测量。
一种结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 线激光发生器从待测物面的初始位置i开始扫描，线激光发生器投射出光平面至待测物面，并与待测物面相交产生光条Gi；其中，i为待测物面的任意位置；
S20. 多光谱相机同步拍摄光条Gi，形成针对光条Gi的第1到N张不同波段反射光的图像，其中，N为多光谱相机的通道数；
S30. 对第1到N张图像进行融合，得到融合后的光条Gi的图像；
S301. 选取像素点（x，y）在第1到N张图中的最大不饱和像素值作为该像素点（x，y）融合后的像素值Kin *（x,y）；其中，1≤n≤N，N≥2；
S302. 遍历每一个像素点，执行步骤S301；
S303. 将所有像素点以融合后的像素值进行像素点的组合，形成融合后的光条Gi的图像；
S40. 提取融合后的光条Gi的中心线，解算获得中心线的三维坐标，作为位置i处的冰形曲线Li；
S50. 令i=i+b，线激光发生器扫描位置i+b，重复步骤S20-S40，得到冰形曲线Li+b；其中，b为步长；
S60. 重复步骤S50，直至获得待测物面上完整的冰形曲线。
进一步地，所述步骤S301中，选取像素点（x，y）在第1到N张图中的最大不饱和像素值作为该像素点（x，y）融合后的像素值Kin *（x,y）的具体步骤为：
S3011. 提取像素点（x，y）在第1到N张图中的像素值Kin（x,y）；
S3012. 与设定阈值thresh比较，当Kin（x,y）≥thresh时，令Kin（x,y）=0；
S3013. 比较各Kin（x,y）的大小，选择其中最大的值作为像素点融合后的像素值Kin *（x,y）：
Kin *（x,y）=Max（Kin（x,y），1≤n≤N）。
进一步地，在执行S10前，进行系统标定，将相机和激光平面标定到世界坐标系中。
进一步地，步骤S50中，将线激光发生器设置在旋转台上，令b=θ，θ为旋转台旋转的角度值。
一种用于如前所述的一种结冰三维外形在线测量方法的测量装置，其特征在于，包括多光谱图像采集系统和数据处理系统；
所述多光谱图像采集系统包括多光谱相机、旋转台和线激光发生器；所述线激光发生器设置于旋转台上；使用时，所述多光谱相机和所述线激光发生器均面对所述待测物面设置；
数据处理系统接收多光谱相机拍摄的图像，并根据步骤S30-S60进行数据处理获得待测物面上完整的冰形曲线。
采用本发明的一种结冰三维外形在线测量装置及方法，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
本发明将特定波长的线激光投射到结冰物面上，相机捕获多个不同波段光谱响应的调制激光图案，得到结冰物面反射的不同波段激光下的图像，经过对多张不同波段激光下的图像进行处理，剔除各个图像中的过曝像素，并保留各幅图像中对应位置上的不饱和像素中的像素值最大的那点像素值，再由保留下来的各个像素值融合成最终的结冰面图像，解决了明冰和混合冰对可见光反射率极低，摄像机难以得到清晰的光条图案，导致测量精度偏低的技术问题；本发明的测量装置和测量方法测得的结冰冰形图像对比度高、测量精度高；
本发明在对多张图像进行融合时，选择了多张图中的最大不饱和像素值作为该像素点融合后的像素值，使得融合后的图像更清晰；
本发明的测量装置和测量方法可以实现对结冰三维生长的原位在线测量，无干扰、非接触，并且可以连续测量，可用于对冰形生成过程的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种结冰三维外形在线测量方法的流程图；
图2是本发明实施例的一种结冰三维外形在线测量方法的示意图；
图3本发明实施例的对多通道图像中像素点的融合流程图 ；
图4是本发明实施例的一种测量装置示意图。
图中，11-待测物面，12-多光谱相机，13-线激光发生器。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
实施例1
一种结冰三维外形在线测量方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
S10. 线激光发生器13从待测物面的初始位置i开始扫描，线激光发生器投射出光平面至待测物面11，并与待测物面相交产生光条Gi；其中，i为待测物面的任意位置；
也就是说，线激光发生器可以从待测物面的任意位置开始进行扫描，其后的步骤S50中转动线激光发生器，直至扫完整个待测物面，则一个截面的冰形扫描结束；
S20. 多光谱相机12同步拍摄光条Gi，形成针对光条Gi的第1到N张不同波段反射光的图像，其中，N为多光谱相机的通道数；
本实施例中，假设N为16，则该多光谱相机为16通道相机，针对每一条光条都获取了16张图片；N的具体数量可以由本领域技术人员根据实际需要，例如拍摄精度等进行选取；
S30. 对第1到N张图像进行融合，得到融合后的光条Gi的图像；
S301. 选取像素点（x，y）在第1到N张图中的最大不饱和像素值作为该像素点（x，y）融合后的像素值Kin *（x,y）；其中，1≤n≤N；
本步骤中，将最大不饱和像素值作为该像素点融合后的像素值，一方面是为了将过度曝光或者过饱和的点剔除；另一方面将图像中一些散射杂光滤除，从而留下包含激光中心线信息最多的图像分量；
S302. 遍历每一个像素点，执行步骤S301；
S303. 将所有像素点以融合后的像素值进行像素点的组合，形成融合后的光条Gi的图像；
S40. 提取融合后的光条Gi的中心线，基于标定的相机内外参数和激光平面参数，解算获得中心线的三维坐标，作为位置i处的冰形曲线Li；
提取激光光条中心线的方法已经是比较成熟的技术，例如可采用专利CN113256706A中的Steger算法进行激光强度中心线的提取，在此不再赘述；
S50. 令i=i+b，线激光发生器扫描位置i+b，重复步骤S20-S40，得到冰形曲线Li+b；其中，b为步长；
也就是说，设定一个固定的步长值，拍摄完位置i的光条Gi以后，移动线激光发生器，使得线激光发生器投射出的光平面移动一个步长，拍摄下一个位置的冰形；
作为优选，将线激光发生器放置在旋转台上，令b=θ，θ为旋转台旋转的角度值，也就是说每一次调整位置的时候，旋转台带着线激光发生器旋转一个特定的角度，当线激光发生器完成位置调整以后，触发多光谱相机拍摄图像；
S60. 重复步骤S50，直至获得待测物面上完整的冰形曲线。
待测物面上光条Gi共同记录了整个物面的高度信息，这些高度信息就是待测物面上的结冰信息，由此完成结冰三维外形的在线测量。
对于步骤S301中，如图3所示，选取像素点（x，y）在第1到N张图中的最大不饱和像素值作为该像素点（x，y）融合后的像素值Kin *（x,y）的具体步骤为：
S3011. 提取像素点（x，y）在第1到N张图中的像素值Kin（x,y）；
S3012. 与设定阈值thresh比较，当Kin（x,y）≥thresh时，令Kin（x,y）=0；该步骤是为了将过饱和或者过曝的点剔除；
S3013. 比较各Kin（x,y）的大小，选择其中最大的值作为像素点融合后的像素值Kin *（x,y）：
Kin *（x,y）=Max（Kin（x,y），1≤n≤N）；
该步骤是提取含信息量最多的图像分量，从而滤除散射杂光，由此提高测量的精度。
为了使得每一张图片中所采集到的点的坐标能够正确地进行对应，在测试前，需要进行系统标定，将相机和激光平面标定到世界坐标系中。
实施例2
本实施例提供一种用于完成实施例1的测量方法的测量装置，如图4所示，包括多光谱图像采集系统和数据处理系统（图中未示出）；
所述多光谱图像采集系统包括多光谱相机12、旋转台（图中未示出）和线激光发生器13；所述线激光发生器设置于旋转台上；使用时，所述多光谱相机12和所述线激光发生器13均面对所述待测物面11设置；值得说明的是，多光谱相机和线激光发生器的位置关系没有具体的限制，只要线激光发生器和多光谱相机不发生相互的干涉，并且能够完成线激光发生器将激光投射到待测物面，并且多光谱相机能够拍摄到线激光发生器与待测物面相交的光条即可；
数据处理系统接收多光谱相机拍摄的图像，并根据步骤S20-S60进行数据处理获得待测物面上完整的冰形曲线。
还包括控制系统，控制系统控制旋转台转动，并且在旋转台转动到位后，控制多光谱相机拍摄图像。本领域技术人员可以理解，本发明可以先拍摄不同位置的冰形后再统一进行图像处理，也可以一边拍摄一边处理，具体的先后顺序并不能作为对本发明的限制。进一步地，拍摄的图像可以添加时间标记，在进行图像处理时，将同一时间点拍摄N张图像进行融合。
作为优选，本实施例还包括图像显示系统，用于显示经过数据处理系统处理后得到的冰形曲线。
采用本发明的测量装置和测量方法进行结冰三维外形在线测量，不仅能够测量霜冰，也能有效地测量明冰和混合冰。通过采集待测物面反射回来的不同波长的图像，并去除过度曝光和散射杂光的图像，留下记录了激光中心线信息最多的图像分量，通过将这些图像分量进行融合后再提取光条的中心线作为该处的冰形曲线，大大地提高了冰形测量的准确性，是一种无干扰、非接触、连续式、高精度、高效率的测量方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 线激光发生器从待测物面的初始位置i开始扫描，线激光发生器投射出光平面至待测物面，并与待测物面相交产生光条Gi；其中，i为待测物面的任意位置；
S20. 多光谱相机同步拍摄光条Gi，形成针对光条Gi的第1到N张不同波段反射光的图像，其中，N为多光谱相机的通道数；
S30. 对第1到N张图像进行融合，得到融合后的光条Gi的图像；
S301. 选取像素点（x，y）在第1到N张图中的最大不饱和像素值作为该像素点（x，y）融合后的像素值Kin *（x,y）；其中，1≤n≤N，N≥2；
S302. 遍历每一个像素点，执行步骤S301；
S303. 将所有像素点以融合后的像素值进行像素点的组合，形成融合后的光条Gi的图像；
S40. 提取融合后的光条Gi的中心线，解算获得中心线的三维坐标，获得位置i处的冰形曲线Li；
S50. 令i=i+b，线激光发生器扫描位置i+b，重复步骤S20-S40，得到冰形曲线Li+b；其中，b为步长；
S60. 重复步骤S50，直至获得待测物面上完整的冰形曲线。
2.根据权利要求1所述的一种结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，所述步骤S301中，选取像素点（x，y）在第1到N张图中的最大不饱和像素值作为该像素点（x，y）融合后的像素值Kin *（x,y）的具体步骤为：
S3011. 提取像素点（x，y）在第1到N张图中的像素值Kin（x,y）；
S3012. 与设定阈值thresh比较，当Kin（x,y）≥thresh时，令Kin（x,y）=0；
S3013. 比较各Kin（x,y）的大小，选择其中最大的值作为像素点融合后的像素值Kin *（x,y）：
Kin *（x,y）=Max（Kin（x,y），1≤n≤N）。
3.根据权利要求1所述的一种结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，在执行S10前，进行系统标定，将相机和激光平面标定到世界坐标系中。
4.根据权利要求1所述的一种结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，步骤S50中，将线激光发生器设置在旋转台上，令b=θ，θ为旋转台旋转的角度值。
5.一种用于执行如权利要求1-4任一所述的一种结冰三维外形在线测量方法的测量装置，其特征在于，包括多光谱图像采集系统和数据处理系统；
所述多光谱图像采集系统包括多光谱相机、旋转台和线激光发生器；所述线激光发生器设置于旋转台上；使用时，所述多光谱相机和所述线激光发生器均面对所述待测物面设置；
数据处理系统接收光谱相机拍摄的图像，并根据步骤S30-S60进行数据处理获得待测物面上完整的冰形曲线。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统控制旋转台转动，并且在旋转台转动到位后，控制多光谱相机拍摄图像。
7.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括显示系统，用于显示经过所述数据处理系统处理后得到的冰形曲线。
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