一种球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法

本发明涉及三维成像相关，具体为一种球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法。

背景技术：

1、定容燃烧弹的燃烧实验是一种用于研究内燃机燃烧过程的重要实验装置。通过纹影成像，可以使用高速摄像机捕捉到球形火焰扩散膨胀的过程，对其图像的分析是研究燃烧过程的关键。

2、众多研究表明，通过处理二维纹影图像可以获取球形膨胀火焰形貌的特征变化趋势。与此同时，对于球形的球形膨胀火焰来说，二维图像反映的形貌特征精确度有限，不能够反映其真实的胞化结构在三维球形表面的位置与隆起幅度。胞化裂纹长度、球形膨胀火焰表面积、胞化平均面积等参数都对研究球形膨胀火焰特性起着至关重要的作用。对球形膨胀火焰进行三维重构能进一步提高实验数据的精确度。

3、在实际研究中，对于球形膨胀火焰胞化结构的三维重构，部分一般将火焰近似成理想球形，这种方法会一定程度忽略胞化结构的真实形貌造成的表面积的变化。在此基础上，进一步对每一个胞化区域进行三维重构，更有利于提高对球形膨胀火焰表面形貌特性的分析。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

3、本发明为一种球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法，包括如下步骤：

4、s1、利用高速摄像机获得球形膨胀火焰在定容燃烧弹内的燃烧纹影图像；

5、s2、使用图像处理技术，获得球形膨胀火焰边缘轮廓信息，使用分水岭算法对球形膨胀火焰内部胞化区域进行区域分割，搭建神经网络训练集；

6、s3、使用训练集阈值参数，结合运用最大匹配算法与最小外接椭圆拟合方法，对测试集前后帧的每一个胞化区域进行信息匹配，追踪每一个胞化区域的生长趋势；

7、s4、结合球形坐标，重构每一个胞化区域实际坐标及隆起形貌信息。

8、进一步地，所述步骤s1包括如下步骤：

9、s11使用高速摄像机，拍摄定容燃烧弹纹影成像实验中，球形膨胀火焰传播全过程；

10、s12选取合适范围内的图像，将图像逐帧导出。

11、进一步地，所述步骤s2包括如下步骤：

12、s21将纹影图像导入opencv中，计算球形膨胀火焰训练集中样本前沿轮廓的分类参数，分类参数包括：

13、幅值(h)：球形膨胀火焰前沿轮廓中各个隆起的高度，可由该隆起距离圆心的最大半径和最大内切圆半径之差得出；

14、弦长(l)：球形膨胀火焰前沿轮廓中各个隆起的底边长度，可由该隆起的左右最低点坐标计算得出；

15、最大内切圆半径:通过在球形膨胀火焰前沿轮廓中寻找最大内切圆得到最大内切圆半径；

16、圆心:通过在球形膨胀火焰前沿轮廓中寻找最大内切圆得到最大内切圆的圆心坐标。

17、s22计算球形膨胀火焰训练集中样本内部胞化区域分割的分类参数，对每帧图像进行差分、形态学变化、二值化操作以及分水岭算法分割，训练得到分割每帧球形膨胀火焰内部胞化区域阈值参数。

18、进一步地，所述步骤s3包括如下步骤：

19、s31利用计算最小外接矩形的方法，可计算得到每个胞化区域的最小外接椭圆信息，筛选每个胞化区域的长短轴信息；

20、s32建立胞化区域库与预存库，对每一帧中胞化区域信息与边缘轮廓信息进行匹配；匹配参数为边缘轮廓弦长l与内部胞化区域长轴llong的偏差

21、s33将未成功匹配的胞化区域的长轴信息与上一帧边缘轮廓弦长参数进行匹配，如果匹配成功，将该胞化区域存入库；匹配失败的胞化区域定义为新的区域；匹配结束后，新的胞化区域存入预存库，用于下一循环匹配；

22、s34将胞化区域库中成功匹配次数大于等于3的胞化区域作为稳定匹配区域，输出其匹配的长轴信息，并得到该区域实时的信息变化；胞化库中超过三次匹配失败的区域作剔除处理。

23、进一步地，所述步骤s4包括如下步骤：

24、s41针对每一个胞化区域，对匹配成功的区域定义隆起高度为其对应幅值(h)；匹配失败的区域定义隆起高度为0；

25、s42将每一个胞化区域由二维平面映射至三维理想球形坐标上，映射公式为：

26、

27、上式中，d为所选的闭合二维区域，dξ为所选二维区域中每个独立的胞化区域；

28、s43在三维理想球形表面上，使用每个胞化区域匹配的隆起高度生成隆起的胞化区域。

29、本发明的有益效果是：

30、本发明针对每一个胞化区域，结合球形膨胀火焰边缘轮廓的信息，对胞化区域的表面进行三维重构，得到了更加接近真实球形膨胀火焰的特征数据；

31、与传统理想球形三维重构方法相比，本方法得出球形膨胀火焰表面积数值与胞化区域平均面积数值更加合理，可以有效提高对表面不光滑的球形膨胀火焰的形貌特征分析精度。与此同时，提高了分析研究球形膨胀火焰的不稳定性的可信度。

32、本发明对于相似实验中球形膨胀火焰纹影图像处理的三维重构问题，尤其是表面不光滑的球形膨胀火焰的图像处理过程具有一定的借鉴意义。

技术特征：

1.一种球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法；其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法，其特征在于，所述步骤s1包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下步骤：

4.根据权利要求1所述的球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法，其特征在于，所述步骤s3包括如下步骤：

5.根据权利要求1所述的球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法，其特征在于，所述步骤s4包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种球形膨胀火焰胞化结构的三维重构方法，首先使用高速摄像机拍摄特定球形膨胀火焰点火膨胀扩散的过程，挑选合适的图片建立训练集，得到球形膨胀火焰胞化区域分割、边缘轮廓识别各参数阈值，为胞化区域匹配做准备。测试集的图像为需要采集特征数据的球形膨胀火焰图像，分别对其进行胞化区域分割、边缘轮廓识别、前后帧胞化区域与轮廓隆起高度匹配等操作。自此可以匹配并重构每个胞化区域在理想球形表面的三维形貌。本发明针对每一个胞化区域，结合球形膨胀火焰边缘轮廓的信息，对胞化区域的表面进行三维重构，得到了更加接近真实球形膨胀火焰的特征数据。

技术研发人员：李孝禄,梁策,许沧粟,弗朗西斯·奥彭,胡凯明,李加浩
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15