一种流场图像预处理方法及其系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像预处理方法及装置，具体设及一种流场图像预处理方法及其系 统，用于W太网通讯。
【背景技术】
[0002] 高速流场的研究已变得越来越广泛的应用于工程实践（如飞行器的机动飞行、航 天飞机的复杂外形流动等），在目前的研究中还存在着多种疑问，主要在于流场所处的环境 较为特殊，其内部的粒子运动速度快，而且分布不均匀，在激光的环境下，整个流场又会表 现的光照不均匀，再加上外界其他因素的干扰（粒子在运动时候可能出现气泡、观测壁上 可能出现水雾等），使得得到稳定运动的粒子图像变得比较困难，而且粒子运动速度高，需 要相机的采集性能比较高。目前比较常用的方法是用高速相机采集流场图片，传输到PC机 上进行处理。由于得到原始的粒子图片中有大量的噪声（光照不均、气泡、水雾等），使得 最开始的时候需要花费一定的时间来进行图像预处理工作，由于数据量很大（目前流场观 测所用相机帖率在100巧SW上，分辨率在lOOw像素W上），在强调实时处理性能较高的流 场测量领域，其花费在图像预处理上的时间是很高的，该样会严重的影响到整个处理的速 度，对传统的流场测量图像预处理而言，花费在预处理的时间往往占据到整个处理时间的 30% -40%，该严重影响了处理速度的提高。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种流场图像预处理方法，同时提供其图像预处理系统，针对目前流 场测量中预处理占据时间较长的问题，提高流场图像预处理效率。
[0004] 本发明所提供的一种流场图像预处理方法，对于要观测的流场，利用W太网相机 获取N幅流场图像，其特征在于，对于任意第k幅流场图像，包括下述步骤：
[000引（1)均值化步骤：
[0006] 对第k幅流场图像Ik上所有像素逐行滑动图像窗口，计算所形成的第j个图像窗 口内各像素X的均值化值V(x):
[0007]
【主权项】
1. 一种流场图像预处理方法，对于要观测的流场，利用以太网相机获取N幅流场图像， 其特征在于，对于任意第k幅流场图像，包括下述步骤： (1) 均值化步骤： 对第k幅流场图像Ik上所有像素逐行滑动图像窗口，计算所形成的第j个图像窗口内 各像素 X的均值化值N1/ (X):
其中，Ikj(x)为第k幅流场图像第j个窗口内像素 X的像素值，Pniax和I ^分别为第j 个图像窗口内最大像素值和最小像素值：
Ω为图像窗口所在的域，所述图像窗口大小为MXM，M = 8、16或者32像素； (2) 图像拉伸步骤，包括下述子步骤： (2.1) 对于第k幅图像的第j个图像窗口，计算其中各像素 X的拉伸值义〇〇 :
其中/, . J1 ^分别为第k幅图像中的最小像素值和最大像素值； /cmm 、 /cmax (2. 2)对于第k幅图像，各像素 X的拉伸值S\(X)按其对应像素 X的位置，构成第k幅 拉伸图像Sk; 图像均值化步骤和图像拉伸步骤，在一幅图像内的每个窗口进行； (3) 噪声判断步骤，包括下述子步骤： (3. 1)肉眼判断第k幅流场图像Ik上是否存在水雾，是则进行步骤（4);否则进行子步 骤（3. 2); (3. 2)判断第k幅流场图像Ik上是否存在气泡，是则进行步骤（5)，否则输出S k，结束； (4) 去除固定噪声步骤，包括下述子步骤： (4. 1)首先获得模板图像Bref:
上式的含义为，N幅拉伸图像对应的像素值相加，相加结果除以N后按其对应像素 X的 位置，构成模板图像BMf; (4.2) 第k幅拉伸图像Sk与模板图像BMf进行图像相减，得到去噪图像瓦；
所述图像相减是指两幅图像对应的像素值相减，相减结果按其对应像素 X的位置，构 成去噪图像； (4.3)判断第k幅流场图像Ik上是否存在气泡，是则进行步骤（5)，否则输出友λ，结 束； (5) 构造二值化均值图像步骤，包括下述子步骤： (5. 1)选定一张不包含气泡的流场图像作为背景图像Immal，将第k幅流场图像Ik与背 景图像IMal进行图像相减，得到第k幅差值图像& :
(5. 2)对第k幅幅差值图像的所有像素进行均值化操作，得到各像素 X的差值均值化值 Gk(X):
其中，Jk'表示第k幅差值图像/的最小像素值，Jj;表示第k幅差值图像&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)按其对应像素 X的位置，构成第k幅均值图像 Gk; (5. 4)对Gk进行二值化操作，形成第k幅二值化图像Gyi，其中各像素 X的像素值
其中，O <二值化阈值GkthS 1 ;照射到流场的激光能量越大，Gkth越靠近1，否则，6_越 靠近〇 ; (6) 掩模操作步骤，包括下述子步骤： (6. 1)在中对所有像素值为1的像素点进行判断和处理，形成掩模图像; (6.2)将第k幅拉伸图像Sk或者去噪图像&与掩模图像Ja进行图像相减，得到预处 理后的结果图像，输出结果图像，结束。
2.如权利要求1所述的流场图像预处理方法，其特征在于： 所述子步骤（3. 2)和子步骤（4. 3)判断第k幅流场图像Ik上是否存在气泡，包括下述 过程： A.肉眼选定一张不包含气泡的流场图像作为背景图像Immal，将第k幅流场图像Ik与背 景图像IMal进行图像相减，得到第k幅差值图像/^ : B. 对于差值图像上所有像素逐行滑动差值图像窗口，对于每个差值图像窗口，比较
其内包含的每个像素值和气泡阈值^的大小，判断差值图像窗口内大于U的像素值是否 超过（Q/2+0. 5)个，是则判定该差值图像窗口包含气泡，否则判定该差值图像窗口不包含 气泡； 所述差值图像窗口大小为QXQ，Q = 9、11或者13像素； 0<7^<255,根据不同的光照条件选择合适的当光照较强时候，^取值靠近 255,当光照较弱时，^取值靠近0, 一般&取值为100 ; C. 差值图像/^上任意一个差值图像窗口包含气泡，则认为该幅流场图像Ik包含气泡； 只有差值图像Zi上所有差值图像窗口均不包含气泡，才认为该幅流场图像Ik不包含气泡。
3.如权利要求1所述的流场图像预处理方法，其特征在于： 所述子步骤（6. 1)形成掩模图像Jit时，在q中逐行逐列对所有像素值为1的像素，依 次进行下述操作，直至遍历全部像素值为1的像素： (6. I. 1).以当前像素值为1的像素为中心点，判断其周围3X3像素区域内是否存在像 素值为1的像素，是则进行过程（6. 1. 2)，否则将该中心点的像素值置为0,移至Ga中下一 像素值为1的像素，转过程（6. I. 1); (6. 1.2).以当前像素值为1的像素为中心点，判断其周围5X5像素区域内是否存在新 的像素值为1的像素，是则进行过程(6. 1. 3)，否则将所述5X5像素区域内的所有像素的像 素值全置为〇,移至Ga中下一像素值为1的像素，转过程（6. 1. 1); (6. 1.3).以当前像素值为1的像素为中心点，判断其周围7X7像素区域内是否存在新 的像素值为1的像素，是则进行过程(6. 1. 4)，否则将所述7X 7像素区域内的所有像素的像 素值全置为〇,移至Ga中下一像素值为1的像素，转过程(6. I. 1); (6. 1.4).以当前像素值为1的像素为中心点，判断其周围9X9像素区域内是否存在新 的像素值为1的像素，是则进行过程（6. 1. 6)，否则进行过程（6. 1. 5); (6. 1. 5).将7X7区域内所有的像素值为1的像素以所述中心点为圆心，以其周围 5X5像素区域内离中心点距离最远的像素值为1的像素到中心点的距离为半径做圆，圆周 上所有像素的像素值设置为1，形成封闭区间，转过程(6. 1. 1); (6. 1. 6)以当前像素值为1的像素为中心点，判断其周围11X11像素区域内是否存 在新的像素值为1的像素，是则再判断其周围13X13像素区域内是否存在新的像素值为 1的像素，否则将9X9区域内所有的像素值为1的像素以所述中心点为圆心，以其周围 7X7像素区域内离中心点距离最远的像素值为1的像素到中心点的距离为半径做圆，圆 周上所有像素的像素值设置为1，形成封闭区间；…如此反复，直至以当前像素值为1的 像素为中心点，其周围（2P+1) X (2P+1)像素区域内不再存在新的像素值为1的像素为止， 将（2P - I) X (2P - 1)区域内所有的像素值为1的像素以所述中心点为圆心，以其周围 (2P-3) X (2P-3)像素区域内离中心点距离最远的像素值为1的像素到中心点的距离为半 径做圆，圆周上所有像素的像素值设置为1，形成封闭区间，转过程（6. I. 1);其中P为小于 Ga-半尺寸的正整数； (6. 1. 7)在q中对所有像素值为1的像素完成上述操作后，形成掩模中间图像//&， 在丑A中将各圆周内部所有像素的像素值设置为1，形成掩模图像，其中包括多个像素 值为1的"实心圆"；图像中气泡的位置和大小即全部确定。
4. 一种流场图像预处理系统，包括输入以太网口、以太网输入控制芯片、数字信号处理 器（DSP)、同步动态随机存储器（SDRAM)、动态存储芯片（FLASH)、带电可擦可编程只读存储 器（EEPROM)、输出以太网口、以太网输出控制芯片，其特征在于： 以太网输入控制芯片控制输入以太网口与以太网相机通讯，采集所要测量流场的图像 数据，通过数字信号处理器（DSP)送至同步动态随机存储器（SDRAM)暂存，动态存储芯片 (FLASH)用于存储图像预处理算法，带电可擦可编程只读存储器（EEPROM)用于存储配置参 数，配置参数包括流场图像幅数N、图像窗口大小参数M ;工作时，以太网相机采集高速运动 流场原始图像数据，通过千兆以太网传输到输入以太网口中，数字信号处理器（DSP)读取 EEPROM中的参数，再将FLASH存储的图像预处理算法加载到自身，然后从SDRAM中读取图像 数据进行图像预处理，图像预处理的结果由以太网输出控制芯片从输出以太网口通过网线 传输至PC机。
5. 如权利要求4所述的流场图像预处理系统，其特征在于： 所述数字信号处理器（DSP)配置有一个联合测试口（JTAG)，便于用户在数字信号处理 器中对图像预处理算法进行二次开发。
【专利摘要】一种流场图像预处理方法及其系统，属于图像预处理方法及装置，针对目前流场测量中预处理占据时间较长的问题，提高流场图像预处理效率。本发明的流场图像预处理方法包括均值化步骤、图像拉伸步骤、噪声判断步骤、去除固定噪声步骤、构造二值化均值图像步骤和掩模操作步骤。本发明的流场图像预处理系统，包括输入以太网口、以太网输入控制芯片、数字信号处理器、同步动态随机存储器、动态存储芯片、带电可擦可编程只读存储器、输出以太网口及以太网输出控制芯片。本发明体积和功耗均较小，能够嵌入现有的流场测量仪器中，进行流场测量图像预处理，输出噪声较小的流场测量图片，提高了整个后端处理器的效率和处理速度。
【IPC分类】G06T5-00
【公开号】CN104867117
【申请号】CN201510240957
【发明人】杨华, 尹周平, 张冰, 董益民, 冯佳乐, 欧阳振兴
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月13日