CN112710864A - 结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置及测速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置及测速方法，光源照明待测流场，双镜头和双相机分别一一对应固定相连，构建后的两组镜头和相机成固定角度布置，两组镜头同时观察到被测流场；信号发生器为光源提供频闪信号，实现长短曝光结合的单帧多曝光，信号发生器为双相机及光源提供同步触发信号；双相机拍摄流场图像送计算机，计算机获取双目视觉系统、两个不同视角下的单帧多曝光图像，计算机被测流场粒子三维流动速度及加速度。结合粒子轨迹测速、结合混合模糊和双相机成像的三维流场运动信息获取技术，实现显微流场和高速流场的测试，该方法简化了测量系统，优化了数据处理过程，可以实现显微流场或高速流场的三维流场测量。

Description

结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置及测速方法
技术领域
本发明涉及一种三维流场测量技术，特别涉及一种结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置及测速方法。
背景技术
流动是自然界中普遍存在的现象，获得流场准确及定量的实验数据是对其进行研究的前提。三维速度场的定量获取是目前流场测量研究的重点和难点。常见的三维流场测量方法之一，是采用双目视觉系统，从两个不同视角对布撒了示踪粒子的流体流动区域进行拍摄，但当成像系统景深较小时(如微通道拍摄所采用的显微成像系统)，示踪粒子成像存在离焦模糊，且运动速度较快时粒子成像存在运动模糊。如果能针对这种双目成像过程中离焦和运动模糊共同存在的情况，提出相应的处理办法，则可大大拓展轨迹测速的应用场合，并能提高测速的速度范围上限。
发明内容
本发明是针对三维流场在高速测量中受限的问题，提出了一种结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置及测速方法，结合粒子轨迹测速、结合混合模糊和双相机成像的三维流场运动信息获取技术，实现显微流场和高速流场的测试。
本发明的技术方案为一种结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置，包括光源、双相机、双镜头、信号发生器和计算机；光源照明待测流场，双镜头和双相机分别一一对应固定相连，构建后的两组镜头和相机成固定角度布置，两组镜头同时观察到被测流场；信号发生器为光源提供频闪信号，实现长短曝光结合的单帧多曝光，信号发生器为双相机及光源提供同步触发信号；双相机拍摄流场图像送计算机，计算机获取双目视觉系统、两个不同视角下的单帧多曝光图像，计算机被测流场粒子三维流动速度及加速度。
通过采用上述技术方案，采用双目视觉与单帧多曝光相结合，通过长短曝光组合和同步控制获取速度方向信息，结合已知双目视觉位置信息，用简单的测量系统，实现了空间信息的采集。
优选的：所述光源采用激光片光，通过片光厚度调节测量深度范围。
通过采用上述技术方案：针对不同的测试环境，对光源提出更优的选择，保证所需信息的采集。
优选的：所述光源采用LED进行背光照明，获取粒子的投影成像，用于对粒子粒径进行同时测量。
通过采用上述技术方案：对测量信息的扩充给于优选，同一装置实现更多功能。
本发明的技术方案为结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置的测速方法，具体包括如下步骤：
1)测量前首先对测量装置采用标定板进行标定，获得装置在已知被测对象下，双相机、双镜头的内外参数以及畸变系数；
2)采用光源照明待测流场，调节光源位置，使用信号发生器为光源1提供频闪信号，根据流速调节脉冲时间和间隔，实现单帧多曝光功能；
3)使用信号发生器控制光源及双相机同步，调节双相机曝光时间，并对待测流场进行拍摄，将获取的图像输入计算机；
4)在计算机上对获取的图像进行预处理，根据步骤1)所获得的数据对获取的图像进行误差处理，包括图像背景去除及图像畸变校正；
5)通过对双相机获取的图像匹配识别，分别在双相机所送图像中获取同一颗粒的不同时刻轨迹，并对所有单个轨迹图像进行灰度曲面拟合，每个单个轨迹图像可拟合获取同一颗粒此单个轨迹的两个特征端点，获得双相机所送图像所有轨迹特征参数；
6)单个轨迹的两个特征端点再结合短曝光点对流场运动方向进行判断，并对同一颗粒轨迹端点的按时间排序；
7)对双相机采集的两组图像的特征端点进行极线约束匹配，而后进行同一颗粒三维重构获取其三维世界坐标；
8)已知示踪粒子的三维世界坐标，以及颗粒随时间的运动轨迹，可求得颗粒流场三维速度及加速度。
通过采用上述技术方案：采用轨迹图像灰度曲面拟合准确地识别存在混合模糊粒子轨迹图像的特征点，提高识别精度；在简单设备设计下，提供最优流场测量问题。
本发明的有益效果在于：本发明结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置及测速方法，采用双目视觉与单帧多曝光相结合，通过长短曝光组合来判定速度方向；采用轨迹图像灰度曲面拟合准确地识别存在混合模糊粒子轨迹图像的特征点；基于多曝光的粒子轨迹测速方法能够提供更多约束，更好地处理双目匹配的问题。该方法简化了测量系统，优化了数据处理过程，可以实现显微流场或高速流场的三维流场测量。
附图说明
图1为本发明灰度拟合示意图；
图2为本发明结合装置的测量示意图；
图3为本发明实施例1示意图；
图4为本发明实施例2示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在待测流场中布撒适量示踪粒子，采用光源照明被测流场区域，通过立体视觉的双相机获取同一待测区域同一时间不同视角下的粒子轨迹图像。对混合模糊的轨迹图像进行识别获得二维轨迹图像的特征点位置，通过轨迹图像特征点的双目匹配实现轨迹点的三维重构，并结合光源和相机的频闪以及所设置曝光时间来获得三维速度。同时通过两次或多次频闪与曝光，形成长短曝光相结合的单帧多曝光粒子轨迹图像以判断轨迹运动方向。对于单个轨迹图片，可针对不同的轨迹形状，如直线型或曲线型，分别通过直线型或圆周型等相应轨迹形状的灰度曲面拟合方法得到轨迹端点位置。
在灰度曲面拟合时考虑到粒子可能存在垂直于成像面方向的深度位移，即轨迹图像存在沿长度方向不同程度的离焦模糊，以直线型轨迹为例，如图1所示灰度拟合示意图，此时模糊度σ值沿轨迹长度l产生变化，建立σ随l变化的模型(如拟合为线性关系或三角函数关系)，通过曲面拟合可以获得图片灰度总和A、轨迹长度l、轨迹角度θ、质心坐标(x0,y0)、模糊度σ及其变化等参数等，进一步由公式(1)、(2)得到特征端点坐标：
(x1,y1)＝(x0-l/2·cosθ,y0+l/2·sinθ) (1)
(x2,y2)＝(x0+l/2·cosθ,y0-l/2·sinθ) (2)
已知轨迹特征端点后结合短曝光点对流场方向进行判断；并通过极线约束匹配相同轨迹特征端点，而后进行三维重构获取其三维坐标。由此进一步计算出流场中示踪粒子实际三维运动轨迹长度L。已知设定的光源脉冲时间为t1、间隔时间(前个脉冲与后个脉冲的间隔)为t2，通过下式可获得流场的三维速度V 及加速度a：
Figure RE-GDA0002928710430000041
其中，L1为前一个脉冲时间下粒子的轨迹长度；L2为后一个脉冲时间下粒子的轨迹长度；V1为前一个脉冲时间下粒子的平均速度；V2为后一个脉冲时间下粒子的平均速度；a为两个脉冲时间段内的平均加速度。
考虑上述问题，结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置，如图2所示，装置由光源1(激光、LED背光光源)、双相机2(两个CCD或CMOS相机)、双镜头3、信号发生器4和计算机5组成。光源1照明待测流场，每个镜头和相机分别对应固定相连，构建后的两组镜头和相机成一定角度布置，能同时观察到被测流场。信号发生器4为光源提供频闪信号，实现长短曝光结合的单帧多曝光功能，同时为双相机2及光源1提供同步触发信号。双相机2拍摄流场图像送计算机5，从而获取双目视觉系统、两个不同视角下的单帧多曝光图像6、 7，其明显存在离焦模糊现象。采用灰度拟合获取两个视角下轨迹各端点8，结合短曝光点9的位置判断流动方向；通过双目极线匹配及三维重构获取世界坐标系下轨迹端点10，由此计算得运动轨迹长度，进一步计算得三维流动速度及加速度。
一种结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速的三维流场测量方法，其特征在于，该测量方法步骤为：
1、测量前首先对测量装置采用标定板进行标定，可采用棋盘格标定板作为测量对象，获得装置在已知被测对象下，双相机2、双镜头3的内外参数以及畸变系数；
2、采用光源1照明待测流场，调节光源位置，使用信号发生器4为光源1 提供频闪信号(频闪信号为了得到包括短曝光点9在内的，所有曝光轨迹。信号发生器用来产生触发信号的时间序列，以控制光源在一定的长或短的时间发光)，根据流速调节脉冲时间和间隔，实现单帧多曝光功能；
3、使用信号发生器4控制光源1及双相机2同步，调节双相机曝光时间，并对待测流场进行拍摄，将获取的图像输入计算机5；
4、在计算机5上对获取的图像进行预处理，根据步骤1所获得的数据对获取的图像进行误差处理，包括图像背景去除及图像畸变校正；
5、通过图像匹配识别同一颗粒的不同时刻轨迹，并对单个轨迹图像进行灰度曲面拟合，获得相应轨迹特征参数，通过公式(1)、(2)获取同一颗粒轨迹的特征端点；
如图2所示，图中图片6和7为同时刻由双相机2获取的随机任意一颗粒状8的两条轨迹图像示意图，其实任何一段较长的轨迹都有起始和终止两个端点，其2维投影的坐标即由公式(1)和(2)获得。图片种任意段灰度图像进行拟合，可以拟合出两个特征端点，同时也拟合出轨迹角度θ，轨迹长度l；图片6有一个短曝光点9和两条长轨迹，两条长轨迹就有4个端点；单帧多曝光图像7中也有短曝光点和两条长轨迹，两条长轨迹也有4个端点。这4个端点通过拟合分别在二维中被确定，在被测三维空间中4个端点两两对应为同一点。
6、单个轨迹的两个特征端点再结合短曝光点对流场运动方向进行判断，并由此对同一颗粒轨迹端点的按时间排序；
7、对双相机采集的两组图像的特征端点进行极线约束匹配，而后进行同一颗粒三维重构获取其三维世界坐标；
8、已知示踪粒子的三维世界坐标，进一步计算出其实际运动轨迹长度L，结合公式(3)求得流场三维速度及加速度。
如图3实施例，光源1采用激光片光，光源1至于待测流场正上方，对激光器采用频闪控制；该放置方式可以通过片光厚度较好的调节测量深度范围。
如图4实施例中光源11采用LED进行背光照明，获取粒子的投影成像，可用于需要对粒子粒径进行同时测量的场合。
本发明采用双目视觉与单帧多曝光相结合，通过长短曝光组合和同步控制获取速度方向信息；然后采用轨迹图像灰度曲面拟合准确地识别存在混合模糊粒子轨迹图像的特征点，提高识别精度；基于多曝光的粒子轨迹测速方法能够提供更多约束，更好地处理双目匹配的问题，不限于本实施例所述。

Claims (4)

1.一种结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置，其特征在于，包括光源、双相机、双镜头、信号发生器和计算机；
光源照明待测流场，双镜头和双相机分别一一对应固定相连，构建后的两组镜头和相机成固定角度布置，两组镜头同时观察到被测流场；信号发生器为光源提供频闪信号，实现长短曝光结合的单帧多曝光，信号发生器为双相机及光源提供同步触发信号；双相机拍摄流场图像送计算机，计算机获取双目视觉系统、两个不同视角下的单帧多曝光图像，计算机被测流场粒子三维流动速度及加速度。
2.根据权利要求1所述结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置，其特征在于，所述光源采用激光片光，通过片光厚度调节测量深度范围。
3.根据权利要求1所述结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置，其特征在于，所述光源采用LED进行背光照明，获取粒子的投影成像，用于对粒子粒径进行同时测量。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述结合混合模糊和双目成像的粒子轨迹测速装置的测速方法，具体包括如下步骤：
1)测量前首先对测量装置采用标定板进行标定，获得装置在已知被测对象下，双相机、双镜头的内外参数以及畸变系数；
2)采用光源照明待测流场，调节光源位置，使用信号发生器为光源1提供频闪信号，根据流速调节脉冲时间和间隔，实现单帧多曝光功能；
3)使用信号发生器控制光源及双相机同步，调节双相机曝光时间，并对待测流场进行拍摄，将获取的图像输入计算机；
4)在计算机上对获取的图像进行预处理，根据步骤1)所获得的数据对获取的图像进行误差处理，包括图像背景去除及图像畸变校正；
5)通过对双相机获取的图像匹配识别，分别在双相机所送图像中获取同一颗粒的不同时刻轨迹，并对所有单个轨迹图像进行灰度曲面拟合，每个单个轨迹图像可拟合获取同一颗粒此单个轨迹的两个特征端点，获得双相机所送图像所有轨迹特征参数；
6)单个轨迹的两个特征端点再结合短曝光点对流场运动方向进行判断，并对同一颗粒轨迹端点的按时间排序；
7)对双相机采集的两组图像的特征端点进行极线约束匹配，而后进行同一颗粒三维重构获取其三维世界坐标；
8)已知示踪粒子的三维世界坐标，以及颗粒随时间的运动轨迹，可求得颗粒流场三维速度及加速度。
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