孫 杰，劉 聰

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

燃油噴霧錐角是發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴性能的重要技術(shù)參數(shù)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性能。目前，在噴嘴試驗(yàn)過程中，采用機(jī)械式噴霧錐角測(cè)量裝置來測(cè)量噴霧錐角的大小，存在的問題如下：

1）測(cè)試過程不可復(fù)現(xiàn)，無法評(píng)估噴嘴全過程的噴霧錐角特性。

2）測(cè)試過程完全依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果誤差不可控制。

為減少噴霧錐角測(cè)量的不確定性，新一代噴嘴試驗(yàn)臺(tái)采用了基于機(jī)器視覺的燃油噴霧錐角測(cè)量方式。

1 噴霧錐角測(cè)量系統(tǒng)組成

噴霧錐角測(cè)量系統(tǒng)主要由防爆可見光攝像機(jī)、視頻處理計(jì)算機(jī)、光源系統(tǒng)以及視覺處理軟件組成[1]。其系統(tǒng)組成圖見圖1。

圖1 噴霧錐角測(cè)量系統(tǒng)組成圖

防爆可見光攝像機(jī)是噴霧錐角測(cè)量的重要組成，是噴霧成像系統(tǒng)的核心部件。通過以太網(wǎng)將拍攝到的視頻圖像傳輸至視頻處理計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的視覺處理軟件進(jìn)行視頻存儲(chǔ)、回放、視覺處理及錐角測(cè)量[2-3]。

光源系統(tǒng)主要為測(cè)試艙內(nèi)提供照明光源，以便提高噴霧的成像質(zhì)量。

2 視覺處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視覺處理軟件基于.net框架和OpenCVsharp視覺開發(fā)庫進(jìn)行開發(fā)，具備視頻采集功能、視頻回放功能、邊緣檢測(cè)功能、錐角手動(dòng)測(cè)量、錐角自動(dòng)測(cè)量功能，程序界面如圖2所示。

圖2 視覺處理軟件界面

其詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)功能如下：

1）視頻采集功能

視頻采集利用視覺庫的功能完成視頻采集。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕后，視覺軟件啟動(dòng)視頻采集線程，錄取一定時(shí)長(zhǎng)的視頻后，操作人員手動(dòng)停止視頻采集，并將視頻存儲(chǔ)至本地，采集過程流程圖見圖3。

圖3 視頻采集流程圖

2）視頻回放功能

視頻回放功能是視覺處理軟件的重要功能，其可以將采集得到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，以便測(cè)試人員了解噴霧全過程形態(tài)變化情況，以選擇最佳的測(cè)量時(shí)機(jī)。視頻回放分為自動(dòng)播放和按幀手動(dòng)拖放2種功能，其類似于我們常見的視頻播放器。其自動(dòng)回放過程的流程圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)回放過程流程圖

3）邊緣檢測(cè)功能

邊緣檢測(cè)功能是利用圖形圖像處理算法，將視頻中的物體邊緣進(jìn)行提取，其可在人工進(jìn)行噴霧錐角頂點(diǎn)選擇時(shí)提供方便，并可減少人為判讀引起的測(cè)量誤差。邊緣檢測(cè)功能使用Canny算子進(jìn)行視頻邊緣提取。

4）錐角手動(dòng)測(cè)量功能

錐角手動(dòng)測(cè)量功能是利用鼠標(biāo)工具在視頻幀上手動(dòng)標(biāo)記待測(cè)量角的特征參數(shù)，即構(gòu)成測(cè)量角的3個(gè)點(diǎn)。通過獲取3個(gè)點(diǎn)在圖像控件上的實(shí)際坐標(biāo)，獲得與實(shí)際測(cè)量角相似的三角形，再通過余弦定理計(jì)算得出測(cè)量角。

5）錐角自動(dòng)測(cè)量功能

錐角自動(dòng)測(cè)量首先利用邊緣檢測(cè)功能檢測(cè)出錐角的2條邊，然后通過計(jì)算2條邊的交點(diǎn)得到錐角的頂點(diǎn)，然后取2條鄰邊的中點(diǎn)作為另外2個(gè)特征點(diǎn)共同作為錐角的3個(gè)特征點(diǎn)，最后利用手動(dòng)測(cè)量錐角的計(jì)算功能獲得錐角大小。

3 軟件核心功能測(cè)試

邊緣檢測(cè)功能和錐角手動(dòng)測(cè)量功能是視覺處理軟件的核心功能，在實(shí)際測(cè)量前必須對(duì)該部分功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

3.1邊緣檢測(cè)功能測(cè)試

邊緣檢測(cè)功能是在視頻回放時(shí)勾選Canny邊緣檢測(cè)選項(xiàng)，該功能使用前后視頻效果對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 邊緣檢測(cè)前后效果對(duì)比圖

經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：Canny邊緣檢測(cè)后可基本提取出視頻中物體的主要輪廓。

3.2 錐角手動(dòng)測(cè)量功能測(cè)試

在使用錐角手動(dòng)測(cè)量功能時(shí)，首先使用測(cè)量工具，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕后利用鼠標(biāo)雙擊功能可選擇3個(gè)特征點(diǎn)，如圖6所示，特征點(diǎn)選取的順序分別為1、2、3。特征點(diǎn)選取完成后，利用計(jì)算功能獲得選取角的度數(shù)。

由圖6可知：被測(cè)量錐角的角度為76.08°。

圖6 錐角手動(dòng)測(cè)量示例

3.3 錐角自動(dòng)測(cè)量功能測(cè)試

在視頻回放時(shí)勾選邊緣檢測(cè)及自動(dòng)錐角選項(xiàng)，點(diǎn)擊播放后，程序自動(dòng)識(shí)別錐角中的3個(gè)特征點(diǎn)，其效果如圖7所示。

由圖7可知：被測(cè)錐角的角度為76.20°。

圖7 錐角自動(dòng)測(cè)量示例

4 結(jié)論