一种流体表面二维流速场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种流体表面二维流速场测量方法。针对现有技术中测量运动流体表面二维流速场的方法存在不适用于野外流体表面场测量、任意角度拍摄影像测量、表面矢量流速场测量的缺陷，本发明专利技术提供了一种流体表面二维流速场测量方法。本方法利用光流算法实现在较大程度减少计算量的情况下获得像素级别的流动表面二维流速场图。在此基础上，本发明专利技术方法利用伪矩形图像透视投影变换方法，实现对从迎流体运动方向上任意角度捕捉流体运动影像进行图像分析与表面流速场测量。本发明专利技术还提供了一种运动流体图像透视投影变换计算方法。本发明专利技术方法原理可靠，计算过程科学简便，实施仪器简单，安装方便，测算结果精度高。尤其能够应用于泥石流表面二维流速测量。

【技术实现步骤摘要】
一种流体表面二维流速场测量方法
本专利技术涉及一种流体运动特征测量方法，特别是涉及一种流体表面二维流速场的非接触式测量方法，属于水利工程、测量

技术介绍
流体的表面流速场是流体表面的速度分布特征，是描述流体运动、运行特征的重要物理量。流体表面二维流速场具有非定常特性，是一种复杂而又普遍地反映自然本质的物理过程。流体力学中许多疑难问题的突破都取决于流速场测试技术的进展。泥石流是一种特殊流体。在其相关研究试验中，泥石流流速的分布和计算是泥石流运动力学研究的核心问题之一，泥石流流速场也是各类泥石流防治工程设计中的核心参数。作为一种复杂的多相非牛顿体，无论是在野外原型观测条件下还是室内实验条件下，泥石流表面二维流速场的测量，特别是精度测量，都存在较多困难。再加之泥石流运动时产生的强破坏力，使得泥石流表面二维流速场的测量愈加困难。目前，泥石流表面二维流速场研究主要采用数值模拟进行，尚无能对泥石流表面二维流速场进行精确测量的方法。现有技术中用于测量流体表面流速的方法主要有三种，分别是粒子图像测速技术(PIV,particleimagevelocimetry)、基于网格对象跟踪的测量技术、基于多普勒效应的电磁波测量技术。粒子图像测速技术是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，并且成为主流的流体表面流速场测量方法。该技术缺陷主要在于两点：一是必须在流体中掺入密度与流体相当并具有很好的跟随性的示踪粒子，通过追踪示踪粒子来测得流速场。这在许多实际场景中是不可能实现的，比如在沟道中实际运动的泥石流。二是PIV设备多限于实验室内部，流体规模很小，成像设备视角狭窄，无法胜任野外流体表面场的测量。三是PIV实验无法满足泥石流试验的需求，泥石流流体为浑浊的流体，泥浆包裹着示踪粒子，无法通过图像设备来追踪示踪粒子的运动轨迹。基于网格对象跟踪的实时流体表面速度测量方法是由网络摄像头、路由器和计算机组成的监测系统中，采用图像输入和网格化，网格对像跟踪，实现实时流体速度的监测。该技术缺陷主要在于两点：一是跟踪对象是一个个的网格对象，无法对每个像素进行跟踪，从而无法得到像素级的流速场图。二是该方法需要相机从运行流体上方正对着下方才能得到比较精确的速度，如果相机从别的角度拍摄流体就无法实施其技术。而在实际场景中很难达到从流体正上方往下拍摄这样苛刻的条件。基于多普勒效应的电磁波测量方法主要利用多普勒效应(DopplerEffect)，即移动物体对所接收的电磁波有频移效应的原理，通过借由频率的改变数值计算出目标与雷达的相对速度，进而得出被测物体的运动速度。该方法可用于测量流体表面流速值，但同样存在两点技术缺陷：一是电磁波发射器或雷达发射器价格昂贵，不可能在野外条件下大量安装使用，因此方法不适用于推广使用。二是该方法仅能测量出一个点或者多个点的表面速度值，不能测量出流体表面的矢量流速场。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种测量流体表面二维流速场的方法。该方法通过对从迎流体运动方向上的任意角度捕捉的流体运动视频进行图像分析，可以实现对运动中流体表面流速场的精确测量。为实现上述目的，本专利技术首先提供一种利用正投影拍摄图像测量运动流体表面流速场的方法，其技术方案如下：一种流体表面二维流速场测量方法，其特征在于：依以下步骤实施：步骤S1、流体运动影像获取及初始化处理步骤S11、现场设备安装在运动流体测量现场安装数字拍摄设备，使拍摄镜头自正上方垂直向下拍摄获得运动流体正投影方向上的流体运动影像；步骤S12、获取流体运动影像获取流体运动影像，将影像输入数字处理设备；步骤S13、图像栅格化处理拾取流体运动影像上任意静止图像，设置像素参数对图像进行栅格化处理，得到图像栅格点阵；步骤S14、设置图像处理参数设置图像处理速率、图像实际处理分辨率、像素参数与实际位移换算比例；步骤S2、计算流体表面在视觉坐标系xyz中的二维流速场步骤S21、建立流体运动影像三维空间视觉坐标系xyz在流体运动影像上建立三维空间视觉坐标系xyz获得视觉平面xoy；步骤S22、计算流体运动图像稠密光流拾取流体运动影像播放中任意两帧图像，两帧图像间隔时间Δt，计算两帧图像上所有对应像素栅格点的稠密光流其中(Δi,Δj)是测量区内点(i,j)在时间Δt内在视觉坐标系xyz中经过的位移；步骤S23、计算图像点阵在视觉坐标系xyz中的像素流速场计算所有点阵在图像视觉坐标系xyz中的移动速度，得到式1所示视觉平面像素流速场：式中，—点阵在视觉平面像素流速场；步骤S24、计算点阵在视觉平面xoy中的二维流速场根据像素参数与实际位移换算比例，将步骤S23所得点阵在视觉平面中的像素流速场换算得到点阵在视觉平面xoy中的视觉投影变换流速场；所得流体表面在视觉坐标系xyz中的视觉投影变换流速场即为运动流体表面二维流速场。上述测量方法中，像素参数设置为1pix～100pix为优，图像处理速率设置为10ms/帧～100ms/帧为优。帧间隔参数设置根据成像设备(一般为相机为摄像机)的帧率和流体运动速度加以确定，成像设备帧率越高或流体运动速度越低，则帧间隔设置越高。帧间隔一般设置区间在1～10，且以1～5为优。如果数字处理设备(通常为计算机)性能较好应该尽可能按图像原分辨率处理视频。如果处理实时处理视频但是数字处理设备性能不足出现丢帧，则适当降低分辨率。上述测量方法的基本技术原理在于：原理一：利用数字摄像设备拍摄一组关于流体运动的连续图像序列，即流体运动影像。由于运动流体表面存在对比度差异的颜色显著区域，因此可以观察到流体流动。将连续流体充分分段后，流体的各段表面近似平面，此平面内流体表面速度可以计算。计算所有连续平面中的流体表面速度，则能计算出流体表面二维速度分布。原理二：由于用于分析的流体运动图像是自运动流体正上方垂直向下拍摄而获得的正投影方向上的影像,所以计算获得的流体表面在视觉坐标系xyz中的视觉投影流速场即为测量得到的运动流体表面二维流速场。原理三：对于单目相机拍摄得到的流体运行影像，如果流体在流动，那么某测量点(i,j)在连续的帧与帧图像之间的对应位置存在微小位移，即该测量点(i,j)成为移动的点。根据稠密光流法(DOF)理论，移动的点在帧时间间距内灰度保持不变。因此可以凭借其灰度值追踪该测量点在下一帧画面中(即下一时刻)的坐标位置。因此，在流体运动影像上建立三维空间视觉坐标系xyz，再计算图像中所有像素点的光流就可得到稠密光流。其中，和分别是任一测量点在x方向和y方向的位移变化率。此处，对于某测量点(icurrent,jcurrent)定义的最小化残差ε，有：由于测量点(i,j)的灰度保持不变，因而有：ft(i,j)＝ft+Δt(i+Δi,j+Δj)式3其中，由于图像在前后帧之间变化并不明显，因而可近似认为：结合式3、式4有：并最终得到：对运动流体影像分析，可以得到大量观测值数据矩阵对其求矩阵伪逆得到从而测算出图像上所有点在x、y方向上的移动速度，得到所有像素点的速度指标并显示为像素级别的流速场图(即流体在视觉坐标系xyz中的像素流速场)。进一步利用步骤S1中设定的像素参数与实际位移换算比例，可以得到流体在图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流体表面二维流速场测量方法，其特征在于：依以下步骤实施： 步骤S1、流体运动影像获取及初始化处理 步骤S11、现场设备安装 在运动流体测量现场安装数字拍摄设备，使拍摄镜头自正上方垂直向下拍摄获得运动流体正投影方向上的流体运动影像； 步骤S12、获取流体运动影像 获取流体运动影像，将影像输入数字处理设备； 步骤S13、图像栅格化处理 拾取流体运动影像上任意静止图像，设置像素参数对图像进行栅格化处理，得到图像栅格点阵； 步骤S14、设置图像处理参数 设置图像处理速率、图像实际处理分辨率、像素参数与实际位移换算比例； 步骤S2、计算流体表面在视觉坐标系xyz中的二维流速场 步骤S21、建立流体运动影像三维空间视觉坐标系xyz 在流体运动影像上建立三维空间视觉坐标系xyz获得视觉平面xoy； 步骤S22、计算流体运动图像稠密光流 拾取流体运动影像播放中任意两帧图像，两帧图像间隔时间Δt，计算两帧图像上所有对应像素栅格点的稠密光流其中(Δi，Δj)是测量区内点(i，j)在时间Δt内在视觉坐标系xyz中经过的位移；步骤S23、计算图像点阵在视觉坐标系xyz中的像素流速场 计算所有点阵在图像视觉坐标系xyz中的移动速度，得到式1所示视觉平面像素流速场： 式1式中，一点阵在视觉平面像素流速场；步骤S24、计算点阵在视觉平面xoy中的二维流速场 根据像素参数与实际位移换算比例，将步骤S23所得点阵在视觉平面中的像素流速场换算得到点阵在视觉平面xoy中的视觉投影流速场； 所得流体表面在视觉坐标系xyz中的视觉投影流速场即为运动流体表面二维流速场。...

【技术特征摘要】
1.一种流体表面二维流速场测量方法，其特征在于：依以下步骤实施：步骤S1、流体运动影像获取及初始化处理步骤S11、现场设备安装在运动流体测量现场安装数字拍摄设备，使拍摄镜头自正上方垂直向下拍摄获得运动流体正投影方向上的流体运动影像；步骤S12、获取流体运动影像获取流体运动影像，将影像输入数字处理设备；步骤S13、图像栅格化处理拾取流体运动影像上任意静止图像，设置像素参数对图像进行栅格化处理，得到图像栅格点阵；步骤S14、设置图像处理参数设置图像处理速率、图像实际处理分辨率、像素参数与实际位移换算比例；步骤S2、计算流体表面的二维流速场步骤S21、建立流体运动影像三维空间视觉坐标系xyz在流体运动影像上建立三维空间视觉坐标系xyz获得视觉平面xoy；步骤S22、计算流体运动图像稠密光流拾取流体运动影像播放中任意两帧图像，两帧图像间隔时间△t，计算两帧图像上所有对应像素栅格点的稠密光流其中(△i,△j)是测量区内点(i,j)在时间△t内在三维空间视觉坐标系xyz中经过的位移；步骤S23、计算图像点阵在三维空间视觉坐标系xyz中的像素流速场计算所有点阵在三维空间视觉坐标系xyz中的移动速度，得到式1所示视觉平面像素流速场：式中，—点阵在视觉平面像素流速场，—点(i,j)的灰度值ft(i,j)的偏导数；步骤S24、计算点阵在视觉平面xoy中的视觉投影流速场根据像素参数与实际位移换算比例，将步骤S23所得点阵在视觉平面中的像素流速场换算得到点阵在视觉平面xoy中的视觉投影流速场；步骤S24所得视觉平面xoy中的视觉投影流速场即为测量得到的流体表面二维流速场。2.一种流体表面二维流速场测量方法，其特征在于：依如下步骤实施：步骤S1、流体运动影像获取及初始化处理步骤S11、现场设备安装在运动流体测量现场安装数字拍摄设备，从迎流体运动方向上的任意角度获取流体运动影像；在测量流体附近能够被数字拍摄设备完全拍摄且不影响流体运动的位置设置矩形参照物A″B″C″D″，确定矩形参照物A″B″C″D″边长A″B″、C″D″长度；步骤S12、获取流体运动影像获取流体运动影像，确保影像中有矩形参照物A″B″C″D″的完整图像，将影像输入数字处理设备；步骤S13、图像栅格化处理拾取流体运动影像上任意静止图像，设置像素参数对图像进行栅格化处理，得到图像栅格点阵；步骤S14、设置图像处理参数设置图像处理速率、图像实际处理分辨率、像素参数与实际位移换算比例；步骤S2、计算视觉投影流速场步骤S21、建立流体运动影像三维空间视觉坐标系xyz在流体运动影像上建立三维空间视觉坐标系xyz获得视觉平面xoy；步骤S22、计算流体运动图像稠密光流拾取流体运动影像播放中任意两帧图像，两帧图像间隔时间△t，计算两帧图像上所有对应像素栅格点的稠密光流其中(△i,△j)是测量区内点(i,j)在时间△t内在三维空间视觉坐标系xyz中经过的位移；步骤S23、计算图像点阵在三维空间视觉坐标系xyz中的像素流速场计算所有点阵在三维空间视觉坐标系xyz中的移动速度，得到式1所示视觉平面像素流速场：式中，—点阵在视觉平面像素流速场，—点(i,j)的灰度值ft(i,j)的偏导数；步骤S24、计算点阵在视觉平面xoy中的视觉投影流速场根据像素参数与实际位移换算比例，将步骤S23所得点阵在视觉平面中的像素流速场换算得到点阵在视觉平面xoy中的视觉投影流速场；步骤S3、运动流体图像透视投影变换步骤S31、确定伪矩形A′B′C′D′坐标：拾取流体运动影像上任意静止图像，矩形参照物A″B″C″D″在静止图像上对应伪矩形A′B′C′D′；在静止图像上建立三维空间视觉坐标系xyz，计算机确定伪矩形A′B′C′D′四角点在视觉平面xoy中的图像坐标A′(i′1,j...

【专利技术属性】
技术研发人员：严炎，崔鹏，葛永刚，郭晓军，苏凤环，陈华勇，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51