基于視覺的燃油噴霧錐角測量軟件設計與實現

孫 杰，劉 聰

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

燃油噴霧錐角是發動機噴嘴性能的重要技術參數，影響發動機的經濟性、動力性能。目前，在噴嘴試驗過程中，采用機械式噴霧錐角測量裝置來測量噴霧錐角的大小，存在的問題如下：

1）測試過程不可復現，無法評估噴嘴全過程的噴霧錐角特性。

2）測試過程完全依靠個人經驗，測量結果誤差不可控制。

為減少噴霧錐角測量的不確定性，新一代噴嘴試驗臺采用了基于機器視覺的燃油噴霧錐角測量方式。

1 噴霧錐角測量系統組成

噴霧錐角測量系統主要由防爆可見光攝像機、視頻處理計算機、光源系統以及視覺處理軟件組成[1]。其系統組成圖見圖1。

圖1 噴霧錐角測量系統組成圖

防爆可見光攝像機是噴霧錐角測量的重要組成，是噴霧成像系統的核心部件。通過以太網將拍攝到的視頻圖像傳輸至視頻處理計算機，并由計算機上運行的視覺處理軟件進行視頻存儲、回放、視覺處理及錐角測量[2-3]。

光源系統主要為測試艙內提供照明光源，以便提高噴霧的成像質量。

2 視覺處理軟件設計與實現

視覺處理軟件基于.net框架和OpenCVsharp視覺開發庫進行開發，具備視頻采集功能、視頻回放功能、邊緣檢測功能、錐角手動測量、錐角自動測量功能，程序界面如圖2所示。

圖2 視覺處理軟件界面

其詳細設計與實現功能如下：

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。點擊啟動按鈕后，視覺軟件啟動視頻采集線程，錄取一定時長的視頻后，操作人員手動停止視頻采集，并將視頻存儲至本地，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據進行回放，以便測試人員了解噴霧全過程形態變化情況，以選擇最佳的測量時機。視頻回放分為自動播放和按幀手動拖放2種功能，其類似于我們常見的視頻播放器。其自動回放過程的流程圖如圖4所示。

圖4 自動回放過程流程圖

3）邊緣檢測功能

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

4）錐角手動測量功能

錐角手動測量功能是利用鼠標工具在視頻幀上手動標記待測量角的特征參數，即構成測量角的3個點。通過獲取3個點在圖像控件上的實際坐標，獲得與實際測量角相似的三角形，再通過余弦定理計算得出測量角。

5）錐角自動測量功能

錐角自動測量首先利用邊緣檢測功能檢測出錐角的2條邊，然后通過計算2條邊的交點得到錐角的頂點，然后取2條鄰邊的中點作為另外2個特征點共同作為錐角的3個特征點，最后利用手動測量錐角的計算功能獲得錐角大小。

3 軟件核心功能測試

邊緣檢測功能和錐角手動測量功能是視覺處理軟件的核心功能，在實際測量前必須對該部分功能進行測試驗證。

3.1邊緣檢測功能測試

邊緣檢測功能是在視頻回放時勾選Canny邊緣檢測選項，該功能使用前后視頻效果對比圖如圖5所示。

圖5 邊緣檢測前后效果對比圖

經過對比可以發現：Canny邊緣檢測后可基本提取出視頻中物體的主要輪廓。

3.2 錐角手動測量功能測試

在使用錐角手動測量功能時，首先使用測量工具，點擊測量按鈕后利用鼠標雙擊功能可選擇3個特征點，如圖6所示，特征點選取的順序分別為1、2、3。特征點選取完成后，利用計算功能獲得選取角的度數。

由圖6可知：被測量錐角的角度為76.08°。

圖6 錐角手動測量示例

3.3 錐角自動測量功能測試

在視頻回放時勾選邊緣檢測及自動錐角選項，點擊播放后，程序自動識別錐角中的3個特征點，其效果如圖7所示。

由圖7可知：被測錐角的角度為76.20°。

圖7 錐角自動測量示例

4 結論