[发明专利]基于图像处理的枪虾夹螯角速度测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于图像处理的枪虾夹螯角速度测试系统及方法，系统包括用于补充光源使相机视野明亮的补光灯，用于夹持固定待测枪虾的枪虾夹持装置，用于触发高速相机工作的信号发生器，用于采集待测枪虾夹螯闭合过程的高速相机，以及进行图像处理计算角速度的计算机。方法包括：高速相机采集枪虾夹螯闭合过程的图像，之后进行图像处理获取枪虾夹螯的特征角点及其坐标，根据坐标拟合出待测枪虾夹螯轮廓曲线，然后根据曲线计算待测枪虾夹螯的开合角度；最后根据开合角度和时间计算夹螯开合角速度。本发明通过高速摄影及图像处理实现对枪虾夹螯闭合过程角速度的非接触式测量，克服了目前接触式测量对夹螯快速闭合的影响，测量精度较高。

技术领域

本发明属于数字图像处理及速度测量领域，特别是一种基于图像处理的枪虾夹螯角速度测试系统及方法。

背景技术

迄今为止，自然界中生物具有的功能比任何人工制造的机械要优越的多，如枪虾快速闭合夹螯捕食的过程。研究生物体结构和功能的工作原理，并根据这些工作原理制造出有利于人类生产、学习和生活的工具对人类的发展具有重要意义。

枪虾，又称鼓虾，是一种热带海洋生物。枪虾身长约5cm，拥有一对大小不等的夹螯，其大螯长度约为身长的一半。当受到外接刺激时，枪虾通过快速闭合夹螯，闭合速度约3500rad/s，凝聚出一道速度高达32m/s的高速射流，并产生空化气泡。当气泡破裂时，产生的压力脉冲可以达到90psi，足以击昏或杀死猎物。

目前，国内外学者对枪虾这种攻击现象进行了研究，发现了枪虾攻击过程中的空化射流气泡现象。研究发现空化射流的产生是由于枪虾夹螯的快速闭合，动螯上的柱塞挤压定螯上的囊腔中的液体，凝聚出一道高速射流，高速射流进而产生空化气泡。相关学者对枪虾夹螯快速闭合的角速度进行了研究，目前采用激光耦合的纤维黏附在虾夹螯上，通过记录输出信号的压力变化得到枪虾夹螯闭合的角速度，但是这种激光耦合光纤与夹螯不易固定，且对枪虾夹螯的闭合过程有有影响，进而导致测量结果不准确。因此，寻找一种新的方法测量枪虾夹螯闭合角速度十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种枪虾夹螯角速度测试系统及方法，以解决当前枪虾夹螯闭合角速度不易测量且测量不准确的难题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于图像处理的枪虾夹螯角速度测试系统，包括补光灯、枪虾夹持装置、信号发生器、高速相机和计算机；

所述补光灯，用于补充光源，以使高速相机视野明亮；

所述枪虾夹持装置，用于夹持固定待测枪虾，使待测枪虾固定在高速相机的视野范围内；

所述信号发生器，用于触发高速相机工作；

所述高速相机，用于采集待测枪虾夹螯闭合过程；

所述计算机，用于设定高速相机的参数，存储高速相机采集的待测枪虾夹螯闭合过程，计算枪虾夹螯运动角速度并存储。

基于上述基于图像处理的枪虾夹螯角速度测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建枪虾夹螯角速度测量系统；

步骤2、设置高速相机、信号发生器的参数；

步骤3、刺激待测枪虾，使待测枪虾夹螯竖起之后快速合拢，听到噼啪声时，控制信号发生器触发高速相机拍摄记录枪虾夹螯闭合过程，并保存图像视频；

步骤4、针对图像视频中的每一帧图像，利用角点检测法检测待测枪虾夹螯的特征角点，并获取每一个特征角点的坐标，根据坐标拟合待测枪虾夹螯轮廓曲线，并计算待测枪虾夹螯的开合角度；

步骤5、针对连续的每两帧图像，根据两帧图像待测枪虾夹螯的开合角度差和该两帧图像的时间差求取该两帧图像对应的枪虾夹螯角速度，由此获得待测枪虾夹螯角速度曲线。