一種流場圖像預(yù)處理方法及其系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像預(yù)處理方法及裝置，具體設(shè)及一種流場圖像預(yù)處理方法及其系 統(tǒng)，用于W太網(wǎng)通訊。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速流場的研究已變得越來越廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)踐（如飛行器的機(jī)動飛行、航 天飛機(jī)的復(fù)雜外形流動等），在目前的研究中還存在著多種疑問，主要在于流場所處的環(huán)境 較為特殊，其內(nèi)部的粒子運(yùn)動速度快，而且分布不均勻，在激光的環(huán)境下，整個流場又會表 現(xiàn)的光照不均勻，再加上外界其他因素的干擾（粒子在運(yùn)動時候可能出現(xiàn)氣泡、觀測壁上 可能出現(xiàn)水霧等），使得得到穩(wěn)定運(yùn)動的粒子圖像變得比較困難，而且粒子運(yùn)動速度高，需 要相機(jī)的采集性能比較高。目前比較常用的方法是用高速相機(jī)采集流場圖片，傳輸?shù)絇C機(jī) 上進(jìn)行處理。由于得到原始的粒子圖片中有大量的噪聲（光照不均、氣泡、水霧等），使得 最開始的時候需要花費(fèi)一定的時間來進(jìn)行圖像預(yù)處理工作，由于數(shù)據(jù)量很大（目前流場觀 測所用相機(jī)帖率在100巧SW上，分辨率在lOOw像素W上），在強(qiáng)調(diào)實(shí)時處理性能較高的流 場測量領(lǐng)域，其花費(fèi)在圖像預(yù)處理上的時間是很高的，該樣會嚴(yán)重的影響到整個處理的速 度，對傳統(tǒng)的流場測量圖像預(yù)處理而言，花費(fèi)在預(yù)處理的時間往往占據(jù)到整個處理時間的 30% -40%，該嚴(yán)重影響了處理速度的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種流場圖像預(yù)處理方法，同時提供其圖像預(yù)處理系統(tǒng)，針對目前流 場測量中預(yù)處理占據(jù)時間較長的問題，提高流場圖像預(yù)處理效率。
[0004] 本發(fā)明所提供的一種流場圖像預(yù)處理方法，對于要觀測的流場，利用W太網(wǎng)相機(jī) 獲取N幅流場圖像，其特征在于，對于任意第k幅流場圖像，包括下述步驟：
[000引（1)均值化步驟：
[0006] 對第k幅流場圖像Ik上所有像素逐行滑動圖像窗口，計(jì)算所形成的第j個圖像窗 口內(nèi)各像素X的均值化值V(x):
[0007]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種流場圖像預(yù)處理方法，對于要觀測的流場，利用以太網(wǎng)相機(jī)獲取N幅流場圖像， 其特征在于，對于任意第k幅流場圖像，包括下述步驟： (1) 均值化步驟： 對第k幅流場圖像Ik上所有像素逐行滑動圖像窗口，計(jì)算所形成的第j個圖像窗口內(nèi) 各像素 X的均值化值N1/ (X):
其中，Ikj(x)為第k幅流場圖像第j個窗口內(nèi)像素 X的像素值，Pniax和I ^分別為第j 個圖像窗口內(nèi)最大像素值和最小像素值：
Ω為圖像窗口所在的域，所述圖像窗口大小為MXM，M = 8、16或者32像素； (2) 圖像拉伸步驟，包括下述子步驟： (2.1) 對于第k幅圖像的第j個圖像窗口，計(jì)算其中各像素 X的拉伸值義〇〇 :
其中/, . J1 ^分別為第k幅圖像中的最小像素值和最大像素值； /cmm 、 /cmax (2. 2)對于第k幅圖像，各像素 X的拉伸值S\(X)按其對應(yīng)像素 X的位置，構(gòu)成第k幅 拉伸圖像Sk; 圖像均值化步驟和圖像拉伸步驟，在一幅圖像內(nèi)的每個窗口進(jìn)行； (3) 噪聲判斷步驟，包括下述子步驟： (3. 1)肉眼判斷第k幅流場圖像Ik上是否存在水霧，是則進(jìn)行步驟（4);否則進(jìn)行子步 驟（3. 2); (3. 2)判斷第k幅流場圖像Ik上是否存在氣泡，是則進(jìn)行步驟（5)，否則輸出S k，結(jié)束； (4) 去除固定噪聲步驟，包括下述子步驟： (4. 1)首先獲得模板圖像Bref:
上式的含義為，N幅拉伸圖像對應(yīng)的像素值相加，相加結(jié)果除以N后按其對應(yīng)像素 X的 位置，構(gòu)成模板圖像BMf; (4.2) 第k幅拉伸圖像Sk與模板圖像BMf進(jìn)行圖像相減，得到去噪圖像瓦；
所述圖像相減是指兩幅圖像對應(yīng)的像素值相減，相減結(jié)果按其對應(yīng)像素 X的位置，構(gòu) 成去噪圖像； (4.3)判斷第k幅流場圖像Ik上是否存在氣泡，是則進(jìn)行步驟（5)，否則輸出友λ，結(jié) 束； (5) 構(gòu)造二值化均值圖像步驟，包括下述子步驟： (5. 1)選定一張不包含氣泡的流場圖像作為背景圖像Immal，將第k幅流場圖像Ik與背 景圖像IMal進(jìn)行圖像相減，得到第k幅差值圖像& :
(5. 2)對第k幅幅差值圖像的所有像素進(jìn)行均值化操作，得到各像素 X的差值均值化值 Gk(X):
其中，Jk'表示第k幅差值圖像/的最小像素值，Jj;表示第k幅差值圖像&的最 K mm k k max K 大像素值； (5. 3)各像素 X的差值均值化值Gk(X)按其對應(yīng)像素 X的位置，構(gòu)成第k幅均值圖像 Gk; (5. 4)對Gk進(jìn)行二值化操作，形成第k幅二值化圖像Gyi，其中各像素 X的像素值
其中，O <二值化閾值GkthS 1 ;照射到流場的激光能量越大，Gkth越靠近1，否則，6_越 靠近〇 ; (6) 掩模操作步驟，包括下述子步驟： (6. 1)在中對所有像素值為1的像素點(diǎn)進(jìn)行判斷和處理，形成掩模圖像; (6.2)將第k幅拉伸圖像Sk或者去噪圖像&與掩模圖像Ja進(jìn)行圖像相減，得到預(yù)處 理后的結(jié)果圖像，輸出結(jié)果圖像，結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的流場圖像預(yù)處理方法，其特征在于： 所述子步驟（3. 2)和子步驟（4. 3)判斷第k幅流場圖像Ik上是否存在氣泡，包括下述 過程： A.肉眼選定一張不包含氣泡的流場圖像作為背景圖像Immal，將第k幅流場圖像Ik與背 景圖像IMal進(jìn)行圖像相減，得到第k幅差值圖像/^ : B. 對于差值圖像上所有像素逐行滑動差值圖像窗口，對于每個差值圖像窗口，比較
其內(nèi)包含的每個像素值和氣泡閾值^的大小，判斷差值圖像窗口內(nèi)大于U的像素值是否 超過（Q/2+0. 5)個，是則判定該差值圖像窗口包含氣泡，否則判定該差值圖像窗口不包含 氣泡； 所述差值圖像窗口大小為QXQ，Q = 9、11或者13像素； 0<7^<255,根據(jù)不同的光照條件選擇合適的當(dāng)光照較強(qiáng)時候，^取值靠近 255,當(dāng)光照較弱時，^取值靠近0, 一般&取值為100 ; C. 差值圖像/^上任意一個差值圖像窗口包含氣泡，則認(rèn)為該幅流場圖像Ik包含氣泡； 只有差值圖像Zi上所有差值圖像窗口均不包含氣泡，才認(rèn)為該幅流場圖像Ik不包含氣泡。
3.如權(quán)利要求1所述的流場圖像預(yù)處理方法，其特征在于： 所述子步驟（6. 1)形成掩模圖像Jit時，在q中逐行逐列對所有像素值為1的像素，依 次進(jìn)行下述操作，直至遍歷全部像素值為1的像素： (6. I. 1).以當(dāng)前像素值為1的像素為中心點(diǎn)，判斷其周圍3X3像素區(qū)域內(nèi)是否存在像 素值為1的像素，是則進(jìn)行過程（6. 1. 2)，否則將該中心點(diǎn)的像素值置為0,移至Ga中下一 像素值為1的像素，轉(zhuǎn)過程（6. I. 1); (6. 1.2).以當(dāng)前像素值為1的像素為中心點(diǎn)，判斷其周圍5X5像素區(qū)域內(nèi)是否存在新 的像素值為1的像素，是則進(jìn)行過程(6. 1. 3)，否則將所述5X5像素區(qū)域內(nèi)的所有像素的像 素值全置為〇,移至Ga中下一像素值為1的像素，轉(zhuǎn)過程（6. 1. 1); (6. 1.3).以當(dāng)前像素值為1的像素為中心點(diǎn)，判斷其周圍7X7像素區(qū)域內(nèi)是否存在新 的像素值為1的像素，是則進(jìn)行過程(6. 1. 4)，否則將所述7X 7像素區(qū)域內(nèi)的所有像素的像 素值全置為〇,移至Ga中下一像素值為1的像素，轉(zhuǎn)過程(6. I. 1); (6. 1.4).以當(dāng)前像素值為1的像素為中心點(diǎn)，判斷其周圍9X9像素區(qū)域內(nèi)是否存在新 的像素值為1的像素，是則進(jìn)行過程（6. 1. 6)，否則進(jìn)行過程（6. 1. 5); (6. 1. 5).將7X7區(qū)域內(nèi)所有的像素值為1的像素以所述中心點(diǎn)為圓心，以其周圍 5X5像素區(qū)域內(nèi)離中心點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的像素值為1的像素到中心點(diǎn)的距離為半徑做圓，圓周 上所有像素的像素值設(shè)置為1，形成封閉區(qū)間，轉(zhuǎn)過程(6. 1. 1); (6. 1. 6)以當(dāng)前像素值為1的像素為中心點(diǎn)，判斷其周圍11X11像素區(qū)域內(nèi)是否存 在新的像素值為1的像素，是則再判斷其周圍13X13像素區(qū)域內(nèi)是否存在新的像素值為 1的像素，否則將9X9區(qū)域內(nèi)所有的像素值為1的像素以所述中心點(diǎn)為圓心，以其周圍 7X7像素區(qū)域內(nèi)離中心點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的像素值為1的像素到中心點(diǎn)的距離為半徑做圓，圓 周上所有像素的像素值設(shè)置為1，形成封閉區(qū)間；…如此反復(fù)，直至以當(dāng)前像素值為1的 像素為中心點(diǎn)，其周圍（2P+1) X (2P+1)像素區(qū)域內(nèi)不再存在新的像素值為1的像素為止， 將（2P - I) X (2P - 1)區(qū)域內(nèi)所有的像素值為1的像素以所述中心點(diǎn)為圓心，以其周圍 (2P-3) X (2P-3)像素區(qū)域內(nèi)離中心點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的像素值為1的像素到中心點(diǎn)的距離為半 徑做圓，圓周上所有像素的像素值設(shè)置為1，形成封閉區(qū)間，轉(zhuǎn)過程（6. I. 1);其中P為小于 Ga-半尺寸的正整數(shù)； (6. 1. 7)在q中對所有像素值為1的像素完成上述操作后，形成掩模中間圖像//&， 在丑A中將各圓周內(nèi)部所有像素的像素值設(shè)置為1，形成掩模圖像，其中包括多個像素 值為1的"實(shí)心圓"；圖像中氣泡的位置和大小即全部確定。
4. 一種流場圖像預(yù)處理系統(tǒng)，包括輸入以太網(wǎng)口、以太網(wǎng)輸入控制芯片、數(shù)字信號處理 器（DSP)、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（SDRAM)、動態(tài)存儲芯片（FLASH)、帶電可擦可編程只讀存儲 器（EEPROM)、輸出以太網(wǎng)口、以太網(wǎng)輸出控制芯片，其特征在于： 以太網(wǎng)輸入控制芯片控制輸入以太網(wǎng)口與以太網(wǎng)相機(jī)通訊，采集所要測量流場的圖像 數(shù)據(jù)，通過數(shù)字信號處理器（DSP)送至同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（SDRAM)暫存，動態(tài)存儲芯片 (FLASH)用于存儲圖像預(yù)處理算法，帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM)用于存儲配置參 數(shù)，配置參數(shù)包括流場圖像幅數(shù)N、圖像窗口大小參數(shù)M ;工作時，以太網(wǎng)相機(jī)采集高速運(yùn)動 流場原始圖像數(shù)據(jù)，通過千兆以太網(wǎng)傳輸?shù)捷斎胍蕴W(wǎng)口中，數(shù)字信號處理器（DSP)讀取 EEPROM中的參數(shù)，再將FLASH存儲的圖像預(yù)處理算法加載到自身，然后從SDRAM中讀取圖像 數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理，圖像預(yù)處理的結(jié)果由以太網(wǎng)輸出控制芯片從輸出以太網(wǎng)口通過網(wǎng)線 傳輸至PC機(jī)。
5. 如權(quán)利要求4所述的流場圖像預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于： 所述數(shù)字信號處理器（DSP)配置有一個聯(lián)合測試口（JTAG)，便于用戶在數(shù)字信號處理 器中對圖像預(yù)處理算法進(jìn)行二次開發(fā)。
【專利摘要】一種流場圖像預(yù)處理方法及其系統(tǒng)，屬于圖像預(yù)處理方法及裝置，針對目前流場測量中預(yù)處理占據(jù)時間較長的問題，提高流場圖像預(yù)處理效率。本發(fā)明的流場圖像預(yù)處理方法包括均值化步驟、圖像拉伸步驟、噪聲判斷步驟、去除固定噪聲步驟、構(gòu)造二值化均值圖像步驟和掩模操作步驟。本發(fā)明的流場圖像預(yù)處理系統(tǒng)，包括輸入以太網(wǎng)口、以太網(wǎng)輸入控制芯片、數(shù)字信號處理器、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器、動態(tài)存儲芯片、帶電可擦可編程只讀存儲器、輸出以太網(wǎng)口及以太網(wǎng)輸出控制芯片。本發(fā)明體積和功耗均較小，能夠嵌入現(xiàn)有的流場測量儀器中，進(jìn)行流場測量圖像預(yù)處理，輸出噪聲較小的流場測量圖片，提高了整個后端處理器的效率和處理速度。
【IPC分類】G06T5-00
【公開號】CN104867117
【申請?zhí)枴緾N201510240957
【發(fā)明人】楊華, 尹周平, 張冰, 董益民, 馮佳樂, 歐陽振興
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月13日