一種流體表面二維流速場測量方法

2023-11-09 20:03:02

一種流體表面二維流速場測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種流體表面二維流速場測量方法。針對現有技術中測量運動流體表面二維流速場的方法存在不適用於野外流體表面場測量、任意角度拍攝影像測量、表面矢量流速場測量的缺陷，本發明提供了一種流體表面二維流速場測量方法。本方法利用光流算法實現在較大程度減少計算量的情況下獲得像素級別的流動表面二維流速場圖。在此基礎上，本發明方法利用偽矩形圖像透視投影變換方法，實現對從迎流體運動方向上任意角度捕捉流體運動影像進行圖像分析與表面流速場測量。本發明還提供了一種運動流體圖像透視投影變換計算方法。本發明方法原理可靠，計算過程科學簡便，實施儀器簡單，安裝方便，測算結果精度高。尤其能夠應用於泥石流表面二維流速測量。
【專利說明】一種流體表面二維流速場測量方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種流體運動特徵測量方法，特別是涉及一種流體表面二維流速場的 非接觸式測量方法，屬於水利工程、測量【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 流體的表面流速場是流體表面的速度分布特徵，是描述流體運動、運行特徵的重 要物理量。流體表面二維流速場具有非定常特性，是一種複雜而又普遍地反映自然本質的 物理過程。流體力學中許多疑難問題的突破都取決於流速場測試技術的進展。
[0003] 泥石流是一種特殊流體。在其相關研究試驗中，泥石流流速的分布和計算是泥石 流運動力學研究的核心問題之一，泥石流流速場也是各類泥石流防治工程設計中的核心參 數。作為一種複雜的多相非牛頓體，無論是在野外原型觀測條件下還是室內實驗條件下，泥 石流表面二維流速場的測量，特別是精度測量，都存在較多困難。再加之泥石流運動時產生 的強破壞力，使得泥石流表面二維流速場的測量愈加困難。目前，泥石流表面二維流速場研 究主要採用數值模擬進行，尚無能對泥石流表面二維流速場進行精確測量的方法。
[0004] 現有技術中用於測量流體表面流速的方法主要有三種，分別是粒子圖像測速技術 (PIV，particle image velocimetry)、基於網格對象跟蹤的測量技術、基於都卜勒效應的 電磁波測量技術。
[0005] 粒子圖像測速技術是七十年代末發展起來的一種瞬態、多點、無接觸式的雷射流 體力學測速方法。近幾十年來得到了不斷完善與發展，並且成為主流的流體表面流速場測 量方法。該技術缺陷主要在於兩點：一是必須在流體中摻入密度與流體相當並具有很好的 跟隨性的示蹤粒子，通過追蹤示蹤粒子來測得流速場。這在許多實際場景中是不可能實現 的，比如在溝道中實際運動的泥石流。二是PIV設備多限於實驗室內部，流體規模很小，成 像設備視角狹窄，無法勝任野外流體表面場的測量。三是PIV實驗無法滿足泥石流試驗的 需求，泥石流流體為渾濁的流體，泥漿包裹著示蹤粒子，無法通過圖像設備來追蹤示蹤粒子 的運動軌跡。
[0006] 基於網格對象跟蹤的實時流體表面速度測量方法是由網絡攝像頭、路由器和計算 機組成的監測系統中，採用圖像輸入和網格化，網格對像跟蹤，實現實時流體速度的監測。 該技術缺陷主要在於兩點：一是跟蹤對象是一個個的網格對象，無法對每個像素進行跟蹤， 從而無法得到像素級的流速場圖。二是該方法需要相機從運行流體上方正對著下方才能得 到比較精確的速度，如果相機從別的角度拍攝流體就無法實施其技術。而在實際場景中很 難達到從流體正上方往下拍攝這樣苛刻的條件。
[0007] 基於都卜勒效應的電磁波測量方法主要利用都卜勒效應（Doppler Effect)，即移 動物體對所接收的電磁波有頻移效應的原理，通過藉由頻率的改變數值計算出目標與雷達 的相對速度，進而得出被測物體的運動速度。該方法可用於測量流體表面流速值，但同樣存 在兩點技術缺陷：一是電磁波發射器或雷達發射器價格昂貴，不可能在野外條件下大量安 裝使用，因此方法不適用於推廣使用。二是該方法僅能測量出一個點或者多個點的表面速 度值，不能測量出流體表面的矢量流速場。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種測量流體表面二維流速場的方 法。該方法通過對從迎流體運動方向上的任意角度捕捉的流體運動視頻進行圖像分析，可 以實現對運動中流體表面流速場的精確測量。
[0009] 為實現上述目的，本發明首先提供一種利用正投影拍攝圖像測量運動流體表面流 速場的方法，其技術方案如下：
[0010] 一種流體表面二維流速場測量方法，其特徵在於：依以下步驟實施：
[0011] 步驟S1、流體運動影像獲取及初始化處理
[0012] 步驟S11、現場設備安裝
[0013] 在運動流體測量現場安裝數字拍攝設備，使拍攝鏡頭自正上方垂直向下拍攝獲得 運動流體正投影方向上的流體運動影像；
[0014] 步驟S12、獲取流體運動影像
[0015] 獲取流體運動影像，將影像輸入數字處理設備；
[0016] 步驟S13、圖像柵格化處理
[0017] 拾取流體運動影像上任意靜止圖像，設置像素參數對圖像進行柵格化處理，得到 圖像柵格點陣；
[0018] 步驟S14、設置圖像處理參數
[0019] 設置圖像處理速率、圖像實際處理解析度、像素參數與實際位移換算比例；
[0020] 步驟S2、計算流體表面在視覺坐標系xya中的二維流速場
[0021] 步驟S21、建立流體運動影像三維空間視覺坐標系xyz
[0022] 在流體運動影像上建立三維空間視覺坐標系xyz獲得視覺平面xoy ;
[0023] 步驟S22、計算流體運動圖像稠密光流
[0024] 拾取流體運動影像播放中任意兩幀圖像，兩幀圖像間隔時間At，計算兩幀圖像上 所有對應像素柵格點的稠密光流1

【權利要求】
1. 一種流體表面二維流速場測量方法，其特徵在於：依以下步驟實施： 步驟S1、流體運動影像獲取及初始化處理 步驟S11、現場設備安裝 在運動流體測量現場安裝數字拍攝設備，使拍攝鏡頭自正上方垂直向下拍攝獲得運動 流體正投影方向上的流體運動影像； 步驟S12、獲取流體運動影像 獲取流體運動影像，將影像輸入數字處理設備； 步驟S13、圖像柵格化處理 拾取流體運動影像上任意靜止圖像，設置像素參數對圖像進行柵格化處理，得到圖像 柵格點陣； 步驟S14、設置圖像處理參數 設置圖像處理速率、圖像實際處理解析度、像素參數與實際位移換算比例； 步驟S2、計算流體表面在視覺坐標系xyz中的二維流速場 步驟S21、建立流體運動影像三維空間視覺坐標系xyz 在流體運動影像上建立三維空間視覺坐標系xyz獲得視覺平面xoy ; 步驟S22、計算流體運動圖像稠密光流 拾取流體運動影像播放中任意兩幀圖像，兩幀圖像間隔時間Λ t，計算兩幀圖像上所有 對應像素柵格點的稠密光流
，其中（Ai，Λ j)是測量區內點（i，j)在時間At內 在視覺坐標系xyz中經過的位移； 步驟S23、計算圖像點陣在視覺坐標系xyz中的像素流速場 計算所有點陣在圖像視覺坐標系xyz中的移動速度，得到式1所示視覺平面像素流速 場：

-點陣在視覺平面像素流速場； 步驟S24、計算點陣在視覺平面xoy中的二維流速場 根據像素參數與實際位移換算比例，將步驟S23所得點陣在視覺平面中的像素流速場 換算得到點陣在視覺平面xoy中的視覺投影流速場； 所得流體表面在視覺坐標系xyz中的視覺投影流速場即為運動流體表面二維流速場。
2. 根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於： 所述步驟S1中， 所述步驟S11 :在運動流體測量現場安裝數字拍攝設備，從迎流體運動方向上的仟意 角度獲取流體運動影像；在測量流體附近能夠被攝像設備完全拍攝且不影響流體運動的位 置設置矩形參照物A" B" C" D"，確定矩形參照物A" B" C" D"邊長A" B"、C" D" 長度； 所述步驟S12:獲取流體運動影像，確保影像中有矩形參照物A" B" C" D"的完整圖 像，將影像輸入數字處理設備； 還包括，步驟S3、運動流體圖像透視投影變換，所述步驟S3依如下步驟實施： 步驟S31、確定偽矩形A' B' C' D'坐標： 拾取流體運動影像上任意靜止圖像，矩形參照物A" B" C" D"在靜止圖像上對應偽 矩形A' B' C' D';在流體運動圖像上建立三維空間視覺坐標系xyz，計算機確定偽矩形 A，B，C，D，四角點在視覺平面xoy中的圖像坐標A' (i' i)、B' (i' 2，j' 2)、 C，（i，3, j，3)、D' (i，4, j，4); 步驟S32、設置投影矩形AB⑶ 在視覺平面xoy中建立投影矩形AB⑶，投影矩形AB⑶四角點在視覺坐標系xyz中坐 8(12，」2)與8'(廣2，_]_'2)重合，確定邊長48 ;根據式7確定邊長此及0("，九)、0(14， j4)坐標；
步驟S33、計算透視投影變換矩陣PPM C' (i' 3，j' 3)、D' (i' 4，j' 4)的映射關係建立投影矩形ABCD與偽矩形A' B' C' D' 間的透視投影變換矩陣PPM :
還包括，步驟S4、流體表面二維流速場計算，所述步驟S4依如下步驟實施： 步驟S41、計算比例尺k 依式9計算比例尺k
步驟S42、計算流體表面二維流速場計算 根據投影變換矩陣PPM及比例尺k，將步驟S2所得點陣在圖像視覺坐標系xyz中的投 影變換流速場換算為其在真實坐標系xyz中的流速場，即得到流體表面二維流速場。
3. 根據權利要求1或2所述的測量方法，其特徵在於：所述像素參數設置為lpix? lOOpix，圖像處理速率設置為10ms/巾貞?100ms/巾貞，巾貞間隔1?10。
4. 根據權利要求3所述的測量方法，其特徵在於：所述幀間隔1?5。
5. -種運動流體圖像透視投影變換計算方法：依如下步驟實施： 步驟Sla、設置矩形參照物A" B" C" D" 在運動流體測量現場安裝數字拍攝設備，從迎流體運動方向上的仟意角度獲取流體運 動影像；在測量流體附近能夠被攝像設備完全拍攝且不影響流體運動的位置設置矩形參照 物A" B" C" D"，確定矩形參照物A" B" C" D"邊長A" B"、C" D"長度； 步驟S2a、確定偽矩形V N坐標 獲取流體運動影像，確保影像中有矩形參照物A" B" C" D"的完整圖像；拾取 流體運動影像上任意靜A圖像，矩形參照物A" B" C" D"在靜止圖像上對應偽矩形 A' B' C' D';在流體運動圖像上建立三維空間視覺坐標系xyz，計算機確定偽矩形 A，B，C，D，四角點在視覺平面xoy中的圖像坐標A' (i' i)、B' (i' 2，j' 2)、 C，（i，3, j，3)、D' (i，4, j，4); 步驟S3a、設置投影矩形AB⑶ 在視覺平面xoy中建立投影矩形AB⑶，投影矩形AB⑶四角點在視覺坐標系xyz中坐 8(12，」2)與8'(廣2，_]_'2)重合，確定邊長48 ;根據式7確定邊長此及0("，九)、0(14， j4)坐標；
步驟S4a、計算透視投影變換矩陣PPM C' (i' 3，j' 3)、D' (i' 4，j' 4)的映射關係建立投影矩形ABCD與偽矩形A' B' C' D' 間的透視投影變換矩陣PPM :
步驟S5a、計算比例尺k 依式9計算比例尺k
步驟S6a、計算靜止圖像中點的實際坐標 將靜止圖像上任意點的圖像坐標經透視投影變換矩陣PPM變換得到該點在視覺平面 x〇y中的投影坐標，再將投影坐標與比例尺k相乘得到靜止圖像上任意點在流體表面真實 平面X' 〇y'中的實際坐標。
6. 根據權利要求1、2、4、5任一所述的測量方法，其特徵在於：所述流體是泥石流。
【文檔編號】G01P5/00GK104297516SQ201410617463
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】嚴炎, 崔鵬, 葛永剛, 郭曉軍, 蘇鳳環, 陳華勇 申請人:中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所