本發(fā)明涉及一種基于反光絲線姿態(tài)角視覺識別二維風速風向測試方法，該方法具體可應用于：工程技術中低風速風向測量。

背景技術：

風速的測量作為工程技術測量領域的重要組成部分，在氣流體和空氣動力方面的工程試驗中的重要性不言而喻，對列車空氣動力學的研究亦起著至關重要的作用。目前針對氣流速度的測試手段主要包括熱線測試技術，超聲測試技術，壓差測試技術，機械式測風技術等。

熱線風速儀所采用的熱線探頭很細，本身處于高溫，所以容易損壞。另外，由于絲的形變和氧化，影響其性能的穩(wěn)定性，因而需要經(jīng)常校準。在惡劣環(huán)境中工作的探頭，其絲的表面可能被沙、塵、油等污染而引起測量不精準。

超聲測風是超聲波檢測技術在氣體介質(zhì)中的一種應用，它是利用超聲波在空氣中傳播速度受空氣流動(風) 的影響來測量風速的。超聲波風速儀的缺點就是易受電磁波等外界環(huán)境干擾，不適合應用于工況較復雜的設備倉。

壓差測試技術要求有啟動風速，響應速度慢，適合精度要求較低的場合。皮托管在低風速段靈敏度低，且不適合含煙塵氣體的風速測量，容易堵塞管口。在使用皮托管或靠壁管測風速的時候需要正對來流，在不清楚氣流來向的情況下，動壓與靜壓的差值與實際壓差值存在較大誤差，因此測試的誤差較大。

機械式測風技術常使用的儀器有常規(guī)的風杯或旋翼式風速儀，機械式測量要求有啟動風速，響應速度慢，適合精度要求較低的場合。

在具體測量工況需求下，為測試設備倉內(nèi)低速絮亂氣流的流速與流向，需要選用一套適合于該環(huán)境狀態(tài)的設備進行風速風向的測量，或是建立一套切實可行的測量方案。結合現(xiàn)有的風速風向測量技術，認真分析了各技術在此環(huán)境下的實用性，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的測量技術都存在一些不可忽視的問題，那么開發(fā)一種新的測量技術應用于該環(huán)境的風速風向測量是有必要的。在結合機器視覺與流體力學相關知識的背景下，探索出一種新穎的風速風向測量方法: 基于反光絲線姿態(tài)角視覺識別二維風速風向測試方法。應用于工程測量技術中低風速風向測量、設備艙內(nèi)低風速測量與風向識別、低速氣流流速定性定量分析。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種基于反光絲線姿態(tài)角視覺識別二維風速風向測試方法,發(fā)明目的在于使用一種新的測試方法來適應特殊環(huán)境下的風速風向的測量。應用機器視覺的原理，并結合流體力學與機器視覺相關知識，使用絲線這一固體控制模型來傳遞視覺信息，根據(jù)相機獲得視覺信息對目標的位置和姿態(tài)進行的非接觸式測量，主要通過二維圖像或三維笛卡爾空間信息的映射和視覺測量系統(tǒng)來建立固體控制模型的空間位置變化與流體流速之間的關系，從而間接測量了風速風向。是機器視覺測量學在風工程測量領域的一種創(chuàng)新性應用。

所述方法在具體實施過程中包括風洞標定與實際測量兩部分：

1）、風洞標定部分步驟包括：

（A）CCD面陣相機與反光絲線的安裝，CCD面陣相機與反光絲線位置固定安裝，懸掛的反光絲線靜止時豎直向下，CCD面陣相機安裝在反光絲線正下方，反光絲線靜止狀態(tài)在CCD面陣相機中成像于一點；

（B）將上述步驟中的CCD面陣相機和反光絲線放入風洞中進行標定，調(diào)節(jié)風洞風速，通過CCD面陣相機拍攝存儲的反光絲線圖像，在反光絲線投影長度不再變化后獲得多組在不同風速下的反光絲線的投影長度數(shù)據(jù)，其中CCD面陣相機圖像拍攝反光絲線是一個連續(xù)過程，在投影長度逐漸變長過程中，當反光絲線投影長度達到后，則后續(xù)測量反光絲線投影長度值失效，L為反光絲線長度，f為CCD面陣相機焦距，d為反光絲線固定點與CCD面陣相機光心的距離；

（C）根據(jù)有效反光絲線投影長度計算姿態(tài)角Φ(t)，

（D）然后根據(jù)計算得到的多組姿態(tài)角數(shù)據(jù)Φ(t)，得到V(t)=f(Φ(t))的函數(shù)關系；

2）、實際測量部分：

（1）將上述步驟（A）中固定安裝的CCD面陣相機與反光絲線放置于所需測量的空氣流體區(qū)域內(nèi)；

（2）視覺圖像識別:（a）通過CCD面陣相機拍攝存儲的反光絲線圖像，得到的反光絲線投影長度，當反光絲線投影長度達到后，則后續(xù)測量反光絲線投影長度值失效，根據(jù)有效反光絲線投影長度計算姿態(tài)角Φ(t)；（b）根據(jù)反光絲線投影在CCD面陣相機成像平面坐標系中的坐標位置，可獲得空間二維風向；

（3）根據(jù)步驟（a）所得反光絲線姿態(tài)角Φ(t)，代入步驟（C）中的風洞標定所建立的函數(shù)式V(t)=f(Φ(t))中，計算得到風速。

其中，步驟（B）中的風洞風速的調(diào)節(jié)，是按照風速梯度依次逐漸提升的。

其中，所述反光絲線的姿態(tài)角，是通過機器視覺測量學中成像平面坐標與笛卡爾空間坐標的映射變換，得到反光絲線擺前與擺后的位置關系，根據(jù)三角函數(shù)關系式求出反光絲線的姿態(tài)角。

該發(fā)明方法為姿態(tài)外測法(視覺姿態(tài)測量法)，根據(jù)攝像機獲得視覺信息對目標的位置和姿態(tài)進行的非接觸式測量。該方法優(yōu)點如下等:

（a）反光絲線姿態(tài)角視覺識別風速風向測試方法，可應用于許多場合且適合一些復雜工況條件下的測量，測試所用的反光絲線抗破壞性強于熱絲風速儀所使用的鉑絲或鎢絲，可克服熱線風速儀、超聲波風速儀等測試手段不能應用于較復雜工況的缺點。

（b）該發(fā)明與超聲波風速儀同樣具有能準確測出自然風中陣風脈動的高頻成分的能力，且克服了超聲波風速儀易受電磁波等外界環(huán)境干擾的不足，可適用于工況較復雜的環(huán)境。

（c）反光絲線姿態(tài)角視覺識別風速風向測試方法可直接識別風向來流，通過機器視覺圖像處理技術讀出風速大小，并不需要像壓差測試技術那樣，在正對來流的技術條件下才能準確測量。

（d）該發(fā)明方法與常規(guī)的風杯或旋翼式風速儀相比特點在于整個測風系統(tǒng)沒有機械轉(zhuǎn)動，根據(jù)相機獲得視覺信息對目標的位置和姿態(tài)進行的非接觸式測量。這種測量方法較機械式測風技術響應速度快，且無機械磨耗?？蛇m應于工況較復雜的流場，簡單直觀。

反光絲線姿態(tài)角視覺識別風速風向測試方法，根據(jù)攝像機獲得視覺信息對目標的位置和姿態(tài)進行的非接觸式測量，此測量方法具有技術先進，結構簡單，現(xiàn)場安裝使用方便，也具有必要的獨立性，準確性，可靠性以及信息完整性等優(yōu)勢。視覺測量按照所用視覺傳感器數(shù)量可以分為單目視覺測量，雙目視覺測量和多目視覺測量等。

附圖說明：

圖1是像素坐標系轉(zhuǎn)換為物理單位表示的圖像坐標系示意圖；

圖2 是相機小孔成像原理與計算模型示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中相機與絲線實物安裝示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中測量流程圖；

圖中：1-支架桿，2-反光絲線，3-CCD面陣相機，4-支架底座。

具體實施方式：

所述方法在具體實施過程中包括風洞標定與實際測量兩部分：

1）、風洞標定部分步驟包括：

（A）、CCD面陣相機與反光絲線位置固定安裝，懸掛的反光絲線靜止時豎直向下，CCD面陣相機安裝在反光絲線正下方，反光絲線靜止狀態(tài)在CCD面陣相機中成像于一點；

（B）、將上述步驟中的CCD面陣相機和反光絲線放入風洞中進行標定，調(diào)節(jié)風洞風速，通過CCD面陣相機拍攝存儲的反光絲線圖像，獲得多組在不同風速下的反光絲線的有效投影長度數(shù)據(jù)；

其中CCD面陣相機成像：相機采集的圖像以標準電視信號的形式經(jīng)高速圖像采集系統(tǒng)變換為數(shù)字圖像，并輸入計算機。每幅數(shù)字圖像在計算機內(nèi)為M×N數(shù)組，M行N列的圖像中的每一個元素（像素）的數(shù)值即是圖像點的亮度（灰度）。在圖1中的圖像坐標系uo_Ov上，每一像素的坐標（u，v）分別是該像素在數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)，所以，（u，v）是以像素為單位的圖像坐標系坐標。在該坐標系中建立以物理單位（mm）表示的圖像坐標系，以圖像內(nèi)某一點O₁為原點，x軸、y軸分別與u軸、v軸平行。其中（u，v）表示以像素為單位的圖像坐標系坐標，（x，y）表示以mm為單位的圖像坐標系的坐標。設x，y坐標系的原點O₁的初始坐標為（u₀，v₀），且原點O₁為反光絲線靜止時，豎直絲線在成像平面的投影點。每一個像素在x軸與y軸方向上的物理尺寸為dX，dY。如圖1所示，圖像坐標系建立像素點坐標與圖像坐標的關系：

1-1

由此，即可將反光絲線在成像平面的灰度長度轉(zhuǎn)化成以mm為單位的物理長度，并將此物理長度稱為反光絲線的投影長度。

圖2為絲線與相機的安裝位置。點O為相機光心，坐標軸uo_Ov平面為等效成像坐標軸平面，且uo_Ov平面與空間立體坐標中的XO_WY坐標平面平行，兩坐標平面處于水平位置；OO₁為相機焦距，用f表示；點O_W為反光絲線的固定點位置，點P為反光絲線運動端的端點，點P′為點P運動后位置點，任何點P在圖像中的投影位置點P1，為光心O與點P的連線OP與圖像平面的交點，這種關系也稱為中心射影或透視投影； O_WO為反光絲線固定點與相機光心的距離，用d表示；O_WP為反光絲線的長度，用L表示；反光絲線在相機成像平面上的投影為O₁P₁，用L′表示。下面介紹了計算模型中參數(shù)標定的示例和確定該模型的測量范圍，即規(guī)定測量的量程。

（B1）、標定參數(shù)f、d，將絲線處于水平位置O_WP₀取圖，換算投影長度，讀數(shù)用L₁表示，得關系式：

1-2

上式投影長度L₁可由圖像讀取，絲線長度L已知。

將相機沿著Z軸負方向豎直向下移動定值a，將絲線再次處于水平位置O_WP₀時取圖，換算投影長度，讀數(shù)用L₂表示，得關系式：

1-3

上式投影長度L₂可由圖像讀取，絲線長度L已知，a是確定已知的。由上式1-2和1-3即可標定相機的焦距與相機光心離絲線固定端的距離，由此確定參數(shù)f、d。

（B2）、確定反光絲線有效投影長度的范圍，由于圖2計算模型可知當反光絲線擺到P點以上區(qū)域，則圖像上的點會對應于兩個不同的空間位置，導致無法計算得到確定的擺角，從而需要確定反光絲線有效投影長度的范圍；如圖2所示，當點P與光心O連線相切與反光絲線運動的球面時，反光絲線在成像平面的投影長度L′最長，得關系式：

1-4

由上式1-4可得最大投影長度L′=。

在該方法中，設定絲線動點P在此相切處以下為實際有效測量范圍，此時圖像中的投影長度L′為。

由式1-4可知該幾何模型所測量的最大角量程與絲線長度L、絲線到光心距離d有關。絲線固定端O_W距離相機光心O距離越遠所測量的角度越大。

（C）、根據(jù)反光絲線投影長度計算姿態(tài)角Φ(t)；反光絲線在有效量程內(nèi)運動時角度的換算關系：設動點P運動到P′時，反光絲線的投影長度為O₁P₁′，反光絲線由靜止的豎直向下位置擺到O_WP′位置，偏擺角∠DO_WP′為θ，反光絲線在成像平面的投影長度為L′由此可建立方程：

1-5

由上式1-5可得：

1-6

由上式1-6解得：

1-7

由上式1-7建立了擺角θ與絲線投影長度L′的關系式，根據(jù)此計算模型來進行該發(fā)明方法實施過程中的計算，計算偏擺角的范圍即實際測量的偏擺角范圍，為上面所述θ∈[0，]，偏擺角的測量范圍與絲線長度L、絲線到光心距離d有關。

（D）然后根據(jù)計算得到的多組姿態(tài)角數(shù)據(jù)Φ(t)，通過線性擬合得到V(t)=f(Φ(t))的線性函數(shù)關系；

2）、實際測量部分：（1）將上述步驟（A）中固定安裝的CCD面陣相機與反光絲線放置于所需測量的空氣流體區(qū)域內(nèi)；（2）視覺圖像識別:（a）通過CCD面陣相機拍攝存儲的反光絲線圖像，得到的反光絲線投影長度，當反光絲線投影長度達后，則后續(xù)測量反光絲線投影長度值失效，根據(jù)有效反光絲線投影長度計算姿態(tài)角Φ(t)；（b）根據(jù)反光絲線投影在CCD面陣相機成像平面坐標系中的坐標位置，可獲得空間二維風向；（3）根據(jù)步驟（a）所得反光絲線姿態(tài)角Φ(t)，代入步驟（C）中的風洞標定所建立的函數(shù)式V(t)=f(Φ(t))中，計算得到風速。