噴嘴噴霧錐角測量中的直線檢測技術研究

彭中偉 趙越 馬雅潔 常敏

摘要：噴霧錐角是噴嘴的一項重要參數，是研究其霧化性能的一個關鍵性能指標。在基于機器視覺和圖像處理測量噴嘴噴霧錐角的方法中，通過直線檢測獲得噴霧的左右邊界從而獲得噴霧錐角是常用的技術手段。針對不同的噴霧圖像特點結合常用的霍夫變換和最小二乘法對直線檢測方法進行了研究。

關鍵詞：噴嘴;噴霧錐角;直線檢測

中圖分類號：V434-34 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）08-0121-02

0 概述

噴霧錐角是表征噴嘴霧化性能的一項重要參數指標，其關系到火焰穩定、燃燒效率及污染物生成，是噴嘴設計、運行的重要參數[1]。

隨著機器視覺技術及圖像處理技術的大力發展和廣泛應用，基于視覺和圖像的檢測方法正在越來越多的領域逐漸代替傳統的人工測量方法，其不僅能夠提高測量系統的自動化程度和試驗結果的測量精度，還能夠降低工作人員的勞動強度和惡劣環境下的危險程度。

基于機器視覺和圖像處理的噴霧錐角測量方法的基本步驟是對噴嘴圖像進行預處理，得到噴嘴噴霧的邊緣二值圖，然后采用直線檢測技術確定噴霧兩側的邊界線，邊界線的夾角即為噴嘴的噴霧錐角。

1 直線檢測技術

物體特征提取中直線檢測在機器視覺和圖像處理技術中非常重要，Hough變換（HT）算法[2]和最小二乘法是目前兩種主流的直線檢測方法。

1.1 霍夫變換

直線檢測時，Hough變換（HT）算法的基本思想是利用平面坐標系中的直線與參數空間上點的對偶性原理，將平面坐標系中的每個特征點映射到用于累加的參數空間，再統計各個單元的計數以檢測出極大值，確定是否存在目標直線，并獲得直線的參數方程。

其中，代表直線到原點的距離，代表軸與直線法線所形成的夾角。這樣經過HT算法以后，每條直線上所有的點被變換為一簇相交于點的正弦曲線。從所有的坐標值中挑出最大值點，即為目標直線的參數方程。

1.2 最小二乘法

采用最小二乘法原理實現噴霧錐角測量的原理是：利用最小二乘法分別對噴霧圖像的左右邊界進行直線擬合，獲得邊界直線的斜率，從而計算得到兩條邊界直線的夾角。

2 試驗結果及分析

選用兩種不同的噴嘴進行試驗仿真，直線檢測效果如圖1至圖5所示。

結合仿真程序及效果圖可以發現，HT算法和最小二乘法均能準確檢測出簡單目標環境下的錐角邊界線，但HT算法計算時間長，占用的存儲空間也較最小二乘法大的多（HT算法所占時間和存儲空間由、的步長、影響較大）。而對于環境復雜外界干擾較多條件下的邊界檢測，由于HT算法采用的是累積投票法，檢測的是最長直線段的點數，即使目標直線斷裂，也不影響其精度，而采用最小二乘法時外界干擾會影響目標直線的檢測精度且對圖像預處理技術要求較高，對比圖4、圖5左邊邊界圖可以發現圖HT算法準確的檢測出了邊界直線，而最小二乘法擬合時右邊直線明顯偏離了邊界直線位置，測量誤差較大。

3 結語

論文針對噴嘴噴霧錐角測量時兩種常用的直線檢測方法進行了原理介紹和現場試驗圖片仿真。仿真試驗結果表明，兩種直線檢測方法各有其優缺點，實際使用時，應根據目標需求合理選擇。另外，文中介紹的兩種直線檢測方法均對圖像預處理技術有一定的要求。

參考文獻

[1] 曾青華，范慧杰，王岳，等.基于主動輪廓方法提取霧化錐角[J].航空動力學報，2014，29（2）：284-289.

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

[3] 聶鐵軍.數值計算方法[M].西安：西北工業大學出版社，1990.