[發明專利]一種基于關聯幀約束的紋影特征可視化增強方法

有效

• 申請號: 202111058729.0
• 申請日: 2021-09-10
• 公開（公告）號: CN113516689B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 劉晗;丁旭輝;安建平;卜祥元
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06T7/269
• 分類號: G06T7/269;G06T7/33;G06T7/35;G06T5/00;G06T5/20
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明涉及一種基于關聯幀約束的紋影特征可視化增強方法，屬于高速目標紋影探測領域。所述方法通過基于壓縮采樣的背景紋影成像系統采集高動態紋影序列圖像，然后利用高斯濾波對采集到的紋影序列圖像進行去噪預處理，利用KLT?RANSAC算法紋影序列圖像進行圖像配準，獲取穩定的序列圖像；最后針對高動態紋影序列圖像的時域關聯性，采用光流方法檢測并輸出兩幀圖像之間每個像素點的運動矢量。所述方法面向紋影序列圖像快速時變以及富含尖銳弱紋影信息所引發的紋影參量漏采集、難分辨等問題，考慮了運動圖像在時間維度上的關聯性，解決傳統光流法在噪聲影響下多幀間紋影區域提取精度低問題，提高高動態運動序列圖像紋影的矢量精度。

技術領域

本發明具體涉及一種基于關聯幀約束的紋影特征可視化增強方法，屬于高速目標紋影探測領域。

背景技術

背景紋影技術，即Background Oriented Schlieren,簡稱BOS，是紋影技術與數字圖像處理技術相結合的非接觸式光學流場測量方法，其原理是：目標高速運動使空氣被壓縮，由于空氣密度變化將會導致折射率發生變化，因此光線會產生偏折，通過對光線偏折分析可定量地計算出超音速飛行器飛行過程中流場的梯度和密度分布情況。BOS技術突破了傳統方法只能在風洞進行實驗的限制，可在戶外大場景計算得到飛行器流場的密度、壓力、速度、動量、壓力梯度、渦度等物理參量，是分析流場狀態、結構和特征并進而預測音爆的重要手段。

紋影特征定量分析是BOS的核心技術難點。其中，氣流擾動將產生亞像素級的失真像點，定量分析無法直接實現。因此，通常在測量氣體中加入示蹤粒子，借助示蹤粒子的運動矢量分析氣流場中隱含的物理信息。粒子測速法即通過計算示蹤粒子的運動矢量獲得流體本身的運動特性。根據原理主要分為基于互相關的粒子測速法和基于光流的粒子測速法。目前大多商用粒子測速法軟件采用基于互相關的方法，該類方法通過計算連續兩幅圖像中相應位置的查詢窗口的互相關函數，得到窗口內粒子圖像的平均位移的大小，進而獲得粒子的平均速度?；ハ嚓P方法得到的運動矢量只是概率上的最大可能位移，計算得出的紋影圖像分辨率較低。因此，基于光流的粒子測量法近些年來得到了很大程度的發展，該方法通過計算兩幅圖像之間的灰度在兩維圖像平面上的流動來估計PIV粒子的運動速度，能夠輸出致密的流場，空間分辨率高。

發明內容

本發明的目的在于針對紋影運動圖像快速時變以及富含尖銳弱紋影信息所引發的紋影參量漏采集且難分辨，而傳統方法存在獲取紋影特征精度低以及計算復雜度高且易受噪聲干擾。因此，本發明提出了一種基于關聯幀約束的紋影特征可視化增強方法，該方法依托基于壓縮采樣的背景紋影成像系統采集高動態紋影序列圖像，并對采集到的圖像進行運動圖像分析得到運動矢量場，使肉眼不可見的紋影了息達到紋影特征可視化增強效果。

所述關聯幀約束的紋影特征可視化增強方法依托于基于壓縮感知的紋影成像系統獲取動目標紋影序列圖像，成像系統包括超高速相機、空間光調制器、濾波器、匯聚透鏡組、單像素探測器、數模轉換器和上位機。

其中，所述上位機包括數字后處理模塊。

其中，壓縮感知的紋影成像系統，即Compressive Sensing Background OrientedSchlieren，簡稱CSBOS。

所述關聯幀約束的紋影特征可視化增強方法，包括如下步驟：

步驟一，以太陽為背景采用超高速相機拍攝，并獲取高動態目標紋影序列圖像。

其中，超高速相機與空氣動力流場、背景之間的光路距離參數滿足；Z_D為超高速相機與空氣動力流場之間的距離，Z_B為超高速相機與太陽之間的距離。

步驟二，數字后處理模塊對紋影序列圖像進行預處理，得到穩定的紋影序列圖像。