一種高溫環境下物體變形測量方法與流程
2023-06-14 07:13:31
本發明涉及一種基於光衰減和圖像處理技術的高溫變形測量方法，屬於材料學和光學實驗技術領域。
背景技術：
高超聲速飛行器在服役過程中，其發動機葉片、鼻錐及前緣等結構往往面臨極高的溫度，正式服役前須對這些熱端部件進行地面高溫測試。其中熱端部件在高溫環境下變形的測量對於評估其熱力學性能指標具有重要指導意義。以目前對於飛行器熱端結構和部件考核的主要方式高溫風洞考核為例，該種考核方式情況下，正對風洞高溫高速氣流出口的試件前端溫度較高，可達1500℃甚至更高；而背對風洞氣流出口的試件末端溫度較低，一般在200-300℃。
目前高溫物體變形的測量方法一般為基於數字圖像處理技術的非接觸式測量方法(如數字圖像相關技術等)，這類方法首先需要獲取物體表面變形前後的清晰圖像，然後對所獲取圖像進行處理，得到對應的全場位移等信息。然而，對於高溫風洞的考核情況，如前文所言，試件在高溫氣流方向的前後兩端溫度差異較大，導致在記錄圖像時前後兩端的亮度調節存在很大挑戰。為得到試件前端部分的亮度合適的圖像，需要極小的光圈和極短的曝光時間；而為得到試件後端部分的亮度合適的圖像，需要較大的光圈和較長的曝光時間。因此，高溫測量的變形區域往往不能兼顧。目前，雖然有報導提出利用窄帶濾波外加對應單色光補償的方法抑制高溫輻射的影響，但是在溫度差異較大的情況下依然不能得到清晰的圖像。而且高精度的窄帶濾波片價格較高，不適合大規模推廣使用。因此，需要開發一種低成本高效的裝置完成高溫環境下物體表面圖線的清晰採集，進而獲取高精度的變形信息。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於光衰減和圖像處理技術的高溫環境下物體變形測量方法，實現對於表面區域亮度差異較大的物體的不同光衰減率下的圖像的採集，並在此基礎上提出不同光衰減率下圖像系列的合成方法，進而在合成圖像的基礎上進行變形信息的獲取。
本發明的技術方案如下：
一種高溫環境下物體變形測量方法，該方法使用具有可自動調節衰減率的濾光片或濾光片組的圖像採集裝置採集被測物體的圖像，包括以下步驟：
1)在使被測物體清晰成像的情況下，將圖像採集裝置中的濾光片或濾光片組的衰減率調節到最低作為初始衰減率，並保證此衰減率下物體表面最暗部位所成圖像亮度適中；
2)在一個測試周期內，對被測物體採集初始衰減率下的圖像一張，然後自動調節濾光片或濾光片組的衰減率，將其提高至一固定數值，採集圖像；重複以上調節衰減率和採集圖像操作，直到遍歷所有設定的衰減率並回到初始衰減率，至此，所採集圖像稱為一組圖像序列；然後再次從初始衰減率開始採集下一組圖像序列，直至測試結束；採集每一組圖像序列的時間內，被測物體表面無明顯變化；
3)對於每一組圖像序列，首先分析第一幅圖像，將灰度值在≥Th的像素點的集合定義為高光區域(Th根據實際情況確定，一般取值範圍在200-240)，存儲高光區域的坐標點數據；用第二幅圖像中位於高光區域坐標上且灰度值小於Th的點的灰度值代替第一幅圖像中對應點的灰度值，並將替換後的點的坐標從高光區域中剔除，形成新的高光區域；然後用第三幅圖像中位於高光區域坐標上且灰度值小於Th的點的灰度值代替第一幅圖像中對應點的灰度值，並將替換後的點的坐標從高光區域中剔除，形成新的高光區域；依此類推，直到該組圖像序列中的最後一幅圖像；至此，由該組圖像序列生成了一幅物體表面圖像灰度值非飽和的新的圖像；對各組圖像序列進行相同操作，得到測試的不同時刻的物體表面非飽和灰度值的圖像；
4)以第一組圖像序列得到的非飽和灰度值的圖像為初始圖像(即變形前的目標圖像)，後續各組得到的非飽和灰度值的圖像為測試過程中圖像(即變形後的目標圖像)，將每張圖像相應分成若干子區，利用數字圖像相關方法對測試過程中圖像和初始圖像進行對比分析，初始圖像的每一點(x,y)具有一個灰度值f(x,y)，測試過程中圖像每一點(x′,y′)具有一個新的灰度值g(x′,y′)，對於每個子區計算以下相關函數：
其中：(x,y)表示變形前的坐標，(x′,y′)表示變形後的坐標，M表示選定的圖像子區寬度的一半，f(x,y)表示變形前的灰度值函數，g(x′,y′)表示變形後的灰度值函數，fm表示變形前的平均灰度值，gm表示變形後的平均灰度值，其中u、v分別表示水平和豎直方向位移，表示相關函數，通過對相關函數求極值，可求得每一點的位移(u,v)，從而得到物體的變形信息。
只要是具有能夠自動調節衰減率的濾光片或濾光片組的圖像採集裝置都可以應用於本發明。一種簡單的高溫環境下物體變形測量裝置如圖1所示，包括鏡頭、濾光片(或濾光片組)、相機和計算機，其中鏡頭用於對準高溫環境下的被測物體；濾光片(或濾光片組)設置在鏡頭和相機之間，該濾光片(或濾光片組)能按照預先設定的程序自動調節衰減率；所述相機與計算機相連，相機採集的圖像序列由計算機進行分析處理，得到物體在高溫環境下的變形信息。
所述濾光片(或濾光片組)可以是以下設備中的一種，但不限於以下所列設備：帶有轉輪裝置的濾光片組，相對偏振角度可調的雙偏振片組合，電致衰減率變化的濾光片等。
在步驟1)使圖像採集裝置的鏡頭對準被測物體，調節焦距，使物體清晰成像，並將濾光片或濾光片組的衰減率調節到最低，調節鏡頭光圈和相機曝光時間，保證物體表面最暗部位所成圖像亮度適中，通常是使該部分圖像的灰度值在100～150。
在步驟2)中，所述測試周期通常是指被測物體經歷的一個變溫過程，測試通常需要在溫度升高後並穩定一段時間才結束。衰減率調節間隔根據物體表面亮度梯度進行設定，亮度梯度越大，衰減率調節間隔越小，一組圖像序列中所包含圖像數越多。
步驟2)中所述「採集每一組圖像序列的時間內，被測物體表面無明顯變化」是指，在採集一組圖像序列的時間要小於被測物體溫度發生較大變化的時間。
在步驟4)求得每一點的位移(u,v)之後，通過局部最小二乘擬合原理或其他方法可以由位移場進一步計算出應變場(εx,εy,γxy)。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果：本發明通過一種基於光衰減和圖像處理技術的高溫變形測量裝置，消除了高溫環境下物體表面亮度差異過大的影響，實現了高溫環境下表面溫度梯度較大的物體的變形的測量，填補了高溫環境下表面亮度差異較大的物體的變形測量的空缺，為目前高超聲速飛行器的發動機、鼻錐、前緣的考核提供重要參考依據。
附圖說明
圖1為本發明採用的一種高溫環境下物體變形測量裝置系統示意圖，其中：1-被測物體；2-鏡頭；3-自動調節衰減率濾光片組；4-相機；5-計算機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
圖1是一種高溫環境下物體變形測量裝置的結構原理示意圖，該裝置包括鏡頭2、自動調節衰減率濾光片組3、相機4和計算機5。
首先將鏡頭2對準被測物體1，並調節鏡頭2焦距，使被測物體1清晰成像。
然後將濾光片組3衰減率手動調節到最低，調節鏡頭2光圈和相機4曝光時間，保證被測物體1表面最暗部位所成圖像亮度適中。
測試開始，相機採集初始衰減率下的圖像一張，然後濾光片組3自動調節濾光片組合，將衰減率提高至一固定數值，之後由相機4採集此衰減率下的圖像。重複以上調節衰減率和採集操作，直到將所有設定衰減率遍歷並回到初始衰減率，至此，相機所採集圖像稱為一組圖像序列。衰減率調節間隔根據物體表面亮度梯度決定，亮度梯度越大，衰減率調節間隔越小，一組圖像序列中所包含圖像數越多。然後再次從初始衰減率開始採集下一組圖像序列，直至測試結束。採集每一組圖像序列時間內，被測物體表面無明顯變化。
對於某一組圖像序列，以8位灰度圖像為例，首先分析第一幅圖像，將灰度值在Th以上(包括Th)的像素點的集合定義為高光區域(Th根據實際情況確定，一般取值範圍在200-240)，存儲高光區域的坐標點數據；將第二幅圖中位於高光區域坐標上且灰度值小於Th的點的灰度值代替第一幅圖像中對應點的灰度值，並將替換後的點的坐標從高光區域中剔除，形成新的高光區域；然後將第三幅圖中位於高光區域坐標上且灰度值小於Th的點的灰度值代替第一幅圖像中對應點的灰度值，並將替換後的點的坐標從高光區域中剔除，形成新的高光區域；依此類推，直到該組圖像序列中的最後一幅圖像。至此，由該組圖像序列生成了一幅物體表面圖像灰度值非飽和的新的圖像。對其他各組圖像序列進行相同操作，可得到測試的不同時刻的物體表面非飽和灰度值的圖像。
對於得到的新的非飽和灰度值的圖像，利用數字圖像相關方法對測試過程中圖像和初始圖像進行對比分析，對於未變形前的目標圖像每一點(x,y)具有一個灰度值f(x,y)，變形後目標圖像子區中每一點(x′,y′)具有一個新的灰度值g(x′,y′)，對於每個子區計算以下相關函數：
其中(x,y)表示變形前的坐標，(x′,y′)表示變形後的坐標，M表示選定的圖像子區寬度的一半，f(x,y)表示變形前的灰度值函數，g(x′,y′)表示變形後的灰度值函數，fm表示變形前的平均灰度值，gm表示變形後的平均灰度值，其中u、v分別表示水平和豎直方向位移，表示相關函數，通過對相關函數求極值，可求得每一點的位移(u,v)，通過局部最小二乘擬合原理可以由位移場進一步計算出應變場(εx,εy,γxy)。