CN106908218B - 河道表面流场的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明河道表面流场的处理方法，它包括：在待测量区域的表面流场内撒若干个示踪粒子，相机对准上述示踪粒子的目标区域进行连续拍摄，标注出各个图像的序列，通过所拍摄的图像坐标，分别计算出相机所拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标下的坐标(X”,Y”)，得到相机所拍摄的校正图像；根据上述相机校正的图像，在相邻时间的两个校正图像中，以最大相似的原则，对每个示踪粒子进行匹配，根据相邻时间的两个校正图像中所有粒子的匹配结果，得到每个示踪粒子的空间位移，得到所有相邻两个校正图像中所有示踪粒子的空间位移，从而获得表面流场，本发明河道表面流场的处理方法适用于粒子浓度不高的时候，解决了现有额粒子跟踪测速测量误差较大的问题，它可以进行大范围表面流场测量。

Description

河道表面流场的处理方法
技术领域
本发明涉及了一种计算流场的方法，特别是用于流场中目标粒子浓度比较少的情况下，进行目标粒子跟踪,从而获取大范围表面流场的测量方法。
背景技术
本发明涉及了一种计算流场的方法，特别是用于流场中目标粒子浓度比较少的情况下，进行目标粒子跟踪,从而获取大范围表面流场的测量方法。
发明内容
本申请的发明目的在于提供一种流场中目标粒子浓度比较少的情况下，大范围表面流场测量方法，利用目标粒子提取，并进行匹配跟踪的方法，获取大范围表面流场。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的表面流场的计算方法，其中：它包括以下步骤：
1)在待测量区域的表面流场内，选取至少3个固定点,用测量设备获得上述至少3个固定点的世界坐标；
2)安置一台相机，使相机视野范围覆盖待测量区域的表面流场，相机对准待测量区域的表面流场进行拍摄，提取在世界坐标系下的上述至少3个固定点的坐标，和相机所拍摄图像中的上述至少3个固定点的图像坐标，
3)选出所有固定点的世界坐标X，Y的最小值Xmin，Ymin，以（Xmin，Ymin）点为新世界坐标系的原点位置，新世界坐标系X”、Y”轴方向与世界坐标系X、Y轴方向一致，建立新世界坐标系，并且在此基础上，对世界坐标系进行缩小倍数B，则可以得到新世界坐标系下的所有固定点坐标为
X”=(X-Xmin)/B
Y”=(Y-Ymin)/B；
4)根据相机固定点在新世界坐标系下的坐标和相机固定点在拍摄图像上的坐标，构建出相机固定点的新世界坐标和固定点在拍摄图像坐标的映射关系；固定点的新世界坐标为： …，固定点的拍摄图像坐标为： …
建立下列关系式：
计算得出式中的K值，
以新世界坐标系中的至少3个固定点为基点，根据下列公式，分别计算出相机拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标系下的坐标(X”,Y”)
即通过计算得出X”,Y”坐标；
计算在世界坐标下任意两个固定点之间的距离L1，和该相机的在新世界坐标系下的上述两个固定点之间的距离L1”,得到像素的空间分辨率= L1/ L1”；
5)在待测量区域的表面流场内撒若干个示踪粒子，使示踪粒子漂浮在水面，每个示踪粒子在图像中成像的大小为2*2至3*3个像素，并且在5*5像素的区域范围内只有1个示踪粒子，上述示踪粒子为相机后续连续拍摄的目标区域；
6)在待测量区域的表面流场内，相机对准上述示踪粒子的目标区域进行连续拍摄，标注出各个图像的序列，通过所拍摄的图像坐标，根据下列公式，分别计算出相机所拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标下的坐标(X”,Y”)
即通过计算得出新世界坐标系下的X”,Y”坐标，得到相机所拍摄的校正图像；
7)根据上述相机校正的图像，在相邻时间的两个校正图像中，以最大相似的原则，对每个示踪粒子进行匹配，根据相邻时间的两个校正图像中所有粒子的匹配结果，得到每个示踪粒子的像素的二维位移；
8)根据得到的像素空间分辨率，每个示踪粒子的空间速度=每个示踪粒子的像素的二维位移*像素的空间分辨率/两帧图像的时间间隔；
9)重复步骤7）和步骤8），得到所有相邻两个校正图像中所有示踪粒子的空间速度，从而获得表面流场。
本发明的表面流场的计算方法，其中：所述固定点为3-8个点；
本发明的表面流场的计算方法，其中：所述的B为>0的数。
本发明的表面流场的计算方法适用于粒子浓度不高的时候，解决了现有额粒子跟踪测速测量误差较大的问题，它可以进行大范围表面流场测量。
附图说明
图1为测量区域和相机示意图；
图2为相机所拍摄的固定点的示意图；
图3为由图2经过校正后的在新世界坐标系下的示意图；
图4是相机所拍摄的示踪粒子图像，经转换后，成为新世界坐标系下的相邻两个图像的叠加；
图5为图4匹配后的状态。在图4和图5中黑色示踪粒子为相邻图像中的前一桢的示踪粒子，灰色示踪粒子为相邻图像中的后一桢的示踪粒子
在图1至图4中，标号1为相机；标号2为固定点；标号3为示踪粒子。
具体实施方式
本发明的一种表面流场的计算方法包括以下步骤：
1)如图1所示，在待测量区域的表面流场内，选取4个固定点2,用测量设备获得4个固定点的世界坐标，图1至图3中，将固定点2画得很大是为了清楚起见，实际上只是一个坐标点；
2)安置一台相机1，使相机1视野范围覆盖待测量区域的表面流场，相机1对准待测量区域的表面流场进行拍摄，提取在世界坐标系下的4个固定点2的坐标，和图2所示的相机所拍摄图像中的4个固定点2的图像坐标，
3)选出所有固定点2的世界坐标X，Y的最小值Xmin，Ymin，以（Xmin，Ymin）点为新世界坐标系的原点位置，新世界坐标系X”、Y”轴方向与世界坐标系X、Y轴方向一致，建立新世界坐标系，并且在此基础上，对世界坐标系进行缩小倍数B，则可以得到新世界坐标系下的所有固定点坐标为
X”=(X-Xmin)/B
Y”=(Y-Ymin)/B，B为>0的数；
4)根据相机固定点2在新世界坐标系下的坐标和相机固定点在拍摄图像上的坐标，构建出相机固定点的新世界坐标和固定点在拍摄图像坐标的映射关系；固定点的新世界坐标为： …，固定点的拍摄图像坐标为： …
建立下列关系式：
计算得出式中的K值，
以新世界坐标系中的4个固定点为基点，根据下列公式，计算出相机拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标系下的坐标(X”,Y”)
即通过计算得出X”,Y”坐标，得到图3,；
计算在世界坐标下任意两个固定点之间的距离L1，和该相机的在新世界坐标系下的上述两个固定点之间的距离L1”,得到像素的空间分辨率= L1/ L1”；
5)在待测量区域的表面流场内撒若干个示踪粒子3，使示踪粒子3漂浮在水面，每个示踪粒子在图像中成像的大小为2*2至3*3个像素，并且在5*5像素的区域范围内只有1个示踪粒子3，上述示踪粒子3为相机1后续连续拍摄的目标区域；
6)在待测量区域的表面流场内，相机1对准上述示踪粒子3的目标区域进行连续拍摄，标注出各个图像的序列，通过所拍摄的图像坐标，根据下列公式，分别计算出相机所拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标下的坐标(X”,Y”)
即通过计算得出新世界坐标系下的X”,Y”坐标，得到相机所拍摄的校正图像；
7)根据上述相机校正的图像，如图4所示，在相邻时间的两个校正图像中，以最大相似的原则，对每个示踪粒子进行匹配，根据相邻时间的两个校正图像中所有粒子的匹配结果，得到每个示踪粒子的像素的二维位移，图5所示；
8)根据得到的像素空间分辨率，每个示踪粒子的空间速度=每个示踪粒子的像素的二维位移*像素的空间分辨率/两帧图像的时间间隔；
9)重复步骤7）和步骤8），得到所有相邻两个校正图像中所有示踪粒子的空间速度，从而获得表面流场。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种河道表面流场的处理方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)在待测量区域的表面流场内，选取至少3个固定点,用测量设备获得上述至少3个固定点的世界坐标；
2)安置一台相机，使相机视野范围覆盖待测量区域的表面流场，相机对准待测量区域的表面流场进行拍摄，提取在世界坐标系下的上述至少3个固定点的坐标，和相机所拍摄图像中的上述至少3个固定点的图像坐标；
3)选出所有固定点的世界坐标X，Y的最小值Xmin，Ymin，以（Xmin，Ymin）点为新世界坐标系的原点位置，新世界坐标系X”、Y”轴方向与世界坐标系X、Y轴方向一致，建立新世界坐标系，并且在此基础上，对世界坐标系进行缩小倍数B，则可以得到新世界坐标系下的所有固定点坐标为
X”=(X-Xmin)/B
Y”=(Y-Ymin)/B
4)根据相机固定点在新世界坐标系下的坐标和相机固定点在拍摄图像上的坐标，分别构建出相机固定点的新世界坐标和固定点在拍摄图像坐标的映射关系；固定点的新世界坐标为： ，固定点的拍摄图像坐标：
建立下列关系式：
计算得出式中的K值，
以新世界坐标系中的至少3个固定点为基点，根据下列公式，分别计算出相机拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标系下的坐标(X”,Y”)
即通过计算得出X”,Y”坐标；
计算在世界坐标下任意两个固定点之间的距离L1，和该相机的在新世界坐标系下的上述两个固定点之间的距离L1”,得到像素的空间分辨率= L1/ L1”；
5)在待测量区域的表面流场内撒若干个示踪粒子，使示踪粒子漂浮在水面，每个示踪粒子在图像中成像的大小为2*2至3*3个像素，并且在5*5像素的区域范围内只有1个示踪粒子，上述示踪粒子为相机后续连续拍摄的目标区域；
6)在待测量区域的表面流场内，相机对准上述示踪粒子的目标区域进行连续拍摄，标注出各个图像的序列，通过所拍摄的图像坐标，根据下列公式，分别计算出相机所拍摄图像中每个点所对应的新世界坐标下的坐标(X”,Y”)
即通过计算得出新世界坐标系下的X”,Y”坐标，得到相机所拍摄的校正图像；
7)根据上述相机校正的图像，在相邻时间的两个校正图像中，以最大相似的原则，对每个示踪粒子进行匹配，根据相邻时间的两个校正图像中所有粒子的匹配结果，得到每个示踪粒子的像素的二维位移；
8)根据上述的像素空间分辨率，每个示踪粒子的空间速度=每个示踪粒子的像素的二维位移*像素的空间分辨率/两帧图像的时间间隔；
9)重复步骤7）和步骤8），得到所有相邻两个校正图像中所有示踪粒子的空间速度，从而获得表面流场。
2.如权利要求1所述的河道表面流场的处理方法，其特征在于：所述固定点为3-8个点。
3.如权利要求1所述的河道表面流场的处理方法，其特征在于：所述的B为>0的数。
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