定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰圖像處理方法的研究*

劉 磊侯 佳呂曉輝唐華浩(.武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 40065;.華中科技大學(xué),湖北 武漢 40075; .武漢理工大學(xué),湖北 武漢 4006)

定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰圖像處理方法的研究*

劉 磊1侯 佳2呂曉輝3唐華浩3
(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065;2.華中科技大學(xué),湖北 武漢 430075; 3.武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430063)

該文介紹了定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和原理,以及K值(標(biāo)定比例)的確定方法。通過高速攝影機(jī)對定容燃燒彈內(nèi)預(yù)混層流燃燒火焰進(jìn)行實(shí)時拍攝,獲得其火核形成與火球擴(kuò)散的數(shù)據(jù)信息。對定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰圖片利用計(jì)算機(jī)編程了圖像處理程序。利用該程序?qū)?20張預(yù)混層流燃燒火焰圖片進(jìn)行了處理與分析,結(jié)果表明:圖像檢測正確率為95.2%,檢測所需時間為3.5秒,使定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性都有了大幅提高,為定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)研究提供了極大便利。

定容燃燒彈;層流火焰;圖像處理

定容燃燒彈可以模擬發(fā)動機(jī)活塞在上止點(diǎn)附近的燃燒。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,能夠方便的改變熱力學(xué)的參數(shù),湍流參數(shù)和點(diǎn)火參數(shù)[1],是對內(nèi)燃機(jī)燃燒理論進(jìn)行基礎(chǔ)研究的重要工具。利用定容燃燒彈裝置可以控制單一參數(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒性能的影響。利用高速攝像機(jī)可以拍攝到定容燃燒彈內(nèi)部的火核形與火焰擴(kuò)散過程,得到層流燃燒火焰半徑,再通過火焰半徑與高速攝影機(jī)幀數(shù)關(guān)系,進(jìn)而得到火焰?zhèn)鞑ニ俣?。無拉伸層流火焰燃燒速度以及無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊热紵龑W(xué)參數(shù)的獲得可以通過建立火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰拉伸與之間的關(guān)系而獲得[2]。這樣便能利用定容燃燒彈設(shè)備對內(nèi)燃機(jī)燃料的預(yù)混層流火焰特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得需要通過高速紋影攝影實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)過程中高速攝像機(jī)以每秒20000幀甚至更高的頻率記錄層流火焰發(fā)展歷程。想要測出火焰半徑隨時間的變化,工作量十分巨大,每次實(shí)驗(yàn)后都留下成千上萬幅圖片需要處理。傳統(tǒng)的人工處理方法耗時巨大且精度較低。因此我們提出利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來對定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰圖片進(jìn)行處理,編寫了測量火焰半徑的程序,使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性都大大提高。

1 定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由五個子系統(tǒng)共同組成的,即定容燃燒彈彈體、溫度控制子系統(tǒng)、預(yù)混層流燃燒混合氣供給與配制子系統(tǒng)、電極點(diǎn)火子系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及高速攝影機(jī)與圖像采集子系統(tǒng)。如圖1和圖2所示即為定容燃燒彈系統(tǒng)原理圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖。利用該實(shí)驗(yàn)裝置我們便可對預(yù)混層流燃燒混合氣體在不同的溫度、壓力以及過量空氣系數(shù)等因素下燃燒的火核形成與火焰擴(kuò)散的過程進(jìn)行記錄與研究。在用電極點(diǎn)火子系統(tǒng)對預(yù)混合進(jìn)行點(diǎn)火之前先將混合氣體靜置一段時間使其進(jìn)行充分混合,其中混合氣體按照分壓定律配置。電極點(diǎn)火子系統(tǒng)點(diǎn)火的同時會觸發(fā)高速攝像機(jī)對容彈內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行拍攝,此時壓力數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)會同步記錄壓力數(shù)據(jù)。

圖1 容彈系統(tǒng)原理圖

圖2 容彈實(shí)驗(yàn)裝置圖

壓力數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及高速攝影機(jī)與圖像采集子系統(tǒng)可以對定容燃燒彈內(nèi)的壓力進(jìn)行測量,同時記錄下混合氣層流燃燒火焰擴(kuò)散全過程。未燃?xì)獾臏囟?、壓力以及?dāng)量比等條件會影響到混合氣體的層流火焰燃燒速度,然而,定容燃燒彈試驗(yàn)裝置是一個體積不變的封閉空間,在彈體內(nèi)燃燒就會引起整個環(huán)境的溫度、壓力變高。故只有在幾乎不損失火焰能量且已然氣為準(zhǔn)定壓絕熱燃燒而未然區(qū)的壓力溫度等條件幾乎不變的情況下才能將混合氣的層流燃燒速度近似為火焰燃燒速度。圖3所示為彈體內(nèi)預(yù)混層流燃燒混合氣體在電極點(diǎn)火子系統(tǒng)點(diǎn)火后火焰呈球形擴(kuò)散圖片。電極點(diǎn)火子系統(tǒng)通過兩根平行相對的電針對混合氣體點(diǎn)火,電針兩極的電壓大小不同會使得系統(tǒng)初始的點(diǎn)火能量發(fā)生變化,這樣就會對層流火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生影響?；鹧姘霃教r這種影響會使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。只有當(dāng)火焰半徑大于5mm時誤差才能忽略。所以通常取火焰半徑值在5mm到25mm區(qū)間內(nèi)(在該區(qū)間內(nèi)我們才能將已然區(qū)氣體的擴(kuò)散近似作一個定壓絕熱燃燒過程,將未然區(qū)氣體近似作未點(diǎn)火前狀態(tài)。)取得的數(shù)據(jù)作為定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后用五點(diǎn)三次法對定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

圖3 火核發(fā)展紋影照片

上式中:rn即為層流燃燒火焰半徑值;t為火焰?zhèn)鞑r間。在實(shí)際計(jì)算時,通常也可以采用下式進(jìn)行求解:

上式中:Sni為i時刻容彈內(nèi)層流燃燒拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?ri+1和ri-1分別為i+1和i-1時刻的層流燃燒火焰半徑值,Ti+1和Ti-1為i+1和i-1時刻[3]。

2 K值(標(biāo)定比例)的確定

K值即標(biāo)定比例的值指的是,高速攝影機(jī)調(diào)整好焦距后,拍攝到的實(shí)際尺寸與實(shí)際紋影照片像素之間的比例關(guān)系K(mm/像素)。定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中對于K值的確定是通過容彈實(shí)驗(yàn)裝置中的尺寸與實(shí)際拍攝的紋影照片中的像素尺寸來確定標(biāo)定比例的。

K=實(shí)驗(yàn)中實(shí)際尺寸/實(shí)際紋影照片像素(mm/像素)

本文對K值的確定給出了兩種方法。第一種方法是將實(shí)際測量的定容燃燒彈中電針直徑尺寸與實(shí)際紋影照片中電針的直徑像素之間的比例關(guān)系K1(mm/像素)定義為比例尺寸。這種定義

可燃?xì)怏w在定容燃燒彈內(nèi)預(yù)混層流燃燒的過程可以近似的當(dāng)作一個準(zhǔn)球形膨脹燃燒。在球形膨脹燃燒的過程中拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢杂蓪恿魅紵鹧姘霃脚c火焰?zhèn)鞑r間的比值求出:方法沒有理論誤差,但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中,電針直徑尺寸較小且各處電針直徑并不均勻,測量實(shí)際定容燃燒彈中電針直徑尺寸存在測量實(shí)驗(yàn)誤差。第二種方法是將實(shí)際測量的定容燃燒彈圓形石英玻璃直徑尺寸與實(shí)際紋影照片中圓形視野直徑的像素之間的比例關(guān)系K2(mm/像素)定義為比例尺寸。這種定義方法存在理論誤差,由于定容燃燒彈圓形石英玻璃直徑尺寸較電針直徑尺寸大得多且較易測量,故測量實(shí)際定容燃燒彈中圓形石英玻璃直徑尺寸的實(shí)驗(yàn)誤差較小。

K1=定容燃燒彈中電針直徑尺寸/實(shí)際紋影照片中電針的直徑像素(mm/像素)

K2=實(shí)際測量的定容燃燒彈圓形石英玻璃直徑尺寸/實(shí)際紋影照片中圓形視野直徑的像素(mm/像素)

3 層流燃燒火焰圖像處理方法

我們首先使用高斯濾波和中值濾波對高速攝影機(jī)拍攝的初始圖像進(jìn)行預(yù)處理,通過從初始圖像中的某個采樣窗口取出奇數(shù)個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,用排序后的中值取代要處理的數(shù)據(jù),使得周圍的像素值能更接近的真實(shí)值,從而消除孤立的干擾點(diǎn),起到保護(hù)邊緣信號,平緩去噪的作用。接著,我們從Canny、Robes、Cross、Prewitt和Sobel等邊緣檢測算子[4]中,選擇Canny算子進(jìn)行圓弧邊緣提取。Canny相對于其它邊緣檢測算子能最大程度的保證完整的細(xì)節(jié)信息。最后,運(yùn)用投影定位法分別對二值圖進(jìn)行水平和垂直方向的投影,得到投影圖,然后對投影圖進(jìn)行均衡化、波峰合并等措施得到圖像的目標(biāo)區(qū)域(可疑波峰),分別得到水平投影目標(biāo)區(qū)域?qū)挾萯LenHorizontal,垂直投影目標(biāo)區(qū)域?qū)挾萯Len Vertical,進(jìn)而得到圓形半徑為:

定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),存儲投影形成的峰的信息。

其算法實(shí)現(xiàn)如下:

(1)對邊緣圖像(二值圖)進(jìn)行水平投影,得到水平直方圖。

(2)對水平直方圖進(jìn)行去噪,當(dāng)直方圖某點(diǎn)值小于T時,令該點(diǎn)的投影值為0,實(shí)驗(yàn)中T取3。

(3)使用1*5的模板對直方圖進(jìn)行均衡化(就是求其左右各兩個點(diǎn)、自身的平均值)。

(4)遍歷所有的波峰,使用定義Peak結(jié)構(gòu)體,把各峰信息用線性鏈表逐個記錄,包括波峰的起始、終止、峰值等信息。

(5)對記錄的各峰訪問,合并臨近的可疑的波峰,若某波峰結(jié)束坐標(biāo)和下一個波峰的起始坐標(biāo)較近(試驗(yàn)中坐標(biāo)差取20),轉(zhuǎn)至(6);否則,轉(zhuǎn)至(7)。

(6)將兩個波峰合并為一個波峰,起始坐標(biāo)、終止坐標(biāo)、峰的寬度,轉(zhuǎn)至(5)。

(7)若波峰信息訪問未結(jié)束,則轉(zhuǎn)至(5);否則執(zhí)行下一步。

(8)重新訪問波峰信息,記錄峰值寬度最寬的峰,得到其起始坐標(biāo)iStart Coord和終止坐標(biāo)iEnd-Coord。

(9)計(jì)算水平投影目標(biāo)區(qū)域?qū)挾?iLen Horizontal=iEnd Coord-iStart Coord。

(10)依照步驟(1)-(9),對水平方向進(jìn)行投影,得到垂直投影目標(biāo)區(qū)域?qū)挾萯LenVertical。

(11)按公式(3)計(jì)算圓弧半徑。

4 層流燃燒火焰圖像處理結(jié)果

高速攝影機(jī)與圖像采集子系統(tǒng)的拍攝頻率為20000幀/秒,用如此高頻率的攝影機(jī)對定容燃燒彈內(nèi)預(yù)混層流燃燒火焰擴(kuò)散過程進(jìn)行實(shí)時拍攝會得到巨大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。單憑人工方法來測量每一幅圖片的球形火焰的半徑值,耗時巨大。同時由于人工處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會造成個人誤差,造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此,我們利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù),編寫了層流燃燒火焰半徑提取程序[5、6]。利用該程序?qū)恿魅紵鹧鎴D片進(jìn)行批量處理能使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性都得到大幅提高。以下是用該程序處的圖片總共220張,在處理過程中,火焰大致可以分為三個階段。

4.1 預(yù)混層流燃燒球形火核形成初始階段

圖4為預(yù)混層流燃燒球形火核初始形成階段高速攝影機(jī)與圖像采集子系統(tǒng)捕捉到的實(shí)時火焰圖片。在初始階段中,層流燃燒火核還未穩(wěn)定形成,球形火焰半徑非常小且檢測圓半徑值偏小,導(dǎo)致提取到的球形火焰半徑值波動較大,檢測的效果不理想。

圖4 預(yù)混層流燃燒球形火焰初始形成階段計(jì)算機(jī)檢測圖片

4.2 預(yù)混層流燃燒球形火焰擴(kuò)散階段

圖5為預(yù)混層流燃燒球形火焰正常擴(kuò)散階段由高速攝影機(jī)與圖像采集子系統(tǒng)捕捉到的實(shí)時火焰圖片。在火焰擴(kuò)散階段中,球形火焰半徑慢慢增大,火球穩(wěn)定發(fā)展,圖片檢測效果比較理想。

圖5 預(yù)混層流燃燒球形火焰擴(kuò)散階段計(jì)算機(jī)檢測圖片

4.3 預(yù)混層流燃燒球形火焰超出高速攝影機(jī)拍照視野階段

圖6為預(yù)混層流燃燒球形火焰過大超過拍攝視野階段高速攝影機(jī)與圖像采集子系統(tǒng)捕捉到的實(shí)時火焰圖片。在球形火焰半徑過大階段中,火焰邊界超出高速攝像機(jī)所能拍攝到的范圍,計(jì)算機(jī)檢測得到的火焰半徑值隨時間劇烈波動,該火球過大階段取得的圖片數(shù)據(jù)基本無效。

對全部220張預(yù)混層流燃燒火焰圖片進(jìn)行檢測,統(tǒng)計(jì)檢測結(jié)果:層流燃燒火焰半徑提取正確率(包括無效圖片在內(nèi))為90.5%;層流燃燒火焰半徑提取正確率(不包括無效圖片在內(nèi))為95.2%。對全部220張火焰圖片在Intel?AtomTMN270@1.60 GHzCPU主頻計(jì)算機(jī)上利用定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰半徑提取程序?qū)恿魅紵鹧鎴D片進(jìn)行處理,系統(tǒng)處理耗時少于3.5秒。

圖6 預(yù)混層流燃燒球形火焰超出高速攝影機(jī)拍照視野階段計(jì)算機(jī)檢測圖片

5 結(jié)論

(1)對定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行了介紹,比較了不同的K值(標(biāo)定比例)的確定方法。通過高速攝影機(jī)對定容燃燒彈內(nèi)預(yù)混層流燃燒火焰進(jìn)行實(shí)時拍攝,獲得其火核形成與火球擴(kuò)散的數(shù)據(jù)信息。

(2)利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)編寫了定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰半徑提取程序。利用該程序?qū)恿魅紵鹧鎴D片進(jìn)行批量處理能使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性都得到大幅提高。

(3)對220張預(yù)混層流燃燒火焰圖片進(jìn)行檢測,統(tǒng)計(jì)檢測結(jié)果:層流燃燒火焰半徑提取正確率(包括無效圖片在內(nèi))為90.5%;層流燃燒火焰半徑提取正確率(不包括無效圖片在內(nèi))為95.2%。

(4)利用定容燃燒彈預(yù)混層流燃燒火焰半徑提取程序?qū)恿魅紵鹧鎴D片進(jìn)行處理,計(jì)算機(jī)處理耗時少于3.5秒。

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TK438.9

A

1672-9846(2013)03-0075-04

2013-07-20

劉 磊(1985-),男,湖北武漢人,武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院教師,主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制研究。

侯 佳(1988-),男,湖北武漢人,華中科技大學(xué)碩士研究生,主要從事圖像識別與人工智能研究。

呂曉輝(1987-),男,山東青島人,武漢理工大學(xué)碩士研究生,主要從事內(nèi)燃機(jī)性能模擬與仿真研究。

唐華浩(1986-),男,廣西柳州人,武漢理工大學(xué)碩士研究生,主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制研究。