基于多特征融合分析的羽流煙霧區(qū)域識(shí)別

孫 美 魏志剛 王長健 朱傳帥 劉科祥 趙 露

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065； 2.西安電子科技大學(xué)，西安 710071)

1 引 言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過噴管排出大量燃燒和裂解的產(chǎn)物。其中，產(chǎn)生的二次羽流煙霧會(huì)在較大空間范圍對(duì)光學(xué)信號(hào)有散射和吸收的作用，影響武器系統(tǒng)的制導(dǎo)，并有可能暴露火箭發(fā)射平臺(tái)。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流煙霧特性的表征、測量和評(píng)估是固體推進(jìn)劑研究工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

室外自由飛行試驗(yàn)作為一種評(píng)估實(shí)際工作環(huán)境火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的手段，目前，尚沒有一種規(guī)范的方法在該環(huán)境條件下進(jìn)行羽流煙霧的定量測量。主要原因在于：傳統(tǒng)方法一般將遠(yuǎn)距離遙測作為室外自由飛行試驗(yàn)的主要測量手段，存在測試費(fèi)用昂貴，實(shí)施難度大，煙霧存續(xù)時(shí)間和分布受環(huán)境因素影響大等原因[1]。通過引入視頻圖像處理技術(shù)，限定火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行軌道，并在預(yù)定飛行軌道兩側(cè)分別布放背景板和視頻采集裝置。采用視頻成像的方法進(jìn)行羽流煙霧特征信號(hào)的測量，能夠有效模擬實(shí)際飛行的工作環(huán)境，評(píng)估火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下的羽流煙霧特性。

本文應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，提取羽流煙霧的多種特征，從背景板中識(shí)別、跟蹤羽流煙霧區(qū)域。煙霧區(qū)域的特征包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種特征，對(duì)于單幀煙霧圖像，主要有顏色、紋理、形狀、濃度特征等；對(duì)于煙霧圖像序列，主要有煙霧面積增長、運(yùn)動(dòng)方向以及擴(kuò)散速度等特征[2]。使用單一的煙霧特征進(jìn)行識(shí)別僅反映了煙霧的局部區(qū)域，難以將目標(biāo)圖像的煙霧集中區(qū)域準(zhǔn)確提取。因此，本文提出多特征融合分析的方式，充分利用煙霧的顏色、灰度和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等特征進(jìn)行煙霧區(qū)域的識(shí)別，能夠提高煙霧區(qū)域的識(shí)別準(zhǔn)確度和精度；基于此項(xiàng)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有羽流煙霧光學(xué)透過率計(jì)算作了改進(jìn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。

2 羽流煙霧透過率測試場景分析

設(shè)計(jì)一種火箭橇飛行測試系統(tǒng)，在飛行定軌兩側(cè)放置光學(xué)背景板和高速攝像機(jī)。其中，光學(xué)背景板為黑白等間隔條紋形狀，用于隔絕外場背景干擾及輔助灰度計(jì)算；高速攝像機(jī)架設(shè)于背景板垂線方向，獲取背景板范圍內(nèi)羽流煙霧的視頻。羽流煙霧視頻采集示意圖如圖1所示。

當(dāng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過背景板前方時(shí)，其尾部產(chǎn)生的羽流煙霧分布在背景板范圍內(nèi)，使得背景板的光學(xué)特性發(fā)生變化。進(jìn)行處理時(shí)，將背景板區(qū)域圖像分割為像素大小6×6的塊基元，以塊基元為單位計(jì)算羽流煙霧圖像與基準(zhǔn)圖像相同位置處的灰度對(duì)比度，通過對(duì)定標(biāo)曲線(由經(jīng)過計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)中性衰減片標(biāo)定得出)的插值計(jì)算，得出羽流煙霧在特定波段的光學(xué)透過率[3]。對(duì)采集的測試視頻進(jìn)行分幀處理，含羽流煙霧的圖像幀中，羽流煙霧在圖像上的分布情況如圖2所示。

(1)

在計(jì)算羽流煙霧光學(xué)透過率時(shí)，實(shí)際羽流煙霧區(qū)域的光學(xué)透過率煙霧為I區(qū)中塊基元計(jì)算透過率的統(tǒng)計(jì)平均。

(2)

在羽流煙霧光學(xué)透過率計(jì)算的過程中，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行煙霧區(qū)域的識(shí)別具有極其重要的作用。若不進(jìn)行煙霧區(qū)域的識(shí)別，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)內(nèi)透過率值的統(tǒng)計(jì)平均會(huì)使得實(shí)際計(jì)算的透過率高于真實(shí)值，無法表征具體配方固體推進(jìn)劑在某一環(huán)境條件下的光學(xué)遮蔽能力。

計(jì)算結(jié)果列于表2，由表2可知，最大污染指數(shù)為2.912，各污染指標(biāo)污染程度由大到小依次為BOD5、COD、氨氮、SS，SS符合排放標(biāo)準(zhǔn)，氨氮略有超標(biāo)，各類衛(wèi)生紙COD、BOD5等標(biāo)污染指數(shù)由高到低依次為低檔衛(wèi)生紙、高檔衛(wèi)生紙、中檔衛(wèi)生紙、報(bào)紙.

3 快速提取羽流煙霧的特征

相對(duì)于背景板，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通過噴管排出的羽流煙霧具有明顯的顏色及灰度特征。當(dāng)背景板前方存在羽流煙霧時(shí)，黑條紋區(qū)域與白條紋區(qū)域圖像具有不同的響應(yīng)特性。為了能夠簡化煙霧識(shí)別算法的復(fù)雜性，快速提取背景板中煙霧的特征，對(duì)背景板圖像進(jìn)行黑白條紋區(qū)域的分割，具體流程圖如圖3所示。

3.1 煙霧靜態(tài)特征提取

對(duì)黑條紋區(qū)塊的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)黑條紋區(qū)域存在煙霧時(shí)，煙霧與背景板存在明顯灰度差異，利用灰度閾值信息便能夠區(qū)分煙霧和背景板區(qū)域。

設(shè)灰度直方圖分布函數(shù)為h(x)，以雙峰法計(jì)算得出的閾值m為起點(diǎn)，對(duì)右側(cè)峰進(jìn)行積分運(yùn)算。選取右側(cè)峰灰度統(tǒng)計(jì)值的90%處作為煙霧區(qū)域分割點(diǎn)，計(jì)算分割閾值m′，能夠?qū)熿F進(jìn)行較好的識(shí)別，按公式(3)計(jì)算。

(3)

白條紋背景板的灰度特征跟羽流煙霧相似，不能單純依據(jù)灰度特征進(jìn)行煙霧分割。燃燒物質(zhì)的成分和濃度往往直接決定了燃燒生成煙霧的顏色信息。因此，可以從色彩空間提取煙霧特征。在HSV顏色空間中包括色調(diào)、飽和度和亮度三種圖像信息，色調(diào)H和飽和度S分別表示了顏色的類別和深淺程度，它們跟圖像的亮度信息相互獨(dú)立，在HSV顏色空間分析圖像便于進(jìn)行煙霧顏色特征的提取[4]。

在白條紋區(qū)域，存在的煙霧亮度大，色彩分布均勻；背景板的不同顏色分量之間具有明顯差別。因此，可以利用不同色彩通道之間的差異來分割煙霧跟背景。綜合RGB和HSV色彩空間的信息來作為煙霧區(qū)域的判斷依據(jù)，能夠?qū)熿F區(qū)域進(jìn)行有效的提取[5]。

在RGB顏色空間中，若各分量之間滿足公式(4)，則可以作為煙霧區(qū)域的判斷依據(jù)之一。

0≤α=max(|R-G|,|G-B|,|B-R|)≤10

(4)

(5)

結(jié)合公式(4)、(5)兩個(gè)條件，從RGB和HSV顏色空間綜合處理，便能夠有效的將煙霧從背景中分割。

3.2 煙霧動(dòng)態(tài)特征提取

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)飛行狀態(tài)下產(chǎn)生的二次煙霧具有在短時(shí)間內(nèi)大量生成、較大的初始動(dòng)量以及分布范圍隨時(shí)間不斷擴(kuò)散等特性。在擴(kuò)散過程中，煙霧區(qū)域邊界的濃度逐漸變淡，在空間上呈分散狀態(tài)，靜態(tài)特征只能對(duì)煙霧的集中區(qū)域進(jìn)行較為明顯的識(shí)別。為了使煙霧識(shí)別具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行煙霧擴(kuò)散區(qū)域的識(shí)別。

在視頻圖像序列中，羽流煙霧的擴(kuò)散表現(xiàn)為相鄰幀煙霧邊界的擴(kuò)張與模糊化，且背景板圖像固定，圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)只有羽流煙霧區(qū)域。因此，采用幀間差分法就能有效的對(duì)煙霧擴(kuò)散邊界進(jìn)行提取，修正靜態(tài)特征識(shí)別造成的漏判[6]，按公式(6)計(jì)算。

(6)

式中：gi(x,y)、gi-1(x,y)——分別為濾波、灰度化處理后的第i幀與第i-1幀圖像;Δσ——系統(tǒng)背景噪聲;Ii(x,y)——幀間差分計(jì)算得出的煙霧擴(kuò)散邊界二值圖。

將系統(tǒng)背景噪聲Δσ作為幀間差分的判別閾值，能夠有效地去除噪聲干擾，正確提取擴(kuò)散的煙霧邊界。將其與靜態(tài)特征識(shí)別的煙霧區(qū)域進(jìn)行綜合，可以有效表征羽流煙霧在圖像幀中的位置。

4 煙霧視頻處理結(jié)果與分析

依據(jù)本文采用的多特征融合分析算法，在Windows操作系統(tǒng)上使用C++程序開發(fā)平臺(tái)Visual Studio 2010和圖像處理庫OpenCV實(shí)現(xiàn)了羽流煙霧處理分析軟件的編寫。使用標(biāo)準(zhǔn)Φ50發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行某固體推進(jìn)劑的測試實(shí)驗(yàn)，對(duì)高速攝像機(jī)采集到羽流煙霧視頻進(jìn)行處理，得到了如圖4所示軟件處理的各階段圖像。

從軟件處理的各階段圖像可知，根據(jù)羽流煙霧的靜態(tài)特征進(jìn)行識(shí)別，能夠較好表征煙霧的集中區(qū)域，但在其邊界存在的擴(kuò)散煙霧區(qū)沒有識(shí)別成功；通過結(jié)合幀間差分法對(duì)其動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行識(shí)別，能夠有效的表征整幅圖像幀中的羽流煙霧區(qū)域。

背景板的實(shí)際面積大小為15.12m2，通過軟件識(shí)別羽流煙霧區(qū)域的范圍，可以近似用煙霧區(qū)跟背景板的尺寸比率估計(jì)煙霧區(qū)面積，從而獲取了描述煙霧區(qū)域大小的參數(shù)。

為了驗(yàn)證室外條件下視頻圖像法測量固體推進(jìn)劑光學(xué)透過率的有效性，在外界光照強(qiáng)度穩(wěn)定的情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)含鋁推進(jìn)劑進(jìn)行了多次驗(yàn)證測試實(shí)驗(yàn)。在剔除掉極大無關(guān)點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)后，計(jì)算測試透過率的均值，并與相同配方的標(biāo)準(zhǔn)含鋁推進(jìn)劑室內(nèi)煙箱法的透過率測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析不同測試方法之間的透過率測量值的差異以及產(chǎn)生測量偏差的原因。煙箱法是將固定劑量的固體推進(jìn)劑放置在密閉燃燒室中點(diǎn)火發(fā)煙，使用安裝在燃燒室壁上的光束發(fā)射裝置發(fā)射某一波段的光輻射，讓其穿過煙霧區(qū)域，通過與發(fā)射裝置準(zhǔn)直的光束接收裝置采集經(jīng)過煙霧區(qū)衰減后的光輻射，然后計(jì)算得出煙霧的光學(xué)衰減特性。

煙箱法對(duì)煙霧形成了確定的空間約束，采用穩(wěn)定的點(diǎn)光源進(jìn)行測試，具有測試數(shù)據(jù)規(guī)范、重現(xiàn)率好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于推進(jìn)劑配方研制過程中的光學(xué)特性測量。

對(duì)視頻圖像法與煙箱法在相同配方推進(jìn)劑的測試進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，能夠有效驗(yàn)證視頻圖像法測試的準(zhǔn)確度。表1為視頻圖像法采用煙霧區(qū)域識(shí)別、無煙霧識(shí)別以及煙箱法的測試數(shù)據(jù)對(duì)照表。

表1 不同方法的透過率測試數(shù)據(jù)Table 1 Transmission test data of different methods

從表1中的數(shù)據(jù)可知，無煙霧區(qū)域識(shí)別算法的外場視頻圖像法計(jì)算得出的透過率數(shù)據(jù)與煙箱法的數(shù)據(jù)偏差較大；使用本文提出的羽流煙霧識(shí)別算法進(jìn)行透過率值計(jì)算后，外場視頻圖像法與煙箱法的測量值偏差小于8%，測試結(jié)果的偏差處于實(shí)驗(yàn)允許范圍內(nèi)。由于煙箱法跟外場視頻圖像法是在不同試驗(yàn)環(huán)境中且使用不同測試方法獲取的數(shù)據(jù)，煙箱法測試無外界環(huán)境干擾、采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測量方式；外場視頻圖像法位于室外陽光照射的強(qiáng)干擾環(huán)境、采用圖像法的面陣測量方式。故兩者之間存在測試偏差屬于必然結(jié)果，分別代表了在不同環(huán)境下相同波段的透過率測量值。

選取某次外場測試實(shí)驗(yàn)中煙霧經(jīng)過靶板前方的若干圖像幀，通過軟件計(jì)算得出采用煙霧識(shí)別的算法及無煙霧識(shí)別的原始計(jì)算方法的單幀透過率值、煙霧區(qū)域占比等參數(shù)，分析煙霧識(shí)別算法對(duì)室外環(huán)境條件下進(jìn)行煙霧光學(xué)特性測試的實(shí)際意義。單幀煙霧特性測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單幀煙霧特性測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data of smoke characteristic on single frame

由表2可以看出，在煙霧區(qū)域濃度較為集中的前三幀中，羽流煙霧對(duì)背景板具有較強(qiáng)的遮蔽能力，相應(yīng)的透過率較低；隨著煙霧的逐漸擴(kuò)散，羽流煙霧對(duì)背景板的遮蔽能力降低，對(duì)應(yīng)的透過率逐漸變大。原始計(jì)算方法采用整個(gè)背景板作為計(jì)算邊界，在煙霧沒有完全覆蓋靶板區(qū)域的圖像幀中，計(jì)算取得的透過率值誤差較大，不能夠表征羽流煙霧的真實(shí)透過率，且煙霧區(qū)域相對(duì)于背景板占比越小，計(jì)算誤差越明顯，這是由于其將整個(gè)背景板中的有煙區(qū)域和無煙背景區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均造成的。引入數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)煙霧區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，從整幅圖像中分割出有煙區(qū)域與無煙區(qū)域，剔除掉無煙區(qū)域的干擾，僅計(jì)算有煙區(qū)的光學(xué)透過率作為系統(tǒng)輸出，由此測試的結(jié)果更接近羽流煙霧真實(shí)情況。從表中數(shù)據(jù)可知，進(jìn)行煙霧識(shí)別后，計(jì)算結(jié)果能夠近似反映羽流煙霧的實(shí)際變化規(guī)律，且數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定、集中，從而達(dá)到較為準(zhǔn)確的表征羽流煙霧光學(xué)特性的目的。

5 結(jié)束語

為了對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的羽流煙霧進(jìn)行準(zhǔn)確的光學(xué)特征信號(hào)的測量，本文從煙霧圖像序列的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面提取了煙霧灰度、色彩空間的特征和煙霧區(qū)域擴(kuò)散過程中的運(yùn)動(dòng)特征，提出了基于多特征融合的羽流煙霧區(qū)域識(shí)別算法。使用該方法對(duì)羽流煙霧進(jìn)行識(shí)別，限定了計(jì)算光學(xué)透過率的區(qū)域，避免了圖像全局計(jì)算導(dǎo)致的誤差。對(duì)大量煙霧圖像進(jìn)行了處理，取得了較好的識(shí)別效果，提高了煙霧光透過率測量的準(zhǔn)確度。

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