CN105891540A

CN105891540A - 宽视场粒子图像测速方法和装置

Info

Publication number: CN105891540A
Application number: CN201610213047.5A
Authority: CN
Inventors: 陈启刚; 齐梅兰; 王兴奎
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2036-04-07
Also published as: CN105891540B

Abstract

本发明提供了一种宽视场粒子图像测速方法和装置。该装置主要包括：多个激光器、多个高速相机和同步器，所述激光器产生片光，各片光照向测量水体区域，所述高速相机安装在所述测量水体区域的侧面，各个高速相机的相邻视场之间相互搭接，各个视场组合后完全覆盖所述测量水体区域，所述同步器通过线缆分别连接各高速相机，并向各高速相机同步发送触发信号，各高速相机以相同的频率和测量分辨率同步拍摄粒子图片。本发明实施例通过设置多个激光器、多个高速相机和同步器，将不同相机拍摄的粒子图片进行拼接，在保持常规粒子图像测速系统测量分辨率高的优势的同时，通过增加相机数量，可实现对任意宽度范围内的流场进行高分辨率测量。

Description

宽视场粒子图像测速方法和装置

技术领域

本发明涉及粒子图像测速技术领域，尤其涉及一种宽视场粒子图像测速方法和装置。

背景技术

自然界及工程应用中的绝大多数水流都是湍流。这种流动的主要特征，是存在多种尺度的紊动结构，这些紊动结构通过相互作用控制着水流中的输运、扩散等物理过程。近期研究表明，水流中最大紊动结构的长度可达十倍水深量级。

粒子图像测速技术是现阶段开展紊动结构研究的主要工具，这种技术的工作原理为：在水流中释放粒径小、散光性好、密度与水接近的示踪颗粒，当融入水体的示踪颗粒跟随水流运动时，利用激光器发出的薄片光照亮水体中的测量平面，再通过高速相机记录下测量平面内示踪颗粒形成的光斑，最后将连续两帧图像进行相关分析，即可得到测量平面内示踪颗粒的速度场，并将该速度场作为测量平面内水流的速度场。因此，粒子图像测速技术的主要优势是全场、无干扰、瞬态测量。

利用粒子图像测速技术开展流动测量时，测量范围和测量分辨率受高速相机的性能约束，是一对矛盾综合体。例如，现有的常规粒子图像测速系统中的高速相机的图像传感器大小约为2500×2000像素，当测量范围的宽度为100毫米时，测量分辨率为25像素/毫米；当测量宽度减小为50毫米时，测量分辨率提高至50像素/毫米。然而，为了对水流中最大尺度的紊动结构进行实验观测，要求测量结果同时具有测量范围宽和测量分辨率高的特点，这是现有的常规粒子图像测速系统无法实现的。

发明内容

本发明的实施例提供了一种宽视场粒子图像测速方法和装置，以实现对任意宽度范围的测量水体区域进行高分辨率地测速。

本发明提供了如下方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种宽视场粒子图像测速装置，包括：

多个激光器、多个高速相机和同步器，所述激光器产生片光，各片光照向测量水体区域，所述高速相机安装在所述测量水体区域的侧面，各个高速相机的视场底边相互平行，相邻视场之间相互搭接，各个视场组合后完全覆盖所述测量水体区域，所述同步器通过线缆分别连接各高速相机，并向各高速相机同步发送触发信号，各高速相机以相同的频率和测量分辨率同步拍摄粒子图片。

进一步地，各个激光器产生的片光均与所述测量水体区域重叠，各个片光组合后完全覆盖所述测量水体区域，各个激光器产生的相邻片光之间相互搭接。

进一步地，所述装置还包括放置在所述测量水体区域中的标定板，所述标定板的表面印有长度刻度，刻度范围大于所述测量水体区域的宽度。

进一步地，所述标定板由固定板、滑动板、直线轴承、圆柱轴和钢板尺组成，所述固定板和滑动板均为矩形板，两者相互平行，所述滑动板上贯通安装所述直线轴承，外侧面铣槽安装钢板尺，所述钢板尺的刻度平面与所述滑动板平面齐平，所述圆柱轴与固定板、滑动板垂直，所述圆柱轴的一端垂直安装在所述固定板上，另一端穿过所述直线轴承，使所述滑动板可沿所述圆柱轴往复滑动。

根据本发明的另一个方面，提供了一种宽视场粒子图像测速方法，包括：

将标定板放置在测量水体区域中，使所述标定板的刻度平面与测量平面重合，刻度范围大于所述测量水体区域的宽度；

利用同步器控制各个高速相机同步拍摄标定图片，取出所述标定板，打开激光器，利用同步器控制各个高速相机同步拍摄粒子图片；

通过匹配相邻两台高速相机所拍摄的标定图片中的标定图像，获取相邻两台高速相机所拍摄的图片中的重叠区域；

根据所述相邻两台高速相机所拍摄的图片中的重叠区域，通过相关系数计算算法获取相邻两台高速相机在同一时刻拍摄的相邻两张粒子图片之间的平移量，利用所述平移量对所述相邻两张粒子图片进行拼接。

进一步地，所述的通过匹配相邻两台高速相机所拍摄的标定图片中的标定图像，获取相邻两台高速相机所拍摄的图片中的重叠区域，包括：

将各个标定板的刻度平面与所述测量水体区域的测量平面重合，刻度范围大于测量水体区域的宽度，丈量方向与所述测量水体区域的宽度方向平行，任选一张标定图片，根据标定图片中标定板的刻度读出视场宽度，将图片宽度方向的像素数除以视场宽度，得到成像分辨率；再根据相邻两张标定图片中同时出现的标定板刻度范围，读出视场重叠区域的物理宽度，将该物理宽度乘以成像分辨率，得到相邻两台高速相机所拍图片中的重叠区域。

进一步地，所述的根据所述相邻两台高速相机所拍摄的图片中的重叠区域，通过相关系数计算算法获取相邻两台高速相机在同一时刻拍摄的相邻两张粒子图片之间的平移量，包括：

将相邻两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片定义为左侧图片和右侧图片，在左侧图片中的重叠区域内定义匹配窗口，该匹配窗口的宽、高分别为M_p、N_p像素，坐标(i,j)处的灰度表示为I_p(i,j)；将右侧图片定义为搜索区，宽、高分别为M、N像素，坐标(i,j)处的灰度表示为I(i,j)；

分别计算出所述匹配窗口与所述搜索区内各个相同大小的窗口之间的相关系数R(m,n)，将所有的相关系数进行组合得到所述两张粒子图片之间的相关系数矩阵：

R (m, n) = \frac{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I_{p} (i, j) I (i + m, j + n)}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I_{p}^{2} (i, j)} \sqrt{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I^{2} (i + m, j + n)}}

选择所述相邻两台高速相机在其它时刻同步拍摄的其它两张粒子图片，计算出所述其它两张粒子图片之间的相关系数矩阵，重复执行上述处理过程，得到所述相邻两台高速相机在T个时刻同步拍摄的T对粒子图片之间的T个相关系数矩阵，将所述T个相关系数矩阵取平均，得到时间平均相关系数矩阵；

设所述时间平均相关系数矩阵中最大值的行、列号分别为t和s，匹配窗口的左上角在粒子图片中的坐标为(p,q)，则右侧图片左上角相对于左侧图片左上角的平移量Δx、Δy的计算公式为：

Δx＝q-t

Δy＝s-p

将所述平移量Δx、Δy作为所述相邻两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片之间的平移量。

进一步地，所述的利用所述平移量对所述相邻两张粒子图片进行拼接，包括：

重复执行上述平移量的计算过程，得到所有相邻两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片之间的平移量；

选取最左侧两台高速相机，从所述最左侧两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片开始，以左侧图片的左上角为基准点，将右侧图片的左上角按照计算出的平移量进行平移，完成所述最左侧两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片的拼接，得到第一拼接图片；选取左侧第三台高速相机，按照上述图片的拼接过程，完成所述左侧第三台高速相机在同一时刻同步拍摄的粒子图片与所述第一拼接图片之间的拼接，得到第二拼接图片；依次类推，直到完成最右侧高速相机在同一时刻同步拍摄的粒子图片与前一个拼接图片之间的拼接，得到最终的拼接图片；

从所述最终的拼接图片中提取最大矩形区域，得到宽视场粒子图片。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置多个激光器、多个高速相机和同步器，使不同激光器发出的片光形成一个相互搭接的连续平面，照亮水体中的示踪粒子，将不同相机同步拍摄的粒子图片进行拼接，在保持常规粒子图像测速系统测量分辨率高的优势的同时，通过增加激光器和相机的数量，可实现对任意宽度范围内的流场进行高分辨率测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种宽视场粒子图像测速装置的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种标定板的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种图片重叠范围的估测方法的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种匹配窗口和搜索区定义示意图；

图5为本发明实施例提供的一种宽视场粒子图片示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例针对常规粒子图像测速系统无法同时实现测量范围宽和测量分辨率高的特点，提出一种宽视场粒子图像测速装置与方法，可对任意宽度的测量水体区域进行高分辨率测量。

本发明实施例提供了一种宽视场粒子图像测速装置，其具体结构如图1所示，包括多个激光器1、多个高速相机2、同步器3和标定板4。高速相机2安装在测量水体区域5的侧面，各相机以相同的成像分辨率记录粒子图像，各相机的视场21底边相互平行，相邻视场之间相互搭接，各个视场组合后完全覆盖所述测量水体区域5。同步器3通过线缆31分别连接各高速相机2，并向各高速相机2同步发送触发信号，使各高速相机2以相同的频率同步拍摄粒子图片。

各个激光器1产生的片光11均与所述测量水体区域5重叠，各个片光11组合后完全覆盖所述测量水体区域5，各个激光器1产生的相邻片光11之间相互搭接。

本发明实施例提供的一种标定板的结构示意图如图2所示，标定板4的表面印有长度刻度，刻度范围大于测量水体区域5的宽度。在优选方案中，标定板4由固定板41、滑动板42、直线轴承43、圆柱轴44、钢板尺45组成。固定板41和滑动板42均为矩形板，两者相互平行。滑动板42上贯通安装直线轴承43，外侧面铣槽安装钢板尺45；钢板尺45的刻度平面与滑动板42平面齐平；圆柱轴44与固定板41及滑动板42垂直，圆柱轴44的一端垂直安装在固定板41上，另一端穿过直线轴承43，使滑动板42可沿圆柱轴44往复滑动。本实施例的固定板及滑动板均为长15cm、宽8cm、厚1cm的不锈钢板；不锈钢直线轴承四个，内径1cm；不锈钢圆柱轴四根，长15cm、直径1cm；钢板尺厚1mm、长30cm。

在优选方案中，激光器1出口安装片光源12。本实施例由三套连续波激光器组成，各激光器均输出波长532nm、功率8W、厚度1mm、扩散角30°的激光片光。

在优选方案中，高速相机2通过外部输入的TTL脉冲信号控制拍摄。本实施例由三套高速相机组成，各相机的图像传感器为CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)类型，全画幅大小为2560×1920像素，全画幅拍照频率为730帧每秒，配有焦距50mm、光圈数1.8的尼康镜头。

在优选方案中，同步器3的输出通道数不少于高速相机2的数量，各通道可同步输出TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)脉冲信号，信号控制精度不低于1纳秒。本实施例的同步器3具有六个输出通道，时间控制精度为1纳秒。

实施例二

根据本发明的宽视场粒子图像测速装置，本发明的一种宽视场粒子图像测速方法具体包括以下几个步骤：

(1)当激光器1、高速相机2和同步器3均设置完成后，将标定板4放置在测量水体区域中，使标定板4的刻度平面与测量平面重合，刻度范围大于测量水体区域5的宽度，且丈量方向与测量水体区域5的宽度方向大致平行。

(2)首先利用同步器3控制各高速相机2同步拍摄标定图片22；然后取出标定板4，打开激光器1，按实验要求利用同步器3控制高速相机2同步拍摄粒子图片23；

(3)图3为本发明实施例提供的一种图片重叠范围的估测方法的原理示意图，使用相邻两台高速相机2拍摄的标定图片22，通过人工匹配标定图片22中的标定图像24，大致确定相邻两台相机所拍图片中的重叠区域25；图片中重叠区域25大小的具体确定方法为：任选一张标定图片22，根据图中标定板5的刻度读出视场宽度，将图片宽度方向的像素数除以视场宽度，得到成像分辨率；再根据相邻两张标定图片22中同时出现的标定板5刻度范围，读出视场重叠区域的物理宽度，将该物理宽度乘以成像分辨率，得到图片中重叠区域25的大小。

(4)图4为本发明实施例提供的一种匹配窗口和搜索区定义示意图，将相邻两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片定义为左侧图片和右侧图片，在左侧图片的重叠区域25内定义匹配窗口26，宽、高分别为M_p、N_p像素，坐标(i,j)处的灰度表示为I_p(i,j)；将右侧图片定义为搜索区，宽、高分别为M、N像素，坐标(i,j)处的灰度表示为I(i,j)；

(5)分别计算出所述匹配窗口与所述搜索区内各个相同大小的窗口之间的相关系数R(m,n)，将所有的相关系数进行组合得到所述两张粒子图片之间的相关系数矩阵：

R (m, n) = \frac{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I_{p} (i, j) I (i + m, j + n)}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I_{p}^{2} (i, j)} \sqrt{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I^{2} (i + m, j + n)}}

公式中各个参数的含义见步骤(4)。

选择所述相邻两台高速相机在其它时刻同步拍摄的其它两张粒子图片，计算出所述其它两张粒子图片之间的相关系数矩阵，重复执行上述处理过程，得到所述相邻两台高速相机在T个时刻同步拍摄的T对粒子图片之间的T个相关系数矩阵，将所述T个相关系数矩阵取平均，得到大小为M-M_p+1列、N-N_p+1行的时间平均相关系数矩阵。

(6)设时间平均相关系数矩阵中最大值的行、列号分别为t和s，匹配窗口26的左上角在粒子图片23中的坐标为(p,q)，则右侧图片左上角相对于左侧图片左上角的平移量Δx、Δy的计算公式为：

(7)图5为本发明实施例提供的一种宽视场粒子图片示意图，上述宽视场粒子图片的得到过程包括：

选取最左侧两台高速相机，从所述最左侧两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片开始，以左侧图片的左上角为基准点，将右侧图片的左上角按照上述公式2计算出的平移量进行平移，完成所述最左侧两台高速相机在同一时刻同步拍摄的两张粒子图片的拼接，得到第一拼接图片；选取左侧第三台高速相机，按照上述图片的拼接过程，完成所述左侧第三台高速相机在同一时刻同步拍摄的粒子图片与所述第一拼接图片之间的拼接，得到第二拼接图片；依次类推，直到完成最右侧高速相机在同一时刻同步拍摄的粒子图片与前一个拼接图片之间的拼接，得到最终的拼接图片。

从最终的拼接图片中提取最大矩形区域，得到宽视场粒子图片6，利用常规的粒子图片处理方法对宽视场粒子图片6进行分析，得到分辨率与常规粒子图像测速系统相同，但测量范围更大的宽视场速度场。

综上所述，本发明实施例通过设置多个激光器、多个高速相机和同步器，使不同激光器发出的片光形成一个相互搭接的连续平面，照亮水体中的示踪粒子，将不同相机同步拍摄的粒子图片进行拼接，在保持常规粒子图像测速系统测量分辨率高的优势的同时，通过增加相机和激光器的数量，可以对流场中的宽视场粒子图像进行有效地测速，可实现对任意宽度范围内的流场进行高分辨率测量，可以对水流中最大尺度的紊动结构进行实验观测。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种宽视场粒子图像测速装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的宽视场粒子图像测速装置，其特征在于，各个激光器产生的片光均与所述测量水体区域重叠，各个片光组合后完全覆盖所述测量水体区域，各个激光器产生的相邻片光之间相互搭接。

3.根据权利要求1所述的宽视场粒子图像测速装置，其特征在于，所述装置还包括放置在所述测量水体区域中的标定板，所述标定板的表面印有长度刻度，刻度范围大于所述测量水体区域的宽度。

4.根据权利要求3所述的宽视场粒子图像测速装置，其特征在于，所述标定板由固定板、滑动板、直线轴承、圆柱轴和钢板尺组成，所述固定板和滑动板均为矩形板，两者相互平行，所述滑动板上贯通安装所述直线轴承，外侧面铣槽安装钢板尺，所述钢板尺的刻度平面与所述滑动板平面齐平，所述圆柱轴与固定板、滑动板垂直，所述圆柱轴的一端垂直安装在所述固定板上，另一端穿过所述直线轴承，使所述滑动板可沿所述圆柱轴往复滑动。

5.一种宽视场粒子图像测速方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的宽视场粒子图像测速方法，其特征在于，所述的通过匹配相邻两台高速相机所拍摄的标定图片中的标定图像，获取相邻两台高速相机所拍摄的图片中的重叠区域，包括：

7.根据权利要求6所述的宽视场粒子图像测速方法，其特征在于，所述的根据所述相邻两台高速相机所拍摄的图片中的重叠区域，通过相关系数计算算法获取相邻两台高速相机在同一时刻拍摄的相邻两张粒子图片之间的平移量，包括：

R (m, n) = \frac{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I_{p} (i, j) I (i + m, j + n)}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{i = 1}^{N_{p}} I_{p}^{2} (i, j)} \sqrt{Σ_{i = 1}^{M_{p}} Σ_{j = 1}^{N_{p}} I^{2} (i + m, j + n)}}

Δx＝q-t

Δy＝s-p

8.根据权利要求7所述的宽视场粒子图像测速方法，其特征在于，所述的利用所述平移量对所述相邻两张粒子图片进行拼接，包括：