CN108593958B - 同步获取气固两相流速度场的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种同步获取气固两相流速度场的方法和装置，该方法包括：获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；对去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；根据固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场。本申请通过去除跨帧图像对中的固相粒子的拖尾，提高了获取的固相速度场和气相速度场的准确度。

Description

同步获取气固两相流速度场的方法和装置

技术领域

本申请实施例涉及流体力学技术，尤其涉及一种同步获取气固两相流速度场的方法和装置。

背景技术

气固两相湍流一直是流体力学的研究重点之一，但由于存在连续的气相和离散的固相之间的相互干扰，两相流的实验测量(如分别测量气相和固相的运动速度，以及测量离散相的浓度、粒径等)一直存在较大的困难。

为了同时测得两相流中各相的速度场以便分析两者的统计特性和相互作用，研究人员尝试使用粒子成像和追踪技术来实现测量。粒子图像测速(Particle ImageVelocimetry，简称PIV)是一种现代图像测速技术，通过追踪流场中的气相示踪粒子在前后两次曝光获得的一组粒子图像(以下简称跨帧图像对)上粒子群的相对偏移来实现气相流场速度的测量；粒子追踪测速(Particle Tracking Velocimetry，简称PTV)是另一种图像测速技术，它主要用于离散相粒子或粒子浓度较稀的流相速度场计算。

图1为本申请提供的固相粒子拖尾示意图。在进行两相流测量时，同一流场中存在两种粒子，且固相粒子的尺寸和气相示踪粒子的尺寸相差较大。为了保证气相示踪粒子和固相粒子在粒子图像中都能被良好成像，需要有足够的光通量，此时固相粒子一般会具有很高的亮度，如果用具有电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称CCD)芯片的数字相机进行粒子图像记录，会造成CCD的相应传感器单元的信号电荷数密度很大、出现电荷转移损失，进而导致粒子图像上固相粒子光斑处出现全饱和单侧拖尾，如图1所示，且拖尾部分灰度全部溢出。拖尾的出现使得在使用PTV计算离散相或固相速度场时，对固相粒子中心的识别不准确，进而得到的固相速度场准确度不高；另外拖尾部分还会影响连续相或气相速度场的获取，使得获取的气相速度场的准确度不高。

发明内容

本申请提供一种同步获取气固两相流速度场的方法和装置，提高了获取的连续相和分散相各自的速度场的准确度。

第一方面，本申请提供一种同步获取气固两相流速度场的方法，包括：

获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；

对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；

采用滤波算法，对所述去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；

根据所述固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据所述气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场。

如上所述的方法，在去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对之前，所述方法还包括：

对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对；

则去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：

去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对。

如上所述的方法，所述固相跨帧图像对包括第一滤波图像和第二滤波图像；根据所述固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场，包括：

对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，获取所述固相粒子的第一中心位置，以第一中心位置对应的像素点为中心，获取第一窗口；

根据所述第一中心位置以及预设偏移，得到所述固相粒子在第二滤波图像上预取中心位置，并与所述预取中心位置对应的像素点为中心，获取第二窗口；所述第二窗口的面积大于第一窗口；

根据第一窗口包括的各像素点的灰度值和第二窗口包括的各像素点的灰度值，进行PTV互相关计算，得到相对偏移；

根据所述相对偏移和预设偏移之和，得到所述固相粒子在所述第一图像和所述第二图像之间的跨帧位移；

根据跨帧位移，以及所述第一图像和所述第二图像之间拍摄间隔，得到所述固相粒子的速度；

根据各固相粒子的速度，得到跨帧图像对对应的固相速度场。

如上所述的方法，所述预设偏移包括所述固相粒子在第一方向的预设偏移和第二方向的预设偏移；相对偏移包括所述固相粒子在第一方向的相对偏移和第二方向的相对偏移，跨帧位移包括所述固相粒子在第一方向的跨帧位移和第二方向的跨帧位移；第一方向和第二方向垂直；

则根据所述相对偏移和预设偏移之和，得到所述固相粒子在所述第一图像和所述第二图像之间的跨帧位移，包括：

根据所述第一方向的预设偏移与第一方向的相对偏移之和，得到第一方向的跨帧位移，根据所述第二方向的预设偏移与第二方向的相对偏移之和，得到第二方向的跨帧位移。

如上所述的方法，所述去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：

对于减背景后的跨帧图像对包括的每帧图像，获取图像中灰度值大于第一预设灰度值的像素点组成的多个连通域；

对于每个连通域，获取连通域的最大宽度处对应的各第一目标像素点；

对于每个第一目标像素点，将与所述第一目标像素点的中心位置距离小于或等于目标距离的且属于连通域内的像素点确定为第二目标像素点；所述目标距离为所述最大宽度的一半；

将连通域中的第三目标像素点的灰度值替换为第二预设灰度值，得到去拖尾后的固相粒子，所述第三目标像素点为连通域中除了第二目标像素点剩余的像素点。

如上所述的方法，所述对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对，包括：

获取拍摄的所有跨帧图像对包括的所有图像的像素点的最小灰度值；

对跨帧图像对包括的每帧图像，将图像包括的每个第一像素点的灰度值减去最小灰度值，得到减背景后的图像。

第二方面，本申请提供一种同步获取气固两相流速度场的装置，包括：

图像获取模块，用于获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；

拖尾去除模块，用于对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；

分相模块，用于对去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；

速度场获取模块，用于根据所述固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场。

如上所述的装置，还包括：减背景模块；

减背景模块用于对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对；

所述拖尾去除模块，具体用于去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对。

如上所述的装置，所述固相跨帧图像对包括第一滤波图像和第二滤波图像，所述速度场获取模块，具体用于，

对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，获取所述固相粒子的第一中心位置，以第一中心位置对应的像素点为中心，获取第一窗口；

根据所述第一中心位置以及预设偏移，得到所述固相粒子在第二滤波图像上预取中心位置，并与所述预取中心位置对应的像素点为中心，获取第二窗口；所述第二窗口的面积大于第一窗口；

根据第一窗口包括的各像素点的灰度值和第二窗口包括的各像素点的灰度值，进行PTV互相关计算，得到相对偏移；

根据所述相对偏移和预设偏移之和，得到所述固相粒子在所述第一图像和所述第二图像之间的跨帧位移；

根据跨帧位移，以及所述第一图像和所述第二图像之间拍摄间隔，得到所述固相粒子的速度；

根据各固相粒子的速度，得到跨帧图像对对应的固相速度场。

如上所述的装置，所述拖尾去除模块，具体用于：

对于减背景后的跨帧图像对包括的每帧图像，获取图像中灰度值大于第一预设灰度值的像素点组成的多个连通域；

对于每个连通域，获取连通域的最大宽度处对应的各第一目标像素点；

对于每个第一目标像素点，将与所述目标像素点的中心位置距离小于或等于目标距离的且属于连通域内的像素点确定为第二目标像素点；所述目标距离为所述最大宽度的一半；

将连通域中的第三目标像素点的灰度值替换为第二预设灰度值，得到去拖尾后的固相粒子，所述第三目标像素点为连通域中除了第二目标像素点剩余的像素点。

本申请中通过去除跨帧图像对中的固相粒子的拖尾，提高了后续获取固相粒子的中心的准确度，降低了对气相粒子的干扰，进而提高了后续获取的固相速度场和气相速度场的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的固相粒子拖尾示意图；

图2为本申请提供的同步测量气固两相流速度场的设备的示意图；

图3为本申请提供的跨帧图像对示意图；

图4为本申请提供的同步获取气固两相流速度场的方法的流程图一；

图5为本申请提供的拖尾去除前后的示意图；

图6为本申请提供的去拖尾后的第一图像滤除气相示踪粒子前后的图像；

图7为本申请提供的去拖尾后的第一图像滤除固相示踪粒子前后的图像；

图8为本申请提供的气相速度场的示意图；

图9为本申请提供的同步获取气固两相流速度场的方法的流程图二；

图10为本申请提供的固相速度场的示意图；

图11为本申请提供的同步获取气固两相流速度场的装置的结构示意图一。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图2为本申请提供的同步测量气固两相流速度场的设备的示意图，图3为本申请提供的跨帧图像对示意图。如图2所示，包括风洞21、沙粒投放器22、示踪粒子发生器23、片光产生装置24、双脉冲激光器25、CCD相机26、同步器27、计算机28。其中，示踪粒子发生器23通过管道29和风洞21连接。

具体地，风洞21为多功能环境直吹式风洞，用来产生并且控制气流，以模拟风沙边界层内的流动情况。沙粒投放器22用来投放沙粒30，且输沙量可调；示踪粒子发生器23用来产生气相示踪粒子31，在本实施例中气相示踪粒子是压气泵产生的烟雾，气相示踪粒子产生后，经管道29流至风洞21内部，从铺设在风洞内壁的开孔管道中自然流出后均匀分布在风洞21中，经气流吹散后向下游运动；双脉冲激光器25可为双脉冲Nd:YAG激光器，用于发出两束点状激光束，两束点状激光束经由片光产生装置24扩散为厚度约1.0mm且垂直于风洞21底壁的激光片光，片光产生装置24将激光器发射的点状激光束扩展为平面片光；片光产生装置24由透镜和平面镜组成，透镜安装在双脉冲激光器25的发射端；CCD相机26是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，其光轴与激光片光的平面垂直，用于将气相示踪粒子31和沙粒30同时成像在同一图像上，并经由专用图像采集卡将采集的图像发送至计算机28。同步器27用于实现双脉冲激光器25、CCD相机26的同步，同步器27分别和双脉冲激光器25、CCD相机26以及计算机28通过信号线连接。

采用上述设备采集跨帧图像对的过程如下：

a、沙粒投放器22、示踪粒子发生器23同时开始工作，即在风洞21中同时播撒气相示踪粒子(本实施例中的示踪粒子可为1-5μm)和沙粒(本实施例中的沙粒尺寸可为150-200μm)，风速U可为12m/s，生成气固两相流。

b、待流场稳定后，由计算机28控制同步器27同时向双脉冲激光器25、CCD相机26发出工作信号，双脉冲激光器25在很短的时间间隔内发出一定波长(比如532nm)和一定能量(比如200mJ)的两束点状激光束，片光产生装置24将两束点状激光束整形为厚度1mm、宽度大于20cm的片光，照亮风洞21中流场区域，照亮的区域即为待测流场区域。CCD相机26同时在双曝光模式下拍摄待测流场区域，记录为跨帧图像对，即在间隔很短的时间内对待测流场区域连续拍摄两张图像，并经专用图像采集卡将跨帧图像对传输至计算机28进行存储。对于典型风洞实验，为保证流场统计量的收敛性，需要进行持续采样，获得预设数量的跨帧图像对，预设数量可为大于等于3000，其中，每组跨帧图像对的获取时间间隔可为100μs。参见图3，A图为连续拍摄的两张图像的第一帧图像，可称为第一图像，B图为连续拍摄的两张图像的第二帧图像，可称为第二图像。

在得到跨帧图像对后，计算机28即可对跨帧图像对进行分析，得到气固两相流速度场。

下面采用具体的实施例对本申请的同步获取气固两相流速度场的方法进行说明，也就是对计算机28对跨帧图像对进行处理得到气固两相流速度场的方法进行说明。

图4为本申请提供的同步获取气固两相流速度场的方法的流程图一，如图4所示，本实施例的方法可以包括：

步骤S101、获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；

步骤S102、对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；

步骤S103、采用滤波算法，对去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；

步骤S104、根据固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场。

具体地，本实施例的执行主体可为图2中的计算机28。

对于步骤S101，计算机28接收CCD相机26发送的多组跨帧图像对，每组跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像，两帧图像可包括第一图像和第二图像，第一图像的拍摄时间早于第二图像。

下面以对一组跨帧图像对的处理过程为例，说明得到该组跨帧图像对对应的气相速度场和固相速度场的过程。

对于步骤S102、对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对。

其中，固相粒子可为如上所述的沙粒。

在步骤S102之前，还可包括：对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对，具体为：获取拍摄的所有跨帧图像对包括的所有图像的像素点的最小灰度值；对跨帧图像对包括的每帧图像，将图像包括的每个第一像素点的灰度值减去最小灰度值，得到减背景后的图像。则此时，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对。

若跨帧图像对包括的各帧图像分别称为第一图像和第二图像，则对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对，包括：对第一图像进行减背景处理，得到减背景后的第一图像，对第二图像进行减背景处理，得到减背景后的第二图像；减背景后的第一图像和减背景后的第二图像组成减背景后的跨帧图像对。

首先，对“对第一图像进行减背景处理，得到减背景后的第一图像”的过程进行说明。

对第一图像进行减背景处理，得到减背景后的第一图像，包括：

aa、获取拍摄的所有跨帧图像对包括的所有图像的像素点的最小灰度值；

bb、将第一图像包括的每个第一像素点的灰度值减去最小灰度值，得到减背景后的第一图像。

对于aa，将所有跨帧图像对中包括的所有图像包括的所有像素点的最小灰度值选取出来，比如一共3000对跨帧图像对，共6000张图像，选取6000中图像中包括的所有像素点的最小灰度值。

对于bb，将第一图像包括的每个第一像素点的灰度值减去最小灰度值，得到减背景后的第一图像。

减背景后的第二图像的获取方法与减背景后的第一图像的获取方法相同，本实施例中不再赘述。

其次，对“去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对”的过程进行说明。

图5为本申请提供的拖尾去除前后的示意图。

去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：

“去除减背景后的第一图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第一图像，去除减背景后的第二图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第二图像”，去拖尾后的第一图像和去拖尾后的第二图像组成了去拖尾后的跨帧图像对。

去除减背景后的第一图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第一图像，包括：

(1)获取去除减背景后的第一图像中灰度值大于第一预设灰度值的像素点组成的多个连通域；

具体地，第一预设灰度值可为1000，作减背景后的第一图像(以下称为A帧图像)对应的二值化图：将A帧图像中灰度值大于或等于1000的像素点对应的位置记为1，将A帧图像中灰度值小于1000的像素点对应的位置记为0，得到与A帧图像对应的二值化图，根据A帧图像对应的二值化图，通过连通域算法，得到A帧图像对应的多个连通域，每个连通域内的像素点的灰度值均大于等于1000。

(2)对于每个连通域，获取连通域的最大宽度处对应的各第一目标像素点；对于每个第一目标像素点，将与第一目标像素点的中心位置距离小于或等于目标距离的且属于连通域内的像素点确定为第二目标像素点；目标距离为最大宽度的一半；将连通域中的第三目标像素点的灰度值替换为第二预设灰度值，得到去拖尾后的第一图像，第三目标像素点为连通域中除了第二目标像素点后的像素点。其中，当第二目标像素点与第一目标像素点的中心位置距离为0时，第二目标像素点为第一目标像素点，即第二目标像素点包括第一目标像素点。

具体地，第二预设灰度值可为0或者上述的最小灰度值。

也就是说，对于每个连通域，连通域中第二目标像素点的灰度值被保留，连通域中第三目标像素点的灰度值被替换为第二预设灰度值，第二目标像素点组成的图案即为去除拖尾后的固相粒子。

具体地，若固相粒子在A帧图像上应该显示为一个圆形斑点，则其最宽处应该为圆形斑点的直径所在的位置，则第一目标像素点为直径所跨越的各像素点，最大宽度也就是2r，r为半径，那么目标距离为r。

进一步地，为了节省时间，可只去除拖尾严重的固相粒子的拖尾。拖尾严重的定义如下：连通域的最大长度与最大宽度的比值大于预设阈值且最大长度大于预设数量的像素点的总长度，比如预设阈值可1.5，预设数量可为16。

参见图5，A图为拖尾去除前的A帧图像，B图为拖尾去除后的A帧图像(该图像中气相示踪粒子未示出)。可知，去除拖尾后对固相粒子的中心点识别比去除拖尾前对固相粒子的中心点识别的准确度要高很多，为后期准确的获取固相速度场和气相速度场打下了基础。

“去除减背景后的第二图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第二图像”的方法参照“去除减背景后的第一图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第一图像”，本实施例不再赘述。

本领域技术人员可以理解的是，由于CCD相机自身的成像原理，每组跨帧图像对的第二图像中的固相粒子不会出现拖尾现象，也就无需去除减背景后的第二图像中的固相粒子的拖尾，此时，不存在“去除减背景后的第二图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第二图像”的过程，即去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：“去除减背景后的第一图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的第一图像”，去拖尾后的第一图像和减背景后的第二图像组成了去拖尾后的跨帧图像对。

本实施例中通过去除跨帧图像对中的固相粒子的拖尾，提高了后续获取固相粒子的中心的准确度，降低了对气相粒子的干扰，进而提高了后续获取的固相速度场和气相速度场的准确度。

对于步骤S103、图6为本申请提供的去拖尾后的第一图像滤除气相示踪粒子前后的图像，图7为本申请提供的去拖尾后的第一图像滤除固相示踪粒子前后的图像。

对步骤S102中得到的去拖尾后的第一图像进行中值滤波，过滤去拖尾后的第一图像中的气相示踪粒子，得到第一滤波图像。滤波窗口的大小由气相示踪粒子的大小和固相粒子的大小决定，也就是说如果中值滤波的窗口设置过大，固相粒子边界的残留将很严重；如果平滑太弱，得到的固相图像将残留有较多的气相示踪粒子。可选地，对去拖尾后的第一图像进行中值滤波，过滤去拖尾后的第一图像中的气相示踪粒子，得到第一滤波图像的过程中采用的滤波窗口的面积可为在气相示踪粒子的占据的面积和固相粒子的占据的面积之间，接近固相粒子的占据的面积。

比如：若一个气相示踪粒子在去拖尾后的第一图像中大约占据3×3的面积(若去拖尾后的第一图像被划分成2048×2048个网格，每组网格称为一个像素点，3×3的面积指的是九个像素点或网格的面积，也就是包括三行三列的网格)，固相粒子在去拖尾后的第一图像中大约占据13×13的面积(含义参照3×3的面积的解释)，此时的滤波窗口可选为9×9的面积，此时，可保证小的气相示踪粒子被平滑过滤掉、仅保留大的固相粒子，由此获得仅保留固相粒子的第一滤波图像，如图6中的B图，图6中的A图为滤除气相示踪粒子前的图像，图中61为固相粒子，62为气相示踪粒子。

基于同样的方法和原理，过滤减背景后的第二图像或者去拖尾后的第二图像中的气相示踪粒子，得到第二滤波图像。

第一滤波图像和第二滤波图像组成了固相跨帧图像对。

对于“过滤去拖尾后的第一图像中的固相粒子，得到第三滤波图像”：对步骤S102中得到的去拖尾后的第一图像进行中值滤波，过滤去拖尾后的第一图像中的固相粒子，得到第三滤波图像。滤波窗口的大小由气相示踪粒子的大小和固相粒子的大小决定；可选地，对去拖尾后的第一图像进行中值滤波，过滤去拖尾后的第一图像中的固相粒子，得到第三滤波图像的过程中采用的滤波窗口的面积可与在气相示踪粒子的占据的面积相近。

比如：若一个气相示踪粒子在去拖尾后的第一图像中大约占据3×3的面积(若去拖尾后的第一图像被划分成2048×2048个网格，每组网格称为一个像素点，3×3的面积指的是九个像素点或网格的面积，也就是包括三行三列的网格)，固相粒子在去拖尾后的第一图像中大约占据13×13的面积(含义参照3×3的面积的解释)，此时的滤波窗口可选为3×3的面积，此时，可保证大的固相粒子被平滑过滤掉、仅保留气相示踪粒子，由此获得仅保留气相示踪粒子的第三滤波图像，如图7中的B图，图7中的A图为滤除固相示踪粒子前的图像，图中61为固相粒子，62为气相示踪粒子。

基于同样的方法和原理，过滤减背景后的第二图像或者去拖尾后的第二图像中的固相粒子，得到第四滤波图像。

第三滤波图像和第四滤波图像组成了气相跨帧图像对。

也就是说，分别去拖尾后的跨帧图像对包括的每帧图像进行两次中值滤波，以进行气固的分相，每次滤波选用的滤波窗口的大小不一致即可实现气固的分相。

对于步骤S104、图8为本申请提供的气相速度场的示意图。

可采用现有技术中的PTV互相关算法，根据第一滤波图像和第二滤波图像，得到跨帧图像对对应的固相速度场；可采用现有技术中的PIV互相关算法，根据第三滤波图像和第四滤波图像，采用粒子图像测速得到跨帧图像对对应的气相速度场，如图8所示。

本实施例提供了一种同步获取气固两相流速度场的方法，可以包括：获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；对去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；根据固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场。本实施例提供的种同步获取气固两相流速度场的方法，提高了后续获取的固相速度场和气相速度场的准确度。

在跨帧图像对包括的图像经过中值滤波后对应的图像中(对应于上一实施例为第一滤波图像、第二滤波图像、第三滤波图像和第四滤波图像)的固相粒子的成像灰度分布不呈现高斯分布，难以用高斯模板匹配法精确确定固相粒子的中心位置，导致用传统PTV方法计算出的固相速度场存在较大误差。另外，由于跨帧图像对包括的两帧图像的曝光强度往往有差别，将导致第一图像和第二图像上按灰度阈值识别出的固相粒子并不能完全对应上，造成匹配失败。为避免沙粒中心识别不准和匹配失败的情况，本实施例在上一实施例的基础上对上一实施例中的步骤S104中关于固相速度场的获取作了进一步的改进。图9为本申请提供的同步获取气固两相流速度场的方法的流程图二，参见图9，本实施例的方法包括：

步骤S201、对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，获取固相粒子的第一中心位置，以第一中心位置对应的像素点为中心，确定第一窗口；

步骤S202、根据第一中心位置以及第一预设偏移，得到固相粒子在第二滤波图像上第一预取中心位置，并以第一预取中心位置对应的像素点为中心，确定第二窗口；第二窗口的面积大于第一窗口；

步骤S203、根据第一窗口包括的各像素点的灰度值和第二窗口包括的各像素点的灰度值，进行PTV互相关计算，得到第一相对偏移；

步骤S204、根据第一相对偏移和第一预设偏移之和，得到固相粒子在所述第一图像和第二图像之间的第一跨帧位移；

步骤S205、根据第一跨帧位移，以及第一图像和第二图像之间拍摄间隔，得到固相粒子的第一速度；

步骤S206、根据各固相粒子的第一速度，得到跨帧图像对对应的固相速度场。

具体地，对于步骤S201，对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，识别固相粒子的第一中心位置，识别方法可采用现有技术中的方法，比如高斯匹配的方法。

以第一中心位置对应的像素点为中心，在第一滤波图像上确定第一窗口，比如第一窗口的大小为15×15，第一窗口的中心为第一中心位置对应的像素点，比如为像素点E。

第一窗口的大小需要略大于固相粒子在第一滤波图像上占据的面积。

对于步骤S202，第一预设偏移包括固相粒子在第一方向的第一预设偏移和第二方向的第一预设偏移，若在第一方向的第一预设偏移为6个像素点(即在第一方向上偏移的距离为6个像素点的距离，由于前述每个网格称为一个像素点，也就是在第一方向上偏移6个网格的边长)、在第二方向的预设偏移为2个像素点，则以第二滤波图像中与第一滤波图像中的像素点E对应的像素点为起始位置，向右移动6个像素点，向下移动2个像素点，对应的像素点为固相粒子在第二滤波图像上第一预取中心位置，并以第一预取中心位置对应的像素点为中心，确定第二窗口；第二窗口的面积大于第一窗口，第二窗口的面积可大于第一窗口的面积的2.5倍，比如第二窗口的大小为27×27。其中，第一方向为固相粒子的流动方向或者说是X轴方向，第二方向为与固相粒子的流动方向垂直的方向或者说是Y轴方向。

其中，第一预设偏移是用户根据气相示踪粒子的流量、固相粒子的的流量和风洞的参数进行预估得到后输入计算机28中的。

对于步骤S203、根据PTV互相关计算，得到相关系数矩阵，相关系数最大值处对应的像素点与第二窗口的中心对应的像素点之间的偏移即为第一相对偏移。其中，PTV互相关计算为现有技术的算法，本实施例中不再赘述。

第一相对偏移包括固相粒子在第一方向的第一相对偏移和第二方向的第一相对偏移。

对于步骤S204、第一跨帧位移包括固相粒子在第一方向的第一跨帧位移和第二方向的第一跨帧位移；

根据第一方向的预设偏移与第一方向的第一相对偏移之和，得到第一方向的第一跨帧位移，根据第二方向的第一预设偏移与第二方向的第一相对偏移之和，得到第二方向的第一跨帧位移。

对于步骤S205、根据第一跨帧位移，以及第一图像和第二图像之间拍摄间隔，得到固相粒子的速度；也就是采用第一方向的跨帧位移除以第一图像和第二图像之间拍摄间隔，得到固相粒子在第一方向上的第一速度，采用第二方向的第一跨帧位移除以第一图像和第二图像之间拍摄间隔，得到固相粒子在第二方向上的第一速度。

对于步骤S206、图10为本申请提供的固相速度场的示意图。

对于与第一滤波图像上的每个固相粒子，按照步骤S201～步骤S205中的方法，得到固相粒子的速度，根据各固相粒子的第一速度，得到跨帧图像对应的固相速度场，如图10所示。

此外，为了进一步增加准确度，还可以采用如下的步骤再计算一次固相粒子的第二速度，根据第二速度和第一速度得到平均速度，然后根据每个固相粒子的平均速度得到跨帧图像对应的固相速度场：对于第二滤波图像中的每一个固相粒子，获取固相粒子的第二中心位置，以第二中心位置对应的像素点为中心，确定第三窗口；根据第二中心位置以及第二预设偏移，得到固相粒子在第一滤波图像上第二预取中心位置，并以第二预取中心位置对应的像素点为中心，确定第四窗口；第四窗口的面积大于第三窗口；根据第三窗口包括的各像素点的灰度值和第四窗口包括的各像素点的灰度值，进行PTV互相关计算，得到第二相对偏移；根据第二相对偏移和第二预设偏移之和，得到固相粒子在第二图像第一图像之间的第二跨帧位移；根据第二跨帧位移，以及第一图像和第二图像之间拍摄间隔，得到固相粒子的第二速度。

本实施例通过预设偏移的设置，无需精确的识别固相粒子在第一滤波图像中的中心位置，无需识别固相粒子在第二滤波图像中的中心位置，使得使用PTV方法得到的速度的准确度较高，进而获取的固相速度场和气相速度场的准确度也较高。

本领域技术人员应当明白，对于每组跨帧图像对，进行图5对应的方法实施例或者图9对应的方法实施例进行处理，均可得到一个固相速度场和气相速度场，之后再对所有的固相速度场取平均，得到最终的固相速度场，对所有的气相速度场取平均，得到最终的气相速度场。

图11为本申请提供的同步获取气固两相流速度场的装置的结构示意图一，如图11所示，本实施例的装置可以包括：图像获取模块21、减背景模块22、拖尾去除模块23、滤波模块24和速度场获取模块25。

图像获取模块21，用于获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；减背景模块22用于对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对；拖尾去除模块23，用于去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；分相块24，用于采用滤波算法，对去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；速度场获取模块25，用于根据固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场。

速度场获取模块25，具体用于，固相跨帧图像对包括第一滤波图像和第二滤波图像，对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，获取固相粒子的第一中心位置，以第一中心位置对应的像素点为中心，获取第一窗口；根据第一中心位置以及预设偏移，得到固相粒子在第二滤波图像上预取中心位置，并与预取中心位置对应的像素点为中心，获取第二窗口；第二窗口的面积大于第一窗口；根据第一窗口包括的各像素点的灰度值和第二窗口包括的各像素点的灰度值，进行PTV互相关计算，得到相对偏移；根据相对偏移和预设偏移之和，得到固相粒子在第一图像和第二图像之间的跨帧位移；根据跨帧位移，以及第一图像和第二图像之间拍摄间隔，得到固相粒子的速度；根据各固相粒子的速度，得到跨帧图像对对应的固相速度场。

预设偏移包括固相粒子在第一方向的预设偏移和第二方向的预设偏移；相对偏移包括固相粒子在第一方向的相对偏移和第二方向的相对偏移，跨帧位移包括固相粒子在第一方向的跨帧位移和第二方向的跨帧位移；则速度场获取模块25具体用于根据第一方向的预设偏移与第一方向的相对偏移之和，得到第一方向的跨帧位移，根据第二方向的预设偏移与第二方向的相对偏移之和，得到第二方向的跨帧位移。

拖尾去除模块23，具体用于：对于减背景后的跨帧图像对包括的每帧图像，获取图像中灰度值大于第一预设灰度值的像素点组成的多个连通域；对于每个连通域，获取连通域的最大宽度处对应的各第一目标像素点；对于每个第一目标像素点，将与所述目标像素点的中心位置距离小于或等于目标距离的且属于连通域内的像素点确定为第二目标像素点；所述目标距离为所述最大宽度的一半；将连通域中的第三目标像素点的灰度值替换为第二预设灰度值，得到去拖尾后的图像，所述第三目标像素点为连通域中除了第二目标像素点剩余的像素点。

减背景模块22，具体用于获取拍摄的所有跨帧图像对包括的所有图像的像素点的最小灰度值；对跨帧图像对包括的每帧图像，将图像包括的每个第一像素点的灰度值减去最小灰度值，得到减背景后的图像。

本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种同步获取气固两相流速度场的方法，其特征在于，包括：

获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；

对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；

采用滤波算法，对所述去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；

根据所述固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据所述气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场；

所述固相跨帧图像对包括第一滤波图像和第二滤波图像；所述根据所述固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场，包括：

对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，获取所述固相粒子的第一中心位置，以第一中心位置对应的像素点为中心，获取第一窗口；

根据所述第一中心位置以及预设偏移，得到所述固相粒子在第二滤波图像上预取中心位置，并以所述预取中心位置对应的像素点为中心，获取第二窗口；所述第二窗口的面积大于第一窗口；

根据第一窗口包括的各像素点的灰度值和第二窗口包括的各像素点的灰度值，进行粒子追踪测速PTV互相关计算，得到相对偏移；

根据所述相对偏移和预设偏移之和，得到所述固相粒子在所述第一滤波图像和所述第二滤波图像之间的跨帧位移；

根据跨帧位移，以及所述第一滤波图像和所述第二滤波图像之间拍摄间隔，得到所述固相粒子的速度；

根据各固相粒子的速度，得到跨帧图像对对应的固相速度场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对之前，所述方法还包括：

对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对；

则去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：

去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设偏移包括所述固相粒子在第一方向的预设偏移和第二方向的预设偏移；相对偏移包括所述固相粒子在第一方向的相对偏移和第二方向的相对偏移，跨帧位移包括所述固相粒子在第一方向的跨帧位移和第二方向的跨帧位移；所述第一方向和第二方向垂直；

则根据所述相对偏移和预设偏移之和，得到所述固相粒子在所述第一滤波图像和所述第二滤波图像之间的跨帧位移，包括：

根据所述第一方向的预设偏移与第一方向的相对偏移之和，得到第一方向的跨帧位移，根据所述第二方向的预设偏移与第二方向的相对偏移之和，得到第二方向的跨帧位移。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对，包括：

对于减背景后的跨帧图像对包括的每帧图像，获取图像中灰度值大于第一预设灰度值的像素点组成的多个连通域；

对于每个连通域，获取连通域的最大宽度处对应的各第一目标像素点；

对于每个第一目标像素点，将与所述第一目标像素点的中心位置距离小于或等于目标距离的且属于连通域内的像素点确定为第二目标像素点；所述目标距离为所述最大宽度的一半；

将连通域中的第三目标像素点的灰度值替换为第二预设灰度值，得到去拖尾后的固相粒子，所述第三目标像素点为连通域中除了第二目标像素点剩余的像素点。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对，包括：

获取拍摄的所有跨帧图像对包括的所有图像的像素点的最小灰度值；

对跨帧图像对包括的每帧图像，将图像包括的每个第一像素点的灰度值减去最小灰度值，得到减背景后的图像。

6.一种同步获取气固两相流速度场的装置，其特征在于，包括：

图像获取模块，用于获取对待测流场区域拍摄的多组跨帧图像对；每组所述跨帧图像对包括对待测流场区域连续拍摄得到的两帧图像；

拖尾去除模块，用于对于每组跨帧图像对，去除跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对；

分相模块，用于对去拖尾后的跨帧图像对进行分相，得到滤除气相示踪粒子的固相跨帧图像对和滤除固相粒子的气相跨帧图像对；

速度场获取模块，用于根据所述固相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的固相速度场；根据气相跨帧图像对，获取跨帧图像对对应的气相速度场；

所述固相跨帧图像对包括第一滤波图像和第二滤波图像；所述速度场获取模块，具体用于：

对于第一滤波图像中的每一个固相粒子，获取所述固相粒子的第一中心位置，以第一中心位置对应的像素点为中心，获取第一窗口；

根据所述第一中心位置以及预设偏移，得到所述固相粒子在第二滤波图像上预取中心位置，并以所述预取中心位置对应的像素点为中心，获取第二窗口；所述第二窗口的面积大于第一窗口；

根据第一窗口包括的各像素点的灰度值和第二窗口包括的各像素点的灰度值，进行粒子追踪测速PTV互相关计算，得到相对偏移；

根据所述相对偏移和预设偏移之和，得到所述固相粒子在所述第一滤波图像和所述第二滤波图像之间的跨帧位移；

根据跨帧位移，以及所述第一滤波图像和所述第二滤波图像之间拍摄间隔，得到所述固相粒子的速度；

根据各固相粒子的速度，得到跨帧图像对对应的固相速度场。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：减背景模块；

减背景模块用于对跨帧图像对包括的各帧图像进行减背景处理，得到减背景后的跨帧图像对；

所述拖尾去除模块，具体用于去除减背景后的跨帧图像对包括的各帧图像中的固相粒子的拖尾，得到去拖尾后的跨帧图像对。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述拖尾去除模块，具体用于：

对于减背景后的跨帧图像对包括的每帧图像，获取图像中灰度值大于第一预设灰度值的像素点组成的多个连通域；

对于每个连通域，获取连通域的最大宽度处对应的各第一目标像素点；

对于每个第一目标像素点，将与所述目标像素点的中心位置距离小于或等于目标距离的且属于连通域内的像素点确定为第二目标像素点；所述目标距离为所述最大宽度的一半；

将连通域中的第三目标像素点的灰度值替换为第二预设灰度值，得到去拖尾后的固相粒子，所述第三目标像素点为连通域中除了第二目标像素点剩余的像素点。