CN115267251A - 体视粒子图像测速方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提出一种体视粒子图像测速方法，包括：获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系；根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像；根据所述投影图像确定激光平面上的多个位置点，并根据所述多个位置点拟合出激光平面；基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。本公开通过所述左右相机拍摄的粒子图像计算出所述激光平面上的三维速度分量，可以校正激光平面与标定板存在任意方向的转动和平动。
Description
技术领域
本公开涉及粒子图像技术领域，尤其涉及一种体视粒子图像测速方法及装置。
背景技术
体视粒子图像测速(StereoscopicParticle Image Velocimetry，SPIV)利用两个相机从两个不同的视角同时记录同一区域示踪粒子的运动，进而重构出激光平面上三维的速度分量。对于SPIV，一个很重要的步骤是将两台相机拍摄的图片反演到空间的同一区域，因此标定时将标定板放在激光平面上，使用两台相机拍摄标定板的图像，根据相机的投影关系确定相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，即标定参数。
目前，比较常用的标定方法有直线线性标定法、Tsai标定法和Zhang平面标定法，利用这些标定方法可以找出像素点与实际空间位置之间的转换关系。若激光平面与标定板所在的平面完全重合，则可使用标定参数直接将图像反演到激光平面上。但在实际的实验中，无法保证这两个平面完全重合，直接利用标定算法将图像反演后是在标定板平面上，而非激光平面上，若不进行修正，计算所得的三维速度场是错误的。
为校正标定平面和激光平面不重合的问题，目前提出了视差向量法，然而，视差向量法仅考虑了标定平面相对于激光平面有一个方向的位移和转动。在实际的实验中，另外两个方向的位移和转动也是存在的，目前的视差向量法无法对另外两个方向的误差进行校正。
发明内容
本公开提出一种体视粒子图像测速方法，涉及激光平面校正的方法。该方法包括：
获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，所述左右相机的坐标变换关系由左右相机拍摄的标定板的图像分别获取的；
根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像，所述两个参考平面位于激光平面的预定范围内，相互平行；
根据所述投影图像确定激光平面上的多个位置点，并根据所述多个位置点拟合出激光平面；
基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。
可选的，所述根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像包括：
根据所述坐标变换关系，基于中心投影的方式，将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像中的所有像素点分别反投影到所述两个参考平面上，得到所述示踪粒子图像上每个像素点的投影点；
利用双线性插值方法，将所述两个参考平面上的所述投影点的灰度值分别进行插值处理，得到所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像在所述两个参考平面上对应的投影图像。
可选的，根据所述投影图像确定激光平面的位置点包括：
根据所述坐标变换关系获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与第一网格点对应的第二网格点；
根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上网格点的第一位置差和第二位置差；
根据几何关系，对所述第一位置差、第二位置差以及所述第一网格点和所述第二网格点进行几何计算确定激光平面上的一个位置点。
可选的，所述根据所述坐标变换关系获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与所述第一网格点对应的第二网格点包括：
从所述两个参考平面中选取一个参考平面作为第一参考平面；
按照预定像素区域、以及预定重叠参数在所述第一参考平面上生成第一网格点；
根据左相机或右相机的中心点和所述第一网格点的连线与第二参考平面的交点确定第二参考平面上与第一网格点对应的第二网格点。
可选的，所述根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上投影的第一位置差和第二位置差包括：
采用互相关算法对左右相机在所述第一网格点附近的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第一参考平面上投影的第一位置差；
采用互相关算法对左右相机在所述第二网格点附件的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第二参考平面上投影的第二位置差。
可选的，基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量包括：
将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像反投影至所述激光平面上；
将所述左右相机当前时刻在激光平面上的投影图像和下一时刻在所述激光平面上的投影图像作互相关，得到所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场；
根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量。
可选的，根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量包括：
通过标准互相关算法计算的左右相机视角下真实速度场以相机法线方向矢量在激光平面上投影的速度场；
通过所述左右相机投影的速度场和坐标变换关系计算三维速度矢量；
通过速度在垂直于左右相机轴向所构成的平面法向上的分量一致性来验证计算的速度场的合理性。
根据本公开的第二方面，提供一种体视粒子图像测速装置，包括：
标定单元，用于获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，所述左右相机坐标变换关系由左右相机拍摄的标定板的图像分别获取；
反投影单元，用于根据所述变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像，所述两个参考平面位于激光平面的预定范围内，相互平行；
确定单元，用于根据所述投影图像确定激光平面上的多个位置点；
拟合单元，用于根据所述多个位置点拟合出激光平面；
重构单元，用于基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。
根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行前述第一方面或第二方面的方法。
根据本公开的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行前述第一方面或第二方面的方法。
根据本公开的第五方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现如前述第一方面或第二方面的方法。
根据本公开的实施例，在激光平面的预定范围内选取两个相互平行的参考平面，根据所述变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上得到投影图像，根据所述投影图像确定激光平面的位置，并拟合出激光平面，基于所述激光平面重构出所述激光平面上的三维速度分量。本公开中激光平面的确定，可以校正激光平面和标定平面存在任意方向的转动和平动。并且该激光平面的确定，通过左右两个相机拍摄的示踪粒子图像就可以确定，不需要增加额外的实验数据，使得实验效率较高。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1为本公开实施例提供的一种体视粒子图像测速方法的流程图；
图2为本公开实施例提供的一种根据所述变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上得到投影图像的方法流程示意图；
图3为本公开实施例提供的一种SPIV激光平面自标定方法示意图；
图4为本公开实施例提供的一种根据所述投影图像确定激光平面的位置的方法流程示意图；
图5为本公开实施例提供的一种基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量的方法流程示意图；
图6为本公开实施例提供的一种重构三维速度的示意图；
图7为本公开实施例提供的一种体视粒子图像测速装置的结构示意图；
图8为本公开实施例提供的示例电子设备的示意框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
下面参考附图描述本公开实施例的体视粒子图像测速方法及装置。
粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)是一种流体显示光学成像的方法。其主要思想是利用激光照亮流场中的示踪颗粒，采用高速摄像的方法对其运动进行记录，结合图像处理技术实现全场实时、瞬态定量测量，可同时测量流场多个空间点上的速度矢量。根据PIV测量的是一个平面的流体在该平面上的速度或者是一个平面内流体的空间三维速度或者一个三维空间内流体的三维速度，可以将其分为平面PIV(PlanarPIV,2D2C)，体视PIV(Stereo-PIV，2D3C)或者全息PIV(Tomo-PIV，3D3C)。传统的平面PIV技术是使用一个厚度约为1毫米的激光片光源来照亮流体中可跟随流体运动的示踪颗粒，通过单个相机记录两个相隔一定时间内示踪颗粒的位置，实现激光照亮的二维平面上的二维速度测量(通常用2D2C表示)。
体视粒子图像测速(StereoscopicParticle Image Velocimetry，SPIV)利用两个相机从两个不同的视角同时记录同一区域颗粒的运动，进而重构出激光平面上3维的速度分量(通常用2D3C表示)。其中包括垂直于平面的速度分量，这是传统的PIV技术无法测量的速度分量。这种2D3C的测量方法可以获得流场真实的三维速度，因此在较为复杂的流动中有广阔的应用前景。
而对于SPIV，一个很重要的步骤是将两台相机拍摄的图片反演到空间的同一区域，因此标定时将标定板放在激光平面上，使用两台相机同时拍摄标定板的图片，根据相机的投影关系确定标定参数。比较常用的标定方法有直线线性标定法、Tsai标定法和Zhang平面标定法，利用这些标定方法可以确定像素点与实际空间位置之间的坐标转换关系。若激光平面与标定板所在的平面完全重合，则可以使用标定参数直接将图像反演到空间位置上。但在实际的实验中，无法保证这两个平面完全重合，直接利用标定算法将图像反演后是在标定板平面上，而非激光平面上，若不进行修正，计算所得的三维速度场是错误的。因此，准确地确定实际的激光平面的位置对于校正SPIV标定过程中由于标定板平面和激光平面不重合带来的误差有着十分重要的意义。
为校正标定平面和激光平面不重合的问题，目前提出了视差向量法(disparityvector scheme)，这个方法是将两个相机同一时刻拍摄的原始图像映射到标定平面上，然后利用互相关算法计算的偏差矢量，进而计算出激光平面在三维空间坐标系下的位置。然而，视差向量法仅考虑了标定平面相对于激光平面有一个方向的位移和转动。在实际的实验中，另外两个方向的转动也是存在的，因此视差向量法将不再适用。
为了解决上述技术问题，发明人经过长期研究，提出了一种体视粒子图像测速方法及装置，在激光平面的预定范围内选取两个相互平行的参考平面，根据所述变换关系将所述左右相机在同一时刻拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上得到投影图像，根据所述投影图像确定激光平面的位置，并拟合出激光平面，基于所述激光平面重构出所述激光平面上的三维速度分量，可以校正任意方向的转动和平动。并且该激光平面的确定，通过左右两个相机拍摄的示踪粒子图像就可以确定，不需要增加额外的实验数据，使得实验效率较高。
下结合附图详细描述实现本公开提出的体视粒子图像测速方法及系统。
图1为本公开实施例提供的一种体视粒子图像测速方法的流程示意图。如图1所示，该方法包含以下步骤：
101、获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，所述左右相机的坐标变换关系由左右相机拍摄的标定板的图像分别获取。
在通过左右相机拍摄标定板和示踪粒子图像之前，需要调节好激光片光源和相机视角。
其中，该标定板用于确定所有相机的空间坐标位置，具体将标定板放入，使标定板所在平面尽可能与激光平面重合，用两个相机同时拍摄标定板的图像。利用Tsai方法和拍摄的标定板图像计算两个相机与实际空间坐标空间的旋转矩阵和平移向量以及相机的内参数，确定左右相机拍摄的图像与实际空间位置的坐标变换关系。
102、根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像，所述两个参考平面位于激光平面的预定范围内，相互平行。
在空间上选取两个参考平面，将所述两个相机同一时刻拍摄的示踪粒子图像映射到选取的两个参考平面上，该两个参考平面采用原点和法线方向定义。该两个参考平面尽量位于激光平面的预定范围内，参考平面与激光平面一般不完全重合。
103、根据所述投影图像确定激光平面上的多个位置点，并根据所述多个位置点拟合出激光平面。
两个相机投影到同一平面上的粒子有一个位移，两个平面上的位移矢量是平行的。根据两个平面上的位移矢量可以计算出实际示踪粒子所在的位置，利用这些示踪粒子所在的位置可以拟合出激光平面。其中，根据所述投影图像确定可以确定出多个位于激光平面上的点，然后使用随机抽样一致算法拟合激光平面，可以得到激光平面的位置和法线方向。
104、基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。
将相机拍摄的示踪粒子图像投影到激光平面上的规则网格上，进而采用PIV的方法计算每一个相机视角下的速度矢量，最后重构出激光平面上的三维速度场。
因此，根据本公开的实施例，在激光平面的预定范围内选取两个相互平行的参考平面，根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上得到投影图像，根据所述投影图像确定激光平面的位置，并拟合出激光平面，基于所述激光平面重构出所述激光平面上的三维速度分量。本公开中激光平面的确定，可以校正激光平面和标定平面存在任意方向的转动和平动。并且该激光平面的确定，通过左右两个相机拍摄的示踪粒子图像就可以确定，不需要增加额外的实验数据，使得实验效率较高。
进一步的，本公开的实施例在根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上得到投影图像时，可以采用但不局限于以下的方式实现，该方式如图2所示，该方法包括：
201、根据所述坐标变换关系，基于中心投影的方式，将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像中的所有像素点分别投影到所述两个参考平面上，得到所述示踪粒子图像上每个像素点的投影点。
具体的，如图3所示，图3为PIV激光平面自标定方法示意图，该图中有参考平面1，参考平面2，激光片光源即图中标灰色的部分，左右相机。其中左右相机的中心点分别为Ol,Or。该参考平面1和参考平面2采用原点和法线方向定义(O1,n1),(O2,n2)。本公开在进行投影的时候，采用中心投影的方式进行。如图3所示，在测量区域内，示踪粒子被激光片光源(图中灰色平面部分)照亮，假设Q和P分别是两个示踪粒子，通过左右相机的拍摄，在左右相机的像平面上成像，Q点在左右相机拍摄的示踪粒子图像中的成像点分别为
P点同理。此后上标*l,*r分别表示对应于左、右相机的变量，下标*1,*2分别表示对应于参考平面1、2的变量。若将左相机拍摄图像上的像素点
映射到参考平面1上，则等价于求直线
与参考平面1的交点。具体的通过如下的投影关系获得该交点的坐标，该坐标的计算可以通过但不局限于以下的方式实现，包括：
其中，
是
映射到参考平面1上的坐标，
是左相机的光学中心Ol的实际空间坐标，XO,1是参考平面1的原点O1坐标，
是Q点在左相机上投影的像素坐标。由以上的公式，若已知相机的光学中心位置，可以将相机拍摄的示踪粒子图像上的任意像素点投影到任意平面上。
202、利用双线性插值方法，将所述两个参考平面上的所述投影点的灰度值分别进行插值处理，得到所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像在所述两个参考平面上对应的投影图像。
一般来说，对于SPIV，从相机拍摄的示踪粒子图像中的像素点反投影到某一平面上的投影点不是规则的网格点，因此在将相机拍摄的示踪粒子图像中的像素点反投影到某一参考平面上形成投影点之后，需要用双线性插值的方法，对参考平面上的投影点进行双线性插值处理，得到规则网格点上的灰度值。用这种方法可以将左右相机拍摄到的示踪粒子图像分别投影在参考平面1、参考平面2上。
进一步的，本公开的实施例在根据所述投影图像确定激光平面的多个位置点时，可以采用但不局限于以下的方法实现，如图4所示，该方法包括：
301、根据所述坐标变换关系获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与第一网格点对应的第二网格点。
302、根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上网格点的第一位置差和第二位置差。
由于参考平面与激光平面不完全重合，因此两个相机拍摄同一时刻的示踪粒子图像投影到同一参考平面上的示踪粒子图像的投影有一个位移，而两个参考平面上的位移矢量是平行的。根据两个参考平面上的位移可以计算出实际示踪粒子所在的位置，利用这些示踪粒子所在的位置可以拟合出激光平面。
本公开的实施例在根据所述投影图像确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上投影的第一位置差和第二位置差时，可以采用但不局限于以下的方式实现，该方式包括以下步骤：
1、从所述两个参考平面中选取一个参考平面作为第一参考平面。
本公开的实施例中，可以从所述参考平面中选取任一个参考平面。如图3所示，本公开可以选取参考平面1为第一参考平面，具体的不限制，也可以选取参考平面2为第一参考平面。
2、按照预定像素比例、以及预定重叠参数在所述第一参考平面上生成第一网格点。
本公开的实施例中位置差使用互相关算法进行，在使用互相关算法时，需要选取网格点附近一定大小的区域作为分析窗口，本公开的实施例中对第一参考平面上的投影点进行规格网格划时，可以按照预定的像素比例进行，该像素比例与分析窗口的比例一致，例如128x128，具体的不做限制，也可以是其他的像素比例。该处的重叠参数可以为0.95的PIV的网格划分时的重叠参数一致，具体的本公开的实施例对此也不限制。在具体实施本公开的实施例时，可以通过第一参考平面上的网格点附近的左右相机拍摄图像反投影到第一参考平面的图像来计算第一位置差。如图3所示，选取网格点Q通过左相机拍摄的图像点
其坐标为
在第一参考平面上的投影坐标
其中
为第一网格点的坐标，也即第一位置差的起始坐标，通过互相关算法计算第一位置差
3、根据左相机或者右相机的中心点和所述第一网格点的连线与第二参考平面的交点确定第二参考平面上与所述第一网格点对应的第二网格点。
本公开的实施例中，利用左相机或右相机中心与参考平面1上的第一网格点的连线确定参考平面2上与所述第一网格点对应的第二网格点。本公开以左相机为例，如图3所示，左相机中心Ol，左相机在参考平面1上的投影网格点
进行连线，得到射线
与参考平面2的交点
该点的坐标
为第二网格点的坐标，也即第二位置差的起始坐标，通过互相关算法计算第二位置差
4、采用互相关算法对左右相机在所述第一网格点附近的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第一参考平面上的第一位置差；并且采用互相关算法对左右相机在所述第二网格点附件的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第二参考平面上的第二位置差。
在采用互相关算法时，以网格点为中心，计算一定范围的第一网格点在参考平面1上的第一位置差，以及第二网格点在所述参考平面2上的第二位置差。第一位置差为：
第二位置差为：
303、根据几何关系，对所述第一位置差、第二位置差以及所述第一网格点和所述第二网格点进行几何计算确定激光平面上的一个位置点。
本公开的实施例中，由于选择的两个参考平面互相平行的，容易证明两个相交的射线
和
与两个参考平面的交线Δ1,Δ2也是平行的。因此图3中的三角形Q,
与三角形Q,
是相似三角形，若已知
和位置差
根据几何关系计算得到两个相交的射线
和
的交点坐标XQ，该坐标的计算方法可以采用但不局限于一下的方法实现，该方法包括：
其中，α为比例系数
本公开的实施例中，确定激光平面上的多个位置点均可以采用上述的方法实现，其他点的具体执行步骤，本公开的实施例此处将不再赘述。
进一步的，本公开的实施例在基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量包括时，如图5所示，可以采用但不局限于以下的方法实现，该方法包括：
401、将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像反投影至所述激光平面上。
本公开的实施例中，将所述左右两个相机的示踪粒子图像投影到所述激光平面上，可以采用但不局限于图2步骤201-202中描述的具体方法，本公开的实施例该处将不再赘述。
402、将所述左右相机当前时刻在激光平面上的投影图像和下一时刻在所述激光平面上的投影图像作互相关，得到所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场。
具体的如图6所示，分别用左右相机当前时刻在激光平面上的投影图像和下一时刻在所述激光平面上的投影图像作互相关，可以得到所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场为ucl，ucr。
403、根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量。
本公开的实施例在根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量时，可以使用但不局限于以下的方法实现，该方法包括：
通过标准互相关算法计算的左右相机视角下真实速度场以相机法线方向矢量ucl和ucr。
具体的，如图6所示，在计算得到左右相机视角下速度场在激光平面投影的速度场ucl，ucr后，根据标定得到的相机的几何参数ncl，ncr，重构出三维速度场。实际的三维速度u可以用左右相机法线方向的分量ul，ur及其垂直方向的分量(u·nl)nl，(u·nr)nr之和表示，
u＝ul+(u·nl)nl
＝ur+(u·nr)nr
其中各个分量由下式计算：
ul＝ucl+(ucl·nl)nl
ur＝ucr+(ucr·nr)nr
其中
综上所述，根据本公开的实施例，在激光平面的预定范围内选取两个相互平行的参考平面，根据所述变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上得到投影图像，根据所述投影图像确定激光平面的位置，并拟合出激光平面，基于所述激光平面重构出所述激光平面上的三维速度分量。本公开中激光平面的确定，可以校正激光平面和标定平面存在任意方向的转动和平动。并且该方法是通过左右两个相机拍摄的示踪粒子图像就可以确定，不需要增加额外的实验数据，使得实验效率较高。
本公开的实施例中，在重构三维速度中，每个相机图像上计算得到的速分量有2个自由度，而空间的三维速度是3个自由度，因此，通过两个相机的图像计算的速度分量有一个分量是重复的。速度在垂直于nl和nr所构成的平面的方向上的分量应该一致，可以使用这个分量来验证计算的速度场的合理性。
与上述的体视粒子图像测速方法相对应，本公开的实施例还提出一种体视粒子图像测速装置。图7为本公开实施例提供的一种体视粒子图像测速装置500的结构示意图。如图7所示，包括：
标定单元501，用于获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，所述左右相机的坐标变换关系由左右相机拍摄的标定板的图像分别获取。
反投影单元502，用于根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像，所述两个参考平面位于激光平面的预定范围内，相互平行。
确定单元503，用于根据所述投影图像确定激光平面的上的多个位置点。
拟合单元504，用于根据所述多个位置点拟合出激光平面。
重构单元505，用于基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。
在一些实施例中，所述反投影单元502用于根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像包括：
根据所述坐标变换关系，基于中心投影的方式，将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像中的所有像素点分别反投影到所述两个参考平面上，得到所述示踪粒子图像上每个像素点的投影点；
利用双线性插值方法，将所述两个参考平面上的所述投影点的灰度值分别进行插值处理，得到所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像在所述两个参考平面上对应的投影图像。
在一些实施例中，确定单元503根据所述投影图像确定激光平面的位置点包括：
根据所述投影图像获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与所述第一网格点对应的第二网格点；
根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上网格点的第一位置差和第二位置差；
根据几何关系，对所述第一位置差、第二位置差以及所述第一网格点和所述第二网格点进行几何计算确定激光平面上的一个位置点。
在一些实施例中，所述根据所述投影图像获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与所述第一网格点对应的第二网格点包括：
从所述两个参考平面中选取一个参考平面作为第一参考平面；
按照预定像素区域、以及预定重叠参数在所述第一参考平面上生成第一网格点；
根据左相机或右相机的中心点和所述第一网格点的连线与第二参考平面的交点确定第二参考平面上对应的第二网格点。
在一些实施例中，所述根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上投影的第一位置差和第二位置差包括：
采用互相关算法对左右相机在所述第一网格点附件的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第一参考平面上投影的第一位置差；
采用互相关算法对左右相机在所述第二网格点附件的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第二参考平面上投影的第二位置差。
在一些实施例中，重构单元505基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量包括：
将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像反投影至所述激光平面上；
将所述左右相机当前时刻在激光平面上的投影图像和下一时刻在所述激光平面上的投影图像作互相关，得到所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场；
根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量。
在一些实施例中，根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量包括：
通过标准互相关算法计算的左右相机视角下真实速度场以相机法线方向矢量在激光平面内的投影的速度场ucl和ucr。
通过所诉左右相机投影的速度场和坐标变换关系计算三维速度矢量；
通过速度场在垂直于左右相机轴向所构成的平面法向上的分量一致性来验证计算的速度场的合理性。
需要说明的是，由于本公开的装置实施例与上述的方法实施例相对应，前述对方法实施例的解释说明，也适用于本公开的装置，原理相同，对于装置实施例中未披露的细节可参照上述的方法实施例，本公开中不再进行赘述。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图8示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备600的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图8所示，设备600包括计算单元601，其可以根据存储在ROM(Read-OnlyMemory，只读存储器)602中的计算机程序或者从存储单元608加载到RAM(Random AccessMemory，随机访问/存取存储器)603中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM603中，还可存储设备600操作所需的各种程序和数据。计算单元601、ROM 602以及RAM603通过总线604彼此相连。I/O(Input/Output，输入/输出)接口605也连接至总线604。
设备600中的多个部件连接至I/O接口605，包括：输入单元606，例如键盘、鼠标等；输出单元607，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元608，例如磁盘、光盘等；以及通信单元609，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元609允许设备600通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
计算单元601可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元601的一些示例包括但不限于CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)、GPU(Graphic Processing Units，图形处理单元)、各种专用的AI(Artificial Intelligence，人工智能)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元601执行上文所描述的各个方法和处理，例如用于管理体视粒子图像测速方法。例如，在一些实施例中，用于管理安全座椅的方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元608。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 602和/或通信单元609而被载入和/或安装到设备600上。当计算机程序加载到RAM 603并由计算单元601执行时，可以执行上文描述的方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元601可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行前述用于管理体视粒子图像测速方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、ASIC(Application-Specific Integrated Circuit，专用集成电路)、ASSP(Application Specific StandardProduct，专用标准产品)、SOC(System On Chip，芯片上系统的系统)、CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，复杂可编程逻辑设备)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、RAM、ROM、EPROM(Electrically Programmable Read-Only-Memory，可擦除可编程只读存储器)或快闪存储器、光纤、CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory，便捷式紧凑盘只读存储器)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(Cathode-Ray Tube，阴极射线管)或者LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：LAN(LocalArea Network，局域网)、WAN(Wide Area Network，广域网)、互联网和区块链网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务("Virtual Private Server"，或简称"VPS")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
其中，需要说明的是，人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为(如学习、推理、思考、规划等)的学科，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能硬件技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理等技术；人工智能软件技术主要包括计算机视觉技术、语音识别技术、自然语言处理技术以及机器学习/深度学习、大数据处理技术、知识图谱技术等几大方向。
需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应当理解，本公开中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。
如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
其中，在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本公开实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
本公开中使用的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作，可以使用所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
以上描述仅为本公开的实施例以及对所运用技术原理的说明，并不用于限制本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种体视粒子图像测速方法，其特征在于，包括：
获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，所述左右相机的坐标变换关系由左右相机拍摄的标定板的图像分别获取；
根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像，所述两个参考平面位于激光平面的预定范围内，相互平行；
根据所述投影图像确定激光平面上的多个位置点，并根据所述多个位置点拟合出激光平面；
基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像包括：
根据所述坐标变换关系，基于中心投影的方式，将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像中的所有像素点分别反投影到所述两个参考平面上，得到所述示踪粒子图像上每个像素点的投影点；
利用双线性插值方法，将所述两个参考平面上的所述投影点的灰度值分别进行插值处理，得到所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像在所述两个参考平面上对应的投影图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述投影图像确定激光平面上的位置点包括：
根据所述坐标变换关系获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与所述第一网格点对应的第二网格点；
根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上网格点的第一位置差和第二位置差；
根据几何关系，对所述第一位置差、第二位置差以及所述第一网格点和所述第二网格点进行几何计算确定激光平面上的一个位置点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述坐标变换关系获取第一参考平面上的第一网格点以及第二参考平面上与所述第一网格点对应的第二网格点包括：
从所述两个参考平面中选取一个参考平面作为第一参考平面；
按照预定像素区域、以及预定重叠参数在所述第一参考平面上生成第一网格点；
根据左相机或右相机的中心点和所述第一网格点的连线与第二参考平面的交点确定第二参考平面上与第一网格点对应的第二网格点。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一网格点、所述第二网格点确定所述左右相机拍摄的示踪粒子图像分别在所述两个参考平面上投影的第一位置差和第二位置差包括：
采用互相关算法对左右相机在所述第一网格点附近的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第一参考平面上投影的第一位置差；
采用互相关算法对左右相机在所述第二网格点附近的图像周围限定区域的分析窗口做互相关计算，得到所述左右相机拍摄的示踪粒子图像在所述第二参考平面上投影的第二位置差。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量包括：
将所述左右两个相机拍摄的示踪粒子图像反投影至所述激光平面上；
将所述左右相机当前时刻在激光平面上的投影图像和下一时刻在所述激光平面上的投影图像作互相关，得到所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场；
根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述左右相机视角下真实速度场以相机法线方向在激光平面上投影的速度场计算重构所述激光平面上的三维速度分量包括：
通过标准互相关算法计算的左右相机视角下真实速度场以相机法线方向矢量在激光平面上投影的速度场；
通过所述左右相机投影的速度场和坐标变换关系计算三维速度矢量；
通过速度场在垂直于左右相机轴向所构成的平面法向上的分量一致性来验证计算的速度场的合理性。
8.一种体视粒子图像测速装置，其特征在于，包括：
标定单元，用于获取左右相机坐标系与实际空间坐标系的坐标变换关系，所述左右相机的坐标变换关系由左右相机拍摄的标定板的图像分别获取的；
反投影单元，用于根据所述坐标变换关系将所述左右相机在同一时间拍摄的示踪粒子图像分别反投影到两个参考平面上并进行二维插值得到投影图像，所述两个参考平面位于激光平面的预定范围内，相互平行；
确定单元，用于根据所述投影图像确定激光平面上的多个位置点；
拟合单元，用于根据多个所述位置点拟合出激光平面；
重构单元，用于基于所述激光平面重构所述激光平面上的三维速度分量。
9.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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