摘 要: 在空化水洞實(shí)驗(yàn)中,需要從大量的數(shù)字圖像中準(zhǔn)確獲取空化區(qū)域的外形、波動(dòng)周期等重要信息。首先對(duì)比了幾種常見的圖片邊緣提取算法,并選擇Canny算子提取空泡結(jié)構(gòu)信息,進(jìn)而研究了采用SSIM算法對(duì)空化圖像進(jìn)行分析的可行性,并通過合理調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)相似度的比重獲得更好的效果。此外,設(shè)計(jì)了圖像的循環(huán)批處理程序,該程序通過Matlab編程實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算結(jié)果表明,采用結(jié)構(gòu)系數(shù)為主要特征的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析,更能準(zhǔn)確獲取空化區(qū)域的外形、波動(dòng)周期等重要信息,更有利于對(duì)空化形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。針對(duì)一組空化數(shù)為0.4的高速攝像圖像,該相關(guān)系數(shù)在0.315~0.375之間變化,空化波動(dòng)頻率約為115 Hz。
關(guān)鍵詞: 水洞實(shí)驗(yàn); 空化圖像; SSIM算法; 結(jié)構(gòu)相似度
中圖分類號(hào): TN911.73?34; TV131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2016)17?0023?03
0 引 言
水中運(yùn)動(dòng)體高速航行時(shí),在形狀突變的區(qū)域?qū)a(chǎn)生空化,空化使得運(yùn)動(dòng)體周圍面臨復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境。在水洞模擬空化試驗(yàn)中,為準(zhǔn)確獲取空化區(qū)域的外形、波動(dòng)周期等重要信息,需對(duì)空化區(qū)進(jìn)行圖像處理。
針對(duì)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的背景干擾下大量提取數(shù)字圖像中空化區(qū)域參數(shù)的問題,文獻(xiàn)[1]利用圖像空化區(qū)亮度的變化間接反映出空化發(fā)展變化的強(qiáng)弱,由此估計(jì)出空化在不同階段的變化周期;文獻(xiàn)[2]利用直方圖巴氏系數(shù)計(jì)算法,認(rèn)為孔板后的平均灰度值可以很好地反映管路中的空化效應(yīng);文獻(xiàn)[3?4]對(duì)空化圖像進(jìn)行了二值化處理,很好地顯示了空化區(qū)域。文獻(xiàn)[5]均利用Canny算子對(duì)空化圖像進(jìn)行處理。
本文以上述研究為基礎(chǔ)尋找一種合理的方法對(duì)大量空化圖像進(jìn)行處理,進(jìn)而獲得空化區(qū)域動(dòng)態(tài)變化特征。
1 空化圖像處理原理
1.1 空化圖像邊緣分析
為了確定空化區(qū)域的大小,首先需要對(duì)空化邊緣進(jìn)行提取。對(duì)采用不同算子的邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示??梢钥闯?,采用Canny算子和高斯濾波后的Canny算子(GaussianCanny)效果較好。使用的高斯濾波后的Canny算子是一個(gè)具有濾波、增強(qiáng)、檢測(cè)的多階段的優(yōu)化算子,在進(jìn)行處理前,先利用高斯平滑濾波器平滑圖像以除去噪聲,并采用分割算法一階偏導(dǎo)的有限差分計(jì)算梯度幅值和方向。在處理過程中,首先經(jīng)過一個(gè)非極大值抑制的過程,最后采用兩個(gè)閾值連接邊緣獲得邊界圖像。
3 基于SSIM算法的空化圖像處理技術(shù)
對(duì)于大量的空化圖像而言,分析空化變化特征需要合理的批處理方法。本文利用Matlab編程對(duì)空化圖像進(jìn)行批量處理,處理流程如圖2所示。首先將需要處理的圖片放置在同一個(gè)文件夾內(nèi),并在程序中設(shè)置相應(yīng)的初始化信息,程序按照?qǐng)D中流程運(yùn)行,最終獲得需要的數(shù)字圖像信息。對(duì)于按照時(shí)間關(guān)系變化的信息,設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間序列即可獲取圖像信息隨時(shí)間的變化情況,如圖3所示。
SSIM算法能夠評(píng)價(jià)圖像的變化程度,而空化圖像均存在上述各種變化特征,其中又以結(jié)構(gòu)變化最為明顯,本文選取了兩種SSIM算法的系數(shù)進(jìn)行圖像處理。第一種情況為默認(rèn)參數(shù)設(shè)置,[α,β,γ]均取值1(即圖3中SSIM?1)。第二種情況選取結(jié)構(gòu)參數(shù)作為重要的一項(xiàng)比重,取[α, β]為小量0.1,[γ]仍取值1(即圖3中SSIM?2)。
針對(duì)某一組空化數(shù)為0.3的高速攝像圖像,從圖3中可以看出,采用直方圖巴氏系數(shù)(Bhattacharyya)和綜合考慮各信息的SSIM系數(shù)(SSIM?1)得到的空化動(dòng)態(tài)變化曲線并不明顯。而采用結(jié)構(gòu)系數(shù)為主要特征的相關(guān)系數(shù)[Cs](SSIM?2)進(jìn)行分析更能體現(xiàn)空化區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化,能準(zhǔn)確獲取空化區(qū)域的外形、波動(dòng)周期等重要信息,更有利于對(duì)空化形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析??张葜睆皆?8~27 mm之間變化(頭部空化器直徑為12 mm),而相關(guān)系數(shù)[Cs]在0.315~0.375之間變化,空化波動(dòng)頻率約為115 Hz。
4 結(jié) 論
本文采用SSIM算法以及Matlab編程對(duì)0.2 s內(nèi)的高速攝影拍攝的空化圖像進(jìn)行批處理分析,并通過合理調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)相似度的比重獲得了較好的效果。相比于傳統(tǒng)的明度變化分析方法,采用結(jié)構(gòu)系數(shù)為主要特征系數(shù)的SSIM算法進(jìn)行分析,更能準(zhǔn)確獲取空化區(qū)域的外形、波動(dòng)周期等重要信息,更有利于對(duì)空化形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。
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