CN102620903A - 一种水流中流迹线的动态显示系统及其显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水流中流迹线的动态显示系统及其显示方法，该系统包括河工模型、流迹线示踪粒子、摄像机和数字图像处理装置；该方法包括在水流中布撒流迹线示踪粒子，用摄像机拍摄示踪粒子的运动视频，然后通过数字图像处理的方法提取单帧粒子图像，用图像分割的方法提取粒子图像，用某种显眼的颜色将每帧图像中示踪粒子的位置标记在当前背景图像中形成流迹线，最后将处理后的每帧数字图像转换为连续播放的视频，动态显示流迹线的运动过程。本发明的系统结构简单，易于搭建，有利于推广使用；本发明的方法不仅可以清晰地显示流迹线，而且可以动态地显示流迹线的变化过程，为防洪抗旱、保护环境等提供技术支撑。

Description

一种水流中流迹线的动态显示系统及其显示方法

技术领域

本发明涉及一种水流中流迹线的显示系统及其显示方法，具体涉及一种水流中流迹线的动态显示系统及其显示方法，属于水力学及河流动力学技术领域。

背景技术

流迹线是水流中流体质点在连续时间过程中的流动轨迹线，是水流运动的重要特性之一，特别是对于河流海岸工程中航道整治、河流治理等关键问题，流迹线的确定至关重要。但由于水是无色透明的液体，实现流迹线的动态可视化显示一直是水流研究中的重要内容。

目前，水流中流迹线的显示方法主要有以下两类：第一类是通过往水流中添加有色染料(如墨水、高锰酸钾)形成有色水体，有色水体运动过程中会呈现流动轨迹，然后通过相机拍照便可记录水流迹线，由于该方法中水流与添加的染料掺混在一起，实质上改变了水流的密度、粘性等性质，对流态的影响较大，而且由于水流的对流扩散等原因导致形成的流迹线不够明显；另一类是向水流中布撒跟随性较好但不会与水流发生掺混的示踪粒子(如纸屑、塑料小球等)，该方法减小了对水流性质的影响，但由于示踪粒子运动过程中无法自然形成流动轨迹，通常采用延长相机曝光时间记录粒子运动轨迹的方法来显示流迹线，但该方法显示的流迹线通常比较模糊，而且只是单张照片，无法显示流迹线的动态变化。

此外，现有技术中获取流迹线的装置仅仅是相机，相机获取的只是单张照片，无法显示流迹线的动态变化，所以亟需研发一种能够产生连续图像并且动态显示流迹线的装置或系统。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水流中流迹线的动态显示系统及其显示方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种水流中流迹线的动态显示系统，包括河工模型、流迹线示踪粒子、摄像机和数字图像处理装置，所述示踪粒子布撒于河工模型的水流中，所述摄像机垂直于河工模型的水流表面固定拍摄示踪粒子的运动视频，所述摄像机与数字图像处理装置连接。

作为优选，所述示踪粒子呈椭圆流线形状，示踪粒子的长轴宽度是示踪粒子短轴高度的2～4倍；摄像机为高清摄像机，垂直于水面固定拍摄示踪粒子的运动视频，为数字图像处理装置提供高质量的视频图像。

作为优选，所述示踪粒子的密度与水流密度接近，示踪粒子漂浮于水流表面，具有较好的跟随性，并具有较好散光性，不会与水体发生掺混。此外，示踪粒子的颜色与水体颜色具有明显差别，以便高清摄像机拍摄清晰的粒子图像。

本发明的一种水流中流迹线的动态显示方法，包括以下步骤：在水流中布撒示踪粒子，用摄像机拍摄示踪粒子的运动过程，然后通过数字图像处理的方法动态显示水流中流迹线的运动过程。

其中，所述在水流中布撒示踪粒子的步骤中，示踪粒子均匀布撒在河工模型中迹线起始断面。所述通过数字图像处理的方法动态显示水流中流迹线的运动过程的步骤，包括：

1)运用数字图像处理的方法，提取拍摄的视频中流迹线示踪粒子的单帧图像；

2)通过阈值分割的方法提取出每帧图像中的示踪粒子和背景图像，记录每帧图像中的示踪粒子像素位置；

3)将当前帧图像以前所有的示踪粒子图像位置全部用显眼的颜色标记在背景图像中，形成明显的流迹线；

4)将处理后的每帧数字图像转换为连续播放的视频，动态显示流迹线的运动过程。

有益效果：本发明的一种水流中流迹线的动态显示系统，结构简单，易于搭建，有利于推广使用；本发明的一种水流中流迹线的动态显示方法，不仅可以清晰地显示流迹线，而且可以动态地显示流迹线的变化过程，为防洪抗旱、保护环境等提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的水流中流迹线的动态显示系统示意图；

图2为流迹线显示图像示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种水流中流迹线的动态显示系统，包括河工模型1、流迹线示踪粒子2、摄像机3和数字图像处理装置4，示踪粒子2布撒于河工模型1的水流中，摄像机3垂直于河工模型1的水流表面固定拍摄示踪粒子2的运动视频，摄像机3与数字图像处理装置4连接。

数字图像装置4主要包括：图像采集卡、视频连接线、电脑、数字图像处理软件，其中图像采集卡插在电脑PCI插槽内，通过视频连接线与摄像机3相连，数字图像处理软件包括图像采集模块、图像分割模块、标记粒子模块、显示迹线模块及生成动画视频模块，数字图像处理软件控制图像采集卡实时采集粒子运动图像，显示流迹线并生成动画视频。

河工模型1是根据天然河流按照一定比尺缩小而成的实体模型，是在河流海岸中航道整治、河流治理等关键问题中，用以模拟河道水流泥沙运动及河床演变情况的一种重要研究手段。

本实施例中采用的流迹线示踪粒子2是实体模型表面流场图像测试的高性能示踪粒子，见发明专利“实体模型表面流场图像测试的高性能示踪粒子及其制作方法”中的描述，该发明专利的授权公开号为：CN100595546C。示踪粒子2呈椭圆流线形状，示踪粒子2的长轴宽度是示踪粒子2短轴高度的2～4倍，优选为长轴宽度是短轴高度的3倍。该示踪粒子2采用PP材料与天然石膏调制而成，与水流密度接近，漂浮于水流表面，跟随性好，不易搁浅，不易聚集。示踪粒子2的颜色与水体颜色具有明显差别，以便高清摄像机拍摄清晰的粒子图像，通常颜色为纯白色且具有较好的散光性，能与水体颜色较好地区别开来。

摄像机3为高清摄像机，高清摄像机垂直于实体河工模型1水流表面，拍摄流迹线示踪粒子2的运动视频。视频拍摄完成后，导入数字图像处理装置4中，该装置包括图像分割、标记粒子、显示迹线、动画视频四个模块，通过数字图像处理生成流迹线运动过程的动画视频实现流迹线的动态显示。

本发明的一种水流中流迹线的动态显示方法，包括以下步骤：

a)在水流中布撒示踪粒子2，即在河工模型1中迹线起始断面均匀布撒流迹线示踪粒子2；

b)用摄像机3拍摄示踪粒子2的运动过程；

c)视频拍摄完成后，导入数字图像处理装置4中，通过数字图像处理的方法动态显示水流中流迹线的运动过程，主要包括以下步骤：

1)运用数字图像处理方法提取视频中流迹线示踪粒子2运动的单帧图像；

2)通过阈值分割的方法提取出每帧图像中的示踪粒子2和背景图像，记录每帧图像中的示踪粒子2像素位置；

3)将当前帧图像以前所有的示踪粒子2图像位置全部用纯白色(三通道灰度值(R，G，B)为(255，255，255))的颜色标记在背景图像中，形成明显的流迹线5；

4)将处理后的每帧数字图像转换为连续播放的视频，动态显示流迹线的运动过程。

图2所示为生成的流迹线图像，流迹线5的动画视频可动态显示每一个流迹线示踪粒子2从流迹线5起始点到结束点的运动轨迹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水流中流迹线的动态显示系统，其特征在于：包括河工模型(1)、流迹线示踪粒子(2)、摄像机(3)和数字图像处理装置(4)，所述示踪粒子(2)布撒于河工模型(1)的水流中，所述摄像机(3)垂直于河工模型(1)的水流表面固定拍摄示踪粒子(2)的运动视频，所述摄像机(3)与数字图像处理装置(4)连接。

2.根据权利要求1所述的水流中流迹线的动态显示系统，其特征在于：所述示踪粒子(2)呈椭圆流线形状，示踪粒子(2)的长轴宽度是示踪粒子(2)短轴高度的2～4倍。

3.根据权利要求1所述的水流中流迹线的动态显示系统，其特征在于：所述示踪粒子(2)的密度与水流密度接近，示踪粒子(2)漂浮于水流表面。

4.一种水流中流迹线的动态显示方法，其特征在于包括以下步骤：在水流中布撒示踪粒子(2)，用摄像机(3)拍摄示踪粒子(2)的运动过程，然后通过数字图像处理的方法动态显示水流中流迹线的运动过程。

5.根据权利要求4所述的水流中流迹线的动态显示系统，其特征在于：所述在水流中布撒示踪粒子(2)的步骤中，示踪粒子(2)均匀布撒在河工模型(1)中迹线起始断面。

6.根据权利要求4所述的水流中流迹线的动态显示系统，其特征在于：所述通过数字图像处理的方法动态显示水流中流迹线(5)的运动过程的步骤，包括：

1)运用数字图像处理的方法，提取拍摄的视频中流迹线示踪粒子(2)的单帧图像；

2)通过阈值分割的方法提取出每帧图像中的示踪粒子(2)和背景图像，记录每帧图像中的示踪粒子(2)像素位置；

3)将当前帧图像以前所有的示踪粒子(2)图像位置全部用显眼的颜色标记在背景图像中，形成明显的流迹线(5)；

4)将处理后的每帧数字图像转换为连续播放的视频，动态显示流迹线(5)的运动过程。

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