CN102435770B - 一种单相机三维体视粒子图像测速系统 - Google Patents

Abstract

一种单相机三维体视粒子图像测速系统，包括光学系统、数据采样系统和数据处理系统；光学系统和数据采样系统构成实验测量平台；该光学系统包括体光源调节光学部、激光发生器、多棱面特效棱镜即又多影镜和激光体；激光发生器为系统光源，采用半导体连续激光；体光源调节光学部为一组透镜组合，置于激光发生器的光路上；多棱面特效棱镜是实现单相机立体成像的关键部件，置于数字相机和测量流场之间的光路上；该数据采样系统包括信号同步器、数字相机、微型计算机和平面标靶；该数据处理系统按规定的方法进行。本发明通过单个相机形成不同视角下流场中粒子的成像，根据不同视角的粒子成像对粒子进行三维定位和追踪，得到三维空间体内的三维速度场。

Description

一种单相机三维体视粒子图像测速系统

(一)技术领域

本发明涉及一种单相机三维体视粒子图像测速系统，属于流动测速技术领域。

(二)背景技术

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是一种现代激光测速技术，主要运用于流场速度测量。通过追踪示踪粒子在流场中的运动来得到流场速度场。传统的PIV技术使用一个厚度在1毫米以下的激光片光源来照亮流场中的粒子，通过单个相机对粒子在很短时间内的位置进行追踪，来实现二维平面内的二维速度场测量(通常用2D2C来表示)。

最新的三维体视PIV技术，采用厚度为十至几十毫米厚的激光体光源来照亮流场中的粒子，通过多个相机(至少三个)从不同视角对流场内的示踪粒子进行三维定位和追踪，来实现对三维空间内的三维速度场的精确测量(通常用3D3C来表示)。这种新的三维体视PIV技术不仅能测量得到三维空间内的三维速度场，而且能得到三维空间内完整的速度梯度张量。这使得通过实验方法研究三维流场内的涡结构成为了可能，因此三维体视PIV技术在航空航天、能源、化工和医疗等领域具有非常广阔的应用前景。

然而，目前的三维体视PIV技术还处于发展成熟阶段，在应用方面还有很多具体的问题需要去解决。其中最为突出的问题是实验平台相对比较复杂。多个照相机的架设和同步控制使得实验过程变的非常复杂，对实验操控要求也非常高，不利于该技术的推广应用。如果能采用相对简单或者集成性较高的实验设备来实现三维体视PIV技术，那将对该技术的应用起到极大的推动作用。本发明正是基于这种考虑，提出了一种单相机三维体视粒子图像测速系统。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种单相机三维体视粒子图像测速系统，即建立一个单相机实现三维体视PIV技术的实验系统，通过单个相机对三维粒子成像，来进行粒子追踪得到三维空间体内的三维速度场，即测量流场1的速度场。这里测量流场1为流体力学领域内的被研究流动区域；以解决三维体视PIV技术中，多个照相机的架设和同步控制使得实验过程非常复杂，对实验操控要求非常高，不利于该技术的推广应用等问题。

本发明一种单相机三维体视粒子图像测速系统(简称单相机三维体视PIV系统)，它包括光学系统、数据采样系统和数据处理系统三部分。其中光学系统和数据采样系统构成了实验测量平台。

1.光学系统

光学系统包括：体光源调节光学部2、激光发生器3、多棱面特效棱镜5(又称多影镜)和激光体9；

该激光发生器3为本发明PIV系统的光源，通常为连续性激光或者双脉冲激光，本光学系统采用8瓦绿光半导体连续激光，波长532纳米，输出直径为5毫米柱光源，可选用镭智威公司生产的SM-SEMI-8W型号。

该体光源调节光学部2为一组透镜组合，其中包括两块焦距为500毫米的凸透镜、两块焦距分别为-75和-100毫米的凹透镜和两块焦距同为60毫米的平凸柱面镜。体光源调节光学部2放置于激光发生器3的光路上，用以将激光发生器3射出的激光柱光源扩展成有一定厚度的激光体光源9(厚度通常为十至几十毫米)。

该多棱面特效棱镜5是实现单相机立体成像的关键光学部件，放置于数字相机6和测量流场1之间的光路上，可选用日本HOYA公司生产的62毫米Multivision 3F棱镜。

2.数据采样系统

数据采样系统包括：信号同步器4、数字相机6、微型计算机7和平面标靶8；在数据采样系统中，各部件的连接方式为：微型计算机7和信号同步器4采用USB数据线连接；数字相机6和微型计算机7通过图像采集卡连接；信号同步器4和数字相机6采用BNC信号线连接；激光发生器3和型号同步器4采用BNC信号线连接。

数据采样的控制流程为：微型计算机7利用图像采集软件将控制信号通过USB数据线传输到信号同步器4。同步器在接收到控制信号后，同步实现数字相机6的曝光和激光发生器3的激光照射。在数字相机6完成曝光数据采集后，将粒子成像的数据传输到微型计算机7并存储。

该信号同步器4为系统控制器件，可选用8通道MicroPulse 725信号同步器，主要负责控制激光发生器3和数字相机6同步。

该数字相机6为CCD或者CMOS工业相机，可按要求选用；本发明选用BOBCAT系列相机ICL-B0620，分辨率为640x480像素，最高采样频率为260赫兹，并配置尼康45毫米镜头。

该微型计算机7为通用微型计算机，本测试采用惠普Z400工作站，基本配置为：IntelCore2中央处理器，16GB内存，1TB硬盘，NVIDIA 420独立显卡，20寸LCD显示器，WinXP Pro 64位操作系统。微型计算机7装有EPIX公司的CamLink接口高速图像采集卡，直接连接数字相机6接受图像数据并保存。数字相机6和微型计算机7两者的控制和图像采集，通过选用现有的PIV系统软件MicroVec 3.3.1来实现。

该平面标靶8为PIV测速用的普通标靶，将其固定在千分仪上可实现体视PIV的体标定。该平面标靶8用于体标定时放置于测量流场1内，实现平面标靶8在测量流场1厚度方向上的遍历移动。

数据采样的实施步骤为：

(1)形成测量流场1，并选定测量区域；

(2)将激光发生器3、信号同步器4和微型计算机7相连，使得微型计算机7能控制激光发生器3的照射。调节激光发生器3和体光源调节光学部2，形成体光源并照射测量区域；

(3)连接数字相机6、信号同步器4和微型计算机7，使得微型计算机7能控制数字相机6的曝光；

(4)在测量流场1中投放适量示踪粒子；在数字相机6和测量流场1之间放置多棱面特效棱镜5，配合激光发生器3的照射，调节多棱面特效棱镜5的位置和数字相机6的焦距，使得数字相机6上形成清晰的粒子成像；

(5)将固定在千分仪上的平面标靶8放入测量流场1的测量区域完成体标定的标靶成像；

(6)从测量流场1中取出平面标靶8后进行实验的数据采样。此处数据采样又分以下几个步骤：

a)启动测量流场1，形成流动；

b)开启已连接好的激光发生器3、信号同步器4、数字相机6和微型计算机7进行流场粒子成像；

c)记录流场内粒子成像并将数据存储于微型计算机7。

3.数据处理系统

数据处理系统为本申请人开发的三维体视PIV数据处理软件，其数据处理的方法步骤为：

(1)对单相机形成的标靶图像进行分割获得各个视角的成图像，对成像图中的标点进行识别，完成三维测量体内空间坐标的标定；

(2)对单相机形成的三维粒子成像图进行分割获得各个视角流场粒子成像图，并对粒子成像进行前处理，识别二维成像平面内的粒子坐标；

(3)根据标定函数和各视角的二维成像平面内的粒子坐标，通过Levenberg-Marquardt算法求解标定函数来得到三维粒子空间坐标，完成流场内粒子空间分布的定位；

(4)将三维粒子空间分布投影到三维灰度矩阵，实现三维矩阵内的空间灰度分布；

(5)利用相邻两个时间步的三维灰度矩阵进行体互相关的分析，来了解测量体内粒子的速度，从而得到三维测量体内的速度场；

(6)对速度场进行后处理，剔除体互相关分析失败得到的坏速度矢量，并对流场进行显示。

其中在步骤5中所述的体互相关的分析，其公式如下：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{n_z}{\mathrm{\Σ}}}{I}_1(i,j,k)I_2(i+\mathrm{\Δi},j+\mathrm{\Δj},k+\mathrm{\Δk})}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中R₁₂代表互相关函数，I代表灰度矩阵，σ代表方差，下表1，2代表相邻两个时间步，i，j，k灰度矩阵坐标索引，n_x，n_y，n_z代表灰度矩阵在x，y，z方向上的大小。

本发明单相机三维体视PIV系统的功效和优点在于：

(1)通过放置于测量流场1和数字相机6之间的多棱面特效棱镜5的特效成像，可以通过单个相机形成不同视角下流场中粒子的成像。根据不同视角的粒子成像能够对粒子进行三维定位和追踪，最终测量得到三维空间体内的三维速度场；

(2)通过体光源调节光学部2内透镜之间间距的调节，可以自由调节激光体光源的厚度来满足不同的实验要求；

(3)实验成像部分只有一个多棱面特效棱镜5和单个数字相机6组成，大大简化现有三维体视PIV测量系统采用多个(三个或以上)相机成像的模式，便于三维体视PIV技术的推广应用；

(4)固定多棱面特效棱镜5和数字相机6之间的位置和距离(将两者固定在同一刚性实验平台上)，仅需要做一次体空间标定就能任意搬动实验平台应用于实际流场测量，这个特点较现有复杂的三维体视PIV技术有非常大的优势。

(四)附图说明

图1是单相机三维体视PIV系统总体示意图；

图2是体光源调节光学部侧视和俯视图；

图3是流场成像各部件空间位置图；

图4是成像设备示意图及成像效果图；

图5是数据处理流程图；

图6是实测流场速度矢量图；

图中符号：

1-测试流场；     2-体光源调节光学部；  3-激光发生器；

4-信号同步器；   5-多棱面特效棱镜；    6-数字相机；

7-微型计算机；   8-平面标靶；          9-激光体光源；

10-水缸；        11-圆管；

a-凸透镜；       b-凸透镜；            c-凹透镜；

d-凹透镜；       e-平凸柱面镜；        f-平凸柱面镜；

(五)具体实施方法

本单相机三维体视PIV系统主要分为光学系统、数据采样系统和数据处理系统三个子系统。其中光学系统和数据采样系统为硬件系统，形成了实验测量的平台，而数据处理系统为软件系统。

如图1所示，实验对象为测量流场1，选用射流作为实测流场，通过本单相机三维体视PIV系统来实现射流涡环的测量。光学系统和数据采样系统组成的实验硬件系统共包括8大部分：体光源调节光学部2和激光发生器3是光源设备，主要是用于生成激光体光源9来照亮测量流场1的测试区域。激光发生器3可以选用镭智威公司SM-SEMI-8W型号的8瓦绿光半导体连续激光，波长532纳米，输出直径为5毫米柱光源。通过体光源调节光学部2将激光柱光源扩展成15毫米厚的体光源。体光源调节光学部2内的光学透镜组合如图2所示，其中黑色箭头表示激光入射方向；透镜a和b采用相同的焦距为500毫米凸透镜，起到校准激光柱光源的作用；透镜c和d分别为焦距-75毫米和-100毫米的凹透镜，起到扩大激光光柱直径的作用；透镜e和f是焦距同为60毫米的平凸柱面镜，起到校准激光柱光源水平方向上的平行性。改变体光源调节光学部2内各光学透镜间的距离，可以改变激光体光源9的厚度，调节范围在十至几十毫米之间。信号同步器4可选用北京立方天地有限公司的8通道MicroPulse 725信号同步器。多棱面特效棱镜5可选用日本HOYA公司62毫米Multivision 3F棱镜。数字相机6可选用IMPERX公司的BOBCAT系列相机ICL-B0620，分辨率为640x480像素，最高采样频率为260赫兹，配置尼康45毫米镜头。数字相机6的控制信号来自信号同步器4。微型计算机7可以选用目前通用的微型计算机，本测试采用惠普Z400工作站，基本配置为：Intel Core2中央处理器，16GB内存，1TB硬盘，NVIDIA420独立显卡，20LCD显示器，WinXP Pro 64位操作系统。微型计算机7装有EPIX公司的CamLink接口高速图像采集卡，直接连接数字相机6接受图像数据并保存。实验部件的控制和图像采集，通过北京立方天地的PIV系统软件MicroVec 3.3.1来实现。平面标靶8是固定在千分仪底座上的普通PIV测速用标靶。调节千分仪底座的移动，可以实现流场测量体厚度方向的遍历来完成三维体视PIV的体标定工作。

单相机体视PIV实验数据采集的主要步骤如下：

(1)形成测量流场1，并选定测量区域。如图3所示，本测试测量的为水缸10内水介质中2毫米圆管11的连续射流。射流出口速度约为12毫米/秒，测量流场位于射流圆管11出口下游5毫米处，测量区域是高宽厚分别为8.5，10.5和12毫米的流场。测量流场1离水缸10壁面40毫米。

(2)连接主要实验设备：激光发生器3和信号同步器4通过BNC数据线连接；数字相机6和信号同步器4通过BNC数据线连接；数字相机6和微型计算机7通过CamLink数据线相连。

(3)通过微型计算机7控制激光发生器3照射。调节体光源调节光学部2内各光学透镜的位置来实现15毫米厚的激光体光源9，对流场测量区域进行照射。

(4)在测量流场1中投放适量示踪粒子。在数字相机6和测量流场1之间放置多棱面特效棱镜5。多棱面特效棱镜5离水缸11外壁面和数字相机6分别为80毫米和350毫米(如图3所示)。同步控制激光发生器3和数字相机6，并调节数字相机6的焦距(光圈设为8)，使之形成清晰的粒子成像。如图4所示，通过多棱面特效棱镜5之后的测量流场1的成像有三个区域，这是由于采用了HOYA三棱面的特效棱镜的缘故。为了便于显示成像效果，图4在成像时特意加强了背景光强，使得圆管11在图中形成较强的背景。从图中可以看出圆管11的多视角立体成像效果。而实际试验测量时，只有测量区域1内的粒子被激光体光源9照射形成清晰的像，圆管11并不在图像中成像。

(5)将固定在千分仪上的平面标靶8放入测量流场1内进行体标定的标靶成像。调节千分仪朝一个方向推进，使平面标靶8遍历测量流场1厚度方向。在厚度方向上选取7个位置进行平面标靶8的成像，并保存数据。

(6)从测量流场1中取出平面标靶8后进行实验的数据采样。先启动测量流场1，形成流动，然后开启已连接好的激光发生器3、信号同步器4、数字相机6和微型计算机7进行流场粒子成像，最后记录流场内粒子成像并将数据存储于微型计算机7。其中实验时激光发生器3采用连续模式运行，数字相机采用连续等间距曝光模式，每次曝光时间为3毫秒，频率为200赫兹。

至此，实验数据采样环节完成。

实验完成后采集到的数据通过微型计算机7来处理来得到测量区域的速度场。数据处理可以采用标准的三维体视PIV数据处理软件，而本测试采用北京航空航天大学流体力学研究所自行研制开发的三维体视PIV数据处理软件。

单相机体视PIV实验数据处理的主要流程如下(图5)：

(1)对标靶的体标定图像和三维体视PIV粒子图像进行分割，形成各视角相互独立的成像，即将图4中右图中各视角成像区域进行分割并各自保存为一个图片。

(2)将分割后的体标定图进行计算得到体映射函数，并判断体映射函数的精度。如果映射函数的精度不满足要求，即各标点识别的误差均方差大于半个像素，则重做体标定直至映射函数满足精度要求。

(3)对分割后的粒子成像进行图像前处理来提高图像效果，通常可采用3x3的高斯低频滤波。当图像前处理后能清晰识别单个粒子，则认为图像满足成像要求，并进行二维粒子图像中单个粒子的识别。

(4)将识别得到的二维图像粒子和体标定映射函数进行Levenberg-Marquardt算法的求解，得到三维粒子空间坐标，完成流场内粒子空间分布的定位。三维粒子定位的结果可以进行三维粒子场的显示。

(5)将三维粒子空间分布投影到三维灰度矩阵，实现三维矩阵内的空间灰度分布，粒子直径按7个体素来计算。

(6)利用相邻两个时间步的三维灰度矩阵进行体互相关的分析来了解测量体内粒子的速度，从而得到三维测量流场1内结构化的速度场。

(7)对速度场进行后处理，剔除体互相关分析失败得到的坏速度矢量。得到的速度场是最终的测量结果，可用于流场的显示和分析。

实测数据处理后得到速度场如图6所示，其中z的负方向为射流方向；速度矢量间距在各个方向上都为0.96毫米；流线显示的是射流中心区域流动；横截面位于测量流场1厚度方向上沿射流方向60％位置；等值线代表了流动速度大小在横截面上投影量大小的分布，浅色表示速度小，深色表示速度大。

Claims (8)

1.一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：它包括光学系统、数据采样系统和数据处理系统三部分；其中光学系统和数据采样系统构成了实验测量平台；

所述的光学系统包括体光源调节光学部（2）、激光发生器（3）、多棱面特效棱镜即多影镜（5）和激光体（9）；该激光发生器（3）为系统的光源，采用半导体连续激光；该体光源调节光学部（2）为一组透镜组合，放置于激光发生器（3）的光路上，用以将激光发生器（3）射出的激光柱光源扩展成有预定厚度的激光体光源（9）；该多棱面特效棱镜（5）是实现单相机立体成像的关键光学部件，放置于数字相机（6）和测量流场（1）之间的光路上；

所述的数据采样系统包括信号同步器（4）、数字相机（6）、微型计算机（7）和平面标靶（8）；各部件的连接方式为：微型计算机（7）和信号同步器（4）采用USB数据线连接；数字相机（6）和微型计算机（7）通过图像采集卡连接；信号同步器（4）和数字相机（6）采用BNC信号线连接；激光发生器（3）和信号同步器（4）采用BNC信号线连接；该数据采样的控制流程为：微型计算机（7）利用图像采集软件将控制信号通过USB数据线传输到信号同步器（4）；同步器在接收到控制信号后，同步实现数字相机（6）的曝光和激光发生器（3）的激光照射；在数字相机（6）完成曝光数据采集后，将粒子成像的数据传输到微型计算机（7）并存储；

该信号同步器（4）为系统控制器件，选用8通道MicroPulse 725信号同步器，负责控制激光发生器（3）和数字相机（6）同步；该数字相机（6）为CCD或者CMOS工业相机，按要求选用；该微型计算机（7）为通用微型计算机，装有高速图像采集卡，直接连接数字相机（6）接受图像数据并保存；两者的控制和图像采集，通过选用现有的PIV系统软件MicroVec3.3.1来实现；该平面标靶（8）为PIV测速用的普通标靶，将其固定在千分仪上以实现体视PIV的体标定；该平面标靶（8）用于体标定时放置于测量流场（1）内，实现平面标靶（8）在测量流场（1）厚度方向上的遍历移动；

所述的数据处理系统，其数据处理的方法步骤为：

（1）对单相机形成的标靶图像进行分割获得各个视角的成像图，对成像图中的标点进行识别，完成三维测量体内空间坐标的标定；

（2）对单相机形成的三维粒子成像图进行分割获得各个视角流场粒子成像图，并对粒子成像进行前处理，识别二维成像平面内的粒子坐标；

（3）根据标定函数和各视角的二维成像平面内的粒子坐标，通过Levenberg-Marquardt算法求解标定函数来得到三维粒子空间坐标，完成流场内粒子空间分布的定位；

（4）将三维粒子空间分布投影到三维灰度矩阵，实现三维矩阵内的空间灰度分布；

（5）利用相邻两个时间步的三维灰度矩阵进行体互相关的分析来了解测量体内粒子的速度，从而得到三维测量体内的速度场；

（6）对速度场进行后处理，剔除体互相关分析失败得到的坏速度矢量，并对流场进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：该光学系统采用的半导体连续激光为8瓦绿光半导体连续激光，波长532纳米，输出直径为5毫米柱光源。

3.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的体光源调节光学部（2），其透镜组合包括两块焦距为500毫米的凸透镜、两块焦距分别为-75和-100毫米的凹透镜和两块焦距同为60毫米的平凸柱面镜。

4.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的预定厚度的激光体光源（9），其厚度为十至50毫米。

5.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的数字相机（6）选用BOBCAT系列相机ICL-B0620，分辨率为640x480像素，最高采样频率为260赫兹，并配置尼康45毫米镜头。

6.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：该微型计算机（7）采用惠普Z400工作站，基本配置为：Intel Core2中央处理器，16GB内存，1TB硬盘，NVIDIA 420独立显卡，20寸LCD显示器，WinXP Pro 64位操作系统。

7.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的数据采样系统，其数据采样的实施步骤为：

(1)形成测量流场(1)，并选定测量区域；

（2）将激光发生器(3)、信号同步器(4)和微型计算机(7)相连，使得微型计算机(7)能控制激光发生器(3)的照射；调节激光发生器(3)和体光源调节光学部(2)，形成体光源并照射测量区域；

（3）连接数字相机（6）、信号同步器（4）和微型计算机（7），使得微型计算机（7）能控制数字相机（6）的曝光；

(4)在测量流场（1）中投放适量示踪粒子；在数字相机（6）和测量流场（1）之间放置多棱面特效棱镜（5），配合激光发生器（3）的照射，调节多棱面特效棱镜（5）的位置和数字相机（6）的焦距，使得数字相机（6）上形成清晰的粒子成像；

(5)将固定在千分仪上的平面标靶（8）放入测量流场（1）的测量区域完成体标定的标靶成像；

(6)从测量流场（1）中取出平面标靶（8）后进行实验的数据采样；此处数据采样又分以下几个步骤：

a)启动测量流场（1），形成流动；

b)开启已连接好的激光发生器（3）、信号同步器（4）、数字相机（6）和微型计算机（7）进行流场粒子成像；

c)记录流场内粒子成像并将数据存储于微型计算机（7）。

8.根据权利要求1所述的一种单相机三维体视粒子图像测速系统，其特征在于：所述的对三维灰度矩阵进行体互相关的分析，其分析的公式如下：

$R_{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{n_z}{\mathrm{\Σ}}}{I}_1(i,j,k)I_2(i+\mathrm{\Δi},j+\mathrm{\Δj},k+\mathrm{\Δk})}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中R₁₂代表互相关函数，I代表灰度矩阵，σ代表方差，下标1,2代表相邻两个时间步，i，j，k灰度矩阵坐标索引，n_x，n_y，n_z代表灰度矩阵在x，y，z方向上的大小。

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