本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，應(yīng)用于激光燒蝕形貌測量過程中，具體涉及激光燒蝕形貌在線測量及燒蝕特征識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、強(qiáng)激光因其高能量密度、低成本、快速響應(yīng)和精確指向等特點(diǎn)，在精密制造、材料改性以及軍事應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。研究強(qiáng)激光燒蝕效應(yīng)的關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確地獲取燒蝕過程中形貌的變化情況及其相關(guān)參數(shù)。然而，目前的技術(shù)手段在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測燒蝕形貌演化方面存在不足，限制了對該領(lǐng)域的深入探究。目前，燒蝕形貌的采集主要采用兩種方式：

2、單次測量法：此方法通常在激光輻照實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行，通過相機(jī)拍攝燒蝕后的表面圖像以獲取燒蝕形貌信息。這種方法的主要缺陷在于：由于只能在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行單次測量，無法捕捉燒蝕過程中的動(dòng)態(tài)變化，從而無法研究時(shí)間因素對燒蝕效果的影響；在測量燒蝕形貌的關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，依賴于操作者的主觀判斷，缺乏一致性和標(biāo)準(zhǔn)化，影響了燒蝕效果研究的客觀性。

3、實(shí)時(shí)測量法：通過高速相機(jī)在整個(gè)燒蝕過程中等間隔地拍攝多幀圖像，后續(xù)由研究人員進(jìn)行逐幀分析。這種方式雖然能夠提供連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)，但也存在以下問題：該方法對于弱激光輻照條件下的無氣流平板模型表現(xiàn)效果較好，但在強(qiáng)激光輻照條件下，由于強(qiáng)激光引起的自發(fā)光現(xiàn)象以及高速氣流造成的光線偏折，使得圖像質(zhì)量下降；針對非平面或具有復(fù)雜曲面的樣品，光線分布不均，進(jìn)一步降低了圖像的可用性；無法直接給出燒蝕區(qū)域的尺寸參數(shù)，依然需要研究人員的人工介入，這不僅增加了工作量，也影響了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4、可見，上述兩種方法都無法完全滿足強(qiáng)激光燒蝕效應(yīng)研究的需求。具體來說，現(xiàn)有技術(shù)的主要不足包括：只適用于弱激光輻照靜態(tài)的平板模型，對于具有高速切向氣流、強(qiáng)激光輻照、具有曲率的模型，難以獲得準(zhǔn)確的毀傷圖像；無法實(shí)時(shí)獲取毀傷圖像的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，參數(shù)獲取判斷依賴于研究人員的主觀判斷，影響了燒蝕效果研究的客觀性。因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，亟需引入新的技術(shù)來開展進(jìn)一步的深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于背景技術(shù)中的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有測量方法無法適應(yīng)切向氣流干擾、強(qiáng)弱光對比強(qiáng)烈導(dǎo)致測量失真，以及無法在線獲取燒蝕特征的問題，因此提出了激光燒蝕形貌在線測量及燒蝕特征識(shí)別方法。本發(fā)明使用高分辨率高頻相機(jī)對切向氣流作用下激光輻照靶標(biāo)燒蝕形貌的演化進(jìn)行定量測量，利用脈沖激光補(bǔ)光消除強(qiáng)激光引起的局部高光，結(jié)合相機(jī)標(biāo)定、混合高斯模型和背景差分方式，實(shí)現(xiàn)燒蝕形貌的在線測量以及燒蝕形貌特征的智能識(shí)別。

2、本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)目的：

3、一種激光燒蝕形貌在線測量及燒蝕特征識(shí)別方法，包括：

4、補(bǔ)光測量過程：采用高速相機(jī)拍攝激光燒蝕形貌圖像，拍攝前預(yù)先在高速相機(jī)鏡頭處安裝窄帶濾光片；在拍攝的同時(shí)，采用補(bǔ)光光源照射燒蝕區(qū)域的方式，抑制燒蝕區(qū)域的強(qiáng)自發(fā)光，對激光燒蝕形貌進(jìn)行在線測量，實(shí)時(shí)獲取激光燒蝕形貌圖像；

5、圖像處理過程：針對激光燒蝕形貌圖像，進(jìn)行燒蝕特征識(shí)別，獲取高速相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，進(jìn)行激光燒蝕形貌圖像的預(yù)處理，并通過透視變換方式進(jìn)行圖像校正；采用背景差分方式進(jìn)行圖像分割，檢測燒蝕區(qū)域；對檢測出的燒蝕區(qū)域進(jìn)行尺寸測量，得到燒蝕區(qū)域在燒蝕過程中的形貌特征變化，完成燒蝕特征識(shí)別。

6、具體的，對于補(bǔ)光測量過程，使用被測激光照射輻照靶標(biāo)，產(chǎn)生燒蝕區(qū)域，采用高速相機(jī)拍攝輻照靶標(biāo)在被測激光作用下的毀傷過程及對應(yīng)燒蝕區(qū)域形成的激光燒蝕形貌圖像；在拍攝的同時(shí)，采用補(bǔ)光光源對燒蝕區(qū)域發(fā)射具有預(yù)設(shè)波長的強(qiáng)脈沖激光，從而抑制燒蝕區(qū)域的強(qiáng)自發(fā)光。

7、優(yōu)選的，采用的補(bǔ)光光源為cavilux?hf810激光光源，在拍攝的同時(shí)，通過幀同步功能與對應(yīng)的ttl激勵(lì)信號(hào)，使cavilux?hf810激光光源的強(qiáng)脈沖激光的脈沖時(shí)間與高速相機(jī)的曝光時(shí)間相耦合。

8、具體的，在圖像處理過程中，高速相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)包括外參和內(nèi)參；外參為高速相機(jī)相對于輻照靶標(biāo)所在輻照平面的位姿和拍攝距離，內(nèi)參包括主點(diǎn)坐標(biāo)、等效焦距和圖像畸變系數(shù)。

9、優(yōu)選的，采用張正友平面標(biāo)定法對高速相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，將高速相機(jī)的外參和內(nèi)參進(jìn)行分離并分別逐步獲取最優(yōu)解，標(biāo)定操作方式如下：

10、s1、使用高速相機(jī)從至少兩個(gè)不同的方位拍攝同一個(gè)平面靶標(biāo)；

11、s2、將內(nèi)參中的圖像畸變系數(shù)初始化為0，選取拍攝圖像中心處畸變小于閾值的點(diǎn)，將該點(diǎn)的世界坐標(biāo)值和圖像坐標(biāo)值作為已知條件，代入預(yù)設(shè)線性方程；

12、s3、通過優(yōu)化算法處理線性方程，對高速相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行求解；

13、s4、將求解出的標(biāo)定參數(shù)作為初始值，選取平面靶標(biāo)上的所有點(diǎn)來建立優(yōu)化模型，通過優(yōu)化模型求解高速相機(jī)的外參和內(nèi)參的最優(yōu)解。

14、優(yōu)選的，在圖像處理過程中，激光燒蝕形貌圖像的預(yù)處理過程采用的預(yù)處理方法包括高斯模糊和圖像均衡化。

15、具體的，在圖像處理過程中，通過透視變換方式進(jìn)行圖像校正，具體為：針對高速相機(jī)拍攝的激光燒蝕形貌圖像，當(dāng)其呈現(xiàn)為畸變圖像時(shí)，獲取畸變圖像的4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，記為第一組坐標(biāo)；確定校正后的目標(biāo)圖像的4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，記為第二組坐標(biāo)；依據(jù)第一組坐標(biāo)與第二組坐標(biāo)之間的位置差關(guān)系，計(jì)算出用于透視變換的變換矩陣；對呈現(xiàn)為畸變圖像的激光燒蝕形貌圖像執(zhí)行變換矩陣對應(yīng)的變換操作，得到經(jīng)過圖像校正的目標(biāo)圖像的正視圖。

16、具體的，在圖像處理過程中，采用背景差分方式進(jìn)行圖像分割時(shí)，當(dāng)激光燒蝕形貌圖像的背景變化幅度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，直接使用激光燒蝕形貌圖像的前景與背景的差分來檢測燒蝕區(qū)域的變化運(yùn)動(dòng)，從激光燒蝕形貌圖像中分離出作為尺寸測量依據(jù)的燒蝕區(qū)域，實(shí)現(xiàn)燒蝕區(qū)域的檢測。

17、優(yōu)選的，當(dāng)激光燒蝕形貌圖像的背景變化幅度高于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，采用基于混合高斯背景模型的方式來動(dòng)態(tài)更新背景，即：確定激光燒蝕形貌圖像在當(dāng)前時(shí)間下的中心值，獲取當(dāng)前時(shí)間下激光燒蝕形貌圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的值的偏離大?。蝗绻诚袼攸c(diǎn)的值偏離中心值的程度高于或等于分離閾值，則該值對應(yīng)的此像素點(diǎn)為前景；如果某像素點(diǎn)的值偏離中心值的程度低于分離閾值，則該值對應(yīng)的此像素點(diǎn)為背景；通過混合高斯背景模型的應(yīng)用，在背景變化過程中分離出激光燒蝕形貌圖像的前景與背景，實(shí)現(xiàn)燒蝕區(qū)域的檢測。

18、具體的，對檢測出的燒蝕區(qū)域進(jìn)行尺寸測量時(shí)，針對燒蝕區(qū)域所在目標(biāo)圖像，依次進(jìn)行自適應(yīng)圖像二值化處理、形態(tài)學(xué)處理和斑點(diǎn)檢測處理后，求取燒蝕區(qū)域的外接矩形，得到燒蝕區(qū)域的像素長寬和；

19、將燒蝕區(qū)域的像素長寬和與高速相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)中的等效焦距和拍攝距離相結(jié)合，采用下式計(jì)算出燒蝕區(qū)域的實(shí)際物理尺寸長寬：

20、

21、

22、式中，為燒蝕區(qū)域的實(shí)際物理尺寸長度，為燒蝕區(qū)域的實(shí)際物理尺寸寬度；依據(jù)實(shí)時(shí)獲取的激光燒蝕形貌圖像，對其中每一幀圖像的燒蝕區(qū)域的實(shí)際物理尺寸進(jìn)行檢測，得到燒蝕區(qū)域在整個(gè)在線測量過程中的形貌特征變化，完成燒蝕特征識(shí)別。

23、綜上所述，由于采用了本技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果如下：

24、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燒蝕形貌的在線測量，克服了傳統(tǒng)方法因切向氣流干擾和強(qiáng)弱光對比強(qiáng)烈而導(dǎo)致的測量失真問題；并利用高分辨率高頻相機(jī)捕捉燒蝕過程的動(dòng)態(tài)變化，確保了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，本發(fā)明通過脈沖激光補(bǔ)光技術(shù)有效消除了由強(qiáng)激光引起的局部高光現(xiàn)象，從而獲得了更加清晰的燒蝕形貌圖像；這一改進(jìn)顯著提升了圖像的質(zhì)量，為后續(xù)的特征提取和分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

25、結(jié)合相機(jī)標(biāo)定、混合高斯模型以及背景差分方式等技術(shù)手段，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燒蝕形貌特征的智能識(shí)別；該方法能夠自動(dòng)區(qū)分燒蝕區(qū)域與背景，準(zhǔn)確提取燒蝕特征，極大地提高了分析效率和精度。在不影響測量過程的情況下，本發(fā)明可實(shí)時(shí)計(jì)算燒蝕圖像的關(guān)鍵參數(shù)，如燒蝕尺寸等；這種即時(shí)性不僅節(jié)省了時(shí)間，還保證了數(shù)據(jù)分析的時(shí)效性和可靠性。

26、在強(qiáng)激光高速流場及存在曲率模型的復(fù)雜環(huán)境下，本發(fā)明依然能保持良好的補(bǔ)光效果和圖像清晰度；正因?yàn)橄藦?qiáng)激光引起的局部高亮度對測量結(jié)果的影響，確保了測量數(shù)據(jù)的一致性和有效性。通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也證明了本發(fā)明的有效性和實(shí)用性；補(bǔ)光技術(shù)和智能識(shí)別方法在多種測試條件下均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。