基于軌跡圖像的霧滴顆粒運動速度光電測量方法

吳 超，王壽松

基于軌跡圖像的霧滴顆粒運動速度光電測量方法

吳 超1，王壽松2

（1.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠綜合管理處，南京210094；2.南京執(zhí)銳科技實業(yè)有限公司，南京210019）

為了對雙介質(zhì)噴嘴霧滴顆粒的運動速度分布進行測量，建立了基于波長為532nm連續(xù)激光器和工業(yè)相機組成的在線測量系統(tǒng)，并獲得了霧滴的軌跡圖像。采用Steger方法對獲得的粒子軌跡圖像進行了圖像處理，取得了霧滴顆粒的速度分布的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，所開發(fā)的基于粒子軌跡圖像霧滴速度分布光電測試方法可以滿足在線測量的要求。

激光技術(shù)；軌跡圖像；速度分布；雙介質(zhì)噴嘴；圖像處理；煙草加香

引 言

煙草制絲加工過程中，往往需要使用雙介質(zhì)噴嘴對煙草進行加料、增濕和加香處理，因而對雙介質(zhì)的噴嘴的工作特性進行研究，可以提高煙草的加料、增濕和加香效果，對節(jié)能增效具有重要的意義。然而，目前該方面還基本停留在工藝參量優(yōu)化研究方面，對直接影響煙草均勻吸收的噴嘴工作狀態(tài)判斷也只停留在經(jīng)驗判斷方面。所以，有必要對噴嘴的工作狀態(tài)及效果進行定量測試研究，而其中，霧滴顆粒的速度分布是給料效果的重要影響因素之一。

對霧滴顆粒速度的測量有多種方法，如激光多普勒測速法（laser Doppler velocimetry，LDV）［1］、高速攝影［2］、粒子成像測速（particle image velocimetry，PIV）［3-4］、數(shù)字全息技術(shù)［5］等等。然而這些方法都有各自的優(yōu)缺點，如LDV只能進行單點測量，而且對測量環(huán)境要求高；PIV設(shè)備和數(shù)字全息技術(shù)設(shè)備復(fù)雜且昂貴；高速攝影的圖像分辨率低、軟件處理速度慢、價格也比較昂貴［6］。而最近發(fā)展起來的一種基于粒子軌跡圖像的測試方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可視化測量的特點。目前國內(nèi)外不少學(xué)者嘗試將其用于在線測量。如2007年，ZHANG等人用單幀圖像測量汽輪機低壓缸內(nèi)二次水滴的速度和流動角［7］；2009年，CHINNAYYA在4MW煤粉燃燒器實驗機組的水平輸粉管道上安裝了圖像探針，并利用該方法測量了顆粒物的速度［8］；2011年，WU等人對煤粉顆粒的粒徑和速度進行了測量［9］；2011年，ZHANG等人利用該方法對固相二相流速度場進行了測量，重點研究了圖像處理算法［4］。目前該方法應(yīng)用難點在于圖像處理算法尚不夠完善。常見的光條中心線提取方法有灰度閾值法、極值法和梯度閾值法等，這些方法實現(xiàn)簡單，但精度不高。STEGER利用Hessian矩陣得到圖像中的道路和血管等類似條紋的法線方向，然后求法線方向上的極值點得到條紋中心線的亞像素位置［10-11］。Steger方法具有精度高、魯棒性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航拍圖像和醫(yī)學(xué)圖像的自動分割。

本文中首先建立了基于激光片光源的在線測試系統(tǒng)，對煙草行業(yè)所用的雙介質(zhì)噴嘴的速度分布進行了測量，獲得了霧滴的軌跡圖像，并采用Steger方法進行圖像處理，得到了霧滴顆粒軌的速度分布。

1 測量原理

針對運動顆粒的測試中，為了防止顆粒圖像的模糊，需要盡量縮短顆粒圖像的曝光時間。通?？梢圆捎脙煞N方式，一種是通過加快CCD的快門速度；另外一種方式是采用瞬態(tài)探測光源照明。由于現(xiàn)有的工業(yè)相機曝光時間通常都在數(shù)微秒量級，當顆粒具有較高的速度，或者測量系統(tǒng)具有較大的放大率的時候，單純利用工業(yè)相機往往無法避免顆粒圖像的模糊，因而測試高速運動物體速度常需要瞬態(tài)光源。如PIV方法測速，通常采用調(diào)Q的脈沖激光，即持續(xù)時間為納秒量級的光脈沖作為瞬態(tài)照明光源。該光源可以克服拍攝時因顆粒運動引起圖像的模糊，然而這樣做顯著地增加了設(shè)備成本。

基于顆粒軌跡圖像的方法充分利用相機長曝光的特點，該方法還要適當減緩相機快門速度，使顆粒獲得較長的曝光時間。這樣獲得的顆粒圖像實際上是顆粒運動的軌跡。對顆粒軌跡圖像進行處理，即可獲得顆粒的運動速度。相應(yīng)的測試系統(tǒng)中采用連續(xù)激光器和工業(yè)相機各一個，相對于傳統(tǒng)的測試方法顯著降低了成本。

設(shè)相機的曝光時間為te，該曝光時間可以通過程序設(shè)置后自動執(zhí)行。設(shè)顆粒的軌跡長度分別為L，設(shè)鏡頭的成像倍率為β，則顆粒的粒徑d可表示為：

當L?d時，則由上式可得到：

當運動顆粒在光源照明下的軌跡足夠長時，可以忽略粒徑的影響，并由（2）式得到顆粒的運動速度。這是本文中涉及的測試系統(tǒng)的測量原理。相機的曝光時間te可以通過軟件設(shè)置得到，而鏡頭的成像倍率β也能通過實驗測量得到，于是如何通過圖像處理的方法獲得顆粒軌跡的長度成為該測量方法的關(guān)鍵。

由于存在畸變，因而鏡頭的成像倍率β并不是固定值。因而為了獲得更加準確的結(jié)果，本文中采用國際象棋盤圖案的標定板和開源軟件Open CV中的標定算法對該測試系統(tǒng)的成像鏡頭進行標定，標定板尺寸為20mm×20mm。由于標定算法比較成熟，這里不再贅述。

另外，相機的真實門寬也與標稱值有所偏差，因而也需要對相機的快門的真實曝光時間進行標定。作者采用一個調(diào)Q的脈沖光源進行標定，測試原理如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of camera gate width calibration setup

通過電腦設(shè)置工業(yè)相機的門寬tw，并通過數(shù)字延時器DG535改變調(diào)Q脈沖激光和工業(yè)相機之間的延時時間td。測試系統(tǒng)中，程序自動以td×1%的步長掃描－2tw＜td＜2tw的延時區(qū)間（如果td×1%大于相機最小可設(shè)置的步長，以相機最小步長掃描），在每步延時獲取相機采集到的圖像，并判斷采集圖像的曝光亮度。如果曝光亮度超過設(shè)定的閾值（系統(tǒng)圖像的亮度閾值設(shè)為50，其中相機的最高亮度為255），則認為激光輸出的脈沖光在門寬之內(nèi)，如果不滿足，則說明相機沒有采集到脈沖激光。通過程序可以得到一組td，求得最大值td，max和最小值td，min，兩者之差即為工業(yè)相機在標稱門寬tw的真實門寬te。

2 實驗裝置

霧滴顆粒速度測量裝置如圖2所示。該裝置有待測的雙介質(zhì)噴嘴、連續(xù)激光器、工業(yè)相機和電腦組成。其中連續(xù)激光波長為532nm，輸出功率1.2W，激光片光源厚度約為1mm。此處的片光源不宜過厚，這樣測試區(qū)域的霧滴顆粒密度就不會過高，否則嚴重的重疊會給圖像處理帶來困難；而片光源太薄的話，顆粒易穿出測試區(qū)域，加大了速度測量的誤差。綜合考慮，本文中采用的厚度為1mm，而且使片光源穿過了噴射區(qū)域的中心軸位置，這樣可以基本保證霧滴顆粒能夠被片光源照亮。噴嘴采用空氣引射水，引射的氣壓可以調(diào)節(jié)。

Fig.2 Schematic diagram of test system

測試區(qū)域霧化顆粒的軌跡圖像由數(shù)字相機實時采集，并傳輸給電腦進行實時處理。相機的曝光時間最低為10μs，分辨率為1024×768。在測量中，需根據(jù)霧滴顆粒的軌跡圖像改變相機的門寬。這是因為如果相機的門寬太寬，得到的霧滴顆粒的軌跡圖像重疊嚴重，將給圖像處理帶來困難；如果相機的門寬太窄，一方面會引起霧滴顆粒圖像的曝光不足，另外一方面，粒子軌跡會比較短，給測量結(jié)果帶來誤差。

3 測量結(jié)果和軌跡圖像處理

圖3所示為壓縮空氣壓力約為0.25MPa時的典型圖像，測試區(qū)域距離噴嘴約1m的距離。

Fig.3 Typical image obtained when compressed air pressure is0.25MPa

為了獲得高精度的測試結(jié)果，作者采用Steger方法［10-11］。相對于傳統(tǒng)的灰度閾值法、極值法和梯度閾值法等算法，Steger方法能給出更高精度的測量結(jié)果。該方法利用Hesslan矩陣得到方向，然后求得法線方向上的極值點得到條紋中心線的亞像素位置。Steger方法具有精度高、魯棒性好等優(yōu)點。作者采用與ZHOU等人對結(jié)構(gòu)光相類似的處理方法［12］。具體的操作如下。

首先利用模板高斯卷積計算霧滴顆粒軌跡圖像上各點的Hessian矩陣確定其法線方向，在法線方向進行泰勒級數(shù)展開求得亞像素坐標，并將相鄰的中心點連接。如果兩個霧滴顆粒過近，得到的中心點可能位于兩條直線上，此時可利用直線的交叉點對直線進行拆分。最后對共線中心點進行融合，構(gòu)成新的直線，通過長度的約束，得到霧滴軌跡對應(yīng)的中心點，然后進行直線擬合，即可得到霧滴顆粒的軌跡圖像。

提取的軌跡如圖4所示。由圖4可以看出，該方法基本能夠準確獲取圖中大部分的霧滴顆粒軌跡。結(jié)合之前圖像定標的結(jié)果，即可得到軌跡在世界坐標系中的長度。已知相機的曝光時間，通過簡單的計算就可以得到霧滴顆粒的速度。

Fig.4 Trajectory map extracted with Steger method

基于該算法，本文中開發(fā)了實時在線測試的軟件。程序運行時，軟件自動采集圖像，并自動提取顆粒圖像進行分析和統(tǒng)計，程序設(shè)定統(tǒng)計數(shù)量為5000個，當統(tǒng)計數(shù)量超過5000個時，程序就會停止采集圖像，并輸出結(jié)果。

圖5中給出了霧滴顆粒速率分布，從圖中可以看出，其速率主要分布在1m／s～3m／s之間，個別速率接近5m／s。作者認為這是由于壓縮空氣氣壓不穩(wěn)定造成的，也可能是由于霧化不充分，存在的較大的顆粒具有較高的速度，這需要進一步的研究。另外，仔細觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，圖中有兩個的霧滴顆粒具有較高的速度，這與測試的結(jié)果相符。

Fig.5 Droplet particle velocity distribution

系統(tǒng)的測試誤差主要來源于兩個方面：一個方面是成像鏡頭不可避免地存在一些失真，系統(tǒng)采用的鏡頭標稱失真率約為0.1%，該失真也會造成一些誤差；另一個方面，系統(tǒng)忽略了霧滴粒徑的影響，當霧滴顆粒的運動軌跡足夠長時，該誤差可忽略不計。

另外需要指出的是，當霧滴的濃度過高時，將有大量的霧滴軌跡重疊，雖然本文中的算法能夠區(qū)別一定的重疊，但是若發(fā)生大量的重疊，特別是霧滴軌跡首尾相連的情況發(fā)生概率提高時，就會給系統(tǒng)帶來顯著的誤差，此時可通過提高測試系統(tǒng)的放大率，同時縮短相機的快門來避免霧滴軌跡圖像的大量重疊，進而提高測量誤差。

4 結(jié) 論

針對煙草行業(yè)所用的雙介質(zhì)噴頭噴霧顆粒速度分布測量的問題，本文中開發(fā)了基于軌跡圖像處理的在線測試系統(tǒng)，其測量原理簡單、價格低廉。對系統(tǒng)獲得的圖像以Steger方法為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了其亞像素精度的提取相關(guān)信息。由于Steger方法具有較好的魯棒性，以該方法為基礎(chǔ)開發(fā)的程序，實現(xiàn)了軌跡圖像的在線實時測量，并獲得了理想的結(jié)果，為煙草行業(yè)所用的雙介質(zhì)噴嘴的霧化狀態(tài)的表征提供了技術(shù)手段。

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Measurement method of the drop let particle velocity based on the trajectory images

WUChao1，WANGShousong2
（1.Integrated Management Office，Nanjing Cigarette Factory，China Tobacco Jiangsu Industrial Co.Ltd.，Nanjing210094，China；2.Nanjing Zhirui Technology Industrial Co.Ltd.，Nanjing 210019，China）

In order to measure the velocity distribution of dual-media nozzle droplet particles，an on-line measurement system was established based on continuous laser at 532nm wavelength and industrial cameras.The droplet trajectory images were obtained.The Steger method was used to process the particle trajectory images.The velocity distribution of droplet particles was extracted.The results show that the test method for measuring the speed distribution of the droplet particles based on particle trajectory images，meets the requirements of the online measurement.

laser technique；track image；velocity distribution；dual media nozzle；image processing；tobacco flavoring

TP391.41

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.015

1001-3806（2014）02-0214-04

吳 超（1972-），男，工程碩士，工程師，主要研究方向為機械設(shè)計、電氣控制。

E-mail：wuchao_ny＠126.com

2013-05-20；

2013-07-10