一種用于plif火焰前鋒提取的條件型水平集方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法，包括ICCD采集原始圖像、PLIF圖像矯正、非線性各向異性過濾、自適應(yīng)二值化、水平集初始化和條件型水平集迭代共六個(gè)部分。本發(fā)明的條件型水平集方法內(nèi)置自適應(yīng)閥值條件型輸入用于條件型水平集迭代，有效地保證圖像分割的精度并提升計(jì)算效率。條件型水平集方法在經(jīng)典的兩相水平集函數(shù)中采用了區(qū)域鎖定策略，該策略優(yōu)化了水平集迭代精度并減少了計(jì)算時(shí)間。經(jīng)過多種PLIF火焰工況測試表明，條件型水平集方法對于圖像噪聲、亮度不均勻性和火焰拓?fù)湫螒B(tài)有較好的魯棒性，條件型水平集方法對PLIF圖像處理流程采用順序漸進(jìn)的后處理模式，具有較好的通用性。
【專利說明】一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法，屬于激光信號處理及分析領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]PLIF 全稱為平面激光誘導(dǎo)突光(Planar laser-1nduces fluorescence),是一種用于燃燒診斷的非接觸診斷技術(shù)，接觸光學(xué)診斷在科學(xué)及工程的流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用具有通用性，包括層流、湍流、反應(yīng)流、高溫流、低溫流、稀薄流、超音速流以及高超音速流都成功地運(yùn)用了非接觸光學(xué)診斷技術(shù)研究流場。此外，非接觸光學(xué)診斷技術(shù)還可以在多個(gè)尺度下對流場進(jìn)行研究，小到100微米流體通道，大到全尺寸超音速飛行器外流場，都可以運(yùn)用此診斷技術(shù)，所跨越的尺度已經(jīng)超過了 6個(gè)數(shù)量級。相比于傳統(tǒng)的接觸式診斷，非接觸光學(xué)診斷能避免對流場的干擾，還可以對流場的組分、濃度分布、溫度、速度等開展研究，雖然非接觸光學(xué)系統(tǒng)組成及調(diào)試復(fù)雜，配套設(shè)備成本昂貴，對燃燒室有透明可視化要求，這種技術(shù)仍是燃燒流動(dòng)及航天推進(jìn)系統(tǒng)診斷的主導(dǎo)。
[0003]由于PLIF信號基于組分濃度，測量濃度分布所需的粒子在流場中非常小，并且LIF具有平面高分辨率技術(shù)特點(diǎn)，所以很多燃燒中組分濃度的診斷都采用了 LIF診斷技術(shù)，比如湍流燃燒中的0H、N0、CH和CO等。除上述組分外，包括原子，中間體比如HC0，丙酮，甚至內(nèi)燃機(jī)中的燃料都能采用LIF診斷技術(shù)得到。常見的PLIF研究對象包括0H、N0、CH和CO等自由基，OH是目前大多數(shù)LIF實(shí)驗(yàn)中的首選，因?yàn)镺H是大多數(shù)化學(xué)模型重要的組分，在火焰中的濃度也很豐富。經(jīng)過前后30多年，OH-LIF特性的已經(jīng)被研究透徹，甚至采用連續(xù)激光(CW)激發(fā)的OH-LIF定量測量也能做到。OH譜線強(qiáng)烈地依賴轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)作用，大多數(shù)分子適用的式子對OH并不適用，因此每個(gè)階段的躍遷過程必須重新計(jì)算。另外OH濃度分布廣泛，對于平面特征火焰，采用OH-PLIF能得到較強(qiáng)的信號，由于OH是高溫下停留時(shí)間長的中間體，OH與CH相似，但是OH不僅只出現(xiàn)在高反應(yīng)率區(qū)域，高溫區(qū)域也會有OH分布。根據(jù)這種特性，OH-PLIF對于分辨火焰中的燃燒和非燃燒區(qū)域非常有效，比如懸浮火焰(liftedflames)，還可以利用OH-PLIF研究燃燒湍流中火焰前鋒的相互作用。也還是因?yàn)镺H的高溫分布特性，采用OH來判斷火焰是否熄滅是不可行的，這種情況下采用CH研究火焰熄滅及火焰厚度更有說服力。如果OH在火焰中濃度分度足夠高，甚至可以采用吸收和熒光雙向激光片同時(shí)測量。
[0004]NO為污染組分中主要的一支，NO的濃度對預(yù)測和測試火焰模型有很重要的作用，PLIF技術(shù)結(jié)合NO示蹤粒子的燃料，通過合理地實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒒鹧婊旌线^程可視化。CH基是一種停留時(shí)間較短的中間體，一般出現(xiàn)在烴類火焰略富燃這邊，可以對火焰前鋒進(jìn)行跟蹤，因此多數(shù)的CH-LIF實(shí)驗(yàn)都為可視化實(shí)驗(yàn)，得到了很多CH濃度測量結(jié)果和光譜數(shù)據(jù)。CO作為與污染類似的中間體，對研究烴類燃燒非常有幫助，不過CO熒光信號要比OH弱得多，測量極限數(shù)量級在PPt內(nèi)，但是仍可以通過照相機(jī)進(jìn)行圖像采集。
[0005]一般情況下PLIF火焰圖像結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在較為劇烈的不平均性、噪聲以及多個(gè)峰值，火焰前鋒的提取分析較為困難。傳統(tǒng)火焰前鋒的提取方法主要分為三類:最早應(yīng)用于火焰前鋒提取的為預(yù)設(shè)亮度閥值，基本原則是基于灰度直方圖，預(yù)先給出閥值，將圖像轉(zhuǎn)化為二值化圖像后提取火焰前鋒，然而閥值的不通用性只能用來處理理想地線性圖像，無法解決含有噪聲的非理想非線性圖像；第二類方法為自適應(yīng)亮度閥值，同樣是基于灰度直方圖，根據(jù)圖像本身的直方圖信息自動(dòng)計(jì)算出與之對應(yīng)的閥值，從而提取火焰前鋒，這種方法的缺陷是無法進(jìn)行多個(gè)峰值檢測；第三類為邊界算子算法，主要基于圖像梯度設(shè)定合適的梯度閥值，然而不足與前兩者類似，無法解決較為復(fù)雜的PLIF圖像。
[0006]水平集概念源于數(shù)值技術(shù)對于邊界和型面的檢測，水平集算法是一種捕捉型面和邊界的數(shù)值方法，較廣泛的運(yùn)用于圖像分割領(lǐng)域。在水平集概念中，邊界或型面被認(rèn)為是多維函數(shù)中的零點(diǎn)層，該多維函數(shù)即為水平集函數(shù)。通過將圖像轉(zhuǎn)化為水平集函數(shù)，圖像分割問題也就轉(zhuǎn)化為水平集函數(shù)零點(diǎn)層的求解問題，基于數(shù)學(xué)理論中微積分以及偏微分方程便能得到對應(yīng)的數(shù)值解。這種水平集數(shù)值方法無需額外的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，在標(biāo)準(zhǔn)的笛卡爾坐標(biāo)系中就能求解代表曲線和曲面的數(shù)值解此外該水平集過程還可以用來描述拓?fù)鋵W(xué)中的形態(tài)拓?fù)渥兓?。該方法需要在圖像局部建立領(lǐng)域，使用單一值來替代整個(gè)領(lǐng)域亮度信息，通過該假設(shè)后，對應(yīng)的水平集能量函數(shù)描述如下:
[0007]F (C) = ε + vL+μ R
[0008]其中:F為水平集能量函數(shù)，ε為數(shù)據(jù)項(xiàng)，L為弧長懲罰項(xiàng)，R為距離懲罰項(xiàng)，V為弧長懲罰項(xiàng)正負(fù)常系數(shù)，μ為距離懲罰項(xiàng)權(quán)重系數(shù)，C為最終的閉合輪廓。通過迭代將整個(gè)能量最小化，便能得到水平集零點(diǎn)層分布即邊界分布。此外，初始化零點(diǎn)層需要在迭代前給出，數(shù)值上所采用的是標(biāo)準(zhǔn)梯度下降法來求解迭代方程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為了解決上述三類傳統(tǒng)的火焰前鋒提取算法在PLIF圖像信號中存在的缺陷，提供一種穩(wěn)定、可靠的PLIF火焰前鋒提取方法，以便對燃燒流動(dòng)開展深入機(jī)理研究。傳統(tǒng)的圖像處理普遍采用的圖像分割算法都依賴于亮度均勻分布，故不均勻分布是火焰前鋒提取的難點(diǎn)之一。根據(jù)PLIF圖像中的噪聲、不均勻及多峰值特點(diǎn)，本發(fā)明一種條件型水平集方法用于分子擴(kuò)散火焰前鋒提取及分析，針對亮度不均勻性，條件型水平集方法能有效解決該問題。針對PLIF圖像信號的亮度不均勻性，可以通過設(shè)定區(qū)域集合，用集合中心值來替代集合鄰域亮度信息，將這種設(shè)定轉(zhuǎn)化為水平集函數(shù)后，通過迭代至水平集函數(shù)最小值便能得到最終的邊界曲線或曲面，從而得到火焰前鋒。
[0010]一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法，PLIF表示平面激光誘導(dǎo)熒光，方法包括以下幾個(gè)步驟:
[0011]步驟一:I(XD采集原始圖像，進(jìn)行預(yù)處理矯正；
[0012]步驟二:PLIF圖像矯正；
[0013]步驟三:非線性各向異性過濾；
[0014]步驟四:自適應(yīng)二值化；
[0015]步驟五:水平集初始化；
[0016]步驟六:條件型水平集迭代。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:[0018](I)條件型水平集方法在PLIF火焰前鋒提取過程第3步水平集迭代前提供了條件型輸入，該條件由自適應(yīng)閥值得到并用于水平集初始迭代，該初始條件有效地保證圖像分割的精確性以及提升了計(jì)算效率；
[0019](2)相比于傳統(tǒng)的水平集方法，條件型水平集方法在經(jīng)典的兩相水平集函數(shù)中采用了區(qū)域鎖定策略，該策略優(yōu)化了水平集迭代精度并減少了計(jì)算時(shí)間；
[0020](3)經(jīng)過多種PLIF火焰工況測試表明，條件型水平集方法對于圖像噪聲、亮度不均勻性和火焰拓?fù)湫螒B(tài)有較好的魯棒性。此外條件型水平集方法采用了自適應(yīng)閥值策略，計(jì)算過程無需人工干預(yù)，故該方法比其他邊界算法更適用于大批量PLIF圖像處理；
[0021](4)條件型水平集方法具有較好的通用性，對于PLIF火焰信號的格式具有較好的兼容性，可以處理任意灰度級別的PLIF圖像信號。本發(fā)明以乙醇分子擴(kuò)散火焰PLIF信號為例，該方法對于標(biāo)量圖像處理流程采用順序漸進(jìn)的后處理模式，故該方法同樣可以用于其他PLIF圖像信號處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明條件型水平集方法用于PLIF火焰前鋒提取所有流程；
[0023]圖2是本發(fā)明條件型水平集方法中的條件策略對比；
[0024]圖3是本發(fā)明條件型水平集方法用于多種工況PLIF火焰前鋒提??；
[0025]圖4是本發(fā)明的方法流程圖；
[0026]圖中:
[0027]圖1 (A) -1CCD采集原始PLIF信號；
[0028]圖1 (B) -PLIF 矯正信號；
[0029]圖1 (C)-非線性各向異性濾鏡信號；
[0030]圖1 (D)-自適應(yīng)二值化信號；
[0031]圖1 (E)-條件型水平集初始化；
[0032]圖1 (F)-條件型水平集迭代；
[0033]圖2 (A)- —般水平集方法PLIF火焰前鋒提取結(jié)果；
[0034]圖2 (B)-條件型水平集方法PLIF火焰前鋒提取結(jié)果；
[0035]圖3 (A)-標(biāo)準(zhǔn)乙醇分子擴(kuò)散火焰PLIF火焰前鋒提取結(jié)果；
[0036]圖3 (B)、(C)、(D)-含噪聲及亮度不均勻的乙醇分子擴(kuò)散拓?fù)湫螒B(tài)火焰PLIF火焰前鋒提取結(jié)果；
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0038]本發(fā)明是一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法，流程如圖4所示，包括以下幾個(gè)步驟:
[0039]步驟一:I(XD采集原始圖像，進(jìn)行預(yù)處理矯正；
[0040]ICCD (像增強(qiáng)的電荷f禹合固體檢測器(Intensified Charge Coupled Detector))采集原始圖像并進(jìn)行在線能量監(jiān)測儀預(yù)處理矯正，以得到了每張激光能量基本相等的PLIF原始信號。該步驟受激光源和ICCD相機(jī)等硬件系統(tǒng)的影響，故PLIF實(shí)驗(yàn)圖像信號采集時(shí)需進(jìn)行預(yù)處理矯正。對于PLIF燃燒診斷系統(tǒng)而言，預(yù)處理矯正主要包括在線能量監(jiān)測儀矯正。由于實(shí)驗(yàn)過程中需要的圖像信號一般為上百張，每張圖像都由PTU模塊控制激光源和ICCD照相機(jī)的時(shí)序，因此激光源的脈沖數(shù)目與所采集圖像數(shù)目相當(dāng)，一旦其中某束激光脈沖能量發(fā)生變化，會直接影響ICCD所采集的圖像信號強(qiáng)度的絕對值。因此，在紫外片光成型器和紫外準(zhǔn)直器前設(shè)置了在線能量監(jiān)測儀，該設(shè)備用以監(jiān)測每束激光脈沖的能量值，提供給激光能量矯正，具體矯正關(guān)系如下:
【權(quán)利要求】
1.一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法，PLIF表示平面激光誘導(dǎo)熒光，方法包括以下幾個(gè)步驟: 步驟一:I(XD采集原始圖像，進(jìn)行預(yù)處理矯正； ICCD表示像增強(qiáng)的電荷耦合固體檢測器，在紫外片光成型器和紫外準(zhǔn)直器前設(shè)置在線能量監(jiān)測儀，采用IC⑶采集原始信號并通過在線能量監(jiān)測儀進(jìn)行預(yù)處理矯正，在線能量監(jiān)測儀的預(yù)處理矯正關(guān)系如下:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于PLIF火焰前鋒提取的條件型水平集方法，所述的ε = I
【文檔編號】G06T5/00GK103559709SQ201310538317
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】俞南嘉, 韓樂, 蔡國飆 申請人:北京航空航天大學(xué)