基于视觉的燃油喷雾锥角测量软件设计与实现

孙 杰，刘 聪

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

燃油喷雾锥角是发动机喷嘴性能的重要技术参数，影响发动机的经济性、动力性能。目前，在喷嘴试验过程中，采用机械式喷雾锥角测量装置来测量喷雾锥角的大小，存在的问题如下：

1）测试过程不可复现，无法评估喷嘴全过程的喷雾锥角特性。

2）测试过程完全依靠个人经验，测量结果误差不可控制。

为减少喷雾锥角测量的不确定性，新一代喷嘴试验台采用了基于机器视觉的燃油喷雾锥角测量方式。

1 喷雾锥角测量系统组成

喷雾锥角测量系统主要由防爆可见光摄像机、视频处理计算机、光源系统以及视觉处理软件组成[1]。其系统组成图见图1。

图1 喷雾锥角测量系统组成图

防爆可见光摄像机是喷雾锥角测量的重要组成，是喷雾成像系统的核心部件。通过以太网将拍摄到的视频图像传输至视频处理计算机，并由计算机上运行的视觉处理软件进行视频存储、回放、视觉处理及锥角测量[2-3]。

光源系统主要为测试舱内提供照明光源，以便提高喷雾的成像质量。

2 视觉处理软件设计与实现

视觉处理软件基于.net框架和OpenCVsharp视觉开发库进行开发，具备视频采集功能、视频回放功能、边缘检测功能、锥角手动测量、锥角自动测量功能，程序界面如图2所示。

图2 视觉处理软件界面

其详细设计与实现功能如下：

1）视频采集功能

视频采集利用视觉库的功能完成视频采集。点击启动按钮后，视觉软件启动视频采集线程，录取一定时长的视频后，操作人员手动停止视频采集，并将视频存储至本地，采集过程流程图见图3。

图3 视频采集流程图

2）视频回放功能

视频回放功能是视觉处理软件的重要功能，其可以将采集得到的视频数据进行回放，以便测试人员了解喷雾全过程形态变化情况，以选择最佳的测量时机。视频回放分为自动播放和按帧手动拖放2种功能，其类似于我们常见的视频播放器。其自动回放过程的流程图如图4所示。

图4 自动回放过程流程图

3）边缘检测功能

边缘检测功能是利用图形图像处理算法，将视频中的物体边缘进行提取，其可在人工进行喷雾锥角顶点选择时提供方便，并可减少人为判读引起的测量误差。边缘检测功能使用Canny算子进行视频边缘提取。

4）锥角手动测量功能

锥角手动测量功能是利用鼠标工具在视频帧上手动标记待测量角的特征参数，即构成测量角的3个点。通过获取3个点在图像控件上的实际坐标，获得与实际测量角相似的三角形，再通过余弦定理计算得出测量角。

5）锥角自动测量功能

锥角自动测量首先利用边缘检测功能检测出锥角的2条边，然后通过计算2条边的交点得到锥角的顶点，然后取2条邻边的中点作为另外2个特征点共同作为锥角的3个特征点，最后利用手动测量锥角的计算功能获得锥角大小。

3 软件核心功能测试

边缘检测功能和锥角手动测量功能是视觉处理软件的核心功能，在实际测量前必须对该部分功能进行测试验证。

3.1边缘检测功能测试

边缘检测功能是在视频回放时勾选Canny边缘检测选项，该功能使用前后视频效果对比图如图5所示。

图5 边缘检测前后效果对比图

经过对比可以发现：Canny边缘检测后可基本提取出视频中物体的主要轮廓。

3.2 锥角手动测量功能测试

在使用锥角手动测量功能时，首先使用测量工具，点击测量按钮后利用鼠标双击功能可选择3个特征点，如图6所示，特征点选取的顺序分别为1、2、3。特征点选取完成后，利用计算功能获得选取角的度数。

由图6可知：被测量锥角的角度为76.08°。

图6 锥角手动测量示例

3.3 锥角自动测量功能测试

在视频回放时勾选边缘检测及自动锥角选项，点击播放后，程序自动识别锥角中的3个特征点，其效果如图7所示。

由图7可知：被测锥角的角度为76.20°。

图7 锥角自动测量示例

4 结论