基于多傳感器圖像融合的溫度場測試系統(tǒng)

0 引言

發(fā)動機溫度場的測試是指對壁面溫度與高溫燃氣渦輪發(fā)動機燃燒室的熱端部件的測量。發(fā)動機熱端部件的使用壽命的長短與熱端部件溫度場的分布是否均勻有密切關系，因此必須對發(fā)動機溫度場進行準確地測試。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)發(fā)動機生產(chǎn)和修理企業(yè)測試發(fā)動機某些零部件的溫度場主要有直接接觸法和人工判讀法。直接接觸法是用熱電偶來直接測試發(fā)動機的零部件溫度，如圖1(a)所示。但用該方法測量誤差大，且只能對某些點的溫度進行測量，不能實現(xiàn)對整個溫度場的測量。人工判讀法是指發(fā)動機生產(chǎn)和修理企業(yè)利用示溫漆的顏色溫度特性來間接地人工判讀發(fā)動機零部件的溫度，如圖1(b)所示。目前大多數(shù)發(fā)動機生產(chǎn)廠家采用示溫漆來間接地測量發(fā)動機部件的溫度場，示溫漆是一種溫度傳感器，它能在不同的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的顏色，將其涂在發(fā)動機測試件表面，根據(jù)被測件表面示溫漆的顏色來判斷其溫度。

用示溫漆來測量發(fā)動機熱端部件的溫度場具有測量面積大、測溫范圍廣、使用方便、操作簡單、不破壞物體表面形狀等優(yōu)點，因此能夠得到比較廣泛的使用，但這種方法易受環(huán)境光的影響，存在誤差大、效率低等缺點。為了提高發(fā)動機溫度場的測試精度、測試效率和魯棒性，本文首次提出了一種基于多傳感器圖像融合發(fā)動機溫度場測試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 工作原理

整個發(fā)動機溫度場測試系統(tǒng)是由光源、發(fā)動機溫度場測試的零部件、鏡頭、CCD圖像傳感器、圖像采集卡、圖像融合處理和溫度識別計算機5 大部分組成。光源的作用就是在昏暗的環(huán)境下或是需要單獨光線的特殊照射下提供足以實現(xiàn)圖像采集的光線;鏡頭的作用是通過自身的調(diào)節(jié)保證圖像傳感器可以采集到大小合適、清晰度高的目標圖像;圖像傳感器是通過CCD或CMOS感光元件將圖像轉化為信號進行采集;圖像采集卡主要是為了把圖像傳感器獲取的目標圖像采集并傳輸?shù)接嬎銠C圖像處理系統(tǒng)，計算機對采集到的圖像進行圖像融合、處理和溫度識別。整個發(fā)動機溫度場測試系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

整個系統(tǒng)的工作工程如下：首先當測試目標接近到CCD 圖像傳感器視角中心時，圖像采集卡分別向CCD圖像傳感器和照明設備發(fā)出啟動脈沖啟動圖像傳感器和照明設備工作，CCD圖像傳感器進行一幀圖像的掃描和輸出;接著圖像采集卡把從CCD 圖像傳感器采集過來的模擬信號進行A/D轉化變成數(shù)字信號;圖像采集卡將圖像信號送到圖像處理和溫度識別計算機內(nèi)，進行圖像融合以及溫度識別等處理，最后計算機對圖像處理、分析、目標溫度識別的結果進行顯示。

2.2 光源

在測試系統(tǒng)過程中，光源選擇的目的是為了獲得高對比度的目標信息和背景信息的目標圖像，以突出感興趣的目標特征、抑制不感興趣的背景特征，從而大大地減少目標圖像處理的難度，提高系統(tǒng)的魯棒性和測量精度，因此光源的選擇應該遵循對比度大、亮度適中、光源均勻、魯棒性高等原則，同時還有兼顧使用壽命、溫度影響以及價格成本、設計難度等因素。常用的光源有LED燈、鹵素燈、熒光燈和激光光源等，這里選擇LED燈，因為LED燈具有穩(wěn)定、節(jié)能且亮度可調(diào)、使用壽命長等優(yōu)點。

2.3 圖像傳感器

圖像傳感器是測試系統(tǒng)獲取圖像的關鍵部件，他將測試目標光信號轉化為電信號再經(jīng)過A/D 轉換成為數(shù)字圖像信號之后，就可以在計算機里進行數(shù)字圖像處理了。目前圖像傳感器主要有CCD 和CMOS 兩種。CCD圖像傳感器[1]是一種新型的半導體固態(tài)圖像傳感器，它由CCD 電荷耦合器件制成，它具有集成度高、功耗低、結構簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定、成像質量高等優(yōu)點，因而被廣泛應用。CMOS圖像傳感器是利用CMOS型光電轉換器件制成的，這種傳感器價格便宜但成像質量不高?？紤]到測試系統(tǒng)對圖像質量要求比較高，這里選用了CCD圖像傳感器。本系統(tǒng)安裝多個CCD圖像傳感器，從不同角度獲得測試目標的圖像。采用多傳感器冗余結構，同時也提高了系統(tǒng)的魯棒性。

2.4 鏡頭

鏡頭是測試系統(tǒng)的重要組件，它把測試目標成像在CCD圖像傳感器的光敏感面上，其質量的好壞直接關系到發(fā)動機部件溫度場圖像的采集質量，也直接影響到整體系統(tǒng)的性能。本測試系統(tǒng)中，本測試系統(tǒng)中鏡頭的選取遵循了以下3個原則：

(1)遵循分辨率高;

(2)成像尺寸應不小于CCD 圖像傳感器的靶面尺寸;

(3)根據(jù)CCD 圖像傳感器與被測試目標之間距離來選擇鏡頭的焦距。這里使用多個鏡頭，每個鏡頭對準一個CCD圖像傳感器。

2.5 圖像采集卡

圖像采集卡是將CCD圖像傳感器獲得的目標模擬圖像信號轉換成數(shù)字圖像信號，圖像采集卡帶有外接的信號接口與CCD 圖像傳感器相連，圖像采集卡裝在計算機的一個總線插槽上。工作時，圖像采集卡先對CCD圖像傳感器輸出的模擬圖像信號進行采集，然后經(jīng)過A/D轉換把模擬圖像轉換為數(shù)字圖像存儲在存儲器里，計算機對采集到的多源圖像進行數(shù)字圖像融合和處理。目前圖像采集卡主要有PCI和PXI兩種，基于PCI總線的圖像采集卡具有工業(yè)環(huán)境下振動、撞擊、溫度和濕度極限條件。考慮到發(fā)動機工作時高振和高溫等，這里選擇于PCI總線的圖像采集卡。

2.6 圖像融合處理計算機

為了減少人工判讀誤差，在利用示溫漆圖像進行溫度場識別之前，必須進行圖像融合及圖像處理，圖像融合處理計算機就是把從CCD圖像傳感器獲取的目標圖像采集存儲到計算機存儲器里，并對目標圖像進行數(shù)字融合和溫度識別處理，從而得到測試目標溫度場分布情況。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于圖像融合的發(fā)動機溫度場測試系統(tǒng)軟件設計流程如圖3所示。

整個軟件設計主要包括以下3個部分：圖像融合預處理和圖像融合、融合圖像后處理、測試目標示溫漆圖像的顏色溫度識別。圖像融合預處理是指把N 個傳感器在不同角度獲得的N 個目標圖像分別進行圖像校正，圖像增強、圖像配準預處理后再進行圖像融合。圖像融合的目的是為了擴大系統(tǒng)工作范圍、提高系統(tǒng)的可靠性和圖像空間分辨率、改善圖像精度，增強特征顯示能力，提供變化測試能力，替代或修補圖像數(shù)據(jù)的缺陷等。

常用的圖像融合算法有基于空間的圖像融合和基于變換域的圖像融合兩大類。本課題采用基于變換域圖像融合算法中的小波融合算法對目標圖像進行融合，該算法具有能夠去除特征相關性，提供多尺度信息，對所感興趣的特征和細節(jié)信息進行強化等優(yōu)點。

基于小波變換算法的圖像融合的結果如圖4 所示，圖像C 是圖像A 和圖像B 融合后的圖像，這里小波基系數(shù)用sym6、分解層數(shù)是3層、低頻取平均、高頻取窗口系數(shù)加權。

計算出圖像融合的3 個評價指標：信息熵、空間頻率和平均梯度，通過計算結果數(shù)值比較，融合后圖像的3個指標都有明顯地提升，這說明融合后圖像質量和清晰度都明顯地提高了。

圖像融合后進行圖像后處理：包括特征選取、空間變換、彩色量化、圖像分割。最后根據(jù)示溫漆的顏色溫度特性對目標圖像進行溫度識別。示溫漆顏色圖像溫度值的判斷方法如下：要判斷A點的溫度值，就要尋找曲線上與A點距離最近的一點B,點A與點B的距離可用歐式距離表示。若AB 為最小距離，則認為B 點所對應的溫度值即為A點的溫度。

4 結語

該測試系統(tǒng)中，圖像融合是圖像處理的關鍵，它直接決定了圖像處理后的質量和清晰度。實驗證明，該系統(tǒng)明顯地提高了發(fā)動機溫度場的測試效率和測試精度，具有非常好的應用推廣價值。