CN104807611A - 基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法，本发明的烟气腔室为可分离框架式结构，可以搭建成不同结构进行不同环境结构内的火灾羽流模拟；通过高清摄像机拍摄烟气视频，对视频进行实时处理，通过光流法计算出烟气的速度分布，进而计算出烟气的湍流强度，将数据保存在数据库中供实验分析使用，同时烟气速度、湍流强度的伪彩图也可实时显示在计算机屏幕上。本发明使用视频分析这种非接触方式对烟气速度、湍流强度进行测量，能得到二维平面上任意位置烟气的速度、湍流强度瞬时值，方法简单、快速、准确，得到的数据量大且全面，避免了在烟气腔室内安装气流速度测量装置引入的干扰，为火灾科学研究提供了便利。

Description

基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法

技术领域

本发明涉及火灾科学研究领域，尤其涉及烟羽流、烟气运动规律研究、火灾烟气模拟实验测量等方面，具体涉及一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法。

背景技术

火灾现象分为可燃物燃烧和热空气流动两个相互影响的过程，烟气运动是火灾科学研究中最为重要的内容之一。在进行建筑、隧道、地铁、船舶等场景火灾烟气运动特性研究时，主要通过实体试验和计算机模拟进行研究。实体试验研究指的是在特定的空间内，通过检测火场中热和烟气等各项指标，找出其规律性。在实验研究中，通常在特定的模拟空间内通过具体火灾实验，获得实验数据，通过对数据的整理，分析总结出火灾烟气特性，进行同类场景的火灾预测。

烟气流速是火灾研究中的重要参数。目前，主要采用测量气体流速的方法对烟气进行测速，包括气压法、机械法与散热率法等。气压法测量使用皮托管式风速传感器和双向微压差计等；机械法利用叶轮风速仪等；散热率法使用热线、热球风速仪等。还有研究者为得到火灾中羽流前锋上升时间，在实验空间内布置热电偶树，测量火灾中温度分布，当热电偶温升达到某个值时，确定为烟气羽流前锋到达该处。有的装置在测量过程中还存在一些问题，例如热线、热球风速仪在流速过低时，受到自然对流和辐射的作用的影响，测量值会比实际值偏大；常温热球风速仪也不能用于测量高温火灾烟气。同时，此类风速仪不能识别末流的方向，因此不能进行流动的定向测量。此外，为了保护热线或热球不受杂质的撞击，在探头外部通常会套上一层会属滤网，在测量火灾烟气时，固体颗粒会堵塞网孔，使得气体无法流过探头，导致测量结果偏低。人们也考虑在盐水中进行烟气流动模拟，用盐水在清水中的湍流重力流动来仿真热烟气在空气中的湍流浮力流动。由于两种流动具有相似现象，所以可用来研究实际火灾烟气流动的特性。但盐水模拟实验也存在难以测量速度场的问题。湍流强度根据通过测量得到的速度值进一步推导计算得到。

目前所用的烟气速度和湍流强度测量装置均属于点式测量，只能根据布置在实验舱室内的点式传感器得到某些位置的速度值，无法得到烟气整体运动的速度场。

专利申请公布的“热风式湍流模拟装置(CN201010605579)”，发明了一种热风式湍流模拟装置，通过调节加热和风速控制器控制湍流的强度，使用风速传感器和温度传感器在装置的内部一侧测量湍流速度和温度。但该装置只在侧面使用两个传感器，无法得到箱体内部空间真实的湍流分布状况，只能对湍流强弱进行定性估计。

专利申请公布的“一种测量粒子速度的方法(CN101231299A)”，通过在水槽的流场中散布合适的示踪粒子，根据两粒子像点位置信息和灰度总和的差异得到粒子的速度矢量，从而获得整个流场的速度信息。但是该技术的实现必须使用示踪粒子，在液体中较容易实现，在烟气流场中加入示踪粒子很难实现。

发明内容

本发明的目的在于，为火灾科学中烟羽流、烟气运动相关研究提供基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置，包括烟气实验系统，视频采集系统和数据处理系统三部分。烟气实验系统由一个烟气腔室，一个发烟箱和排烟装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统包括一台计算机。系统的烟气实验系统部分的发烟箱装载发烟材料和加热装置，产生的烟气进入烟气腔室；高清摄像机透过透明的烟气腔室外壁采集烟气视频信息，将视频数据通过网络线缆传入负责视频数据处理的计算机，在计算机中利用图像处理技术对烟雾视频信号进行分析处理，获得二维平面上的火灾烟气速度和湍流强度实时数据。该发明特征在于：

所述烟气腔室，由透明无色有机玻璃构成，为可分离框架式结构，腔体壁面玻璃可以根据模拟环境设置开口、缝隙等，可以搭建成不同结构供不同环境结构内的火灾羽流模拟；烟气腔室背景用黑色摄影专用吸光布平铺，增强拍摄的烟雾视频；烟气腔室背景标有白色刻度，可以通过图像处理技术实现图像坐标系和世界坐标系的转换，得到烟气运动的实际速度；

所述发烟箱由2毫米厚钢板构成，可以放置电炉等设备点燃固体可燃物，使其阴燃发烟；发烟箱高度应超过加热装置加上发烟材料的高度，底面积应足够大以防止加热装置产生的热量影响到烟气腔室壁面材料；

所述排烟装置，能够通过排烟风机将烟气腔室内的火灾烟气抽出，通过烟气净化器对烟气进行处理并排出；

所述高清摄像机有至少1920×1080像素的分辨率，能够手动调焦，摄像机拍摄的视频信号能够通过网线实时传输到计算机；

所述照明系统由数个摄影用柔光灯箱构成，可以按照视频拍摄需要调整灯箱数量、位置和角度；

所述计算机可以通过网线实时获取视频数据，对视频进行实时处理，计算出烟气速度和湍流强度，将数据保存在计算机数据库中，并实时显示烟气湍流强度的伪彩图。

本发明的基于上述装置的火灾烟气速度和湍流强度方法，包括以下步骤：

(1)将发烟材料(如棉绳、木条等)放入发烟箱中，开启照明系统，打开计算机和高速摄像机；

(2)调整摄像机和照明系统使拍摄区域光线条件最佳，摄像机视场覆盖烟气腔室内所有区域；

(3)开启高清摄像机进行视频采集，打开基于视频的烟气速度和湍流强度计算软件，打开烟箱中的加热装置，烟气开始充填烟气腔室。将采集到的烟气视频数据传输到计算机中，所述的火灾烟气湍流强度数据根据以下方式得到：

根据像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性，利用Horn-Schunk的光流计算方法，计算出t时刻烟气视频图像中(x,y)处像素的速度u(x,y,t)。湍流强度I(x,y)的计算公式如下：

$I(x,y,N)=\frac{u^{\′}(x,y,N)}{\stackrel{\‾}{u}(x,y,N)}---\left(1\right)$

$u^{\′}(x,y,N)=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2(x,y,i)}---\left(2\right)$

$\stackrel{\‾}{u}(x,y,N)=\frac{1}{N}(u(x,y,1)+u(x,y,2)+...+u(z,y,N))---\left(3\right)$

其中u'(x,y,N),分别为连续N帧视频(x,y)处速度的均方根和平均值。利用光流计算得到的速度值和式(1)～(3)可以得到视频中烟气所有像素处的湍流强度的瞬时值。上述计算得到的速度值单位为像素/帧，速度值乘以帧速率将单位化为像素/秒。通过图像处理技术，将速度转换至以米/秒为单位的世界坐标系中。烟气腔室背景上标有一道白色刻度，通过阈值方法得到矩形白色刻度区域，计算白色区域的长度L(单位为像素)，而刻度的实际长度为L’(单位为米)，则光流法计算得到的速度u₁可以按照式(4)转换到世界坐标系下：

$u_1=\frac{L}{L^{\′}}u---\left(4\right)$

速度分布和湍流强度分布以伪彩图形式实时显示在显示器中。

(4)试验完毕，进行机械排烟。

本发明的原理在于：本发明提供了一种通过视频处理进行火灾烟气湍流强度测量的装置和方法。本发明对小尺度烟气腔室内的烟气视频进行实时分析处理，根据动态视频图像得到烟气各区域的瞬时速度，进而计算出各位置处的烟气湍流强度，将速度和湍流强度数据记录在数据库中供后期实验分析使用，速度数据可以选择使用世界坐标或图像坐标；表示烟气湍流强度的伪彩图像也实时显示在显示器上，可以观察烟气运动情况，烟气视频、伪彩速度和伪彩湍流视频也存于计算机的数据库中，可以供实验观察分析使用。

本发明还会带来一定的积极效果：由于装置通过视频进行非接触式的烟气速度和湍流测量，避免了热电偶、热线风速仪等设备的布置和安装对实验空间的干扰，简化了实验台设计；采用可分离框架式结构的烟气腔室，可以按照实验模拟环境搭建不同结构的腔室，进行各类小尺度火灾烟气实验；使用视频分析方法能够实时计算出视频中烟气任意位置的湍流强度。本发明的非接触式烟气速度、湍流强度测量装置简单，方法快速、准确、有效，有利于火灾科学研究，为烟羽流、烟气运动规律、火灾烟气模拟实验测量等方面的研究提供了一种新方法。

附图说明

图1是基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置结构图。

图2是装置的布局示意图，其中2(a)是装置布局图，2(b)是发烟箱内部布局图。

图3是装置的测量方法流程图。

图4是烟气速度、湍流强度计算流程图。

图5是计算机显示器显示示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1本装置的具体结构如下：

基于视频的烟气速度、湍流度实验测量装置由烟气实验系统101，视频采集系统102和数据处理系统103三部分构成。烟气实验系统由烟气腔室，发烟箱，排烟装置，加热装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统由一台计算机构成。在发烟箱通过加热装置对发烟材料进行加热，发出的烟气进入烟气腔室内，用高清摄像机采集视频信息，将火灾羽流的视频通过网络线缆实时传输到进行视频数据处理的计算机，在计算机中对烟雾视频信号进行处理，获得二维平面上的火灾湍流强度实时数据，并将数据转换成伪彩图像实时显示在计算机屏幕上。

图2是装置的布局示意图。2(a)是装置布局图，2(b)是发烟箱内部布局。201是烟气腔室正对摄像机的面(简称前面)；202是发烟箱，装载加热装置203和发烟材料；204是烟气腔室后部作为拍摄背景的面(简称后面)，后面由黑色吸光布覆盖，并标有刻度能够从视频中看到烟气高度；205是排烟装置，实验完毕后将烟气腔室内的烟抽出，排烟装置含有风机和烟气净化部件；206是高清摄像机，用于捕获烟气视频；207为计算机，用于进行视频处理和数据分析；208照明系统。如图2(b)所示，203为加热装置，209为发烟材料，置于加热装置之上。

图3是使用装置进行烟气湍流测量的流程图。首先将发烟材料放在发烟箱中的加热装置上，连接好各设备电源，打开计算机、摄像机，调节好摄像机与烟气腔室距离、焦距、角度，调节照明系统亮度和放置位置，开启加热装置，开始拍摄视频；视频实时传输并显示在计算机的显示器上，同时计算出的速度和湍流强度数据保存于数据库中，并以伪彩形式显示在屏幕上。

图4是烟气湍流强度计算流程图。捕获到两帧视频后，利用光流法计算烟气运动速度。

图5是计算机显示器显示示意图，501是烟气视频实时显示，502是烟气运动速度伪彩实时显示，503烟气湍流强度伪彩实时显示；504是速度世界坐标系选择；505是速度图像坐标系选择；506是计算启动；507是计算停止；508是湍流计算时间段设置，单位是帧。

实际应用举例如下：

本发明考虑实验现场实际情况，应用过程如下。1.烟气实验系统搭建及发烟材料准备：分析实验模拟环境，设计烟气腔室结构，利用可分离框架式结构的透明有机玻璃搭建烟气腔室，不局限于图2所示的立方体结构。将加热装置置于发烟箱中间位置，将准备好的发烟材料放在加热装置上；将烟气腔室按照图2示例安装在发烟箱上方。2.装置准备：连接好各加热装置、高清摄像机、计算机、照明系统电源；打开计算机、摄像机，调节好摄像机与烟气腔室距离、焦距、角度，调节好照明系统亮度和放置位置。3.装置工作过程：系统启动后，对基于视频的烟气湍流计算系统初始化，若出现异常，在计算机屏幕上显示故障信息。准备就绪，打开计算软件，开始拍摄视频，开启加热装置。4.烟气速度、湍流强度计算：选择速度坐标系使用世界坐标系还是图像坐标系，获取视频，通过光流法，计算出t时刻烟气运动瞬时速度。湍流强度为某一时间段内的湍流强度，时间段长度在系统初始化时可以进行设置，默认为5帧，时间即为5*(1/帧速率)秒。利用光流计算得到的速度值和式(1)可以得到视频中烟气所有像素处的湍流强度的瞬时值。

Claims (5)

1.一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置，包括烟气实验系统，视频采集系统和数据处理系统三部分，烟气实验系统由一个烟气腔室，一个发烟箱和排烟装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统包括一台计算机，烟气实验系统部分的发烟箱装载发烟材料和加热装置，产生的烟气进入烟气腔室；高清摄像机透过透明的烟气腔室外壁采集烟气视频信息，将视频数据通过网络线缆传入负责视频数据处理的计算机，在计算机中利用图像处理技术对烟雾视频信号进行分析处理，获得二维平面上的火灾烟气速度和湍流强度实时数据；其特征在于：

所述烟气腔室，由透明无色有机玻璃构成，为可分离框架式结构，腔体壁面玻璃可以根据模拟环境设置开口或缝隙，可以搭建成不同结构供不同环境结构内的火灾羽流模拟；烟气腔室背景用黑色摄影专用吸光布平铺，增强拍摄的烟雾视频；烟气腔室背景标有白色刻度，可以通过图像处理技术实现图像坐标系和世界坐标系的转换，得到烟气运动的实际速度；

所述发烟箱由2毫米厚钢板构成，可以放置电炉等设备点燃固体可燃物，使其阴燃发烟；发烟箱高度应超过加热装置加上发烟材料的高度，底面积应足够大以防止加热装置产生的热量影响到烟气腔室壁面材料；

所述排烟装置，能够通过排烟风机将烟气腔室内的火灾烟气抽出，通过烟气净化器对烟气进行处理并排出；

所述高清摄像机有至少1920×1080像素的分辨率，能够手动调焦，摄像机拍摄的视频信号能够通过网线实时传输到计算机；

所述照明系统由数个摄影用柔光灯箱构成，可以按照视频拍摄需要调整灯箱数量、位置和角度；

所述计算机可以通过网线实时获取视频数据，对视频进行实时处理，计算出烟气速度和湍流强度，将数据保存在数据库中，并实时显示烟气速度和湍流强度的伪彩图。

2.一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量方法，该测量方法基于权利要求1所述的装置的进行测量，其特征在于：检测到存在烟雾信号后，所述的装置按以下步骤进行火灾探测与定位：

步骤(1)、将发烟材料放入发烟箱中，开启照明系统，打开计算机和高速摄像机；

步骤(2)、调整摄像机和照明系统使拍摄区域光线条件最佳，摄像机视场覆盖烟气腔室内所有区域；

步骤(3)、开启高清摄像机进行视频采集，打开基于视频的烟气速度和湍流强度计算软件，打开烟箱中的加热装置，烟气开始充填烟气腔室，将采集到的烟气视频数据传输到计算机中，计算的火灾烟气运动速度和湍流强度，根据像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性，利用Horn-Schunk的光流计算方法，计算出烟气运动的速度谱u，t时刻烟气视频图像中(x,y)处像素的速度为u(x,y,t)，湍流强度I(x,y)的计算公式如下：

$I(x,y,N)=\frac{u^{\′}(x,y,N)}{\stackrel{\‾}{u}(x,y,N)}---\left(1\right)$

$u^{\′}(x,y,N)=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2(x,y,i)}---\left(2\right)$

$\stackrel{\‾}{u}(x,y,N)=\frac{1}{N}(u(x,y,1)+u(x,y,2)+...+u(z,y,N))---\left(3\right)$

其中u'(x,y,N)，分别为连续N帧视频(x,y)处速度的均方根和平均值，利用光流计算得到的速度值和式(1)～(3)可以得到视频中烟气所有像素处的湍流强度的瞬时值；

上述计算得到的速度值单位为像素/秒，通过图像处理技术，将速度转换至以米/秒为单位的世界坐标系中，烟气腔室背景上标有一道白色刻度，通过阈值方法得到矩形白色刻度区域，计算白色区域的长度L，单位为像素，而刻度的实际长度为L’，单位为米，则光流法计算得到的速度u₁可以按照式(4)转换到世界坐标系下：

$u_1=\frac{L}{L^{\′}}u---\left(4\right)$

速度分布和湍流强度分布以伪彩图形式实时显示在显示器中；

步骤(4)、试验完毕，进行机械排烟。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：该方法采用可分离框架式结构的透明无色有机玻璃搭建烟气腔室，可以根据实验模拟环境需求留出开口、缝隙，搭建不同的结构。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：该方法采用高清摄像机拍摄烟气在腔室内的运动情况，通过计算机对视频进行实时分析处理，计算得到二维平面上各个位置烟气运动的瞬时速度和湍流强度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：该方法通过对烟气腔室背景上的刻度标尺进行图像分析，能够得到图像坐标和世界坐标的转换公式，能够得到两个坐标系下的烟气运动的瞬时速度。