CN115307865A - 一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法 - Google Patents

一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法 Download PDF

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张文清
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Abstract

本发明公开了一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，涉及风洞实验领域，本方法利用标定板和前照光明成像，无需设置人工标记点，可直接获取试验模型边界，利用试验模型边界实现还是演模型头部定位，进而实现还是演模型位移和变形测量；解决了现有视觉测量方法，在没有设置人工标记点的情况下，无法在高温流场中使用的痛点问题；可用于高超声速流场场景，解决现有纹影测量方法，存在的激波干扰问题。

Description

一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法
技术领域
本发明涉及风洞实验领域，具体地，涉及一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法。
背景技术
在风洞实验中，试验模型在气动载荷作用下，会发生变形或头部位移。在常温、低速风洞中，通常采用视觉测量方法用于风洞模型姿态及变形测量。现有技术中通常在试验模型表面粘贴人工标记点，通过摄像机拍摄这些人工标记点，计算人工标记点的三维坐标，通过这些三维坐标计算试验模型变形量。
这种方法难以在高温/高超声速风洞中使用，因为该风洞的温度很高，达到了1000℃，粘贴的人工标记点容易被烧毁。另外，为了实现试验模型头部位移测量，目前一般采用纹影测量***。在没有激波的情况下，可以获取模型边界图像，在存在激光的情况下，头部被激波掩盖，无法进行后续的测量。
发明内容
本发明目的是实现对高超声速风洞或高温风洞中试验模型变形量的测量，以及克服激波干扰的影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，所述方法包括：
步骤1：将试验模型安装在风洞中，所述风洞为高超声速风洞或高温风洞；
步骤2：将光源和图像采集设备安装在试验模型同侧；
步骤3：基于标定板定义所述试验模型的第一测量平面坐标系；
步骤4：将试验模型在所述风洞中进行试验，并利用所述图像采集设备拍摄若干具有时间先后顺序的图像获得图像集；
步骤5：从所述图像集中选定参考图像，从参考图像中选定需要测量的预设点位置，根据图像采集设备标定结果，计算预设点位置在所述第一测量平面坐标系内第一位置坐标信息；
步骤6：在所述图像集中选择所述参考图像之后的第一图像，在所述第一图像中找到所述预设点位置；
步骤7：计算所述第一图像中的所述预设点位置在所述第一测量平面坐标系内第二位置坐标信息；
步骤8：基于所述第一位置坐标信息和所述第二位置坐标信息，计算获得所述预设点位置的位移量，基于所述位移量获得所述试验模型的变形量。
其中，本方法的原理为：为了解决背景技术中提出的问题，本发明提出了前光照明成像方法，通过前光照明，利用试验模型表面存在较强反射的先验，可以获取模型边界清晰的图像，根据模型边缘，可用于模型变形测量。
前光照明成像：相机与光源位于同侧，光源投射强光到被测对象表面，被测对象反射光线到相机，相机接受到被测对象表面的光线，这样就可以使被测对象与背景的亮度分离开，进而可以拍摄到我们获取的图像；相比纹影成像方法：光源位于被测对象背面，相机位于被测对象前面，光源和相机不位于同侧；因此，光源穿过流场后，会受到激波干扰；相反，前光照明成像，从本测投射后，直接由被测对象进行反射，反射光的能量较强，不受激波干扰；更进一步：相比传统粘贴人工标记点的方法，本方法使用标定板这种方式不需要在被测对象表面粘贴人工标记点，不受高温气流干扰；因此，在这个基础上，再通过获取的高对比度的目标图像，利用目标的轮廓信息，即可完成特征匹配、定位，实现模型位移、变形、姿态等测量。
优选的，本方法利用视觉测量原理获得空间坐标与图像中像素坐标之间的转换关系，然后基于空间坐标与图像中像素坐标之间的转换关系计算第一位置坐标信息和第二位置坐标信息。
优选的，空间坐标与图像中像素坐标之间的转换关系为：
Figure RE-GDA0003886071360000021
其中，zc为比例因子，u为图像横坐标，v为图像纵坐标，cx为光心横坐标，cy为光心纵坐标，xw为风洞坐标系下横坐标，yw为风洞坐标系下纵坐标，zw为风洞坐标系下竖直坐标，M1为图像采集设备内参，M2为图像采集设备外参，M为投影矩阵，R为旋转矩阵，T为平移向量，fu＝f·sx和fv＝f·sy分别表示图像采集设备在u、v方向上的等效像素焦距，f为等效焦距，sx和sy为比例因子。
优选的，所述标定板包括板身，所述板身上均匀分布有若干标定点。利用板身可以在高超声速风洞或高温风洞中使用，而利用分布的若干标定点可以实现坐标系的建立与标定。
优选的，为了高效及准确的在后续图像中找到预设点位置，所述方法通过图像内容匹配方法或图像形状匹配方法在所述第一图像中找到所述预设点位置。
优选的，本方法通过预设点位置在前后图像中的坐标信息变化来计算相应的位移量，所述方法采用以下方式计算所述预设点位置的位移量：
第一位置坐标为(X0，Y0)，第二位置坐标为(Xt，Yt)；
Figure RE-GDA0003886071360000031
Figure RE-GDA0003886071360000032
Figure RE-GDA0003886071360000033
其中，Dy为风洞坐标系下y方向上位移量，Dx为风洞坐标系下x方向上位移量，Dxy为风洞坐标系下x、y平面内位移量。
优选的，所述方法采用直接线形变换法或RAC两步法或张正友标定法对图像采集设备进行标定。
优选的，为了消除图像噪声，在图像采集设备采集到图像后，所述方法采用图像处理方式对图像进行处理：
对图像进行中值滤波去噪，对去噪后的图像进行亚像素精度图像边缘提取，对提取获得边缘图像进行拟合找到试验模型测量目标位置。
优选的，所述方法通过以下图像匹配方式在所述第一图像中找到所述预设点位置图像：以测量点为中心，沿试验模型轴向设定矩形，基于矩形从参考图像中选择图像块为参考模块，然后以参考模块在待匹配图像中采用的准则是去中心归一化互相关准则搜索最优匹配图像。
其中，采用准则是去中心归一化互相关准则-ZNCC准则可以较好地解决图像亮度变化问题，因此，试验过程中因水雾导致的图像亮度变暗，也能实现匹配。在ZNCC准则下，最优匹配像素具有较大的相关性系数。
优选的，为了实现试验模型弯曲变形的测量，从参考图像中选定沿试验模型轴向分布的若干个预设点位置，在参考图像中计算获得相邻两个预设点位置连线的第一角度信息，在第一图像中计算获得相邻两个预设点位置连线的第二角度信息，基于第二角度信息和对应的第一角度信息计算获得对应的连线角度变化量，基于连线角度变化量获得试验模型的弯曲变形量。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
与现有技术相比，本发明无需设置人工标记点，可直接获取试验模型边界，利用试验模型边界实现试验模型头部定位，进而实现试验模型位移和变形测量；解决了现有视觉测量方法，在没有设置人工标记点的情况下，无法在高温流场中使用的痛点问题；
本发明可用于高超声速流场场景，解决现有纹影测量方法，存在的激波干扰问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法的流程示意图；
图2是本发明中视觉测量的原理示意图；
图3是本发明中标定板的结构示意图；
图4是本发明中标定板与试验模型测量侧面平行放置示意图；
图5是提取的试验模型边界结果示意图；
图6为AB两点连线的角度计算方法示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图1，图1为一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法的流程示意图，本发明实施例一提供了一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，所述方法包括：
步骤1：将试验模型安装在风洞中，所述风洞为高超声速风洞或高温风洞；
步骤2：将光源和图像采集设备安装在试验模型同侧；
步骤3：基于标定板定义所述试验模型的第一测量平面坐标系；
步骤4：将试验模型在所述风洞中进行试验，并利用所述图像采集设备拍摄若干具有时间先后顺序的图像获得图像集；
步骤5：从所述图像集中选定参考图像，从参考图像中选定需要测量的预设点位置，根据图像采集设备标定结果，计算预设点位置在所述第一测量平面坐标系内第一位置坐标信息；
步骤6：在所述图像集中选择所述参考图像之后的第一图像，在所述第一图像中找到所述预设点位置；
步骤7：计算所述第一图像中的所述预设点位置在所述第一测量平面坐标系内第二位置坐标信息；
步骤8：基于所述第一位置坐标信息和所述第二位置坐标信息，计算获得所述预设点位置的位移量，基于所述位移量获得所述试验模型的变形量。
其中，不同方向和位置上的位移量体现了试验模型在不同位置或不同方向上的变形量，可以根据具体不同的位移量计算出相应的变形量，具体计算哪个位置或哪个方向上的位移量可以根据具体的变形量计算需求来设计，本发明不进行具体的限定。
其中，本发明实施例中，光源可以为相应的照明设备或装置，如LED照明灯等等，图像采集设备可以是摄像机或相机等等，本发明不进行具体的限定。
其中，高超声速风洞是指流场速度超过5Ma的风洞，高温风洞为超过常温的风洞。
其中，本发明实施例中，将试验模型在所述风洞中进行试验，试验模型可以为任意形状的模型，本发明不进行具体的限定。
其中，本发明中试验模型变形量的测量基本原理为：
视觉测量是通过视觉成像方法，根据摄像机小孔成像模型，进行被测对象3维或2维空间位置与位移测量。在本发明中，采用视觉测量方法用于实现模型2维平面内变形测量。
下面简要介绍视觉测量的原理，如图2所示，物理空间中一点P，在摄像机成像平面内成像为P’。那么点P与图像中对应点P’需要经过三次坐标转换：
(1)世界坐标到摄像机坐标的转换
世界坐标系作为空间基准参考系，一般选取易于描述物体空间几何尺寸的，世界坐标记为OwXwYwZw，其中，Ow为原点，Xw、Yw、Zw分别为坐标系的三个轴，空间中任一点的世界坐标记为(xw,yw,zw)，其中，xw为世界坐标的x坐标，yw为世界坐标的y坐标，zw为世界坐标的z坐标。摄像机坐标系是以相机镜头光心Oc为坐标原点，XcOcYc平面与图像平面平行， Zc轴与光轴方向重合。空间点在摄像机坐标下可表示为：
Figure RE-GDA0003886071360000051
其中，Xc为摄像机坐标系下x坐标，yc为摄像机坐标系下y坐标，zc为摄像机坐标系下z坐标，R为旋转矩阵，T为平移向量。
⑵摄像机坐标系到图像物理坐标系的变换
摄像机坐标系中点(xc,yc,zc)在图像坐标下投影是(x,y)，由摄像机投影透视变换有：
Figure RE-GDA0003886071360000061
f为等效焦距，即相机平面与关心之间的距离，将上式转换成如下矩阵关系式：
Figure RE-GDA0003886071360000062
⑶图像物理坐标到计算机像素坐标系的转换
图像物理坐标坐标单位一般mm为单位，坐标原点也称为图像主点坐标，通常在图像中心，用(cx,cy)表示，而计算机图像中常以像素为单位，坐标原点一般在图像左上角的位置，像素坐标表示像点的行列位置，记为(u,v)。图像物理坐标与像素坐标之间的转换关系：
Figure RE-GDA0003886071360000063
(sx,sy)为尺度因子，分别表示图像坐标中x，y方向单位距离的像素个数。
综合上述坐标变换，可以得到空间坐标与像素坐标的直接转换关系为：
Figure RE-GDA0003886071360000064
其中，zc为比例因子，u为图像横坐标，v为图像纵坐标，cx为光心横坐标，cy为光心纵坐标，xw为风洞坐标系下横坐标，yw为风洞坐标系下纵坐标，zw为风洞坐标系下竖直坐标，M1为图像采集设备内参，M2为图像采集设备外参，M为投影矩阵，R为旋转矩阵，T为平移向量，fu＝f·sx和fv＝f·sy分别表示图像采集设备在u、v方向上的等效像素焦距，f为等效焦距，sx和sy为比例因子。
上述为理想状态下的线性成像模型，实际中的光学成像***由于镜头设计、装配的误差。不可避免的带来相应的光学畸变，主要有径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变，一般情况下考虑径向畸变和偏心畸变，本发明中采用径向畸变模型。
因此，通过上述3次坐标转换，建立了空间中一点P与图像中一点P’的联系。由式5可知，仅利用图像中1点，无法确定空间三维坐标，因为为获取真实三维坐标，一般需要两台摄像机，提供2组图像坐标，再根据最小二乘估计世界坐标系下三维坐标。对于本发明应用而言，假定风洞模型在观察平面内发生位移，也就是说空间三维坐标(xw,yw,zw)中，zw是已知项，且为常数，因此，可利用图像坐标(u,v)实现被测对象在二维平面内位移测量。
模型变形测量原理：
将图3所示的标定板，图3中1为标定板的板身，2为标记点，其中，标定板材质可以为透明玻璃，标定点可以为黑色圆形，可以采用涂抹的方式添加在标定板上。标记板用于定义世界坐标系(xw,yw,zw)。基于标定板定义的世界坐标系时可以以标记板中的中心点为原点。用于二维变形测量，设置测量对象zw＝0，则由此定义模型测量坐标系(X,Y)。
为减小透视畸变干扰，如图4所示，图4中a为标记点之间的间距，试验前将标定板与试验模型测量侧面平行放置，摄像机尽量正视拍摄当前标定板图像，以该标定板图像定义模型测量平面坐标系(X,Y)。
试验模型变形测量基本方法是：
选定参考帧(比如第一帧图像)图像中需要测量点位置，比如模型头部圆心位置，根据摄像机标定结果，并由式(5)的方程，计算测量点在所定义的测量平面内位置(X0，Y0)；
然后，通过图像处理算法，比如图像内容匹配、图像形状匹配等方法，在后续帧中找到所选择测量点位置；
根据摄像机标定结果，并由式(5)的方程，得到测量点在所定义的测量平面内位置(Xt， Yt)；
根据位置结果，计算时间轴上位移量：
Figure RE-GDA0003886071360000071
Figure RE-GDA0003886071360000081
Figure RE-GDA0003886071360000082
其中，Dy为风洞坐标系下y方向上位移量，Dx为风洞坐标系下x方向上位移量，Dxy为风洞坐标系下x、y平面内位移量。
视觉测量***标定：
摄像机标定
摄像机标定通过一系列空间位置已知的参考点用于确定摄像机投影方程中内外参数。常用摄像机标定方法，包括直接线形变换法、RAC两步法、张正友标定法。其中，张正友标定法利用多幅不同视角位置的标定板上特征点的世界坐标与其图像上像点图像坐标间对应关系，进行摄像机标定，具有使用简单、标定精度高等优点。因此本发明采用基于张正友标定法进行摄像机标定，并对摄像机拍摄图像进行非线性畸变修正。
标定精度分析，可用于测量***标定精度评估，可以采用多张标定板图像进行试验标定精度评估，具体试验评估方式本发明实施例不进行具体的限定。
其中，图3是采集的标定板图像，标定板大小为10*10cm，包含了7*7共49个圆心标记点，标记点间距离为6.25mm，标定板加工精度为1um。标定板的大小以及圆心标记点的个数和之间的间距可以根据实际需要进行调整，本发明实施例不进行具体的限定。
试验模型变形测量：
试验模型头部圆心位移测量，本发明以试验模型头部圆心为基准，用于测量模型头部位移量。
所采用的图像处理方法是：首先对图像进行中值滤波去噪，消除图像噪声，然后进行亚像素精度图像边缘提取，然后通过圆形拟合，找到头部圆心位置，以此实现头部圆心跟踪和测量。
本发明所采用亚像素边缘提取方法，用于确定模型边界，图5是提取的试验模型边界结果。通过对边缘处图像像素进行函数拟合，包括高斯、多项式、正交基拟合等，可实现亚像素边缘定位，一般精度优于0.1像素。
获取模型边缘图像后，通过对边缘进行基于最小二乘的圆形拟合，可以得到头部圆心，进而实现测量点图像坐标获取，再根据标定结果，即可计算测量点在模型测量平面内位置。
本发明中预设点位置可以为多个，如5个，试验模型轴向5点位移测量，沿模型轴向选择5个测量点，图像匹配方法是：以测量点为中心，沿模型轴向，设定矩形，选择图像块为参考模块，然后以此模板图像在待匹配图像中，搜索最优匹配图像，采用的匹配准则为：ZNCC(去中心归一化互相关准则)：
Figure RE-GDA0003886071360000091
其中，C为相关系数度量值，I(u,v)是模板图像像素值，I'(u,v)是待匹配图像搜索区域内像素值，Im是模板图像均值，I'm待匹配图像搜索区域内像素值，采用ZNCC模型可以较好地解决图像亮度变化问题，因此，试验过程中因水雾导致的图像亮度变暗，也能实现匹配。在ZNCC准则下，最优匹配像素具有较大的相关性系数。
根据5个测量点的连线，用于估计两两角度变化。AB两点连线的角度计算方法如图6 所示，计算AB连线与水平轴的夹角，逆时针方向为正，单位为弧度。
数据去噪处理
由于拍摄模型表面可利用的纹理信息较小，因此在匹配和测量过程中，难免发生误匹配，产生错误测量结果，为此，对最终的计算结果先进行异常检测，消除错误匹配计算结果，再通过中值滤波消除噪声。
本发明通过综合选择和优化图像处理算法，基本实现了特殊风洞中试验模型的位移量测量。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：将试验模型安装在风洞中，所述风洞为高超声速风洞或高温风洞；
步骤2：将光源和图像采集设备安装在试验模型同侧；
步骤3：基于标定板定义所述试验模型的第一测量平面坐标系；
步骤4：将试验模型在所述风洞中进行试验，并利用所述图像采集设备拍摄若干具有时间先后顺序的图像获得图像集；
步骤5：从所述图像集中选定参考图像，从参考图像中选定需要测量的预设点位置，根据图像采集设备标定结果，计算预设点位置在所述第一测量平面坐标系内第一位置坐标信息；
步骤6：在所述图像集中选择所述参考图像之后的第一图像，在所述第一图像中找到所述预设点位置；
步骤7：计算所述第一图像中的所述预设点位置在所述第一测量平面坐标系内第二位置坐标信息；
步骤8：基于所述第一位置坐标信息和所述第二位置坐标信息，计算获得所述预设点位置的位移量，基于所述位移量获得所述试验模型的变形量。
2.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，本方法基于空间坐标与图像中像素坐标之间的转换关系计算第一位置坐标信息和第二位置坐标信息。
3.根据权利要求2所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，空间坐标与图像中像素坐标之间的转换关系为：
Figure FDA0003800675770000011
其中，zc为比例因子，u为图像横坐标，v为图像纵坐标，cx为光心横坐标，cy为光心纵坐标，xw为风洞坐标系下横坐标，yw为风洞坐标系下纵坐标，zw为风洞坐标系下竖直坐标，M1为图像采集设备内参，M2为图像采集设备外参，M为投影矩阵，R为旋转矩阵，T为平移向量，fu＝f·sx和fv＝f·sy分别表示图像采集设备在u、v方向上的等效像素焦距，f为等效焦距，sx和sy为比例因子。
4.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，所述标定板包括板身，所述板身上均匀分布有若干标定点。
5.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，所述方法通过图像内容匹配方法或图像形状匹配方法在所述第一图像中找到所述预设点位置。
6.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，所述方法采用以下方式计算所述预设点位置的位移量：
第一位置坐标为(X0，Y0)，第二位置坐标为(Xt，Yt)；
Figure FDA0003800675770000021
Figure FDA0003800675770000022
Figure FDA0003800675770000023
其中，Dy为风洞坐标系下y方向上位移量，Dx为风洞坐标系下x方向上位移量，Dxy为风洞坐标系下x、y平面内位移量。
7.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，所述方法采用直接线形变换法或RAC两步法或张正友标定法对图像采集设备进行标定。
8.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，在图像采集设备采集到图像后，所述方法采用图像处理方式对图像进行处理：
对图像进行中值滤波去噪，对去噪后的图像进行亚像素精度图像边缘提取，对提取获得边缘图像进行拟合找到试验模型测量目标位置。
9.根据权利要求5所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，所述方法通过以下图像匹配方式在所述第一图像中找到所述预设点位置图像：以测量点为中心，沿试验模型轴向设定矩形，基于矩形从参考图像中选择图像块为参考模块，然后以参考模块在待匹配图像中采用的准则是去中心归一化互相关准则搜索最优匹配图像。
10.根据权利要求1所述的一种面向高温高超声速流场的模型变形测量方法，其特征在于，从参考图像中选定沿试验模型轴向分布的若干个预设点位置，在参考图像中计算获得相邻两个预设点位置连线的第一角度信息，在第一图像中计算获得相邻两个预设点位置连线的第二角度信息，基于第二角度信息和对应的第一角度信息计算获得对应的连线角度变化量，基于连线角度变化量获得试验模型的弯曲变形量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118032264A (zh) * 2024-04-09 2024-05-14 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种适用于高速风洞高温高速下的变形测量方法及装置

Cited By (1)

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CN118032264A (zh) * 2024-04-09 2024-05-14 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种适用于高速风洞高温高速下的变形测量方法及装置

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