基于視覺的模型燒蝕形貌實時測量方法

1、基于視覺的模型燒蝕形貌實時測量方法文摘 針對電弧風(fēng)洞試驗時模型燒蝕形貌實時的變化問題,使用數(shù)字散斑相關(guān)結(jié)合雙目視覺的方法直 接測量得到了模型燒蝕過程的形貌變化歷程。利用散斑相關(guān)來進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的處理，同時綜合了亞象素相關(guān) 算法。通過測量獲得了模型燒蝕過程的形貌實時變化情況。標(biāo)定結(jié)果表明標(biāo)定精度達(dá)到了 0.02 mm；試驗結(jié) 果表明，測量方法可以為分析平板模型隨燒蝕時間變化而變化的特性提供有效的試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞 燒蝕形貌測量，雙目視覺，散斑相關(guān)A Vision-Based Method for Real-Time Measurement of Ablative PatternAbstract Th

2、is paper developed a novel method which involved binocular stereo vision to measure the model ablative pattern directly regarding the ablative pattern which was under testing in the arc heated wind tunnel. This method used the speckle correlation to process the data，combined sub-pixel correlation ca

3、n make the results achieve very high precision. The real planar measuring results was obtained after the test was done on a flat model. The calibrate precision of the measure system is 0.02 mm. The results verified that this method can be useful for the analysis of the model characterize related wit

4、h ablative time.Key words Measurement of ablative pattern，Stereo vision，Speckle correlation0引言未來新型高速飛行器在上升段和再入段的外部 氣動加熱問題是其研制過程中極其重要的關(guān)鍵問題 之一，防隔熱部件的防隔熱性能和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要 經(jīng)過燒蝕試驗來進(jìn)行研究和驗證$電弧風(fēng)洞是對防 熱材料或部件進(jìn)行燒蝕試驗研究的重要設(shè)備，主要用 來模擬返回艙再入等熱環(huán)境，研究防熱材料在此環(huán)境 下的燒蝕性能,為評定防熱材料的性能和防護(hù)層設(shè)計 提供地面試驗數(shù)據(jù)。由于電弧風(fēng)洞中的試驗條件十 分苛刻，可以直接測量得到的數(shù)據(jù)比較少，主

5、要有質(zhì) 量燒蝕率、線燒蝕率、燒蝕溫度等。其中線燒蝕率僅 僅反映了試驗前后兩個狀態(tài)點的結(jié)果,數(shù)據(jù)的誤差也 較大，燒蝕形貌的實時變化情況是相關(guān)研究人員最關(guān) 注的。熱防護(hù)材料或部件的燒蝕形貌測量等技術(shù)隨 著近年來光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展也在逐步受到相關(guān)研 究人員的關(guān)注。北京空氣動力學(xué)研究所俞繼軍等H利用表面粗 糙度測量儀對C/C復(fù)合材料燒蝕后的試樣表面形貌 進(jìn)行了分析和測量$ I. ANTONELLA回使用基于攝影 的后退測量技術(shù)（PRM）對某熱防護(hù)材料的試驗件在 試驗中和試驗后進(jìn)行了測量，同時還使用高速3D掃 描儀對試驗后的試件進(jìn)行了測量比對。文中給出了 PRM測量不確定度約為0.2 mm，高速3D掃描

6、儀的 測量不確定度為0.5 mm；但是由于電弧風(fēng)洞中的復(fù) 雜環(huán)境干擾等因素使得PRM識別非常困難，所以試 驗結(jié)果也僅限于識別中心線附件的局部數(shù)據(jù)。W. MICHAEL 03用光學(xué)技術(shù)通過光學(xué)的手段來觀察從等 離子體的粒子中發(fā)射出來的信號來分析得到了后退量的情況。孫翔宇等使用高速相機(jī)并結(jié)合高能激 光光源的方法獲取了絕熱材料表面燒蝕形貌信息和 燒蝕面后退的有效數(shù)據(jù);試驗裝置主要由熱源、光源、 高速相機(jī)、軟件系統(tǒng)和試驗臺等部分構(gòu)成。文中燒蝕 深度測量精度為0.02 mm,可適合火焰溫度小于5 000 K和試樣表面小于3 000 K的測試條件。文中給出 了部分測量結(jié)果，但是文中并沒有給出測量精度的 說

7、明。本文對電弧風(fēng)洞的燒蝕考核方法進(jìn)行了研究，在 次數(shù)有限而費用高昂的試驗車次中獲取更多的燒蝕 有效數(shù)據(jù)。采用了基于雙目視覺的圖像測量技術(shù)來 獲得被測試模型在復(fù)雜惡劣的測試條件下的三維形 貌及其變化過程,考察了被測試物體的試驗過程中的 燒蝕特性,為熱防護(hù)系統(tǒng)等的發(fā)展提供了可靠的數(shù)據(jù) 支持。本文實現(xiàn)了模型燒蝕形貌的實時面測量，而且 這種方法是非接觸測量的方法,不僅沒有對模型造成 任何的干擾，也沒有對流場產(chǎn)生額外的影響。1測量原理數(shù)字散斑相關(guān)方法的基本原理對物體變形前后 的兩幅數(shù)字圖像進(jìn)行相關(guān)計算,從而達(dá)到求解出物體 的變形場的信息。散斑相關(guān)的方法是在上世紀(jì)80年 代初由 YAMAGUCHI05、P

8、ETER 和 RANSON 等人園 同時獨立提出，基本原理是在被測物體表面制作一定 數(shù)量的散斑，使用相機(jī)記錄下來被測物體表面在發(fā)生 變形前后的圖像,然后利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對圖像 進(jìn)行處理從而得到感興趣區(qū)域的變化信息。數(shù)字散 斑相關(guān)可以使用激光也可以利用自然光；散斑可以 是物體固有的自然紋理，也可以是激光照射而形成 的或者人工制作而成的。數(shù)字散斑相關(guān)使用攝像 機(jī)記錄，使用簡單并且可以實現(xiàn)數(shù)字化處理，數(shù)字 散斑相關(guān)方法直接從無規(guī)律的散斑中提取物體的 位移和應(yīng)變信息，它具有操作簡潔、測量條件要求 較低等優(yōu)點。近年來由于工程應(yīng)用上的需要，數(shù)字散斑相關(guān)方 法也越來越多地應(yīng)用到了三維變形場的測量中。模

9、型燒蝕量形貌測量技術(shù)是依據(jù)數(shù)字散斑相關(guān)結(jié)合雙 目視覺的原理而測量得到模型燒蝕量的信息。雙目 視覺技術(shù)是來源于視差原理回，運用三角測量法的 原理來獲取三維信息；即由成像設(shè)備對被測物從不同 視角獲取兩幅數(shù)字圖像,基于視差原理就可以得到物 體的三維信息，重構(gòu)出物體的形狀和位置。雙目視覺 技術(shù)的基本原理如圖1所示。標(biāo)定相機(jī)的參數(shù)是雙目視覺測量的首要步 驟08，需要通過設(shè)計一定的實驗和計算才能求得相圖1雙目視覺測量基本原理圖Fig.1 Concept of stereo vision measurement機(jī)的參數(shù)。圖1雙目視覺測量基本原理圖Fig.1 Concept of stereo vision

10、measurement（1） 物體世界坐標(biāo)系（O）轉(zhuǎn)換為攝像機(jī) 坐標(biāo)系（Oc 2.）；（2）相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo)系（OXL）0通過多個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換得到關(guān)于某個三維 世界坐標(biāo)系中一點的坐標(biāo)（吼，九，勺）與其投影到圖 像平面上的二維像素坐標(biāo)（m,，）之間的換算關(guān)系式, 如式（1）所示：-pu D11 D12 D13 D14 PV = D21 D22 D23 D24-P -_ D31 D32 D33D34 _(1)21-矩陣M的所有系數(shù)和尺度因子p的求解可以根 據(jù)優(yōu)化的標(biāo)定算法來進(jìn)行，標(biāo)定算法的魯棒性及標(biāo)定 結(jié)果的精度直接影響到最終測量結(jié)果的精度(1)21-試驗?zāi)Ｐ蜑?60 mmX260

11、mmX18 mm平板模型。 試驗是在中國航天空氣動力技術(shù)研究院的電弧風(fēng)洞 中進(jìn)行。試驗過程的相關(guān)參數(shù)如表1所示。表1Tab.1試驗過程相關(guān)參數(shù)Parameters of testing臺階時間恢復(fù)焓臺階加熱量編號3 / s6r/MJkgTN/MJ-m2I1009.44121009.7540-20010.24604009.2980模型燒蝕形貌實時測量系統(tǒng)是使用兩臺工業(yè)相 機(jī)、50 mm定焦鏡頭及固定裝置、同步裝置、標(biāo)定靶以 及照明光源等。模型表面圖像經(jīng)相機(jī)數(shù)字化為 2456x2058 pixels的數(shù)字圖像后直接存入計算機(jī)。標(biāo) 定物為有加工精度保證的三維標(biāo)定物，加工精度為 0.01 mm。模型及

12、三維標(biāo)定靶標(biāo)如圖2所示。圖2模型及三維標(biāo)定靶標(biāo)Fig.2 Model and 3D calibration target3測量系統(tǒng)標(biāo)定及模型燒蝕試驗3.1測量系統(tǒng)標(biāo)定及測量精度檢測模型燒蝕形貌實時測量系統(tǒng)測量物體之前需要 對其進(jìn)行標(biāo)定，以獲取測量系統(tǒng)工作時的實際內(nèi)部參 數(shù)和外部參數(shù)。為了考察形貌測量系統(tǒng)的測量精度及檢驗測量 系統(tǒng)的實用性，加工了一個檢測平板,并且在平板的 表面用黑漆和白漆噴涂制作了散斑。從圖3可以看 到：平板表面的黑白斑點的位置分布沒有任何規(guī)律， 散斑的大小也是無規(guī)的，這樣也就達(dá)到了利用散斑來 計算位移的基本要求。將測量系統(tǒng)安裝于精密防震 平臺上。最后再利用三坐標(biāo)測量機(jī)來對檢測

13、平板進(jìn) 行了測量。用于測量的是海克斯康Global Classic SR 橋式三坐標(biāo)測量機(jī)，測量精度為3 pm。圖3檢測平板Fig.3 Calibration pate具體標(biāo)定及檢測步驟如下：連接相機(jī)，保證兩相機(jī)拍攝的為同一視場, 分別調(diào)節(jié)兩個相機(jī)使兩者的參數(shù)大致相同，兩相機(jī)之 間夾角約為50。70。；對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，將三維標(biāo)定物放置于兩個 相機(jī)的視場中，兩相機(jī)同時獲取標(biāo)定物的圖像；計算校準(zhǔn)矩陣，利用模型燒蝕形貌實時測量 標(biāo)定程序?qū)y量系統(tǒng)來進(jìn)行標(biāo)定計算；位移測量，將檢測平板固定安裝于可實現(xiàn)單 方向0.02 mm平移精度的平移臺上,利用平移臺來使 檢測平板產(chǎn)生單方向位移;拍攝檢測平板產(chǎn)生位移前

14、 后的圖像對;本次標(biāo)定時設(shè)定了兩種工況：工況1為 使標(biāo)定平板沿平移臺軸線方向產(chǎn)生1.00 mm,工況2 為使標(biāo)定平板沿平移臺軸線方向產(chǎn)生5.00 mm；使用步驟(3)中的標(biāo)定結(jié)果來計算檢測平板 的位移。從而得出檢測平板的單向位移場；使用三坐標(biāo)測量機(jī)對檢測平板形貌進(jìn)行了 測量；進(jìn)行模型燒蝕形貌實時測量系統(tǒng)的測量精 度比對。從圖4可以看出，本系統(tǒng)測量結(jié)果與三坐標(biāo)機(jī)測 量結(jié)果基本一致。只是三坐標(biāo)機(jī)的測量結(jié)果更加穩(wěn) 定,而本系統(tǒng)的測量結(jié)果有相對較大的偏差。本系統(tǒng) 測量結(jié)果與三坐標(biāo)機(jī)測量結(jié)果的差別小于0.05 mm。 三坐標(biāo)機(jī)的測量值的標(biāo)準(zhǔn)差小于等于0.01 mm，而本 系統(tǒng)測量值的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.02

15、mm。(a)三坐標(biāo)測量圖4測量精度比對云圖Fig.4 Comparison of results contour利用上述測量方法測量得檢測平板的單向位移 場,測量結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯涸摐y量系統(tǒng)的測量誤差比較小,離面位移的測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不大于 0.02 mm$表2標(biāo)定平板單向位移測量結(jié)果Tab.2 Results of displacement measurement工況名義位移/ mm測量平均位移/mm標(biāo)準(zhǔn)偏差/mm11.001.020.0225.004.980.023.2模型燒蝕試驗風(fēng)洞試驗時將兩臺相機(jī)固定到適當(dāng)位置并且拍 攝得到試驗過程中的圖像對，并且與試驗過程的時間 序列吻合。

16、試驗完畢后對采集到的圖像對進(jìn)行后處 理，也即將圖像的灰度信息處理成模型的三維信息$ 試驗進(jìn)行了 800 s,在試驗開始到試驗進(jìn)行到200 s期 間每隔10 s采集一對圖像序列。試驗中的具體步驟 如下：將兩臺測量相機(jī)以最優(yōu)化的視角用工裝固 定在風(fēng)洞觀察窗上，保證兩臺相機(jī)的視場對準(zhǔn)模型并 且范圍基本一致；將標(biāo)定靶放置到模型前面然后同步獲取標(biāo) 定物的圖像；試驗前同步采集模型圖像作為參考圖像；試驗過程中同步采集模型圖像；計算模型三維形貌及燒蝕形貌。4試驗結(jié)果及分析試驗開始前對整個系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,使用的標(biāo)定物 為三維的三角塊標(biāo)定靶。標(biāo)定圖像如圖5所示。試 驗開始前及試驗過程中每隔一定的時間同步采集了 一定

17、數(shù)量的圖像對，如圖6所示。由于整個燒蝕試驗過程中風(fēng)洞內(nèi)的各個位置電 弧弧光的強(qiáng)度不均勻，并且不同時刻的光強(qiáng)的均勻情 況也不相同，因此計算時難以對整個模型全部進(jìn)行形 貌的計算。計算測量結(jié)果時選取了一個在整個試驗圖7圖像計算子區(qū)Fig.7 Computed zone過程中拍攝的圖片效果均較好的區(qū)域來進(jìn)行計算。 計算子區(qū)如圖7所示。計算得到的子區(qū)的位移量云 圖如圖8圖7圖像計算子區(qū)Fig.7 Computed zone圖5標(biāo)定靶及模型安裝圖Fig.5 Experimental model圖6模型燒蝕前和燒蝕過程中的圖像Fig.6 Images of unablated model and ablat

18、ed model(h) 700 圖+模型燒蝕過程中某子區(qū)的高度分布云圖Fig.8 Contour of model圖9圖9提取的某25個點的位置示意圖Fig.9 loactions of 25 Targets為了解實際的高度數(shù)據(jù)變化情況,計算時提取了 形貌計算子區(qū)中的25個位置點(圖9)的高度數(shù)據(jù)， 提取的計算結(jié)果數(shù)據(jù)如圖10所示。選取的25個標(biāo) 記點的法向高度大都是隨著燒蝕時間的增加而有一 定的減小,但是在燒蝕時間達(dá)到400 s之后，幾乎所 有的標(biāo)記點的高度都反而變成直線上升$這是因 為隨著燒蝕時間的增加，模型的材料已經(jīng)改變了其 固有性質(zhì)，模型變得翹曲。圖10模型燒蝕過程中某25個點的高度數(shù)據(jù)變化圖Fig. 10 圖10模型燒蝕過程中某2