基于图像处理的瞬态火焰检测方法

摘要

本发明公开了一种基于图像处理的瞬态火焰检测方法，采用高速摄像机拍摄瞬态火焰视频，完整记录瞬态火焰动态发展历程；应用图像叠加方法获取瞬态火焰整体分布图像；提出符合瞬态火焰彩色空间分布规律的图像增强方法，亮化瞬态火焰区域，暗化背景区域；综合运用图像滤波、图像增强、图像分割、图像轮廓提取等图像处理方法，提取瞬态火焰区域，分析计算瞬态火焰面积、周长、最大直径、平均直径、平均光密度等参量，为火炮、燃烧药、发射药等的研制、性能测试提供有效的数据及技术支持。

说明书

技术领域

本发明属于火焰检测领域，具体涉及运用数字图像处理方法提取瞬态火焰区域、测 量火焰参量的方法。

背景技术

密闭爆发器、火炮等装备在引爆或者发射弹药之后，不可避免的在爆发器内、炮口 形成瞬态火焰，反映出火药燃烧不完全，能量利用率下降，从而影响该类装备的实际应 用性能，为了改善瞬态火焰的这些影响，就需要对瞬态火焰进行深入的研究，因此如何 探测瞬态火焰，评判火焰大小和强弱是十分重要的。目前国内外用火焰测试方法主要有 照相机B门等待法和转鼓摄影法，照相机B门等待法拍摄的是瞬态火焰在其持续时间内 的火焰的累积照片，可以从整体上进行火焰分析，转鼓摄影法即采用转鼓摄影仪拍摄瞬 态火焰，两种方法只能定性的分析火焰在全时间内的总体空间分布及强弱，定量的测量 需要人工辅以测量工具进行测试，测试过程复杂繁琐，且测量重复性不好，测量精度较 差。

较多的中国发明专利公开了应用图像处理的方法对火焰进行检测，如中国发明专利 (公开号CN1308224A，CN102034110A,CN101441712A，CN101840571A等)，以上专 利火焰检测的目的在于检测视频拍摄区域内有无火焰产生，具体图像处理方法上没有以 检测瞬态火焰区域的相关参量为目标，没有对火焰在整个时间段上的整体分布规律进行 联合分析，并且以上专利中的火焰检测均采用普通摄像机完成，而瞬态火焰持续时间极 其短暂（发生时间属于毫秒级别），普通摄像机的帧率无法满足现场录制、场景回放要 求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图像处理的瞬态火焰检测方法，采用高速摄像机拍 摄瞬态火焰视频，应用图像处理技术，提取瞬态火焰区域，分析计算火焰参量，为火炮、 枪支等武器的研制、性能测试提供了有效的数据及技术支持。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于图像处理的瞬态火焰检测方法，具体步骤如下：

步骤1：高速摄像机放置在距离瞬态火焰发生装置适当距离的地方，摄像机垂直于 瞬态火焰发生装置的发射方向，拍摄瞬态火焰视频并完成视频中图像像素与实际尺寸的 标定，视频共包含T帧图像，视频中第一帧为不包含瞬态火焰的背景图像I_B；

步骤2：从所述瞬态火焰视频中提取出各帧图像I_t，t=1,2，…，T，将各帧图像进行 叠加得到瞬态火焰的叠加图像I_D，叠加方法为：针对叠加图像中的每个像素点I_D(x,y)的 R、G、B三通道的取值I_DR(x,y)，I_DG(x,y)，I_DB(x,y)，分别对应于瞬态火焰视频各帧图像 中对应位置及通道取值的最大值：

I_DR(x,y)＝max(I_1R(x,y),I_2R(x,y),I_3R(x,y),...,I_TR(x,y))

I_DG(x,y)＝max(I_1G(x,y),I_2G(x,y),I_3G(x,y),...,I_TG(x,y))

I_DB(x,y)＝max(I_1B(x,y),I_2B(x,y),I_3B(x,y),...,I_TB(x,y))

式中I_iR(x,y)，I_iG(x,y)，I_iB(x,y)，i=1,2…,T，分别表示瞬态火焰视频中第i帧图像中 像素点(x,y)的R、G、B三通道的取值，经过上述的图像叠加之后，在叠加图像中的每 个像素点将会遍历到T帧图像对应位置对应通道的最大取值，从而将瞬态火焰视频中瞬 态火焰的整体分布表现在叠加图像中；

步骤3：对所述叠加图像进行图像滤波以及图像增强，亮化叠加图像中瞬态火焰区 域，暗化背景区域，图像增强具体步骤为：

①将叠加图像与背景图像做差分，得差分图像I_S1；

②对叠加图像I_D的R、G、B三通道按照如下公式逐个像素进行亮度增强，生成亮度增 强图像I’_D：

I′_DR(x,y)＝I′_DG(x,y)＝I′_DB(x,y)＝max(I_DR(x,y),I_DG(x,y),I_DB(x,y))

式中I′_DR(x,y)、I′_DG(x,y)、I′_DB(x,y)分别表示亮度增强图像I′_D的R、G、B三通道在像素 点(x,y)的取值；

③将亮度增强图像与背景图像作差分，得差分图像I_S2；

④将差分图像I_S1与差分图像I_S2对应像素值进行相加，除以2，得到融合图像I_S；

⑤对融合图像I_S的R、G、B三通道按照如下公式逐个像素进行亮度增强，生成最终的 亮度增强的叠加图像I″_D：

I″_DR(x,y)＝I″_DG(x,y)＝I″_DB(x,y)＝max(I_SR(x,y),I_SG(x,y),I_SB(x,y))

式中I″_DR(x,y)、I″_DG(x,y)、I″_DB(x,y)分别表示最终亮度增强的叠加图像I″_D的R、G、B三 通道在像素点(x，y)的取值，I_SR(x,y)、I_SG(x,y)、I_SB(x,y)分别表示融合图像I_S的R、 G、B三通道在像素点(x，y)的取值。经过以上步骤的图像增强之后，瞬态火焰区域部分 的像素的亮度将会明显增强，而背景部分像素由于不在瞬态火焰区域，没有额外亮度像 素进行增强，其亮度将会得到暗化；

步骤4：针对图像增强后的瞬态火焰图像应用图像分割，得到包含瞬态火焰区域的 二值化图像；

步骤5：依据图像分割的结果，提取瞬态火焰前景图像轮廓，并结合步骤1中的标 定数据，计算瞬态火焰面积、周长、最大直径、平均直径、平均光密度参量（平均光密 度即瞬态火焰区域内像素灰度值的平均值）。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、应用高速摄像机拍摄瞬态火焰视频，利用其高帧率的特点，完整记录瞬态火焰 整个过程，便于还原瞬态火焰的动态发展历程，统计瞬态火焰整体特征；

2、本发明实现图像的自动化检测，在拍摄瞬态火焰视频后，本方法智能进行图像 处理，提取出瞬态火焰的轮廓，计算出瞬态火焰面积、周长、最大直径、平均直径、平 均光密度等参量，免去了人工测量的繁琐，提高了测量精度；

3、所公开的方法通过图像叠加的方法，总结出瞬态火焰的整体分布区域，便于获 取瞬态火焰的整体分布特征，为火炮、燃烧药、发射药等的研制、性能测试提供了有效 的数据及技术支持；

4、所公开的方法提出符合瞬态火焰彩色空间分布规律的图像增强方法，亮化瞬态 火焰区域，暗化背景区域，为瞬态火焰轮廓的提取奠定基础。

附图说明

图1为基于图像处理的瞬态火焰检测流程框图。

图2为瞬态火焰叠加图像。

图3为针对图2的叠加图像进行图像增强的效果图。

具体实施方式

下面以某一次瞬态火焰视频拍摄及分析过程为例，说明具体的实施方法，其中瞬态 火焰发生装置为火炮。

步骤1：拍摄瞬态火焰视频。高速摄像机放置在距离炮口适当距离的地方，要求整 个瞬态火焰区域覆盖高速摄像机拍摄视野的2/3及以上，摄像机垂直于炮口发射方向， 在炮口发射方向的反方向上树立标定杆，用于图像像素与实际尺寸的标定，应用高速摄 像机拍摄瞬态火焰视频，炮弹发射时，触发高速摄像机拍摄，由于高速摄像机拍摄帧率 较高，视频中的第一帧，甚至若干帧为不包含瞬态火焰的背景图像I_B，视频共包含T帧 图像。利用视频中的标定杆，完成视频中图像像素与实际尺寸（单位为毫米）的标定， 标定方法如下：利用固定放置的高速摄像机拍摄标定杆图像，标定杆长度所占的图像总 像素为N，标定杆的长度已知为L，则可以通过L/N求出单位像素的实际尺寸；

步骤2：从火炮瞬态火焰视频中提取出各帧图像I_t，t=1,2，…，T，将各帧图像进行 叠加得到瞬态火焰的叠加图像I_D，叠加方法为：针对叠加图像中的每个像素点I_D(x,y)的 R、G、B三通道的取值I_DR(x,y)，I_DG(x,y)，I_DB(x,y)，分别对应于瞬态火焰视频各帧图像 中对应位置及通道取值的最大值：

I_DR(x,y)＝max(I_1R(x,y),I_2R(x,y),I_3R(x,y),...,I_TR(x,y))

I_DG(x,y)＝max(I_1G(x,y),I_2G(x,y),I_3G(x,y),...,I_TG(x,y))

I_DB(x,y)＝max(I_1B(x,y),I_2B(x,y),I_3B(x,y),...,I_TB(x,y))

式中I_iR(x,y)，I_iG(x,y)，I_iB(x,y)，i=1,2…,T，分别表示瞬态火焰视频中第i帧图像中 像素点(x,y)的R、G、B三通道的取值；

步骤3：对所述叠加图像进行图像滤波以及图像增强，亮化叠加图像中瞬态火焰区 域，暗化背景区域，图像增强具体步骤为：

①将叠加图像与背景图像做差分，得差分图像I_S1；

②对叠加图像I_D的R、G、B三通道按照如下公式逐个像素进行亮度增强，生成亮度增 强图像I’_D：

I′_DR(x,y)＝I′_DG(x,y)＝I′_DB(x,y)＝max(I_DR(x,y),I_DG(x,y),I_DB(x,y))

式中I′_DR(x,y)、I′_DG(x,y)、I′_DB(x,_y)分别表示亮度增强图像I′_D的R、G、B三通道在像素 点(x,y)的取值；

③将亮度增强图像与背景图像作差分，得差分图像I_S2；

④将差分图像I_S1与差分图像I_S2对应像素值进行相加，除以2，得到融合图像I_S；

⑤对融合图像I_S的R、G、B三通道按照如下公式逐个像素进行亮度增强，生成最终的 亮度增强的叠加图像I″_D：

I″_DR(x,y)＝I″_DG(x,y)＝I″_DB(x,y)＝max(I_SR(x,y),I_SG(x,y),I_SB(x,y))

式中I″_DR(x,y)、I″_DG(x,y)、I″_DB(x,y)分别表示最终亮度增强的叠加图像I″_D的R、G、B三 通道在像素点(x，y)的取值，I_SR(x,y)、I_SG(x,y)、I_SB(x,y)分别表示融合图像I_S的R、 G、B三通道在像素点(x，y)的取值；

步骤4：针对图像增强后的瞬态火焰图像应用otsu方法(大津法，一种自适应阈值分 割算法)进行图像分割，得到包含瞬态火焰区域的二值化图像；

步骤5：依据图像分割的结果，提取瞬态火焰前景图像轮廓，并结合步骤1中的标 定数据，计算瞬态火焰面积、周长、最大直径、平均直径、平均光密度等参量，其中瞬 态火焰面积的计算方法为：统计出图像轮廓所包围的总点数，乘以单位像素的实际尺寸 的平方；周长的计算方法为：通过统计出图像轮廓的总点数，乘以单位像素的实际尺寸； 直径的计算方法为：首先计算出图像轮廓所包围的区域的质心坐标，然后遍历通过该质 心的所有直线，直线与图像轮廓的两个交点之间的长度，乘以单位像素的实际尺寸得到 直径，统计出所有直径的最大值即为最大直径；将所有直径进行累加求出平均值即为平 均直径；平均光密度即图像轮廓所包围区域的总像素灰度值的平均值。

参见图2可以看出：通过所给出的图像叠加方法，能够总结出瞬态火焰的整体分布 规律；参见图3可以看出：通过所给出的瞬态火焰增强方法，能够有效量化瞬态火焰区 域，暗化背景区域，为精确提取瞬态火焰轮廓奠定基础。