CN102331511B - Piv图像高频采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PIV图像高频采集方法，首先在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列；然后，利用同步器控制各台摄像机依次双曝光得到相应视场内的示踪粒子图像；再采用自相关技术处理各摄像机拍摄的粒子图像，得到各摄像机相应视场内的流场矢量数据，接着采用坐标转换的方式，以获得处于各摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。故本发明采用多个摄像机组成摄像机阵列方式对流场中的示踪粒子依次双曝光拍摄，代替了单台摄像机需采用高帧频方式才能进行水流紊动特性的分析，大幅降低摄像机阵列中各台摄像机的帧频，实现了普通帧频摄像机就可进行高频图像采集，减小了PIV图像采集装置因采用高频摄像机导致的昂贵成本。

Description

PIV图像高频采集方法
技术领域
本发明涉及一种PIV图像高频采集方法。
背景技术
在流体力学领域，PIV用于测量流体速度，可实现全场瞬时测量，其具有不干扰流体形态、无毒无污染等显著优点，因此，得到了广泛应用。为满足水流紊动特性，PIV系统采样频率应达到200HZ～300HZ,但目前PIV多采用双脉冲激光器，每个脉冲对应一幅图像，双脉冲就对应两幅图像，通过时间调制，可控制两个脉冲光之间的时间间隔非常短，能达到数十纳秒，能很好地获取某个时刻的瞬时流场数据。但对于同一脉冲激光而言，脉冲激光之间的时间间隔受限于激光频率，如激光器频率为15HZ，则对于同一脉冲激光，两个脉冲光之间的间隔就为1/15秒，因此，需要在经过1/15秒后才能获取下一时刻的瞬时流场数据，影响了水流紊动特性分析。当前民用领域，激光器的频率只有数十赫兹，该频率就限制了PIV采样频率，数十赫兹难以满足水流紊动特性分析。为此有研究者采用高频摄像机的方式来进行PIV图像高频采集，但高频摄像机价格非常昂贵，因为国内生产的摄像机频率多为几十赫兹，几百赫兹的高频摄像机只能从国外进口，高频摄像机的方式限制了大规模应用，阻碍了水流紊动强度的测量，影响了学科的发展。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种PIV图像高频采集方法，在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列，采用同步器控制组成摄像机阵列的各摄像机依次双曝光得到相应视场内的示踪粒子图像，再结合自相关技术处理各摄像机拍摄的粒子图像，得到各摄像机相应视场内的流场矢量数据， 接着将各台摄像机的相应流场矢量数据坐标统一转换至激光片光平面坐标系，以获得处于摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。故本发明采用多个摄像机组成摄像机阵列方式对流场中的示踪粒子依次双曝光拍摄，代替了单台摄像机需采用高帧频方式才能进行水流紊动特性的分析，大幅降低摄像机阵列中各台摄像机的帧频，实现了普通帧频摄像机就可进行高频图像采集，减小了PIV图像采集装置因采用高频摄像机导致的昂贵成本。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种PIV图像高频采集方法，首先，在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列，每组摄像机阵列至少包括两台摄像机；然后，采用同步器控制各台摄像机依次双曝光拍摄得到相应视场内的示踪粒子图像，并采用自相关技术处理各摄像机拍摄的示踪粒子图像，以获取各摄像机相应视场内的流场矢量数据；通过标定建立起各台摄像机图像坐标系与参照坐标系之间的坐标转换关系，获得处于摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。
所述参照坐标系为基于激光片光片面建立的坐标系，该坐标系的原点为激光片光平面的中点；将各摄像机相应的流场矢量数据统一转换至基于激光片光平面建立的坐标系，以获取摄像机视场重叠区域内的流场矢量数据，进而获得摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。
所述摄像机阵列由中心轴线相互平行的一组摄像机组成，且摄像机的中心轴线与片光平面垂直；各摄像机具有相同的仪器参数，同时各摄像机与激光片光平面之间的间距相同。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
本发明采用同步器控制两组对称地布置在流场两侧的摄像机阵列的各摄像机依次对流场中的示踪粒子进行双曝光拍摄，然后采用自相关运算的方法对各摄像机所采集图像进行计算，以获得相应流场的矢量数据，并将各摄像机所拍摄图像信息关联到片光平面建立的坐标系中，从而可以获得各摄像机拍摄视场相互重叠部分处于不同时刻的流速数据。由此可知：本发明采用同步器控制多台摄像机的顺序拍摄，代替单台摄像机需要采用高频的方式才能进行水流紊动特性的分析，因此，本发明将单台高频摄像机的频率分配到摄像机阵列中的各个摄像机中，大幅降低了摄像机阵列中各台摄像机的拍摄频率。从而降低PIV图像采集因采用高频摄像机的昂贵价格。
附图说明
图1是摄像机阵列拍摄效果图；
图2是摄像机阵列曝光时间控制示意图；
其中：第一台摄像机11；第二台摄像机12；第三台摄像机21；第四台摄像机22；片光平面3；摄像机安装支座4；A、C为第二台摄像机以及第三台摄像机的拍摄视场与片光平面的交点；B、D为第一台摄像机以及第四台摄像机的拍摄视场与片光平面的交点。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图。以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所述的PIV图像高频采集方法，首先，对称地布置两组摄像机阵列，每组摄像机阵列至少包括两台摄像机；然后，采用同步器控制各台摄像机依次双曝光拍摄处于相应拍摄视场内的流场中的示踪粒子，并将各摄像机所拍摄的图像输入计算机；利用自相关技术处理各摄像机拍摄的粒子图像，得到各摄像机相应视场内的流场矢量数据，同时，通过标定建立起各台摄像机所拍摄图像信息与片光平面3之间的坐标转换关系，以将各台摄像机所拍摄图像的相应流场矢量数据转换到片光平面3坐标系中，从而获得各摄像机拍摄视场相互重叠部分处于不同时刻的流速数据。所述摄像机阵列由轴向法线相互平行的一组摄像机组成，且组成摄像机阵列的各摄像机与流场之间的间距一致，同时各摄像机的轴向法线均与片光光面垂直。每组摄像机阵列的各台摄像机均与同一往复直线移动装置的输出端连接，所述往复直线移动装置的移动方向与片光平面3相垂直。
采用本发明所述的技术方案进行PIV实验的过程如下：
如图2所示，同步器在t1时段控制第一台摄像机11进行双曝光，双曝光时间间隔为△t，第一台摄像机11完成双曝光采集图像后，经过△T时间，同步器在t2时段控制第二台摄像机12进行双曝光，双曝光时间间隔为△t，第二台摄像机12完成双曝光采集图像后，经过△T时间，控制第三台摄像机21，依次控制各台摄像机进行双曝光采集图像，摄像机阵列完成时间序列上图像采集。
对t1时段第一台摄像机11采集的双曝光图像进行自相关运算，得到t1时段的平均流速V11，控制△t时间足够短，即t1时段很短，V11可认为t1时刻的是瞬时流速。同理得到第二、第三、第四台摄像机22的瞬时流速V22、V23、V24。同样，可获得整个时间序列上的流速：V11、V22、V23、V24、V15、V26、V27、V28……
如果摄像机的采样频率为f，同步器控制后，PIV的采样频率将为4×f，例如国产的常规摄像机的频率在1024*768的分辨率情况下可为60HZ，采用该种摄像机阵列布置形式后，PIV的采样频率可达240，可满足大部分水流紊动分析，国产分辨率1024*768情况达到200HZ摄像机暂无，国外一般的摄像机机价格已近十万，而该普通摄像机价格只有五千元左右，4台同样的摄像机价格也远远低于高频摄像机。
通过标定建立起各台摄像机图像与片光平面3坐标转换关系。片光原点在第一台摄像机11图像中的坐标为                                               
Figure 2011101630457100002DEST_PATH_IMAGE002
 ,一般将片光平面3与流场的轴线相交的点定为片光平面3坐标系原点；第一台摄像机11的每一个像素代表的片光片面的实际尺寸为
Figure 2011101630457100002DEST_PATH_IMAGE004
 ，
Figure 2011101630457100002DEST_PATH_IMAGE006
为第一台摄像机11图像坐标转换至片光平面3的坐标：
Figure 2011101630457100002DEST_PATH_IMAGE010
同理可得第二台摄像机12与片光平面3坐标转换关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
由于第三、第四台摄像机22与第一、第二摄像机还存在垂直镜像，摄像机的分辨率为则第三、第四台摄像机22与激光片光平面3坐标转换关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
在保证各台摄像机的技术参数一致的情况，如果各台摄像机距离片光平面3的距离相等，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。
第一台摄像机11和第二台摄像机12处于同一个阵列中，轴线法线平行，则轴线法线间的距离b, 第一台摄像机11和第二台摄像机12图像坐标存在以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
同理可得，处于同一阵列中的第三台摄像机21和第四台摄像机22图像坐标存在以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
从摄像机阵列布置形式图中可知，在片光平面3，第一台摄像机11和第三台摄像机21具有相同的拍摄范围，第二台摄像机12和第四台摄像机22具有相同的拍摄范围，总体上看各台摄像机视场重叠的部分为片光平面3B-C部分。
将各台摄像机的矢量数据坐标转换为片光平面3坐标后，只要坐标处于B-C之间的就为视场重叠部分。
已获取时间序列流速：V11、V22、V23、V24、V15、V26、V27、V28……
对于片光平面3坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE026
的瞬时流速为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032
……
则片光平面3坐标的平均流速为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
t1时刻的脉冲流速为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
则t2、t3、t4……时刻脉动流速为：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
Figure DEST_PATH_IMAGE042
……
通过上述式即可分析水流紊动特性。

Claims (2)

1.一种PIV图像高频采集方法，其特征在于：首先，在流场的两侧对称地布置两组摄像机阵列，每组摄像机阵列至少包括两台摄像机；然后，采用同步器控制各台摄像机依次双曝光拍摄得到相应视场内的示踪粒子图像，并采用自相关技术处理各摄像机拍摄的示踪粒子图像，以获取各摄像机相应视场内的流场矢量数据；通过标定建立起各台摄像机图像坐标系与参照坐标系之间的坐标转换关系，获得处于摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据；所述参照坐标系为基于激光片光平面建立的坐标系，该坐标系的原点为激光片光平面的中点；将各摄像机相应的流场矢量数据统一转换至基于激光片光平面建立的坐标系，以获取摄像机视场重叠区域内的流场矢量数据，进而获得摄像机视场重叠区域内的不同时刻流速数据。
2.根据权利要求1所述PIV图像高频采集方法，其特征在于，所述摄像机阵列由中心轴线相互平行的一组摄像机组成，且摄像机的中心轴线与激光片光平面垂直；各摄像机具有相同的仪器参数，同时各摄像机与激光片光平面之间的间距相同。
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