0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場的測試是指對壁面溫度與高溫燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱端部件的測量。發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)系，因此必須對發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場進(jìn)行準(zhǔn)確地測試。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和修理企業(yè)測試發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(diǎn)的溫度進(jìn)行測量，不能實(shí)現(xiàn)對整個(gè)溫度場的測量。人工判讀法是指發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)零部件的溫度，如圖1(b)所示。目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家采用示溫漆來間接地測量發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(diǎn)，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(diǎn)。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)溫度場測試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場測試系統(tǒng)是由光源、發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)別計(jì)算機(jī)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(dú)光線的特殊照射下提供足以實(shí)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(biāo)圖像;圖像傳感器是通過CCD或CMOS感光元件將圖像轉(zhuǎn)化為信號(hào)進(jìn)行采集;圖像采集卡主要是為了把圖像傳感器獲取的目標(biāo)圖像采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)對采集到的圖像進(jìn)行圖像融合、處理和溫度識(shí)別。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場測試系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作工程如下：首先當(dāng)測試目標(biāo)接近到CCD 圖像傳感器視角中心時(shí)，圖像采集卡分別向CCD圖像傳感器和照明設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)圖像傳感器和照明設(shè)備工作，CCD圖像傳感器進(jìn)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(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化變成數(shù)字信號(hào);圖像采集卡將圖像信號(hào)送到圖像處理和溫度識(shí)別計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行圖像融合以及溫度識(shí)別等處理，最后計(jì)算機(jī)對圖像處理、分析、目標(biāo)溫度識(shí)別的結(jié)果進(jìn)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(biāo)信息和背景信息的目標(biāo)圖像，以突出感興趣的目標(biāo)特征、抑制不感興趣的背景特征，從而大大地減少目標(biāo)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(yīng)該遵循對比度大、亮度適中、光源均勻、魯棒性高等原則，同時(shí)還有兼顧使用壽命、溫度影響以及價(jià)格成本、設(shè)計(jì)難度等因素。常用的光源有LED燈、鹵素?zé)?、熒光燈和激光光源等，這里選擇LED燈，因?yàn)長ED燈具有穩(wěn)定、節(jié)能且亮度可調(diào)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 圖像傳感器

圖像傳感器是測試系統(tǒng)獲取圖像的關(guān)鍵部件，他將測試目標(biāo)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像信號(hào)之后，就可以在計(jì)算機(jī)里進(jìn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定、成像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。CMOS圖像傳感器是利用CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件制成的，這種傳感器價(jià)格便宜但成像質(zhì)量不高。考慮到測試系統(tǒng)對圖像質(zhì)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(gè)CCD圖像傳感器，從不同角度獲得測試目標(biāo)的圖像。采用多傳感器冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(biāo)成像在CCD圖像傳感器的光敏感面上，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)部件溫度場圖像的采集質(zhì)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(gè)原則：

(1)遵循分辨率高;

(2)成像尺寸應(yīng)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(biāo)之間距離來選擇鏡頭的焦距。這里使用多個(gè)鏡頭，每個(gè)鏡頭對準(zhǔn)一個(gè)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(biāo)模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，圖像采集卡帶有外接的信號(hào)接口與CCD 圖像傳感器相連，圖像采集卡裝在計(jì)算機(jī)的一個(gè)總線插槽上。工作時(shí)，圖像采集卡先對CCD圖像傳感器輸出的模擬圖像信號(hào)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里，計(jì)算機(jī)對采集到的多源圖像進(jìn)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(dòng)、撞擊、溫度和濕度極限條件?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(jì)算機(jī)

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于圖像融合的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)部分：圖像融合預(yù)處理和圖像融合、融合圖像后處理、測試目標(biāo)示溫漆圖像的顏色溫度識(shí)別。圖像融合預(yù)處理是指把N 個(gè)傳感器在不同角度獲得的N 個(gè)目標(biāo)圖像分別進(jìn)行圖像校正，圖像增強(qiáng)、圖像配準(zhǔn)預(yù)處理后再進(jìn)行圖像融合。圖像融合的目的是為了擴(kuò)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(qiáng)特征顯示能力，提供變化測試能力，替代或修補(bǔ)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(biāo)圖像進(jìn)行融合，該算法具有能夠去除特征相關(guān)性，提供多尺度信息，對所感興趣的特征和細(xì)節(jié)信息進(jìn)行強(qiáng)化等優(yōu)點(diǎn)。

基于小波變換算法的圖像融合的結(jié)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(quán)。

計(jì)算出圖像融合的3 個(gè)評價(jià)指標(biāo)：信息熵、空間頻率和平均梯度，通過計(jì)算結(jié)果數(shù)值比較，融合后圖像的3個(gè)指標(biāo)都有明顯地提升，這說明融合后圖像質(zhì)量和清晰度都明顯地提高了。

圖像融合后進(jìn)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(biāo)圖像進(jìn)行溫度識(shí)別。示溫漆顏色圖像溫度值的判斷方法如下：要判斷A點(diǎn)的溫度值，就要尋找曲線上與A點(diǎn)距離最近的一點(diǎn)B,點(diǎn)A與點(diǎn)B的距離可用歐式距離表示。若AB 為最小距離，則認(rèn)為B 點(diǎn)所對應(yīng)的溫度值即為A點(diǎn)的溫度。

4 結(jié)語

該測試系統(tǒng)中，圖像融合是圖像處理的關(guān)鍵，它直接決定了圖像處理后的質(zhì)量和清晰度。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)明顯地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場的測試效率和測試精度，具有非常好的應(yīng)用推廣價(jià)值。