一种温敏漆风洞实验图像配准方法

1.本发明涉及高超声速飞行器测量技术领域，具体涉及一种温敏漆风洞实验图像配准方法。


背景技术：

2.热流密度测量结果是高超声速飞行器热防护系统设计最根本的依据，其相关的测量技术是高超声速领域研究的重点。热电偶、热电堆等单点热流密度测量技术在高超飞行器热环境测试中曾发挥了重要作用，然而考虑到模型安装尺寸、强度、传感器布线等实际因素后单点热流密度传感器难以大量密集布置，若干点的测量结果又不能反映详实的热流密度分布特征，尤其是针对热流密度梯度大、分布复杂的区域，单点热流密度测量技术已难以完全满足飞行器设计日益发展的新需求，需要热流密度面测量技术以获取全场精细的热流密度分布特征。温敏漆是近年来发展较为快速的热流密度面测量技术，利用光致发光的热猝灭效应，其辐射强度随温度的升高而降低，通过测量温敏漆的辐射强度变化确定温度变化，结合材料的物性参数确定热流密度。温敏漆风洞实验数据的处理方法是影响温敏漆测量结果精度的关键因素。由于风洞实验中模型支撑系统的刚度和配合精度问题，模型在实验时间存在振动，引起不同时刻拍摄图像间存在微小位移，数据处理过程中若不进行图像配准将产生测量误差。常用的图像配准方法是标记点法，在模型上制作若干标记点，图像配准使用标记点互相关的方法计算标记点位移，进行图像配准。该方法计算量大、运算时间长，并且由于标记点会遮盖温敏漆涂层，使用该方法会造成测量结果信息缺失，尤其对于热流密度梯度较大的区域该方法会限制温敏漆面测量的优势。
3.综上所述，有必要对现有技术做进一步创新。


技术实现要素：

4.针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种构思合理，利用实验模型自身轮廓特征实现温敏漆图像的亚像素精度配准，可免于制作标识点，充分发挥温敏漆技术面测量优势的温敏漆风洞实验图像配准方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的一种温敏漆风洞实验图像配准方法，其包括以下步骤：
6.1)获取温敏漆实验拍摄图像，确定参考图像f(x,y)和需要处理的图像g(x,y)；
7.2)利用边缘检测candy算法确定实验模型边缘并进行二值化处理，之后进行形态学膨胀运算分别确定参考图像和需要处理图像的掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)；
8.3)将需处理图像g(x,y)和其掩膜图像m2(x,y)顺时针旋转180度得到新的图像g
′
(x,y)和m
′2(x,y)；
9.4)对图像f(x,y)、g
′
(x,y)、m1(x,y)、m
′2(x,y)进行傅里叶变换后得到的傅里叶变换结果分别为f(u,v)、g
′
(u,v)、m1(u,v)、m
′2(u,v)；
10.5)定义参考图像和需处理图像的归一化互相关函数ψ并确定其取最大值的位置与
ψ矩阵中心点的偏移量，此偏移量即为f(x,y)和g(x,y)间的偏移量。
11.所述温敏漆风洞实验图像配准方法，其中:所述步骤2)中的掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)可以利用边缘检测candy算法检测得到实验模型边缘后再做形态学膨胀运算确定；且所述掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)属于二值化图像，参与计算的区域赋值为1，其它区域赋值为0。
12.所述温敏漆风洞实验图像配准方法，其中，所述步骤4)的具体过程为：
13.定义代表傅里叶变换，其傅里叶变换及逆变换的计算过程如下式(1)-(2)所示；
[0014][0015][0016]
式(1)和(2)中，u,v分别为频率域坐标，m、n分别为图像x、y方向的像素个数，i为虚数单位；
[0017]
图像f(x,y)、g
′
(x,y)、m1(x,y)、m
′2(x,y)分别对应的傅里叶变换结果分别为f(u,v)、g
′
(u,v)、m1(u,v)、m
′2(u,v)。
[0018]
所述温敏漆风洞实验图像配准方法，其中,所述步骤5)中定义参考图像和需处理图像的归一化互相关函数的过程为：
[0019]
先定义代表傅里叶逆变换,再通过以下公式(4)-(6)分别计算临时变量
[0020][0021][0022][0023]
上式(4)-(6)中，
·
表示图像矩阵对应元素相乘，表示矩阵f和矩阵g对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换，表示矩阵f和m
′2矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵m1和g'矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵m1和m2'矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵f和f矩阵对应元素相乘后做傅里叶变换，再与矩阵m
′2相乘得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵g'和g'矩阵对应元素相乘后做傅里叶变换，再与矩阵m1相乘得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；
[0024]
最后参考图像和需处理图像的归一化互相关函数ψ定义为：
[0025][0026]
由上式(3)计算得到的归一化互相关函数ψ为(2m-1,2n-1)的矩阵，取值范围为[-1,1]，1表示完全相关，-1表示完全不相关，找出ψ取最大值的位置，其与矩阵中心点的偏移量即为两幅图像f(x,y)、g(x,y)之间的偏移量。
[0027]
所述温敏漆风洞实验图像配准方法，其中：所述步骤1)中是利用温敏漆测量系统的高速相机拍摄获取温敏漆实验拍摄图像。
[0028]
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
[0029]
本发明温敏漆实验图像配准方法构思合理，利用实验模型自身轮廓特征实现温敏漆图像的亚像素精度配准，可免于制作标识点，充分发挥温敏漆技术面测量的优势。
[0030]
本发明温敏漆实验图像配准方法相对标识点方法的优势主要体现为：
[0031]
1)制作标识点不可避免的会遮挡温敏漆层，造成标识点位置无法获取测量结果，限制了温敏漆测量技术高空间分辨率的优势；
[0032]
2)标识点方法中标识点在图像中的像素数量远小于模型轮廓区域占据的像素数量；可知,本发明采用的基于模型自身轮廓特征的图像配准方法精度远高于标识点方法，进而提高温敏漆测量结果的精度。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明温敏漆风洞实验图像配准方法中涉及的实验模型图；
[0035]
图2为本发明温敏漆风洞实验图像配准方法中涉及的原始温敏漆图像；
[0036]
图3为本发明温敏漆风洞实验图像配准方法中涉及的模型边缘检测结果图；
[0037]
图4为本发明温敏漆风洞实验图像配准方法中涉及的掩膜图像；
[0038]
图5为本发明温敏漆风洞实验图像配准方法中配准后获得的模型表面热流密度分布图；
[0039]
图6为本发明温敏漆风洞实验图像配准方法中未经配准得到的模型表面热流密度分布图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
[0042]
温敏漆测量技术利用光致发光的热猝灭效应，其辐射强度随温度的升高而降低，为了消除照明光源非均匀、成像视角及温敏漆涂层厚度不均匀等因素的影响，实验通过测量温敏漆的辐射强度与参考温度下辐射强度的相对变化量确定温度变化。实验中一般取流
场建立前的图像为参考图像，室温为参考温度。根据温敏漆测量原理可知，实验时间内获取的图像由于实验模型表面温度的变化灰度值是发生变化的。由于归一化互相关对两幅图像间的乘法因子不敏感，因此采用归一化互相关函数描述两幅图像间的相对位移。在空间域内计算归一化互相关函数需要在两幅图像重叠区域多次重复运算，而利用傅里叶变换在频率域内计算可以避免该过程减小计算量，因此采用基于傅里叶变换的互相关函数进行计算。另外，拍摄的图像中由于各种原因在图像的整个区域都会包含噪声，而模型的轮廓仅存在于图像中一小部分区域，为了尽量避免噪声的影响，计算过程中先确定模型的轮廓位置，通过掩膜图像将计算域限定在模型轮廓附近的区域。设实验流场建立前拍摄的温敏漆图像为f(x,y)，在实验时间内某一刻拍摄的温敏漆图像为g(x,y)，x,y为空间坐标，m1(x,y)、m2(x,y)分别为f(x,y)和g(x,y)的掩膜图像，图像大小分别与f(x,y)、g(x,y)相同。m1(x,y)、m2(x,y)属于二值化图像，参与计算的区域赋值为1，其它区域赋值为0。g(x,y)与m2(x,y)瞬时针旋转180度后的图像为g
′
(x,y)与m2′
(x,y)。定义和分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，其计算过程如式(1)-(2)所示。
[0043][0044][0045]
式(1)和(2)中，u,v分别为频率域坐标，m、n分别为图像x,y方向的像素个数，i为虚数单位。图像f(x,y)、g
′
(x,y)和掩膜图像m1(x,y)、m
′2(x,y)对应的傅里叶变换结果分别为f(u,v)、g
′
(u,v)、m1(u,v)、m
′2(u,v)。参考图像和需处理图像的归一化互相关函数ψ定义为：
[0046][0047]
其中临时变量：
[0048][0049][0050][0051]
其中,上式(4)-(6)中
·
符号表示图像矩阵对应元素相乘，表示矩阵f和矩阵g对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换，表示矩阵f和m
′2矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵m1和g'矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵m1和m2'矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵f和f矩阵对应元素相乘后做傅里叶变换，再与矩阵m
′2相乘得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵g'和g'矩阵对应元素相乘后做傅里叶变换，再与矩阵m1相乘得到的新矩阵，并对此新矩阵进行
傅里叶逆变换；
[0052]
由上式(3)计算得到的ψ为(2m-1,2n-1)的矩阵，取值范围为[-1,1]，1表示完全相关，-1表示完全不相关，找出ψ取最大值的位置，其与矩阵中心点的偏移量即为两幅图像f(x,y)、g(x,y)之间的偏移量。
[0053]
其中，掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)可以利用边缘检测candy算法检测得到实验模型边缘后再做形态学膨胀运算确定。
[0054]
本发明温敏漆风洞实验图像配准方法，具体过程为：
[0055]
1)利用温敏漆测量系统的高速相机拍摄获取温敏漆实验拍摄图像，确定参考图像f(x,y)和需要处理的图像g(x,y)；
[0056]
2)利用边缘检测candy算法确定实验模型边缘并进行二值化，之后进行形态学膨胀运算分别确定参考图像和需要处理图像的掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)；
[0057]
3)将需处理图像g(x,y)和其掩膜图像m2(x,y)顺时针旋转180度得到新的图像g
′
(x,y)和m
′2(x,y)；
[0058]
4)对图像f(x,y)、g
′
(x,y)、m1(x,y)、m
′2(x,y)进行傅里叶变换得到f(u,v)、g
′
(u,v)、m1(u,v)、m
′2(u,v)，计算原理如上式(1)所示(对应图像矩阵傅里叶变换的结果，可以看作为计算ψ的临时变量)；
[0059]
5)定义参考图像和需处理图像的归一化互相关函数ψ如上述式(3)，并确定其取最大值的位置与ψ矩阵中心点的偏移量确定f(x,y)、g(x,y)间的偏移量。
[0060]
应用实例如下:
[0061]
图1为温敏漆风洞实验模型，图2为得到的典型的温敏漆实验图像，实验中通过多相机多视角拍摄实现全模型测量，图2为其中一个相机的拍摄结果。图3为利用candy算法辨识得到的实验模型边缘，图4为模型边缘图像二值化后经过形态学膨胀运算确定的掩膜图像；图5为经过配准后计算得到的模型表面热流密度分布；图6为未配准直接处理得到的模型表面热流密度分布。由图5、6对比可看出，未经配准直接处理将在模型的边缘位置产生明显的误差，由于本次实验模型在视场中是向右上方移动，未经配准的图像在模型上方边缘热流密度明显偏高，下侧边缘热流密度明显偏低。采用本专利介绍的方法可有效消除模型振动的影响，实现亚像素精度配准，保证温敏漆实验结果的精度。
[0062]
本发明利用实验模型自身轮廓特征实现温敏漆图像的亚像素精度配准，可免于制作标识点，充分发挥温敏漆技术面测量的优势。
[0063]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种温敏漆风洞实验图像配准方法，其特征在于,所述配准方法包括以下步骤：1)获取温敏漆实验拍摄图像，确定参考图像f(x,y)和需要处理的图像g(x,y)；2)利用边缘检测candy算法确定实验模型边缘并进行二值化处理，之后进行形态学膨胀运算分别确定参考图像和需要处理图像的掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)；3)将需处理图像g(x,y)和其掩膜图像m2(x,y)顺时针旋转180度得到新的图像g
′
(x,y)和m
′2(x,y)；4)对图像f(x,y)、g
′
(x,y)、m1(x,y)、m
′2(x,y)进行傅里叶变换后得到的傅里叶变换结果分别为f(u,v)、g
′
(u,v)、m1(u,v)、m
′2(u,v)；5)定义参考图像和需处理图像的归一化互相关函数ψ并确定其取最大值的位置与ψ矩阵中心点的偏移量，此偏移量即为f(x,y)和g(x,y)间的偏移量。2.如权利要求1所述的温敏漆风洞实验图像配准方法，其特征在于:所述步骤2)中的掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)可以利用边缘检测candy算法检测得到实验模型边缘后再做形态学膨胀运算确定；且所述掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)属于二值化图像，参与计算的区域赋值为1，其它区域赋值为0。3.如权利要求1所述的温敏漆风洞实验图像配准方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程为：定义代表傅里叶变换，其傅里叶变换及逆变换的计算过程如下式(1)-(2)所示；(2)所示；式(1)和(2)中，u,v分别为频率域坐标，m、n分别为图像x、y方向的像素个数，i为虚数单位；图像f(x,y)、g
′
(x,y)、m1(x,y)、m
′2(x,y)分别对应的傅里叶变换结果分别为f(u,v)、g
′
(u,v)、m1(u,v)、m
′2(u,v)。4.如权利要求1所述的温敏漆风洞实验图像配准方法，其特征在于,所述步骤5)中定义参考图像和需处理图像的归一化互相关函数的过程为：先定义代表傅里叶逆变换,再通过以下公式(4)-(6)分别计算临时变量(6)分别计算临时变量(6)分别计算临时变量(6)分别计算临时变量上式(4)-(6)中，
·
表示图像矩阵对应元素相乘，表示矩阵f和矩阵g对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换，表示矩阵f和m
′2矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵
m1和g'矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵m1和m2'矩阵对应元素相乘后得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵f和f矩阵对应元素相乘后做傅里叶变换，再与矩阵m
′2相乘得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；表示矩阵g'和g'矩阵对应元素相乘后做傅里叶变换，再与矩阵m1相乘得到的新矩阵，并对此新矩阵进行傅里叶逆变换；最后参考图像和需处理图像的归一化互相关函数ψ定义为：由上式(3)计算得到的归一化互相关函数ψ为(2m-1,2n-1)的矩阵，取值范围为[-1,1]，1表示完全相关，-1表示完全不相关，找出ψ取最大值的位置，其与矩阵中心点的偏移量即为两幅图像f(x,y)、g(x,y)之间的偏移量。5.如权利要求1所述的温敏漆风洞实验图像配准方法，其特征在于：所述步骤1)中是利用温敏漆测量系统的高速相机拍摄获取温敏漆实验拍摄图像。

技术总结
本发明提供了一种温敏漆风洞实验图像配准方法，其包括：1)获取温敏漆实验拍摄图像，确定参考图像f(x,y)和需要处理的图像g(x,y)；2)利用边缘检测Candy算法确定实验模型边缘并进行二值化处理，之后进行形态学膨胀运算分别确定参考图像和需要处理图像的掩膜图像m1(x,y)、m2(x,y)；3)将需处理图像g(x,y)和其掩膜图像m2(x,y)顺时针旋转180度得到新的图像g


技术研发人员：苑朝凯 喻江 吴松 王春 姜宗林
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/14