CN110261642B - 适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法 - Google Patents

适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法。本发明的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，首先利用高速相机分别拍摄气液界面两侧的示踪粒子图像，然后再分别识别气体一侧粒子图和液体一侧粒子图中的气液界面位置，然后再对气体一侧粒子图和液体一侧粒子图进行预处理，再分别计算气液界面两侧的速度场，最后基于界面相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量，通过简单的设备可以实现使用立体式粒子图像测速测量气液界面两侧的流动，而且测量结果准确度高。

Description

适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法
技术领域
本发明涉及粒子图像测速技术领域，特别地，涉及一种适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法。
背景技术
粒子图像测速(PIV)是流体力学实验中经常使用的一种测量方法，它可以测量某个区域内流体瞬时的速度场，其原理是在流体中播撒随流体微团一起运动的示踪粒子，在短时间内拍摄两张照片，由两个时刻内示踪粒子在照片上位置的变化可以计算出拍摄区域内各处流体微团的速度(这个速度为平面上的速度，即有两个分量)。其中最主要的计算方法是将画面分成若干小块(查询窗口)，计算较前时刻的小块和较后时刻的小块之间照片亮度的相关系数，相关系数峰值的位置表示流体相应查询窗口附近流体微团的速度。粒子图像测速有干扰小、可测量某区域同时刻所有位置速度等优点。
所谓立体式粒子图像测速(Stereo PIV)是指同时使用两台相机拍摄某平面的流场，这两台相机之间有一定夹角，然后通过一定的算法(空间标定、图像修正、速度合成等)，可以得到拍摄区域内各处流体微团的速度。(速度有三个分量，即比经典的粒子图像测速多了垂直于测量平面的速度分量)
自粒子图像测速大规模使用以来，近壁测量一直是其中的比较疑难的部分。现有的粒子图像测速方法在进行近壁测量时常使用相机拍摄界面以上或者界面以下的粒子图，再使用辅助的相机或专门的传感器测量界面高度。但是，壁面处的强烈反光，壁面附近速度梯度大、粒子密度低，壁面另一侧缺少有效信息，以及壁面形状不规则或形状随时间变化等因素都会增加测量难度，另外，测量界面高度时采用的液面高度传感器可能会影响流动状态，若在远离测量区域的位置放置传感器则测量结果与实验区域有很大的差别，准确性较差。因此，现有的粒子图像测速方法无法同时测量气液界面两侧的速度场。
发明内容
本发明提供了一种识别气液界面位置的方法，以解决现有的粒子图像测速方法无法同时测量气液界面两侧的速度场的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，适用于同时测量气液界面两侧的速度场，包括以下步骤：
步骤S1：在气液界面两侧分别拍摄粒子图像；
步骤S2：分别识别气液界面两侧的粒子图中的气液界面位置；
步骤S3：对气液界面两侧的粒子图进行预处理；
步骤S4：计算气液界面两侧的界面相速度；
步骤S5：按照界面相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量。
进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：在测量区域设置片光源进行照明；
步骤S12：在界面两侧各安装两台高速相机，相机与水平面之间呈10°夹角倾斜设置；
步骤S13：对拍摄气体一侧的相机和拍摄液体一侧的相机分别进行标定；
步骤S14：往气体和液体中分别播散示踪粒子；
步骤S15：使用高速相机拍摄经过照明的粒子图像，拍摄模式为时间序列顺序曝光。
进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：识别拍摄界面以上区域的两台相机所得到的图像中的初始时刻界面位置；
步骤S22：对拍摄界面以上区域的两台相机所得到的同时刻的图像进行预处理；
步骤S23：识别随后各帧图像中的气液界面位置；
步骤S24：对气液界面位置进行时间-空间平滑操作以得到气体一侧粒子图中的气液界面位置；
步骤S25：基于气体一侧粒子图中的气液界面位置得到液体一侧粒子图中的气液界面位置。
进一步地，所述步骤S21包括以下步骤：
步骤S211：若气体运动速度远大于液体运动速度，在合适的采样频率下，每个像素的亮度取多张图片中相应位置亮度的最小者；若气体运动速度没有远大于液体运动速度，则跳过本步骤；
步骤S212：对图片进行灰度形态学开操作若干次，消除图像中气体中的粒子而保留液体中的粒子；
步骤S213：设置亮度阈值识别液体中的粒子，得到二值图像；
步骤S214：对二值图像进行开操作若干次，再进行闭操作若干次；
步骤S215：根据图像中的界面高度设置高度数值y0，使界面的高度位置在高度为该数值的直线以下，高度在y0以上的部分设置为0；
步骤S216：记录二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列没有非零值存在，则记录该列最后一个像素的位置，得到一个序列；
步骤S217：对序列进行中值滤波和高斯滤波处理，得到界面的位置；
步骤S218：计算两台相机所得到的照片中界面位置的平均值；
步骤S219：设置偏置量，然后根据偏置量向上移动初始界面位置。
进一步地，所述步骤S22具体包括以下步骤：
步骤S221：若气体运动速度远大于液体运动速度，在合适的采样频率下，每个像素的亮度取多张图片中相应位置亮度的最小者；若气体运动速度没有远大于液体运动速度，则跳过本步骤；
步骤S222：将两台相机所得到的同时刻的照片合成一张照片；
步骤S223：对合成的照片进行灰度形态学开操作若干次，消除图像中气体中的粒子而保留液体中的粒子。
进一步地，所述步骤S23具体包括以下步骤：
步骤S231：对于预处理得到的图像，设置亮度阈值识别液体中的粒子以得到二值图像；
步骤S232：对二值图像进行开操作若干次，再进行闭操作若干次；
步骤S233：将前一帧图像的界面向上平移15像素作为分界线，分界线以上区域二值图像数值设置为0；
步骤S234：记录二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列没有非零值存在，则记录该列最后一个像素的位置和前一帧界面相同位置的较小值，从而得到一个序列；
步骤S235：对序列进行中值滤波和高斯滤波得到界面的位置；
步骤S236：根据偏置量向上移动界面的位置。
进一步地，所述步骤S24具体包括以下步骤：
步骤S241：相隔数帧计算每两帧之间界面位置的互相关值；
步骤S242：将多个互相关值相加后寻找峰值位置；
步骤S243：针对所有可计算的时刻重复步骤S241和步骤S242，得到界面速度的时间序列；
步骤S244：基于得到的界面速度的时间序列对界面位置做锁相平均计算；
步骤S245：对所有时刻的边界位置做时间-空间平滑操作，得到平滑后的边界位置时间-空间序列。
进一步地，所述步骤S25具体包括以下步骤：
步骤S251：根据标定得到的坐标变换关系将拍摄界面以下区域的两台相机所得到的图像从原始图像变换到物理空间坐标系下的图像；
步骤S252：检查坐标变换后的两台相机所得图像中的界面位置是否重合，若不重合，则对拍摄界面以下区域的两台相机进行自标定；
步骤S253：对边界位置时间-空间序列进行缩放并插值以适应经过坐标变换的拍摄界面以下区域两台相机所得到的图像；
步骤S254：暂时给定界面位置的初始偏移量，在一张图片上显示两台相机经过空间变换的图像和界面经过偏移后暂时的位置，两台相机的图像分别占据不同的颜色通道，输出由不同时刻的图片组成的视频；
步骤S255：观察视频中暂定的界面位置和由图片中粒子亮度反应的界面位置的差异，并根据差异修改界面位置的偏移量；
步骤S256：重复执行步骤S254和步骤S255，直至界面暂时的位置和图片中粒子亮度反映的界面位置重合。
进一步地，所述步骤S3具体为：对于拍摄界面以下区域的两台相机所得到的照片进行界面处理，删除其界面以上部分的图像；对于拍摄界面以上区域的两台相机所得到的照片，若液体被动随气体运动，则不进行界面处理，反之则需要进行界面处理。
进一步地，所述界面处理方法具体为：使用沿界面生成的曲线坐标系将界面变换成直线后进行计算，得到结果后需要再依据上述变换关系将速度所在点、速度的大小和方向变换回到物理空间坐标系上的值；或者将液体一侧粒子图中的界面以上区域亮度或者气体一侧粒子图中界面以下区域亮度按照一定比例骤减，再在若干像素的区间内逐渐减到零。
本发明具有以下有益效果：
本发明的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，首先利用高速相机分别拍摄气液界面两侧的示踪粒子图像，然后再分别识别气体一侧粒子图和液体一侧粒子图中的气液界面位置，然后再对气体一侧粒子图和液体一侧粒子图进行预处理，再分别计算气液界面两侧的速度场，最后基于界面相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量，通过简单的设备可以实现使用立体式粒子图像测速测量气液界面两侧的流动，而且测量结果准确度高。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法的流程示意图。
图2是本发明优选实施例的图1中的步骤S1的子流程示意图。
图3是本发明优选实施例的图2中步骤S11中设置两个激光器来进行照明的实验装置示意图。
图4是本发明优选实施例的图2中步骤S11中设置一个激光器来进行照明的实验装置示意图。
图5是本发明优选实施例的图2中的步骤S13中对界面两侧的相机各自进行标定的示意图。
图6是本发明优选实施例的图1中的步骤S2的子流程示意图。
图7是本发明优选实施例的图6中的步骤S21的子流程示意图。
图8是本发明优选实施例的图6中的步骤S22的子流程示意图。
图9是本发明优选实施例的图6中的步骤S23的子流程示意图。
图10是本发明优选实施例的图6中的步骤S24的子流程示意图。
图11是本发明优选实施例的图6中的步骤S25的子流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，可以同时测量气液界面两侧的速度场，且测量精准度高。所述适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法包括以下步骤：
步骤S1：在气液界面两侧分别拍摄粒子图像；
步骤S2：分别识别气液界面两侧的粒子图中的气液界面位置；
步骤S3：对气液界面两侧的粒子图进行预处理；
步骤S4：计算气液界面两侧的界面相速度；
步骤S5：按照界面相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量。
本发明的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，首先利用高速相机分别拍摄气液界面两侧的示踪粒子图像，然后再分别识别气体一侧粒子图和液体一侧粒子图中的气液界面位置，然后再对气体一侧粒子图和液体一侧粒子图进行预处理，再分别计算气液界面两侧的速度场，最后基于界面相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量，通过简单的设备可以实现使用立体式粒子图像测速测量气液界面两侧的流动，而且测量结果准确度高。
可以理解，如图2和图3所示，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：在测量区域设置片光源进行照明，具体的设置方式可以是分别在气液界面的两侧分别设置一个片光源进行照明，照明方向分别为垂直向上和垂直向下，两个光源的颜色可以不同，从而便于被滤光片区分。其中，片光源可以采用括束后的激光，为了保护两台激光器，在调整光路的过程中，可以微调激光器和光路上各元件的位置，以使两台激光器发出的光线互补直射进对方腔体中。另外，如图4所示，当激光器数量不足时，也可以只使用一台激光器照明，照明方向为从下向上穿过气液界面照射。但相机需使用双帧曝光拍摄图像，且双帧的时间间隔应与界面上方区域流动相配合，两个双帧之间的时间间隔应与界面下方区域的流动相配合。
步骤S12：安装相机，具体是在界面两侧各安装两台高速相机，即两台相机对准界面以上的拍摄区域以拍摄气体一侧的粒子图，两台相机对准界面以下的拍摄区域以拍摄液体一侧的粒子图。另外，作为优选的，在拍摄过程中为了避免测量所在的平面之前的界面遮挡测量所在的平面上的界面，需要将相机相对于水平面倾斜设置，倾斜角度为10°左右。可以理解，当相机与水平面之间呈10°左右的夹角时，拍摄液体一侧的两台相机得到的图像中主要有两种内容：气液界面以下区域示踪粒子散射光直接在相机中成像、气液界面以下区域示踪粒子的散射光经过界面反射后在相机中成像，而拍摄气体一侧的两台相机得到的图像中主要有两种内容：气体中的粒子直接成像、液体中的粒子经过界面折射后成像。
步骤S13：对拍摄气体一侧的相机和拍摄液体一侧的相机分别进行标定，从而得到相机中的图像到物理空间坐标系的坐标映射关系。如图5所示，具体的标定方式为：要求气液界面两侧标定的基准平面和激光照射的平面重合，标定板底边水平放置，坐标原点之间可以有距离，即两个进行标定的物理空间坐标系中，两者的y轴正方向均垂直向上，z轴均直于标定板前表面，z＝0平面重合，x，y，z方向相同。其中，标定板安装在只能上下移动的基座上，且侧边垂直于静止时的界面，气体和液体作为两个不同的空间区域分别做标定，如果标定过程中需要临时改变界面高度，则应让标定板尽可能地占满视野，以便于提高标定精度。例如，先降低界面，标定气体所在区域，再升高界面，向下移动标定板，标定液体所在区域；或者先升高界面，标定液体所在区域，再降低界面，向上移动标定板，标定气体所在区域。
步骤S14：往气体和液体中分别播散示踪粒子，考虑到粒子跟随流体的性能与斯托克斯数有关，确保粒子跟随性足够好则需要直径足够小的粒子，但是另一方面，在相机记录的图像中，粒子的亮度与粒子直径的平方有关，这要求粒子半径又不能太小。因此，本实施例在在气体中使用粒径较小的粒子进行播撒，在液体中使用粒径较大的粒子进行播撒，在气液界面附近的液体中重复播撒粒子以使该区域粒子密度足够大，从而确保粒子具有足够跟随性的同时，两种粒径的粒子在图像中的各自的亮度和粒径有所区别。作为优选的，在气体中使用直径为1μm左右的烟雾作为示踪粒子，在液体中使用直径为50μm左右的空心有机玻璃微粒作为示踪粒子，其中，气体中的示踪粒子由风扇注入，液体中的粒子一部分由漏斗注入比较深的位置，另一部分轻轻倒在液面上。
步骤S15：使用高速相机拍摄经过照明的粒子图像，拍摄模式为时间序列顺序曝光，即在均匀的时间间隔内拍摄一系列图片。其中，拍摄频率以气液两区域中频率要求高的一方为准，另一侧可以保存全部照片，或者相隔数帧保存一张照片。
考虑到经过反射的散射光随着与气液界面距离增加，变形和脱焦现象愈加严重，边缘也更加模糊，并且米氏散射中光强和散射角度之间存在关系，散射光和照射光夹角比较小时散射光强度比较大，所以气体一侧的粒子比液体一侧的粒子亮度大，且距离界面越远粒子越模糊。因此，本发明采用气体一侧的粒子图识别界面位置，确保识别结果更加准确。
可以理解，在所述步骤S2中，识别气体一侧粒子图的界面位置需要根据标定得到的坐标映射关系将图像变换到物理空间坐标，因此需要检验之前标定得到的坐标映射关系进行是否准确。作为优选的，所述识别气液界面位置的方法在步骤S2和步骤S3之间还包括步骤S2a：
步骤S2a：把经过坐标变换的拍摄气体一侧的两台相机同时刻的照片的亮度转为红/绿通道的数值，然后合并到一张图片上显示，并判断两张照片的界面是否重合。如果标定得到的坐标映射关系准确，这时两张图片中界面的位置将会重合；如果标定得到的坐标映射关系不准确，两台相机的图片经过坐标变化后界面位置不重合，则需要对两台相机进行自标定，即可以根据两张图片中界面相对点位置的距离设置初始偏移量，即相应点在x方向和y方向上的距离，再由这些偏移确定总体上的偏移，总体的偏移值为各点偏移值的平均值。为了确保准确性，可以使用两台相机的多对图片进行自标定，例如100对图片。
可以理解，在所述步骤S1和步骤S2之间还需执行以下步骤：
将气体一侧的粒子图水平翻转，或者将液体一侧的粒子图水平翻转，以便于将气体一侧粒子图与液体一侧粒子图进行对比。
可以理解，如图6所示，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：识别拍摄界面以上区域的两台相机所得到的图像中的初始时刻界面位置；
步骤S22：对拍摄界面以上区域的两台相机所得到的同时刻的图像进行预处理；
步骤S23：识别随后各帧图像中的气液界面位置；
步骤S24：对气液界面位置进行时间-空间平滑操作以得到气体一侧粒子图中的气液界面位置；
步骤S25：基于气体一侧粒子图中的气液界面位置得到液体一侧粒子图中的气液界面位置。
可以理解，在所述步骤S21中，识别初始时刻界面位置的方法有两种，第一种是采用人工识别界面位置后手动输入，第二种是使用算法识别。为了确保识别的准确性，本实施例优选采用第二种识别方法。具体地，如图7所示，所述步骤S21包括以下步骤：
步骤S211：若气体运动速度远大于液体运动速度，在合适的采样频率下，每个像素的亮度取多张图片中相应位置亮度的最小者；若气体运动速度没有远大于液体运动速度，则跳过本步骤；
步骤S212：对图片进行灰度形态学开操作若干次，消除图像中气体中的粒子而保留液体中的粒子；
步骤S213：设置亮度阈值识别液体中的粒子，得到二值图像；
步骤S214：对二值图像进行开操作若干次，再进行闭操作若干次；
步骤S215：根据图像中的界面高度设置高度数值y0，使界面的高度位置在高度为该数值的直线以下，高度在y0以上的部分设置为0；
步骤S216：记录二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列没有非零值存在，则记录该列最后一个像素的位置，得到一个序列；
步骤S217：对序列进行中值滤波和高斯滤波处理，得到界面的位置；
步骤S218：计算两台相机所得到的照片中界面位置的平均值。
可以理解，在所述步骤S211中，如果气体的运动速度远大于液体的运动速度，即气体的平均运动速度比液体的平均运动速度大一个数量级以上，在合适的采样频率下，图片中气体中的示踪粒子有明显的移动，即每帧移动大于1像素，而液体中的示踪粒子没有明显的移动，即每帧移动小于1像素，则可以使用时间序列上3或5张图片的滑动最小值，即每个像素的亮度取3或5张图片相应位置亮度的最小者，再进行后续的步骤处理。否则，跳过本步骤。
可以理解，在所述步骤S212中，灰度形态学开操作指的是先对图片进行灰度形态学腐蚀，再进行灰度形态学膨胀，从而可以消除图片中气体中的粒子而保留液体中的粒子。
可以理解，在所述步骤S213中，由于粒子的亮度与其直径的平方有关，而气体中的粒子直径为1μm左右，而液体中的粒子直径为50μm左右，从而可以设置一个亮度阈值来识别液体中的粒子，例如1表示当地亮度高于阈值，0表示当地亮度低于阈值。并且，可以设置全局阈值，即空间各处使用相同大小的亮度阈值，也可以设置渐变的本地阈值，即空间中不同位置有不同的亮度阈值大小，这取决于各成像参数，若使用长焦镜头和大尺寸感光芯片，图像边缘区域整体亮度可能小于中心区域，这时可以选择减小边缘区域阈值。
可以理解，在所述步骤S214中，对步骤S213中得到的二值图像先进行灰度形态学腐蚀再进行灰度形态学膨胀若干次，再进行闭操作若干次，即先进行灰度形态学膨胀再进行灰度形态学腐蚀若干次。
可以理解，在所述步骤S215中，根据二值图像中的界面高度设置一个高度数值y0，以使界面的高度位置在高度为y0的直线以下，而高度在y0以上的部分设置为0。
可以理解，在所述步骤S216中，记录下二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的一个像素的位置，如果某一列像素中没有非零值的存在，即该列像素的高度位置均在高度为y0的直线以上，则记录该列像素最后一个像素的位置，从而得到一个位置序列。
可以理解，在所述步骤S218中，为了确保识别的准确性，采用计算两台相机所得到的照片中界面位置的平均值作为最终的初始界面位置。
可以理解，由于本算法是通过识别液体中的粒子再进行平滑从而达到识别界面的目的，而液体中的示踪粒子始终在气液液面以下，故需要设置偏置量，然后再根据偏置量向上移动步骤S218中得到的初始界面位置，以便让识别到的界面位置和实际的界面位置重合，进一步提高了识别的准确性。该偏置量是通过实际图片多次试验得到的。因此，所述步骤S21在步骤S218之后还包括步骤S219：
步骤S219：设置偏置量，然后根据偏置量向上移动初始界面位置。
可以理解，如图8所示，所述步骤S22具体包括以下步骤：
步骤S221：若气体运动速度远大于液体运动速度，在合适的采样频率下，每个像素的亮度取多张图片中相应位置亮度的最小者；若气体运动速度没有远大于液体运动速度，则跳过本步骤；
步骤S222：将两台相机所得到的同时刻的照片合成一张照片；
步骤S223：对合成的照片进行灰度形态学开操作若干次，消除图像中气体中的粒子而保留液体中的粒子。
可以理解，所述步骤S221与上述步骤S211一致，故在此不再赘述。
可以理解，所述步骤S222具体为：将前一帧图像的界面向上平移10像素作为分界线，分界线以上区域比较两张照片同位置的亮度，取相对较低值作为合成照片的亮度；再将前一帧图像的界面向下平移10像素作为分界线，分界线以下区域比较两张照片同位置的亮度，取相对较高值作为合成照片的亮度；两条分界线中间区域可以从较低值到平均值再到较高值渐变，也可以取本地亮度的平均值。
可以理解，所述步骤S223与上述步骤S212一致，故在此不再赘述。
可以理解，如图9所示，所述步骤S23具体包括以下步骤：
步骤S231：对于预处理得到的图像，设置亮度阈值识别液体中的粒子以得到二值图像；
步骤S232：对二值图像进行开操作若干次，再进行闭操作若干次；
步骤S233：将前一帧图像的界面向上平移15像素作为分界线，分界线以上区域二值图像数值设置为0；
步骤S234：记录二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列没有非零值存在，则记录该列最后一个像素的位置和前一帧界面相同位置的较小值，从而得到一个序列；
步骤S235：对序列进行中值滤波和高斯滤波得到界面的位置；
步骤S236：根据偏置量向上移动界面的位置。
可以理解，所述步骤S231与上述步骤S213一致，故在此不再赘述，其中，亮度阈值是根据该组试验拍摄界面以上区域的两台相机的亮度分布设定的。
可以理解，所述步骤S232与上述步骤S214一致，故在此不再赘述。
可以理解，在所述步骤S234中，当某一列像素中没有非零值存在时，则记录该列最后一个像素的位置和前一帧界面相同位置的较小值，即取两者中的高度较高者。
可以理解，步骤S235与上述步骤S217一致，故在此不再赘述。
可以理解，在所述步骤S236中，该偏置量是在步骤S219中设定好的。
可以理解，如图10所示，所述步骤S24具体包括以下步骤：
步骤S241：相隔数帧计算每两帧之间界面位置的互相关值；
步骤S242：将多个互相关值相加后寻找峰值位置；
步骤S243：针对所有可计算的时刻重复步骤S241和步骤S242，得到界面速度的时间序列；
步骤S244：基于得到的界面速度的时间序列对界面位置做锁相平均计算；
步骤S245：对所有时刻的边界位置做时间-空间平滑操作，得到平滑后的边界位置时间-空间序列。
可以理解，在所述步骤S241中，例如，按照时间先后顺序选择甲帧和乙帧，其中，乙帧界面位置固定，甲帧界面沿x方向移动，从而得到互相关值随甲帧界面移动距离之间的关系，然后寻找互相关峰值对应的移动距离。其中，相隔数帧计算互相关值的目的是考虑到界面移动速率比较慢，增加时间间隔可以提高精度。
可以理解，在所述步骤S242中，为了进一步提高精度，可以选择将多个互相关值相加后寻找峰值位置。例如，选择甲一帧、甲二帧、甲三帧、乙一帧、乙二帧和乙三帧，其中甲二帧和乙二帧的时间间隔与甲一帧和乙一帧之间的时间间隔、甲三帧和乙三帧之间的时间间隔相同，分别计算上述三组双帧数据界面位置互相关值随移动距离之间的关系，再将三组互相关值相加得到新的界面位置互相关值随移动距离之间的关系，寻找相应互相关峰值对应的移动距离。另外，叠加计算的组数可以根据需要选定，在此不做具体限定。
可以理解，在所述步骤S243中，单位时间内的界面移动距离即为界面速度，而界面移动距离根据步骤S241和步骤S242中互相关峰值的位置得到。针对所有可以计算的时刻重复步骤S241和步骤S242，从而得到界面相速度的时间序列。作为优选的，所述步骤S243中还可以采用平滑滤波对界面相速度的时间序列进行处理以减小时间序列脉动量，平滑滤波可以是中值滤波、高斯滤波、巴特沃斯滤波等。
可以理解，所述步骤S244具体为：记t0时刻的界面位置为<s(<x>，t0)>，其中<s>表示界面高度，<x>表示界面的横坐标序列，<>表示矢量，界面位置<s(<x>，t0)>即表示在t0时刻<x>中某点x0所在列的界面高度在<s>中对应的分量。记步骤S61中中计算互相关值的时间间隔为△t，经过平滑后得到t0时刻界面在△t内移动距离为<△x(t0)>。然后记N为时间-空间平滑半径，计算<s(<x>-N<Δx(t0)>，t0-NΔt)>，<s(<x>-(N-1)<Δx(t0)>，t0–(N-1)Δt)>，…，<s(<x>,t0)>，<s(<x>+(N-1)<Δx(t0)>，t0+(N-1)Δt)>，<s(<x>+N<Δx(t0)>，t0+NΔt)>在<xe>上的平均值<s1(<xe>，t0)>，其中<xe>表示将<x>向两侧延伸后得到的新横坐标序列。另外，在所述步骤S244中需要进行一维插值，并且平均计算只使用内插得到的数值而不使用外插得到的数值。其中，N设置为30，以便于界面位置向两侧延伸足够的长度。
可以理解，在所述步骤S245中，在边缘处进行时间-空间平滑操作时可以减小N。另外，在得到的平滑后的边界位置时间-空间序列中，缺少数据的部分可以使用插值得到数据。至此，已经得到了拍摄气液界面以上区域的两台相机所得图像中的界面位置，即得到了气体一侧粒子图中的界面位置。
可以理解，气体一侧粒子图中的界面位置已经通过上述步骤得到了，现在需要通过已经得到的界面在物理空间中的位置来确定液体一侧粒子图中的界面位置。如图11所示，所述步骤S25具体包括以下步骤：
步骤S251：根据标定得到的坐标变换关系将拍摄界面以下区域的两台相机所得到的图像从原始图像变换到物理空间坐标系下的图像；
步骤S252：检查坐标变换后的两台相机所得图像中的界面位置是否重合，若不重合，则对拍摄界面以下区域的两台相机进行自标定；
步骤S253：对边界位置时间-空间序列进行缩放并插值以适应经过坐标变换的拍摄界面以下区域两台相机所得到的图像；
步骤S254：暂时给定界面位置的初始偏移量，在一张图片上显示两台相机经过空间变换的图像和界面经过偏移后暂时的位置，两台相机的图像分别占据不同的颜色通道，输出由不同时刻的图片组成的视频；
步骤S255：观察视频中暂定的界面位置和由图片中粒子亮度反应的界面位置的差异，并根据差异修改界面位置的偏移量；
步骤S256：重复执行步骤S254和步骤S255，直至界面暂时的位置和图片中粒子亮度反映的界面位置重合。
可以理解，在所述步骤S251中，根据步骤S13中的标定得到的坐标映射关系将拍摄界面以下区域的两台相机所得到的图像从原始图像变换到物理空间坐标系下的图像。
可以理解，在所述步骤S252中，利用肉眼检查拍摄界面以下区域的两台相机所得到的图像中的界面位置是否重合，界面位置可以通过图像中的粒子亮度大致判断，如果两者的界面位置不重合，则需要对拍摄界面以下区域的两台相机进行自标定，自标定的过程与上述步骤S2a中的自标定过程一致，故在此不再赘述。
可以理解，在所述步骤S253中，由于对拍摄界面以上区域的两台相机的标定和对拍摄界面以下区域的两台相机的标定是各自单独进行的，两组标定关系中每毫米对应的像素数不一定相同，因此需要对得到的边界位置时间-空间序列进行缩放并插值以适应经过坐标变换后的拍摄界面以下区域两台相机所得到的图像。
可以理解，在所述步骤S254中，暂时给定界面位置的初始偏移量，然后在一张图片上显示两台相机经过空间变换的图像和界面经过偏移后暂时的位置，两台相机的图像分别占据不同的颜色通道，以便于区分，最后输出由不同时刻的图片组成的视频。
可以理解，在所述步骤S255中，由于图片中界面以上区域的粒子亮度比较大，而界面以下区域的粒子亮度比较小，因此，可以明显地观察出视频中暂定的界面位置和由图片中粒子亮度反应的界面位置的差异。
可以理解，在所述步骤S256中，在界面暂时的位置和图片中粒子亮度反映的界面位置重合后，即得到了拍摄界面以下区域的两台相机所得到的图像中气液界面的位置。至此，所有相机所得到的图像中的气液界面位置均已经得到了。
本申请的发明人还尝试过采用以下三个方法来识别气液界面位置：1、识别界面处反光的特征；2、在液体里添加荧光物质，识别存在荧光物质的区域；3、识别示踪粒子存在的区域。但是在第一种方法中，需要令相机拍摄的方向与界面平齐以促进捕捉界面反光，但是因为气液界面实际上是高低起伏的，这样就会有视线受到遮挡的问题，在使用立体式粒子图像测速时遮挡特别严重；而在第二种方法中，需要两种不同颜色的光源和三组拍摄不同颜色内容的相机，整套系统比较复杂，成本也很高，并且常用的荧光染料(罗丹明B)是有毒的，危害人体健康；而第三种方法根本无法适用于界面两侧都有粒子存在的情况，因为气体里的粒子和液体里的粒子不容易区分。
可以理解，在所述步骤S3具体为：对于拍摄界面以下区域的两台相机所得到的照片进行界面处理，删除其界面以上部分的图像。因为拍摄得到的液体一侧的粒子图中界面以上部分主要是液体中粒子的散射光被界面反射所成的像，而在界面以上附近区域经过反射所成的像的运动规律是相对于该粒子直接在相机中成的像保持切向速度一致，法向速度相反。但是由于界面的法向和物理空间坐标系的法向不一致，且界面的法向时刻处于变动之中，相反的法向速度将会同时影响到粒子图像测速计算中各速度分量的结果。因此，通过对拍摄界面以下区域的两台相机所得到的照片进行界面处理，删除其界面以上部分的图像，可以提高测量的准确度。而对于拍摄界面以上区域的两台相机所得到的照片，若液体被动随气体运动，即液体中没有驱动或阻碍液体运动的作用，则不进行界面处理，反之则需要进行界面处理。因为拍摄得到的液体一侧的粒子图中界面的另一侧是液体中的示踪粒子所成的像，在距离界面较近的部分界面折射造成的偏移较小，对测量的影响比较小，距离界面距离较远的区域不影响界面以上区域的速度测量。另一方面，斯托克斯(Stokes)波等重力波的流体微团速度随深度按照指数规律减小，界面附近各液体微团移动速度相对于气体差别不大，故在折射变形小和相对速度小的情况下界面以下粒子引起的测量误差小。如果将气体一侧粒子图中界面以下区域的亮度置为零再进行互相关计算，界面两侧平均亮度的差别会导致计算结果出现问题。因此，在这种情况下保留界面以下部分图像参与计算可以使界面以下的粒子起到类似于人工合成粒子的作用，可以增加计算稳定性，提高测量的准确性。另外，所述界面处理的方法有两种，第一种方法是使用沿界面生成的曲线坐标系将界面变换成直线后进行计算，得到结果后需要再依据上述变换关系将速度所在点、速度的大小和方向变换回到物理空间坐标系上的值；第二种方法是只需处理图片，不需要经过沿界面生成的曲线坐标系和直角坐标系之间的变换，只需要将液体一侧粒子图中的界面以上区域亮度或者气体一侧粒子图中界面以下区域亮度按照一定比例骤减，再在若干像素的区间内逐渐减到零，相当于是在界面另一侧添加了虚拟粒子，从而可以提高界面附近速度计算结果的稳定性。
可以理解，所述步骤S4中采用互相关分别计算气体一侧粒子图和液体一侧粒子图中的速度场，其中，如果液体中没有驱动流动的因素的情况下，界面以下流动缓慢，因此拍摄界面以下区域的两台相机的拍摄频率一般高于所需要的频率数倍，因此可以相隔数帧进行互相关计算，例如相隔10帧进行计算，即第1帧和第11帧之间进行互相关，第11帧和第21帧之间进行互相关。其中，所述步骤S4中通过对二维矩阵互相关来计算速度场，具体为：计算较前时刻的查询窗口和较后时刻的查询窗口之间照片亮度的相关系数，相关系数峰值的位置表示流体相应查询窗口附近流体微团的速度。另外，作为优选的，在计算得到气体一侧粒子图和液体一侧粒子图中的速度场，还可以采用滤波算法对计算结果进行处理，例如可以采用中值滤波、高斯滤波或者巴特沃斯滤波等算法，其中，对于界面以下区域的计算结果，即液体一侧速度场的计算结果，采用中值滤波消除其中异常的速度，如在相隔10帧计算的情况下，采用第1帧和第11帧之间做互相关得到速度场A，第2帧和第12帧之间做互相关得到速度场B，第3帧和第13帧之间做互相关得到速度场C，而某处的速度场则选取速度场A、B、C中对应位置的速度的中值。
可以理解，在所述步骤S5中，基于界面的相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量，其中，脉动量为瞬时量减去平均量。具体地，基于界面的相位计算速度场锁相平均值为：
记流体速度场为<V(<X>,t)>，其中<·>表示矢量，<X>表示坐标，<V>表示速度矢量，t表示时间。记界面相速度为U(t)，界面相速度和流体速度场都以在之前的步骤中得到。则t0时刻对应的锁相平均速度为
Figure BDA0002122754120000151
其中Δt是参与平均的总时间长度，用于离散化数据，锁相平均计算方法变为计算<V(<X>+<i>nUΔτ，nΔτ)>从n＝-N到n＝+N的平均值，这里的2NΔτ对应前述之Δt。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，适用于同时测量气液界面两侧的速度场，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：在气液界面两侧分别拍摄粒子图像；
步骤S2：分别识别气液界面两侧的粒子图中的气液界面位置；
步骤S3：对气液界面两侧的粒子图进行预处理；
步骤S4：计算气液界面两侧的界面相速度；
步骤S5：按照界面相位计算速度场锁相平均值和相应脉动量；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：识别拍摄界面以上区域的两台相机所得到的图像中的初始时刻界面位置；
步骤S22：对拍摄界面以上区域的两台相机所得到的同时刻的图像进行预处理；
步骤S23：识别随后各帧图像中的气液界面位置；
步骤S24：对气液界面位置进行时间-空间平滑操作以得到气体一侧粒子图中的气液界面位置；
步骤S25：基于气体一侧粒子图中的气液界面位置得到液体一侧粒子图中的气液界面位置；
所述步骤S21包括以下步骤：
步骤S211：若气体运动速度远大于液体运动速度，即气体的平均运动速度比液体的平均运动速度大一个数量级以上，在合适的采样频率下，每个像素的亮度取多张图片中相应位置亮度的最小者；若气体运动速度没有远大于液体运动速度，则跳过本步骤；
步骤S212：对图片进行灰度形态学开操作若干次，消除图像中气体中的粒子而保留液体中的粒子；
步骤S213：设置亮度阈值识别液体中的粒子，得到二值图像；
步骤S214：对二值图像进行开操作若干次，再进行闭操作若干次；
步骤S215：根据图像中的界面高度设置高度数值y0，使界面的高度位置在高度为该数值的直线以下，高度在y0以上的部分设置为0；
步骤S216：记录二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列没有非零值存在，则记录该列最后一个像素的位置，得到一个位置序列；
步骤S217：对序列进行中值滤波和高斯滤波处理，得到界面的位置；
步骤S218：计算两台相机所得到的照片中界面位置的平均值；
步骤S219：设置偏置量，然后根据偏置量向上移动初始界面位置。
2.如权利要求1所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：在测量区域设置片光源进行照明；
步骤S12：在界面两侧各安装两台高速相机，相机与水平面之间呈10°夹角倾斜设置；
步骤S13：对拍摄气体一侧的相机和拍摄液体一侧的相机分别进行标定；
步骤S14：往气体和液体中分别播散示踪粒子；
步骤S15：使用高速相机拍摄经过照明的粒子图像，拍摄模式为时间序列顺序曝光。
3.如权利要求1所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述步骤S22具体包括以下步骤：
步骤S221：若气体运动速度远大于液体运动速度，在合适的采样频率下，每个像素的亮度取多张图片中相应位置亮度的最小者；若气体运动速度没有远大于液体运动速度，则跳过本步骤；
步骤S222：将两台相机所得到的同时刻的照片合成一张照片；
步骤S223：对合成的照片进行灰度形态学开操作若干次，消除图像中气体中的粒子而保留液体中的粒子。
4.如权利要求1所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述步骤S23具体包括以下步骤：
步骤S231：对于预处理得到的图像，设置亮度阈值识别液体中的粒子以得到二值图像；
步骤S232：对二值图像进行开操作若干次，再进行闭操作若干次；
步骤S233：将前一帧图像的界面向上平移15像素作为分界线，分界线以上区域二值图像数值设置为0；
步骤S234：记录二值图像中每列像素的所有非零值中高度最高的位置，若某列没有非零值存在，则记录该列最后一个像素的位置和前一帧界面相同位置的较小值，从而得到一个序列；
步骤S235：对序列进行中值滤波和高斯滤波得到界面的位置；
步骤S236：根据偏置量向上移动界面的位置。
5.如权利要求4所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述步骤S24具体包括以下步骤：
步骤S241：相隔数帧计算每两帧之间界面位置的互相关值；
步骤S242：将多个互相关值相加后寻找峰值位置；
步骤S243：针对所有可计算的时刻重复步骤S241和步骤S242，得到界面速度的时间序列；
步骤S244：基于得到的界面速度的时间序列对界面位置做锁相平均计算；
步骤S245：对所有时刻的边界位置做时间-空间平滑操作，得到平滑后的边界位置时间-空间序列。
6.如权利要求5所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述步骤S25具体包括以下步骤：
步骤S251：根据标定得到的坐标变换关系将拍摄界面以下区域的两台相机所得到的图像从原始图像变换到物理空间坐标系下的图像；
步骤S252：检查坐标变换后的两台相机所得图像中的界面位置是否重合，若不重合，则对拍摄界面以下区域的两台相机进行自标定；
步骤S253：对边界位置时间-空间序列进行缩放并插值以适应经过坐标变换的拍摄界面以下区域两台相机所得到的图像；
步骤S254：暂时给定界面位置的初始偏移量，在一张图片上显示两台相机经过空间变换的图像和界面经过偏移后暂时的位置，两台相机的图像分别占据不同的颜色通道，输出由不同时刻的图片组成的视频；
步骤S255：观察视频中暂定的界面位置和由图片中粒子亮度反应的界面位置的差异，并根据差异修改界面位置的偏移量；
步骤S256：重复执行步骤S254和步骤S255，直至界面暂时的位置和图片中粒子亮度反映的界面位置重合。
7.如权利要求6所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述步骤S3具体为：对于拍摄界面以下区域的两台相机所得到的照片进行界面处理，删除其界面以上部分的图像；对于拍摄界面以上区域的两台相机所得到的照片，若液体被动随气体运动，则不进行界面处理，反之则需要进行界面处理。
8.如权利要求7所述的适用于气液界面的立体式粒子图像测速方法，其特征在于，
所述界面处理方法具体为：使用沿界面生成的曲线坐标系将界面变换成直线后进行计算，得到结果后需要再依据上述变换关系将速度所在点、速度的大小和方向变换回到物理空间坐标系上的值；或者将液体一侧粒子图中的界面以上区域亮度或者气体一侧粒子图中界面以下区域亮度按照一定比例骤减，再在若干像素的区间内逐渐减到零。
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