喷嘴喷雾锥角测量中的直线检测技术研究

彭中伟 赵越 马雅洁 常敏

摘要：喷雾锥角是喷嘴的一项重要参数，是研究其雾化性能的一个关键性能指标。在基于机器视觉和图像处理测量喷嘴喷雾锥角的方法中，通过直线检测获得喷雾的左右边界从而获得喷雾锥角是常用的技术手段。针对不同的喷雾图像特点结合常用的霍夫变换和最小二乘法对直线检测方法进行了研究。

关键词：喷嘴;喷雾锥角;直线检测

中图分类号：V434-34 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）08-0121-02

0 概述

喷雾锥角是表征喷嘴雾化性能的一项重要参数指标，其关系到火焰稳定、燃烧效率及污染物生成，是喷嘴设计、运行的重要参数[1]。

随着机器视觉技术及图像处理技术的大力发展和广泛应用，基于视觉和图像的检测方法正在越来越多的领域逐渐代替传统的人工测量方法，其不仅能够提高测量系统的自动化程度和试验结果的测量精度，还能够降低工作人员的劳动强度和恶劣环境下的危险程度。

基于机器视觉和图像处理的喷雾锥角测量方法的基本步骤是对喷嘴图像进行预处理，得到喷嘴喷雾的边缘二值图，然后采用直线检测技术确定喷雾两侧的边界线，边界线的夹角即为喷嘴的喷雾锥角。

1 直线检测技术

物体特征提取中直线检测在机器视觉和图像处理技术中非常重要，Hough变换（HT）算法[2]和最小二乘法是目前两种主流的直线检测方法。

1.1 霍夫变换

直线检测时，Hough变换（HT）算法的基本思想是利用平面坐标系中的直线与参数空间上点的对偶性原理，将平面坐标系中的每个特征点映射到用于累加的参数空间，再统计各个单元的计数以检测出极大值，确定是否存在目标直线，并获得直线的参数方程。

其中，代表直线到原点的距离，代表轴与直线法线所形成的夹角。这样经过HT算法以后，每条直线上所有的点被变换为一簇相交于点的正弦曲线。从所有的坐标值中挑出最大值点，即为目标直线的参数方程。

1.2 最小二乘法

采用最小二乘法原理实现喷雾锥角测量的原理是：利用最小二乘法分别对喷雾图像的左右边界进行直线拟合，获得边界直线的斜率，从而计算得到两条边界直线的夹角。

2 试验结果及分析

选用两种不同的喷嘴进行试验仿真，直线检测效果如图1至图5所示。

结合仿真程序及效果图可以发现，HT算法和最小二乘法均能准确检测出简单目标环境下的锥角边界线，但HT算法计算时间长，占用的存储空间也较最小二乘法大的多（HT算法所占时间和存储空间由、的步长、影响较大）。而对于环境复杂外界干扰较多条件下的边界检测，由于HT算法采用的是累积投票法，检测的是最长直线段的点数，即使目标直线断裂，也不影响其精度，而采用最小二乘法时外界干扰会影响目标直线的检测精度且对图像预处理技术要求较高，对比图4、图5左边边界图可以发现图HT算法准确的检测出了边界直线，而最小二乘法拟合时右边直线明显偏离了边界直线位置，测量误差较大。

3 结语

论文针对喷嘴喷雾锥角测量时两种常用的直线检测方法进行了原理介绍和现场试验图片仿真。仿真试验结果表明，两种直线检测方法各有其优缺点，实际使用时，应根据目标需求合理选择。另外，文中介绍的两种直线检测方法均对图像预处理技术有一定的要求。

参考文献

[1] 曾青华，范慧杰，王岳，等.基于主動轮廓方法提取雾化锥角[J].航空动力学报，2014，29（2）：284-289.

[2] Hough P V C.Method and Means for Recognizing Complex Patterns：USA，3065956[P].1962.

[3] 聂铁军.数值计算方法[M].西安：西北工业大学出版社，1990.