基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法

2023-04-29 21:22:21

專利名稱：基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法
基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法技術領域
本發明屬於多相流三維測量領域，特別涉及一種基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法。
背景技術：
多相流是自然界和人類生活中普遍存在的現象，在水利、能源、環保、機械等諸多領域都已得到了日益廣泛的應用，具有重要的研究價值。為了深入研究多相流動機理，準確表述分散相的運動特性，需要對多相流中廣義粒子(氣泡、液滴、固體顆粒等)的特徵參數進行三維測量，如三維軌跡、速度場等。粒子的跟蹤和運動匹配是粒子三維測量中一個不可或缺的關鍵環節，用以確定同一粒子在連續幀中所處的運動位置，判斷連續多幀圖像中各個粒子的動態對應關係。
針對多相流中粒子運動匹配，典型方法有基於匹配概率的迭代估算法、神經網絡匹配算法、蟻群優化算法以及基於粒子運動特徵算法等。前三類算法基於特定數學模型，精度高但運算速度慢。基於粒子運動特徵的匹配算法根據粒子運動情況設定搜索範圍，結合特定約束條件鎖定匹配粒子，精度較高且運算速度快，但目前該類方法大多應用於二維圖像流場粒子的測速與跟蹤，未充分考慮空間粒子三維運動的客觀屬性。基於立體視 覺測量系統，如兩臺或多臺高速攝影機建立的三維測量系統，或單臺高速攝像機及相應光學系統建立的虛擬立體三維測量系統，可以實現雙視角測量對象的信息融合，更好地反映粒子三維運動特性，並深入分析其各相流動機理。因此，如何實現三維測量系統下多相流粒子圖像的三維運動匹配,成為粒子特徵參數三維測量和重建中亟待解決的重要問題。發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，提供基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，從而對非穩多相流場中採集的連續多幀粒子圖像進行準確、有效地三維運動匹配，為達到上述目的，本發明採取的技術方案是，基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，包括下列步驟在利用三維測量平臺獲得雙視角粒子原始圖片的基礎上，通過數字圖像處理，根據粒子區域特徵，提取出同一時刻不同視角中各粒子的二維質心坐標，基於極線幾何及粒子屬性約束條件，確定出同一粒子在不同視角中的對應關係，同時結合準現場標定參數及三維測量模型，計算得到單幀圖像中粒子的三維質心坐標，以粒子三維特徵參數作為匹配特徵，設定球形查詢窗口，建立空間極坐標系，分別求取坐標系在三個軸方向上的投影角度， 並結合空間極徑距離的閾值約束，從而唯一確定出同一粒子在多幀圖像中運動的空間點。
所述步驟進一步細化為
I、對獲取的連續多幀雙視角粒子圖像，利用數字圖像處理技術，提取出各粒子的二維質心坐標，根據已有的標定參數及測量模型，計算出各粒子的三維質心坐標；
2、在第一幀圖像中，以待匹配粒子質心為中心點，以幀間粒子運動的最大距離值為半徑設定球形查詢區域，區域內的其他粒子為其鄰近點，以中心點為原點建立空間極坐標系;3、在第二幀圖像中，可能與第一幀中待匹配粒子為同一粒子的稱為候選粒子，其質心為候選點，以候選點為中心，同樣開設與第一巾貞半徑值相同的球形查詢窗口，並建立相應的空間極坐標系，查詢區域內的其他粒子質心為候選點的鄰近點；4、分別在第一幀和第二幀圖像中，計算每一個鄰近點與中心點的空間極徑距離值以及三個坐標軸方向的投影角度，並將第一幀與第二幀中每個鄰近點的距離計算值和三個角度的計算值進行比較，並設定閾值約束；5、定義相似係數目標函數，第二幀中的每個候選點都可得出一個相應的相似係數，而滿足閾值條件最多即相似係數最大的候選點，即為與待匹配粒子為同一粒子的運動匹配點。
·
當獲得連續兩幅圖像中各粒子的三維質心點，設定球形查詢窗口半徑Rh閾值為不低於粒子的最大運動距離Δ dmax, 一般取Rh = Δ dmax ；假定連續兩幀圖像分別為第i幀和第i+Ι幀，則在第i幀圖像中，以待匹配粒子三維質心點m為球心，Rh為半徑作一個球形查詢區域，點m的空間坐標為(4，尤，4);該區域內除點m外還有K個粒子,稱為點m的鄰近點，以mk表示(k = I, ···, K),其空間坐標分別為以點m為原點,建立空間極坐標系,則在第i巾I 四像中其他鄰近點與m的關係可通過空間極徑r:和三個軸方向的投影角度化fa，未唯一確定，其中rlmk =^(x'mk -X1m)2 +(y'mk -y'm)2 +(z'mk -z'mY⑴Cfcc = arcsin^'. Xm ,0;ntr - arc sin—~— S1mb = axcsin ^mk, 一m
rL —^rL在第i+1幀圖像中，可能與第i幀中待匹配粒子為同一粒子的稱之為候選粒子，其質心點為候選點，以η表不。對於點η,同樣開設一半徑值為Rh的球形查詢窗口，並建立相應的空間極坐標，其中ng(g = 1，…，G)為候選點的鄰近點，G為鄰近點的個數，空間極徑為三4+1，個軸方向的投影角度分別為^，C- Φ根據第i幀與第i+Ι幀中空間極徑與投影角度值定義相似係數函數Snm Snm =Υ^β(ε,. -|4-|Cfa -Cl，% -|《Φ-Cl，-|Cz-Cl) (3)其中，H(n θ χ，Θ y，θζ)為階躍函數
(、\ K r >0^θ > Ο,θ. > Qandd7 > O;Η{τυ'.'θ—]=\.Λζ(4)
I O. olherwise...ε ^為空間極徑的閾值,通常取值小於5個像素；ε 0χ，e0y和ε0ζ分別為三個軸方向投影角度的設定閾值，通常取值小於30° ;對於第i+Ι幀圖像中每一個m點的候選粒子點，都可以根據目標函數Smn得到一個相似係數，其中相似值最大的點，即為與待匹配粒子質心點m為同一粒子的匹配點。本發明通過設定粒子三維匹配特徵和球形查詢窗口，建立空間極坐標系，根據搜索範圍內相鄰粒子質心坐標點的極徑與三個方向的極角，定義並計算出每個點的相似係數目標函數，選取最大者即為匹配粒子，從而實現了三維測量系統中連續多幀粒子圖像的準確匹配，為後續粒子三維運動軌跡重建及空間測速奠定堅實基礎。


圖I為基於兩臺高速攝像機的粒子圖像採集和三維測量系統。
圖2為基於單臺高速攝像機的粒子圖像採集和三維測量系統。
圖3為基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法示意圖。
圖4為粒子序列圖像(以多氣泡為例)。
圖5為粒子運動匹配和軌跡重建結果(以多氣泡為例)。
具體實施方式
本方法適用於基於兩臺高速攝像機組成的多相流特徵參數三維測量平臺中廣義粒子(氣泡、液滴、固體顆粒)的運動匹配，同樣也適用於基於單臺高速攝像機和相應光學系統(如折光分光光路)組成的虛擬三維測量平臺中粒子圖像的運動匹配。
在利用三維測量平臺獲得雙視角粒子原始圖片的基礎上，通過數字圖像處理，根據粒子區域特徵，提取出同一時刻不同視角中各粒子的二維質心坐標，基於極線幾何及粒子屬性等約束條件，確定出同一粒子在不同視角中的對應關係，同時結合準現場標定參數及三維測量模型，可以計算得到單幀圖像中粒子的三維質心坐標。為了增強對於粒子三維運動特性的適應，本發明以粒子三維特徵參數作為匹配特徵，設定球形查詢窗口，建立空間極坐標系，打破常規極徑與單一極角的約束，分別求取坐標系在三個軸方向上的投影角度， 並結合空間極徑距離的閾值約束，從而唯一確定出同一粒子在多幀圖像中運動的空間點。
具體匹配方法如下
I、對獲取的連續多幀雙視角粒子圖像，利用數字圖像處理技術，提取出各粒子的二維質心坐標，根據已有的標定參數及測量模型，計算出各粒子的三維質心坐標；
2、在第一幀圖像中，以待匹配粒子質心為中心點，以幀間粒子運動的最大距離值為半徑設定球形查詢區域，區域內的其他粒子為其鄰近點，以中心點為原點建立空間極坐標系;
3、在第二幀圖像中，可能與第一幀中待匹配粒子為同一粒子的稱為候選粒子，其質心為候選點，以候選點為中心，同樣開設與第一巾貞半徑值相同的球形查詢窗口，並建立相應的空間極坐標系，查詢區域內的其他粒子質心為候選點的鄰近點；
4、分別在第一幀和第二幀圖像中，計算每一個鄰近點與中心點的空間極徑距離值以及三個坐標軸方向的投影角度，並將第一幀與第二幀中每個鄰近點的距離計算值和三個角度的計算值進行比較，並設定閾值約束；
5、定義相似係數目標函數，第二幀中的每個候選點都可得出一個相應的相似係數，而滿足閾值條件最多即相似係數最大的候選點，即為與待匹配粒子為同一粒子的運動匹配點。
本發明提供了一種基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，該方法充分考慮粒子的空間運動特性，基於空間極坐標，確定了以粒子三維質心點為匹配特徵、以球形立體空間為搜索區域的運動匹配方法。
下面結合附圖對本發明做進一步的說明。
圖I和圖2所示為粒子三維圖像採集和測量系統。其中圖I為基於兩臺高速攝像機的粒子採集及三維測量系統，兩臺高速攝像機交匯、對稱擺放，從兩個不同視角採集多相流中粒子圖像並進行匹配和三維重建；圖2為基於單臺高速攝像機的粒子採集及三維測量系統(以折光分光光學系統組成為例)，其中C為實體高速攝像機，經兩組反射鏡組P1I2和M1J2虛擬為左、右虛擬攝像機Q、Ck，在此基礎上獲得多相流的雙視角粒子圖像並進行匹配和三維重建。本發明專利適用於以上兩類平臺中採集的粒子圖像三維運動匹配。圖3所示為基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法示意圖，其根據採集所得的連續兩幀圖像，利用匹配粒子三維質心與周圍其他粒子質心之間的空間距離及投影角度關係，建立相似度目標函數來進行匹配和跟蹤，下面結合本圖做進一步詳釋。當獲得連續兩幅圖像中各粒子的三維質心點(圖中以「 X 」表示)，則第一幅圖像中待匹配粒子的候選粒子，將位於第二幅圖像中以待匹配粒子為圓心，半徑固定的某球形區域內。根據設備恆定的幀間隔以及所測量粒子最大運動速度Avmax，可獲得連續幀粒子的最大運動距離△(!_，由此，設定球形查詢窗口半徑Rh閾值為不低於粒子的最大運動距尚 Δ cLx, 一般取 Rh = Δ dmax。
·
假定連續兩幀圖像分別為第i幀和第i+Ι幀，則在第i幀圖像中，以待匹配粒子三維質心點m為球心，Rh為半徑作一個球形查詢區域，點m的空間坐標為該區域內除點m外還有K個粒子,稱為點m的鄰近點，以mk表示(k = I, ···, K),其空間坐標分別為「冬)。以點m為原點，建立空間極坐標系，則在第i幀四像中其他鄰近點與m的關係可通過空間極徑和三個軸方向的投影角度Cfa，Kk7 ' 未唯一確定，其中r'mk = (xlmk -x'mY + (y'mk - y'm)- +(z'mk-z'mY(I)
.._._\}1 ._ y^ .rTl ——2,^θ'ηΛχ = arc sin mk. " m ,ffmky = arc sin ~ mk _ m 』ffmb = arcsm^2^-~—( )
^ mk^ mk^mk在第i + 1幀圖像中，可能與第i幀中待匹配粒子為同一粒子的稱之為候選粒子，其質心點為候選點，以η表不。對於點η,同樣開設一半徑值為Rh的球形查詢窗口，並建立相應的空間極坐標，其中ng(g = 1，…，G)為候選點的鄰近點，G為鄰近點的個數，空間極徑為三rf，個軸方向的投影角度分別為C' C 根據第i幀與第i+Ι幀中空間極徑與投影角度值定義相似係數函數Snm s_=if-|c-cl·& -|cfa-cl· % 卞.-Cl，% -|cfe-cl) (3)其中，H(r，θ χ，Θ y，Θ z)為階躍函數H「'.uUlr>0A>0 為 >0-吼>0; ,(4)
0，otherwise,..ε ^為空間極徑的閾值,通常取值小於5個像素。ε 0χ，ε 0y和ε 0z分別為三個軸方向投影角度的設定閾值，通常取值小於30°。對於第i+Ι幀圖像中每一個m點的候選粒子點，都可以根據目標函數Smn得到一個相似係數，其中相似值最大的點，即為與待匹配粒子質心點m為同一粒子的匹配點。以氣液兩相流中多氣泡圖像運動匹配為例，圖4所示為基於單臺高速攝像機的三維測量系統所攝取的粒子(氣泡)序列圖像。經過一系列數字圖像處理，包括灰度化、差影反色、濾波、閾值分割、形態學處理、圖像填充以及連通區域標記與消除，可提取出各粒子(氣泡)的二維質心坐標，根據已有的參數及數學模型，計算出各粒子(氣泡)的三維質心坐標，作為匹配特徵。
根據本發明中基於空間坐標的粒子三維匹配方法，對相鄰兩幀粒子(氣泡)進行運動匹配，在此基礎上基於序列圖像可以有效重建出粒子(氣泡)三維運動軌跡。該發明方法實用性強，可以準確、有效地實現多相流中粒子圖像的三維運動匹配。
權利要求
1.一種基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，其特徵是，包括下列步驟在利用三維測量平臺獲得雙視角粒子原始圖片的基礎上，通過數字圖像處理，根據粒子區域特徵，提取出同一時刻不同視角中各粒子的二維質心坐標，基於極線幾何及粒子屬性約束條件，確定出同一粒子在不同視角中的對應關係，同時結合準現場標定參數及三維測量模型，計算得到單幀圖像中粒子的三維質心坐標，以粒子三維特徵參數作為匹配特徵，設定球形查詢窗口，建立空間極坐標系，分別求取坐標系在三個軸方向上的投影角度，並結合空間極徑距離的閾值約束，從而唯一確定出同一粒子在多幀圖像中運動的空間點。
2.如權利要求I所述的基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，其特徵是，所述步驟進一步細化為1)對獲取的連續多幀雙視角粒子圖像，利用數字圖像處理技術，提取出各粒子的二維質心坐標，根據已有的標定參數及測量模型，計算出各粒子的三維質心坐標；2)在第一幀圖像中，以待匹配粒子質心為中心點，以幀間粒子運動的最大距離值為半徑設定球形查詢區域，區域內的其他粒子為其鄰近點，以中心點為原點建立空間極坐標3)在第二幀圖像中，可能與第一幀中待匹配粒子為同一粒子的稱為候選粒子，其質心為候選點，以候選點為中心，同樣開設與第一巾貞半徑值相同的球形查詢窗口，並建立相應的空間極坐標系，查詢區域內的其他粒子質心為候選點的鄰近點；4)分別在第一幀和第二幀圖像中，計算每一個鄰近點與中心點的空間極徑距離值以及三個坐標軸方向的投影角度，並將第一幀與第二幀中每個鄰近點的距離計算值和三個角度的計算值進行比較，並設定閾值約束；5)定義相似係數目標函數，第二幀中的每個候選點都可得出一個相應的相似係數，而滿足閾值條件最多即相似係數最大的候選點，即為與待匹配粒子為同一粒子的運動匹配
3.如權利要求I所述的基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，其特徵是，確定出同一粒子在多幀圖像中運動的空間點的具體步驟為當獲得連續兩幅圖像中各粒子的三維質心點，設定球形查詢窗口半徑Rh閾值為不低於粒子的最大運動距離Λ dmax, 一般取Rh = Δ dmax ；假定連續兩幀圖像分別為第i幀和第i+Ι幀，則在第i幀圖像中，以待匹配粒子三維質心點m為球心，Rh為半徑作一個球形查詢區域,點m的空間坐標為(χ; 該區域內除點m外還有K個粒子,稱為點m的鄰近點，以mk表示(k = I, . . . , K),其空間坐標分別為(.mt);以點m為原點，建立空間極坐標系，則在第i幀圖像中其他鄰近點與m的關係可通過空間極徑r:和三個軸方向的投影角度化,€ ■來唯一確定，其中rLt = -Jixik 一4)2 +(yL -ji)2 +(zL- -zInf(1)Oinkx = arcsinX'—Xm 』 9'mhT = arcsin^ ~，O1mkz = arcsin"^ ~( )r,nk'Ktkrmk在第i+1幀圖像中，可能與第i幀中待匹配粒子為同一粒子的稱之為候選粒子，其質心點為候選點，以η表不。對於點η,同樣開設一半徑值為Rh的球形查詢窗口，並建立相應的空間極坐標，其中ng(g = I,. . . , G)為候選點的鄰近點,G為鄰近點的個數,空間極徑為，三個軸方向的投影角度分別為
全文摘要
本發明屬於多相流三維測量領域。為提供基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，從而對非穩多相流場中採集的連續多幀粒子圖像進行準確、有效地三維運動匹配，本發明採取的技術方案是，基於空間極坐標的粒子三維運動匹配方法，包括下列步驟根據粒子區域特徵，提取出同一時刻不同視角中各粒子的二維質心坐標，確定出同一粒子在不同視角中的對應關係，同時結合準現場標定參數及三維測量模型，計算得到單幀圖像中粒子的三維質心坐標，以粒子三維特徵參數作為匹配特徵，設定球形查詢窗口，建立空間極坐標系，分別求取坐標系在三個軸方向上的投影角度，從而唯一確定出同一粒子在多幀圖像中運動的空間點。本發明主要應用於多相流三維測量。
文檔編號G06T7/00GK102930526SQ20121035221
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者薛婷, 吳斌, 曲立群 申請人:天津大學