CN107424168B - 连续曝光式的表面流场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面流场测量方法的技术领域，公开了连续曝光式的表面流场测量方法，包括：1)、撒布示踪物；2)、连续曝光，分别形成第一重影图像以及第二重影图像；3)、得到第一线性信息为∑_nLines(Start,End,Width)以及第二线性信息为∑_n+1Lines(Start,End,Width)；4)、以离图像中心点距离升序排列，分别得到∑_nSortLines(Start,End,Width)以及∑_{n+ 1}SortLines(Start,End,Width)；5)、根据最小领域法，将搜索结果保存在

6)、计算速度大小为

计算速度方向为

计算流场为

Description

连续曝光式的表面流场测量方法

技术领域

本发明涉及表面流场测量方法的技术领域，尤其涉及连续曝光式的表面流场测量方法。

背景技术

表面流场测量技术是基于传统PIV技术衍生系统，把微观的二维/三维流场测量拓展到宏观的二维表面流速场测量，在水力学物理模型领域需求较广。传统技术中，采用自然光或者白炽灯作为光源，以现场水体上漂浮的示踪物作为测量对象，把示踪物的流动速度转换成水体的流动速度，均匀撒布合适规格的示踪物(较好的跟随性、较好的区别度等)则可计算出水体的二维表面流场。

近年来，水力学物理模型表面流场测量技术取得了较快的发展，目前的测量系统一般采用基于灰度值相关的粒子图像测速技术(PIV，Particle Image Velocimetry)和粒子图像跟踪测速技术(PTV，Particle Tracking Velocimetry)。这两种传统的测量方法都没有同时很好地解决高频噪声和低频噪声的干扰。另外，在目前的模型试验场地一般存在光照不均、电磁噪声严重、水面漫反射等不利因素，导致测量数据存在较多误矢量以及测量结果不准确的问题，需要较多的人工干预，从而制约了传统测量技术的发展及推广应用。

针对当前表面流速测量常用的互相关算法存在多峰、多值且易受外界噪声干扰，网格划分不准，粒子分布不均匀，粒子拍摄不完全，提出连续曝光下的新型表面流场测量方法，通过计算连续曝光形成示踪粒子的长度来计算流速大小，运用多帧首尾最近法和移动趋势法确定流速的方向，减少了计算的误矢量，提高了模型试验流场测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供连续曝光式的表面流场测量方法，旨在解决现有技术中的表面流场测量方法存在较多误矢量以及测量结果不准确的问题。

本发明是这样实现的，连续曝光式的表面流场测量方法，包括以下步骤：

1)、在水力物理模型的水体中撒布示踪物；

2)、在第n时刻和第n+1时刻，利用摄像机对水体的表面进行连续曝光，采集多帧重影图像，分别形成第一重影图像以及第二重影图像；

3)、对第一重影图像以及第二重影图像分别进行图像处理以及Hough变换，提取直(曲)线信息，分别得到第一线性信息为∑_nLines(Start,End,Width)以及第二线性信息为∑_n+1Lines(Start,End,Width)；

4)、分别对所述第一线性信息以及第二线性信息进行排序，以离图像中心点距离升序排列，分别得到第一排列线性信息为∑_nSortLines(Start,End,Width)，以及第二排列线性信息为∑_n+1SortLines(Start,End,Width)；

5)、根据最小领域法，将第一排列线性信息在第二排列线性信息中进行搜索，并将搜索结果保存在

6)、计算速度大小为

计算速度方向为

计算流场为

进一步地，在所述步骤3)中，对形成的所述第一重影图像及第二重影图像的图像处理包括分别对所述第一重影图像及第二重影图像依序进行滤波处理以及二值化处理。

进一步地，在所述步骤5)的

中，当i>1时，则通过示踪物的流向的连续性去剔除，使得i＝1。

与现有技术相比，本发明提供的连续曝光式的表面流场测量方法具有以下优点：

1)、通过连续曝光形成第一重影图像以及第二重影图形，构建线性信息库，通过获取重影图像的长度计算流速的大小的标量，解决了单粒子误矢量多的问题；

2)、利用重影图像的长度信息取代粒子中心点信息，减少了粒子光照不均和移动不水平导致图形不完整等外部噪声的影响，提高了计算结果的精度；

3)、连续曝光式的表面流场测量方法摒弃了传统根据网格大小进行相关计算的方法，解决了网格大小不科学引进的计算误差，提高了计算的可靠性，降低了对CCD摄像机的要求，对分辨率和采样频率要求低，性价比较高；

4)、突破了传统依靠搜索单个示踪物的偏移计算速度的方法，转换成通过测量示踪物连续移动形成重影的长度来计算流速，弱化了示踪物形状及边缘和环境光照的要求，减少了窗口设置不佳导致的主观误差，提高了计算的精度，可靠性好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的连续曝光式的表面流场测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的连续曝光式的表面流场测量方法的模拟视图；

图3是本发明实施例提供的连续曝光式的表面流场测量方法的模拟视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述。

参照图1～3所示，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的连续曝光式的表面流场测量方法，用于在水力学物理模型领域中，把微观的二维/三维流场测量拓展到宏观的二维表面流速场测量。

连续曝光式的表面流场测量方法，具体如下步骤：

1)、在水力学物理模型的水体中撒布合适规格的示踪物；

2)、在第n时刻和第n+1时刻，利用摄像机对水体的表面进行连续曝光，采集多帧重影图像，分别形成第一重影图像以及第二重影图像；

3)、对第一重影图像以及第二重影图像分别进行图像处理以及Hough变换，提取直(曲)线信息，分别得到第一线性信息为∑_nLines(Start,End,Width)以及第二线性信息为∑_n+1Lines(Start,End,Width)；

4)、分别对第一线性信息以及第二线性信息进行排序，以离图像中心点距离升序排列，分别得到第一排列线性信息为∑_nSortLines(Start,End,Width)，以及第二排列线性信息为∑_n+1SortLines(Start,End,Width)；

5)、根据最小领域法，将第一排列线性信息在第二排列线性信息中进行搜索，并将搜索结果保存在

6)、计算速度大小为：

计算速度方向为：

输出流场

上述提供的连续曝光式的表面流场测量方法中，通过计算时刻内连续曝光形成的第一重影图像以及第二重影图像的长度，可计算出该时刻内流速的标量，通过搜索连续多帧图像的首尾起始重影的最小邻域，可计算出该时刻内流速的方向，再通过采用多种粒径的示踪粒子，判断曝光重影的宽度，减少起始点位置判断的误差，可进一步提高计算的准确性。

连续曝光式的表面流场测量方法具有以下优点：

1)、通过连续曝光形成第一重影图像以及第二重影图形，构建线性信息库，通过获取重影图像的长度计算流速的大小的标量，解决了单粒子误矢量多的问题；

2)、利用重影图像的长度信息取代粒子中心点信息，减少了粒子光照不均和移动不水平导致图形不完整等外部噪声的影响，提高了计算结果的精度；

3)、连续曝光式的表面流场测量方法摒弃了传统根据网格大小进行相关计算的方法，解决了网格大小不科学引进的计算误差，提高了计算的可靠性，降低了对CCD摄像机的要求，对分辨率和采样频率要求低，性价比较高；

4)、突破了传统依靠搜索单个示踪物的偏移计算速度的方法，转换成通过测量示踪物连续移动形成重影的长度来计算流速，弱化了示踪物形状及边缘和环境光照的要求，减少了窗口设置不佳导致的主观误差，提高了计算的精度，可靠性好。

本实施例中，在步骤3)中，对形成的第一重影图像及第二重影图像的图像处理包括分别对第一重影图像及第二重影图像依序进行滤波处理以及二值化处理。

具体地，在步骤5)的

中，当i>1时，则通过示踪物的流向的连续性去剔除，确保结果的唯一性，也就是确保i＝1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.连续曝光式的表面流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、在水力物理模型的水体中撒布示踪物；

2)、在第n时刻和第n+1时刻，利用摄像机对水体的表面进行连续曝光，采集多帧重影图像，分别形成第一重影图像以及第二重影图像；

3)、对第一重影图像以及第二重影图像分别进行图像处理以及Hough变换，提取直线信息或曲线信息，分别得到第一线性信息为

以及第二线性信息为

4)、分别对所述第一线性信息以及第二线性信息进行排序，以离图像中心点距离升序排列，分别得到第一排列线性信息为

以及第二排列线性信息为

5)、根据最小邻域法，将第一排列线性信息在第二排列线性信息中进行搜索，并将搜索结果保存在

6)、计算速度大小为

计算速度方向为

计算流场为

在所述步骤5)的

中，当i>1时，则通过示踪物的流向的连续性去剔除，使得i＝1。

2.如权利要求1所述的连续曝光式的表面流场测量方法，其特征在于，在所述步骤3)中，对形成的所述第一重影图像及第二重影图像的图像处理包括分别对所述第一重影图像及第二重影图像依序进行滤波处理以及二值化处理。

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