張雄星, 李煒龍, 王可寧

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

基于數(shù)字圖像處理的甲烷噴射特性的研究

張雄星, 李煒龍, 王可寧

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

為了研究內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部甲烷氣體的噴射特性，采用黑白紋影攝影技術(shù)、數(shù)字圖像處理及刀口自動尋焦方法，對甲烷氣體在不同噴射壓力下的噴射貫穿距離、噴射角度進(jìn)行了研究。通過與實(shí)際測量和實(shí)際噴射情況作對比，證明了圖像處理方法的可靠性。研究結(jié)果表明：甲烷氣體在不同壓力下的噴射過程主要分為上升階段和平緩階段。在上升階段，不同壓力下的噴射距離與噴射角度均快速增加；而在平緩階段，不同壓力下噴射距離近似呈線性變化，而噴射角度隨著壓力的增大而減小，噴射角度最終趨于一個穩(wěn)定度數(shù)。

圖像處理； 光源； 模型； 測量； 試驗(yàn)

0 引言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車尾氣帶來的污染問題逐漸加重，環(huán)境形勢日益嚴(yán)峻。天然氣內(nèi)燃機(jī)的研究逐漸受到國內(nèi)外各大汽車制造公司和高校的青睞，對甲烷氣體噴射特性進(jìn)行分析是設(shè)計內(nèi)燃機(jī)的重要因素。氣體噴射特性的觀測受測量儀質(zhì)量影響較大，故采用具有自動尋焦功能的紋影系統(tǒng)進(jìn)行觀測。紋影技術(shù)是流場觀測的主要方法，其刀口部件是紋影光路系統(tǒng)的重要組成部分。刀口尋焦通常采用手動調(diào)整，導(dǎo)致試驗(yàn)的重復(fù)性較差、精度較低，故市場對刀口自動尋焦的需求日益增加。刀口自動尋焦為紋影系統(tǒng)觀測氣體流場提供了強(qiáng)有力的保障，且能有效改善觀測影像的質(zhì)量，進(jìn)而有利于分析內(nèi)燃機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣體燃燒過程，達(dá)到建設(shè)生態(tài)文明型產(chǎn)業(yè)、節(jié)約資源的效果。

刀口自動尋焦和數(shù)字圖像處理技術(shù)是本文的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[1]主要設(shè)計了一種對流場密度及溫度的定量測量方法。文獻(xiàn)[2]利用顯微紋影技術(shù)，對可燃?xì)怏w泄漏進(jìn)行了有效檢測。文獻(xiàn)[3]利用高速紋影技術(shù)，在不同壓力和背壓下對天然氣噴射特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]基于三種理論模型，通過內(nèi)燃機(jī)燃燒試驗(yàn)，討論了內(nèi)燃機(jī)燃燒存在的問題。文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)中值濾波的算法。文獻(xiàn)[6]對傳統(tǒng)的紋影技術(shù)作出了理論推導(dǎo)。文獻(xiàn)[7]通過分析生物柴油的噴射特性，提出了改善生物柴油的方法。文獻(xiàn)[8]通過介紹背景紋影技術(shù)，分析背景技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了重建火焰溫度場的模型。

為了獲得氣體噴射特性參數(shù)，本文采用了紋影攝影技術(shù)[9-10]，并使用紋影刀口尋焦方法和數(shù)字圖像處理技術(shù)，解決了手動尋焦不準(zhǔn)確的問題，實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部甲烷氣體噴射狀況的實(shí)時捕獲。在上位機(jī)中，將收集到的氣體噴射的實(shí)時影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)中的圖像濾波、形態(tài)變換及輪廓提取等相關(guān)算法，進(jìn)行了宏觀分析。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)裝置系統(tǒng)分為三個部分：①噴射系統(tǒng)，包括加壓設(shè)備、甲烷氣體及控制裝置；②紋影系統(tǒng)，包括光源、Z型光路、CCD相機(jī)；③圖像處理系統(tǒng)。

噴射試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 噴射試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

本試驗(yàn)由甲烷儲氣瓶、氮?dú)馄?、單孔噴嘴組成噴射結(jié)構(gòu)，通過氮?dú)饧訅菏沟迷谠囼?yàn)過程中獲得噴射持續(xù)穩(wěn)定的壓力。紋影系統(tǒng)采用反射式光路，避免了透射式光路存在的像差和大視場下加工較為困難的問題，并且在刀口部分加入電控精密平移臺，通過自動尋焦方法，使刀口移動到第二反射鏡焦點(diǎn)處。試驗(yàn)Z型光路如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)Z型光路圖

由光源發(fā)出的非平行光通過反射鏡1轉(zhuǎn)換為平行光后，經(jīng)過噴射試驗(yàn)擾動區(qū)抵達(dá)反射鏡2，然后匯聚在刀口處；經(jīng)刀口自動尋焦后半切光線，由CCD相機(jī)將圖像上傳到上位機(jī)。圖像處理系統(tǒng)由刀口尋焦算法、圖像分析、圖像濾波、圖像形態(tài)變化和距離角度計算四個部分組成。

試驗(yàn)所采用的具體器件參數(shù)如表1所示。

表1 器件參數(shù)

在試驗(yàn)中，首先通過氮?dú)饧訅哼_(dá)到所需的試驗(yàn)壓力要求，分別為3 MPa、6 MPa、9 MPa；然后打開CCD相機(jī)視頻采集軟件，進(jìn)入待捕獲階段，通過控制裝置打開噴嘴進(jìn)行甲烷噴射試驗(yàn)；最后將采集到的圖像通過圖像處理軟件進(jìn)行處理。

2 圖像處理

2.1 刀口尋焦圖像處理

在噴射試驗(yàn)開始前，對刀口位置的調(diào)整是整個試驗(yàn)的關(guān)鍵。其原因在于紋影法使用過程中要求將刀口置于反射鏡2的焦點(diǎn)位置，在其焦平面進(jìn)行空間濾波，去除一半高頻分量，以提高圖像對比度，便于后續(xù)圖像處理。

本次采用的刀口尋焦算法過程如下：利用精密平移臺承載刀口裝置，以0.5 mm的步進(jìn)量,從反射鏡2的焦平面前向焦平面后移動，每完成0.5 mm步進(jìn)量即捕獲一張圖片；整個行駛距離為10 mm，捕獲20張圖片后，回歸起始位置。在整個刀口尋焦過程中，圖像特點(diǎn)由下亮上暗逐漸變得均勻，最后圖像特點(diǎn)為下暗上亮。通過對比每張圖片的灰度方差大小，可知其方差最小的圖片對應(yīng)的位置即反射鏡2的焦點(diǎn)位置，因此再將回歸到起始位置的刀口移動到方差最小的圖片對應(yīng)的位置。圖像灰度方差的求取公式如下：

(1)

2.2 噴射圖像處理

在噴射試驗(yàn)中，分別記錄了3 MPa、6 MPa、9 MPa狀態(tài)的實(shí)時影像數(shù)據(jù)。從影像數(shù)據(jù)中各截取200張，一共600幅圖片。噴射壓力在6 MPa時甲烷單孔噴射過程如圖3所示。

圖3 甲烷單孔噴射過程示意圖

利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，按照圖4所示的圖像處理流程依次對這600張圖片進(jìn)行處理。在甲烷噴射前，將下一張背景圖片記為B(x,y),然后依次對正在噴射中的影像取圖，分別記為A1(x1,y1)、A2(x2,y2)、A3(x3,y3),…,An(xn,yn)；利用差影法S(xS,yS)=Ai(xi,yi)-B(x,y),得到試驗(yàn)所需的初步噴射輪廓圖?？紤]到所取的背景圖與甲烷噴射圖的背景在實(shí)際過程中不可能完全一致，利用差影法會出現(xiàn)許多無用的噪聲點(diǎn)；為了能更加準(zhǔn)確地提取噴射輪廓，反復(fù)利用中值濾波對圖片進(jìn)行去噪。經(jīng)過多次濾波后，原圖片噪聲點(diǎn)明顯減少，說明中值濾波法能有效地減少噪聲點(diǎn)，并能突顯實(shí)際噴射輪廓；然后對已經(jīng)去噪的圖片進(jìn)行一系列的形態(tài)學(xué)運(yùn)算，經(jīng)輪廓提取達(dá)到計算噴射特性的圖片要求；最后使用輪廓提取到的實(shí)際噴射輪廓圖進(jìn)行測量計算。此外，在去除背景圖片時，為了便于觀察，采用了閾值變換及圖像反色處理。

圖4 圖像處理流程圖

為了便于計算機(jī)對本次甲烷氣體的噴射貫穿距離、噴射角度進(jìn)行精確計算，利用兩點(diǎn)間的距離公式及余弦定理，對隨機(jī)抽取的72幅圖片進(jìn)行計算，并將其與實(shí)際手工測繪結(jié)果進(jìn)行對比。

不同壓力下噴射特性與時間關(guān)系如圖5所示。

圖5 噴射特性與時間關(guān)系圖

3 噴射特性

3.1 噴射貫穿距離

在噴射試驗(yàn)中，通常將噴射貫穿距離定義為噴嘴出口至噴射流頂端的距離。在圖像算法上，先依次按照從上到下、從左到右的方式遍歷每個像素點(diǎn)，取Y軸上所有最大的像素點(diǎn)；然后，依次計算這些Y軸上所有最大像素點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的距離；最后，求取平均值。

其計算公式為：

(2)

式中：xi為y方向上最大點(diǎn)的橫坐標(biāo)，i為這類點(diǎn)的個數(shù)；(x0,y0)為噴射口坐標(biāo)。

由于式(2)是以圖像的像素點(diǎn)坐標(biāo)直接進(jìn)行計算的，因此由計算所得到的是像素距離，而非實(shí)際距離，要進(jìn)一步將像素距按照實(shí)際比例1∶48(具體數(shù)值因環(huán)境和器材而定)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖6所示為6 MPa壓力下激光多普勒位移干涉儀的實(shí)際測量結(jié)果與圖像算法結(jié)果的對比圖。從圖6可以明顯看出：計算機(jī)所得結(jié)果基本與實(shí)際測量結(jié)果吻合，且大多數(shù)誤差是由人為測量所選取的標(biāo)準(zhǔn)不同而造成的，但是誤差均在可接受范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)定這種算法是可靠的。

圖6 實(shí)際測量結(jié)果與圖像算法結(jié)果對比圖

從圖5(a)可以看出，噴射貫穿距離均隨噴射壓力和時間的增加而增加，9 MPa壓力下的最大距離約為6 MPa壓力下的1.3倍，6 MPa壓力下的最大距離約為3 MPa壓力下的2倍。因此，可以初步認(rèn)定壓力越大、最大噴射距離的變化越小。

此外，在整個噴射過程中明顯地出現(xiàn)兩個階段：初始上升階段與平緩階段。在初始上升階段中，噴射貫穿距離的持續(xù)時間隨著噴射壓力的增加而遞增，而且在壓力較小的情況下，初始上升階段與平緩階段不易區(qū)分，基本接近線性變化，因此可以認(rèn)定噴射壓力與初始上升階段的明顯程度和持續(xù)時間成正比。在平緩階段中，無論噴射壓力大小，噴射貫穿的距離變化十分緩慢，而且隨著時間的推移，這個變化趨于一個穩(wěn)定值，使得噴射貫穿距離呈線性變化。

3.2 噴射角度

通常將噴射角度定義為：在特定時刻下，沿噴射束軸線方向，最大輪廓處切點(diǎn)與噴射口連線之間的夾角。在圖像算法上，先將圖像上所有最左邊和最右邊的點(diǎn)分別提取出來；然后分別取中間點(diǎn)，以減少隨機(jī)誤差；再將這兩個中間點(diǎn)與噴射口頂點(diǎn)相互連線構(gòu)造三角形；最后，根據(jù)余弦定理計算出噴射角度。其計算公式如下：

(3)

從圖5(b)可以看出，噴射角度的峰值與噴射壓力成反比，并且噴射角度隨時間變化明顯有三個階段。第一階段大約在0～0.5 s之間，由于噴射試驗(yàn)開始時，角度迅速變化，由0°快速增長到最大值；第二階段大約在0.5～3.5 s之間，在這一階段中噴射角度由最大值開始逐漸下落到某一穩(wěn)定角度附近；第三階段從3.5 s到結(jié)束，噴射流基本維持在一個穩(wěn)定角度，并且這個穩(wěn)定角度與噴射壓力成反比。

4 結(jié)束語

通過對甲烷氣體噴射特性的研究，采用了自動尋焦算法和數(shù)字圖像處理方法，噴射貫穿距離隨時間變化分為初始上升期與平緩期。其中：初始上升期噴射貫穿距離隨時間變化較快，在平緩期內(nèi)噴射貫穿距離基本呈線性增長。噴射角度隨時間變化分為增長期、回落期和穩(wěn)定期。在增長期，噴射角度隨時間呈爆發(fā)性上升，迅速達(dá)到最大值；回落期與增長期相比持續(xù)時間稍長，一般為3 s，下降的速度也稍慢；穩(wěn)定期的持續(xù)時間最長，并且角度的波動范圍基本在2°以內(nèi)。此外，自動尋焦算法取得了精度小于0.5 mm的刀口尋焦的應(yīng)用效果。

[1] ALVAREZ H C,MORENO H D,B.BARRIENTOS G B,et al.Temperature measurement of air convection using a Schlieren system[J].Optics and Laser Technology,2009,41(3):233-240.

[2] TING C C,CHEN C C.Detection of gas leakage using microcolor schlieren technique[J].Measurement,2013，46(8):2467-2472.

[3] 馬宗正,齊運(yùn)亮,許伯彥.液態(tài)LPG發(fā)動機(jī)燃料噴射過程的研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報,2007,22(2):131-135.

[4] 韓雪嬌.天然氣內(nèi)燃機(jī)燃燒問題的基礎(chǔ)研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2013.

[5] 趙建春,葉麗娜,劉芳,等.改進(jìn)型中值濾波在圖像處理中的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報,2013,34(6):129-131.

[6] 馮天植,劉成民,趙潤祥,等.紋影技術(shù)述評[J].彈道學(xué)報,1994,2(1):89-96.

[7] 汪月英.生物柴油霧化質(zhì)量的改善方法研究[D].西安：長安大學(xué),2012.

[8] 呂小亮.背景紋影技術(shù)的溫度場測量[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

[9] 王金華,方宇,黃佐華,等.利用高速攝影紋影法研究天然氣高壓噴射射流特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2007,25(6):500-504.

[10]UNVERZAGT C,OLFERT S,HENNING B.A new method of spatial filtering for schlieren visualization of ultrasound wave fields[J].Physics Procedia,2010,3(1):935-942.

Research on the Methane Injection Characteristics Based on Digital Image Processing

ZHANG Xiongxing, LI Weilong, WANG Kening

(School of Optoelectronics Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to study jet characteristics of methane gas inside internal combustion engine, by adopting black and white schlieren photography, digital image processing and knife-edge auto focus methods, the injection penetration distance and injection angle of methane gas under different injection pressure are studied.Through comparing the practical measurement and actual injection conditions, the reliability of the image processing method is proven.The research results indicate that under different pressure, the injection process of methane gas is mainly divided into rising stage and smooth stage; in rising stage, the injection distance and injection angle are increasing rapidly; while in smooth stage, the injection distance is changing linearly, and the injection angle is decreasing along with the increasing pressure; finally, the injection angle becomes a stable value.

Image processing； Light source； Model； Measurement； Test

陜西省教育廳科學(xué)研究計劃資助項(xiàng)目(16JK1370)

張雄星(1979—)，男，碩士，講師,主要從事光電檢測和信號處理方向的研究。E-mail:605703946@qq.com。

TH71;TP752

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702019

修改稿收到日期:2016-06-29