Разработка методов обработки результатов эксперимента в программной среде Matlab

1. Сначала нужны слова о необходимости перевода результатов фотосьемки в формат, в котором возможно получение количественных характеристик струи.

2. Нужно сказать про все ограничения метода. Что мы реально видим?

3. Нужно написать, что принципиально возможно получить более полную картину, делая фотографии снизу и делая срезы струи в вертикальном и горизонтальном направлениях, но в данной работе этого не проводилось.

4. Также необходимо сказать, что предложен метод, в котором определяются границы струи и границы фаз. Описать его сущность.

5. Нужно постараться сделать понятнее логику изложения. Указать целеполагание: для чего делается то или иное действие.

Перенос изображений, выполненных с помощью камеры, в программную среду Matlab. Избегание потери информации и погрешности.

Высокоскоростная камера делает изображения объёмом 12 бит, то есть такое изображение хранит 2¹² или 4096 тональных значений. Однако компьютер не может воспроизводить изображения в 12-битном формате. Доступные форматы воспроизведения изображения – это 8 и 16 бит. Формат 8 бит хранит 2⁸ или 256 тональных значений пикселей, а формат 16 бит – 2¹⁶ или 65536 тональных значений. Таким образом, чтобы обработать 12-битное изображение, крайние значения диапазона от 0 до 4096 приравниваются к крайним значениям диапазона от 0 до 256 или от 0 до 65536, только в первом случае шаг между значениями будет крупнее, чем в оригинальном формате, а во втором случае - мельче.

0 … 2⁸/256 более крупный шаг

0 … 2¹²/4096 оригинальный шаг

0 … 2¹⁶/65536 более мелкий шаг

Таким образом, во избежание потери информации крайне важно выбрать преобразование 12-битного формата изображения в 16-битный формат.

Далее возникает другая сложность, связанная возникновением погрешности. Формат 16 бит хранит только целочисленные значения, однако в программной среде Matlab при совершении математических операций появляются дробные числа. А таком случае при обработке 16-битных изображений Matlab будет округлять значения до ближайшего целого из-за чего будет неизбежно возникать погрешность. Поэтому в самой программной среде Matlab 16-битный формат переводят в формат с плавающей запятой. Только после перевода изображений из 12-битного формата сначала в 16-битный, а затем в формат с плавающей запятой можно приступать к обработке изображений.

Получение границ жидкой и паровой фаз

Программная среда Matlab работает с массивами данных. После загрузки фотографии, выполненной в ходе эксперимента, такая фотография представляется в виде двоичного массива данных в формате с плавающей запятой (после преобразований, описанных выше). Размер матрицы массива данных равен размеру изображения в пикселях, а именно 688×1024. В зависимости от того границы жидкой и паровой фазы необходимо найти производилась обработка фотографий, сделанных методом Shadowgraph или Schlieren соответственно, для этого выполнялись следующие шаги:

· Калибровочное изображение

Такое изображение необходимо для определения соотношения количества пикселей в одном миллиметре изображения, для дальнейшего перевода всех полученных величин (снос струи, дальнобойность и т. д.) в миллиметры. Из калибровочного изображения было получено соотношение 0,122 мм/пиксель.

· Поиск усреднённого фона изображения 10 впрысков

Для этого усреднялись значения массивов матриц первых 6 фотографий струи, выполненные до начала впрыска. Усреднение происходит для всех 10 впрысков струи. Напомним, что производилось 10 впрысков при одинаковых условиях эксперимента. Таким образом, были получены значения усреднённого фона изображения для каждого впрыска.

· Поиск контура струи

Этапы обработки фотографий представлены на Рисунок 16 ниже.

Рисунок 16 - Этапы обработки фотографий в среде Matlab на примере изооктана, давление впрыска 100 бар, скорость сносящего потока 0 м/с, температура топлива 25°С, момент времени 1,1·10^-3 с: а) оригинальное изображение б) вычитание фона; в) перевод изображения в двоичный формат; г) сглаживание изображение; д) 10 контуров; е) усреднённый контур паровой фазы

Все последующие шаги кроме последнего выполняются для момента времени 1,1·10^-3 с для каждого впрыска, т. е. для изображений 22, 222, 422 и т. д. до 1822, производилось вычитание фона, полученного на предыдущем шаге, из значений оригинального изображения. Вычитание фона необходимо, так как фон добавляет яркости изображению, делая также ярче саму струю. Далее полученные изображения были переведены в двоичный формат в соответствии с заданным пороговым значением [ТЗ30]. Если значение меньше порогового, ему присваивался 0, если больше, то 1. Поиск порогового значения является очень важной задачей, так как именно оно будет определять основной контур струи. Поиск данного значения производится после визуального анализа полученного контура. Пороговое значение – первое, что является источником погрешности при обработке изображений в Matlab.

· Сглаживание полученного контура

Полученный контур струи сглаживался окружностью диаметром 2 пикселя. Сглаживание контура является ещё одним источником погрешности при обработке данных.

· Получение усреднённого контура

Из 10 усреднённых контуров был получен один усреднённый контур жидкой/паровой фазы струи для момента времени 1,1·10^-3 с. Такой контур накладывается на одну из оригинальных фотографий и представляется в работе. Так как контур наложен на одну из фотографий, а не на «усреднённую фотографию» (получение усреднённого изображения невозможно), то визуально может казаться, что контур не точно описывает границы струи, однако это не так. Поэтому подбирать пороговое значение необходимо до усреднения контура по 10 впрыскам.

Определение дальнобойности и угла раствора струи

Данные параметры струи сильно взаимосвязаны – при даже незначительном увеличении угла раствора струи (десятые градуса), происходит сильное снижение дальнобойности струи. В Matlabe использовалась следующий механизм[ТЗ31] поиска угла раствора струи (для пояснения см. Рисунок 17):

Рисунок 17 - Схема поиска угла раствора струи

· Был найден центр масс струи по изображению в двоичном формате со глаженным контуром. Центр масс в данном случае найти не сложно, так как струя является гомогенной из-за двоичного формата изображения. Если центр масс струи находился не на оси струи, то струю разворачивалась.

· Через точку центра массы струи перпендикулярно оси струи проводится прямая, такая же прямая проводилась через точку, лежащую на середине расстояния от сопла инжектора до центра масс струи.

· Проводятся аппроксимационные кривые к точкам, в которых перпендикуляры пересекают границы струи.

· Находятся углы между одной аппроксимационной кривой и осью струи и второй аппроксимационной кривой и осью струи. Сумма данных углов является углом раствора струи.

Дальнобойность струи, а также её распространение в направлении горизонтальной оси так же находится по изображению в двоичном формате (Рисунок 12г). Для этого находились крайние точки струи в направлении вертикальной и горизонтальной осей, где значение пикселя в последний раз равно единице, причём в направлении горизонтальной оси это делалось с двух сторон.

Поиск траектории центра масс струи

В данном случаи правильнее будет сказать поиск траектории центра интенсивности струи, так главным предположением при поиске центра масс, было его совпадение с центром интенсивности. Для этого проводилась работа с изображением струи с усреднённым контуром (см. Рисунок 12е), т. е. изображения в формате с плавающей точкой. Проводилось суммирование интенсивностей пикселей в каждом ряду, начиная от контура струи, в результате чего получалось некое значение. Затем снова проводилось такое же суммирование, которое, однако, останавливалось в момент достижения значения половины суммы, полученной ранее. В точке остановке находился центр масс/интенсивности струи в данном ряду. Такая операция проделывалась для каждого ряда пикселей. Очевидно, что для струи с одинаковой интенсивностью всех пикселей, центр масс в каждом ряду будет посередине, однако в реальной струе этот центр обязательно смещён, особенно при наличии сносящего потока. Поэтому в таких случаях при втором суммировании сумма достигнет половины значения суммы, полученной ранее, значительно раньше.

 Выводы по главе II

 

 

Глава III. Результаты экспериментального исследования влияния температуры жидкости на характеристики [ТЗ32] распространения струй

Основные результаты экспериментального исследования опубликованы в работах [53].