噴嘴噴霧錐角測(cè)量中的直線檢測(cè)技術(shù)研究

彭中偉 趙越 馬雅潔 常敏

摘要：噴霧錐角是噴嘴的一項(xiàng)重要參數(shù)，是研究其霧化性能的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。在基于機(jī)器視覺和圖像處理測(cè)量噴嘴噴霧錐角的方法中，通過直線檢測(cè)獲得噴霧的左右邊界從而獲得噴霧錐角是常用的技術(shù)手段。針對(duì)不同的噴霧圖像特點(diǎn)結(jié)合常用的霍夫變換和最小二乘法對(duì)直線檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：噴嘴;噴霧錐角;直線檢測(cè)

中圖分類號(hào)：V434-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0121-02

0 概述

噴霧錐角是表征噴嘴霧化性能的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)，其關(guān)系到火焰穩(wěn)定、燃燒效率及污染物生成，是噴嘴設(shè)計(jì)、運(yùn)行的重要參數(shù)[1]。

隨著機(jī)器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)的大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用，基于視覺和圖像的檢測(cè)方法正在越來越多的領(lǐng)域逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測(cè)量方法，其不僅能夠提高測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量精度，還能夠降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和惡劣環(huán)境下的危險(xiǎn)程度。

基于機(jī)器視覺和圖像處理的噴霧錐角測(cè)量方法的基本步驟是對(duì)噴嘴圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到噴嘴噴霧的邊緣二值圖，然后采用直線檢測(cè)技術(shù)確定噴霧兩側(cè)的邊界線，邊界線的夾角即為噴嘴的噴霧錐角。

1 直線檢測(cè)技術(shù)

物體特征提取中直線檢測(cè)在機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)中非常重要，Hough變換（HT）算法[2]和最小二乘法是目前兩種主流的直線檢測(cè)方法。

1.1 霍夫變換

直線檢測(cè)時(shí)，Hough變換（HT）算法的基本思想是利用平面坐標(biāo)系中的直線與參數(shù)空間上點(diǎn)的對(duì)偶性原理，將平面坐標(biāo)系中的每個(gè)特征點(diǎn)映射到用于累加的參數(shù)空間，再統(tǒng)計(jì)各個(gè)單元的計(jì)數(shù)以檢測(cè)出極大值，確定是否存在目標(biāo)直線，并獲得直線的參數(shù)方程。

其中，代表直線到原點(diǎn)的距離，代表軸與直線法線所形成的夾角。這樣經(jīng)過HT算法以后，每條直線上所有的點(diǎn)被變換為一簇相交于點(diǎn)的正弦曲線。從所有的坐標(biāo)值中挑出最大值點(diǎn)，即為目標(biāo)直線的參數(shù)方程。

1.2 最小二乘法

采用最小二乘法原理實(shí)現(xiàn)噴霧錐角測(cè)量的原理是：利用最小二乘法分別對(duì)噴霧圖像的左右邊界進(jìn)行直線擬合，獲得邊界直線的斜率，從而計(jì)算得到兩條邊界直線的夾角。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

選用兩種不同的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)仿真，直線檢測(cè)效果如圖1至圖5所示。

結(jié)合仿真程序及效果圖可以發(fā)現(xiàn)，HT算法和最小二乘法均能準(zhǔn)確檢測(cè)出簡(jiǎn)單目標(biāo)環(huán)境下的錐角邊界線，但HT算法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，占用的存儲(chǔ)空間也較最小二乘法大的多（HT算法所占時(shí)間和存儲(chǔ)空間由、的步長(zhǎng)、影響較大）。而對(duì)于環(huán)境復(fù)雜外界干擾較多條件下的邊界檢測(cè)，由于HT算法采用的是累積投票法，檢測(cè)的是最長(zhǎng)直線段的點(diǎn)數(shù)，即使目標(biāo)直線斷裂，也不影響其精度，而采用最小二乘法時(shí)外界干擾會(huì)影響目標(biāo)直線的檢測(cè)精度且對(duì)圖像預(yù)處理技術(shù)要求較高，對(duì)比圖4、圖5左邊邊界圖可以發(fā)現(xiàn)圖HT算法準(zhǔn)確的檢測(cè)出了邊界直線，而最小二乘法擬合時(shí)右邊直線明顯偏離了邊界直線位置，測(cè)量誤差較大。

3 結(jié)語

論文針對(duì)噴嘴噴霧錐角測(cè)量時(shí)兩種常用的直線檢測(cè)方法進(jìn)行了原理介紹和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖片仿真。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種直線檢測(cè)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)需求合理選擇。另外，文中介紹的兩種直線檢測(cè)方法均對(duì)圖像預(yù)處理技術(shù)有一定的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾青華，范慧杰，王岳，等.基于主動(dòng)輪廓方法提取霧化錐角[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2014，29（2）：284-289.

[2] Hough P V C.Method and Means for Recognizing Complex Patterns：USA，3065956[P].1962.

[3] 聶鐵軍.數(shù)值計(jì)算方法[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990.