专利名称：一种粒子图像测速用电子标靶及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种粒子图像测速用电子标靶，属于流动测速技术领域。背景技术：
粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是一种现代激光测速技术，主要运用于流场速度测量。通过追踪示踪粒子在流场中的运动来得到流场速度场。传统的PIV技术使用一个厚度在1毫米以下的激光片光源来照亮流场中的粒子，通过单个相机对粒子在很短时间内的位置进行追踪，来实现二维平面内的二维速度场测量(通常用2D2C 来表示)。PIV技术在航空航天、能源、化工和医学等领域都有非常广泛的应用。
PIV技术里有个关键的实验环节叫标定，主要是为了建立物理测量区域和成像平面内一一对应的关系，即获得映射函数。标定时，将标靶放置于激光片光源照射区域，靶面完全和激光片光源重叠。然后通过成像记录标靶上标点的成像平面上的像素位置，并通过分析标点的物理位置和像素位置之间的关系来实现对物理测量区域的标定。这里标靶通常是一个平板，在标靶平面设置有几何排列的大小形状一致的标点阵，而标点可以为圆形、方形或者十字形的图案。
目前PIV用常见的标靶为金属标靶，是在金属平板表面进行处理后将标点点阵印制在靶面，或者在靶面压制一个凹陷的标点阵。此类标靶的使用具有较多局限性。首先，标靶的点阵不能随不同实验工况的要求而改变，影响了它的适用性。比如改变相机视场大小后，会改变成像的放大率。这样对标靶上的标点大小和标点间距就会有不同的要求，而定制的金属标靶只能在一定使用范围内使用，不能随意改变标靶的点阵。其次，标靶的成像受到限制。因为金属标靶本身不是发光源，在成像时必须依靠外加光源的反射形成清晰的像，这对标靶的实用造成了一定的限制，同时标靶的成像质量也依赖于外加光源的强度和角度。 例如压制生成的标点，在外界光照下有时会在标点成像附近形成阴影不利于标点的识别。 这个现象在相机有视角的情况下显得更加突出。第三，标靶上标点的成像精度较难保证。 由于加工精度的限制，通常情况下标靶的加工精度往往落后于相机成像的分辨率。例如普通PIV实验，相机成像的分辨率在几微米或者几十微米，而标靶的制造中，标点的形状和尺度都很难达到这个精度。如果外加光源设置的不好，标定的精度更难保证了。本发明正是基于以上几点考虑，提出了一种粒子图像测速用电子标靶。
发明内容
本发明的目的是提供一种粒子图像测速用电子标靶，用户能通过电子标靶TFT触摸屏的操作设置标靶点阵参数来实现具有不同形状、大小和间距的标靶点阵，以满足不同工况的PIV实验需求。
本发明一种粒子图像测速用电子标靶，它包括硬件系统和软件系统两部分，硬件系统又包括软件开发平台和电子标靶主体两部分，其中软件开发平台包括微型计算机1和仿真器2，而电子标靶主体包括开发板3和显示屏4。该微型计算机1为通用的微型计算机，采用戴尔0PTIPLEX 960台式机，win764位系统，基本配置为htel Core2中央处理器，6GB 内存，ITB硬盘，ATI Radeon HD 4670独立显卡；该仿真器2采用ARM通用20针JTAG接口仿真器，版本8. 0 ；该开发板3选用神州一号STM32开发板，支持通用的2. 4/2. 8寸IXD液晶触摸屏；该显示屏4采用普通2. 8寸TFT触摸式显示屏。其中，微型计算机1和仿真器2 通过JTAG接口的数据线连接；仿真器2和开发板3之间采用20针排线连接；显示屏4固定在开发板3上，通过一个通用的32芯IXD接口连接。开发板3和显示屏4共同组成电子标靶主体，脱离开发环境后可独立工作，所需电源为独立配置或者通过开发板3上的USB接口和微型计算机1相连来获得。
该软件系统其开发环境采用软件uVision IDE V4. 10，开发板3的仿真采用软件 J-IinkARM V4. 20。在软件uVision中配置仿真器2和开发板3，使uVision能通过仿真器 2识别开发板3。编译电子标靶的引导程序生成HEX文件，通过uVision自带的固件导入工具将此HEX装载于开发板3上的闪存(flash)，这样每次启动电子标靶都能自动运行该程序。安装引导程序后的电子标靶可以通过显示屏4上的提示，触摸显示屏4来操作设定点阵。
本发明一种粒子图像测速用电子标靶的使用方法，其步骤如下
(1)接通电子标靶电源，电子标靶自动开启并显示开机画面。
(2)开机画面结束后出现点阵设置的操作界面，依次触摸选择设置选项，直至完成最后一个选择设置，电子标靶自动生成标点点阵。各个设置界面依次如下
a)选择标点形状，即圆形、方形、十字形或用户自定义标点等。如果选择了用户自定义标点，那参数设置将直接跳转到步骤e进行标点间距d的设置。
b)选择标点大小尺寸c，即3、5、7和9个像素大小；
c)选择标点亮度类型，即等亮和高斯分布；
d)选择标点颜色，即白色、绿色、红色和蓝色；
e)选择标点间距d，即7、9、11和13个像素；
(3)完成点阵参数设置后，弓丨导程序自动根据各参数显示电子标靶点阵。
(4)如果用户想改变点阵的设置，按触摸屏上返回键就能返回到开机画面后的参数设置界面。重复步骤O)中的参数设置，能改变电子标靶上的点阵。
电子标靶引导程序预留了开放式可编程接口函数UDMJP User Defined Mark (用户定义标点)。该接口提供了固定的函数结构，用户根据函数的结构自定义单个标点的形状、颜色和大小等参数。该UDM函数要求输入参数为空，返回值为无符号16位整数的二维矩阵(即标点颜色矩阵)，编译环境同样采用uVision开发平台。导入用户自定义的UDM函数通过uVision开发平台编译整个引导程序，将生成的HEX文件导入开发板3上的闪存(即 flash)，用户就能实现自定义标点的标靶点阵。
本发明一种粒子图像测速用电子标靶及其使用方法的功效和优点在于
(1)电子标靶具备传统PIV测量用平面标靶的标定功能，同时较传统的平面标靶有更广的适用性，可以根据不同的实验要求改变标靶中点阵的形式，如标点形状、大小、间距等。而传统PIV用平面标靶在一次成型后就无法改变其点阵的形式。
(2)电子标靶具有规则的点阵排布，且精度高。高质量的液晶显示屏具有非常高的分辨率，目前可用的液晶显示屏能能达到大于300ppi的分辨率，完全适用于PIV测量的标定需要。而且电子标靶在形成标点时能保证各标点几何形状、尺寸和间距一致，且精度能达到PIV实验数字相机成像的分辨率，大大减小了传统Piv用平面标靶在机械加工时造成的标点形状、大小和间距不一的误差。
(3)电子标靶属于发光体，能自由调节标点的发光强度和颜色，这是普通PIV标靶不具备的特性。采用电子标靶标定时，实验将不需要外部光源辅助进行成像，这大大增强了电子标靶的适用性。根据不同的实验工况，针对标定过程中标点识别算法的不同，改变标点的颜色以及单个标点内部亮度分布，可以有效的提高标点识别和标定的精度。
(4)电子标靶设计了开放式的可扩展编程接口使得用户可以根据自己需要开发特殊的标靶标点函数以供引导程序模块调用，来实现用户定义的电子标靶。
图1是电子标靶开发平台示意图2是电子标靶点阵示意图3是电子标靶参数设置步骤图4是圆形标点重心算法示意图5是正方形标点灰度高斯分布的设置和成像示意图
图中符号
1-微型计算机；2-仿真器；
4-显示屏；
a_方向参考线；b_标点；
d-标点间距；(五)具体实施方法
技术领域：
本发明一种粒子图像测速用电子标靶，用户能通过电子标靶TFT触摸屏的操作设置标靶点阵参数来实现具有不同形状、大小和间距的标靶点阵，以满足不同工况的PIV实验需求。
如图1所示，本发明的电子标靶主体由开发板3和显示屏4组成。其中所述的开发板3选用神州一号STM32开发板，支持通用的2. 4/2. 8寸IXD液晶触摸屏。所述的显示屏4采用普通2. 8寸TFT触摸式显示屏。显示屏4固定在开发板3上，通过一个通用的32 芯IXD接口连接。电子标靶在独立工作时，所需电源由微型计算机1提供，即通过开发板3 上的USB接口和微型计算机1用USB数据线相连来获得。
电子标靶的软件系统，其软件开发平台包括两个硬件部件微型计算机1和仿真器2。其中所述的微型计算机1为通用的微型计算机，采用戴尔0PTIPLEX 960台式机， win764位系统，基本配置为htel Core2中央处理器，6GB内存，ITB硬盘，ATI Radeon HD 4670独立显卡。仿真器2采用ARM通用20针JTAG接口仿真器，版本8.0。开发平台的连接方式为微型计算机1和仿真器2通过JTAG接口的数据线连接；仿真器2和开发板3之间采用20针排线连接。
电子标靶软件系统的开发采用软件uVision IDE V4. 10，开发板3的仿真采用软件 J-Iink ARM V4. 20。在软件uVision中配置仿真器2和开发板3，使uVision能通过仿真器3-开发板； C"标点大小尺寸；2识别开发板3。编译电子标靶的引导程序生成HEX文件，通过uVision自带的固件导入工具将此HEX装载于开发板3上的闪存(flash)，这样每次启动电子标靶都能自动运行该程序。
电子标靶所显示的标准标靶点阵如图2所示，采用标点等间距结构化的点阵排布。其中a为标靶的方向参考线，用于提示标靶放置的方向和实验测量流场的流动方向。b 为标点，即组成标靶点阵的基本元素，图示中显示的标点为方形标点，实际应用时另有常用的圆形和十字形标点供用户选择。c定义为标点大小尺寸，方形标点为边长，圆形标点为直径，十字形标点为十字线线长。d为标点间距，即两个相邻标点间的距离。
本发明一种粒子图像测速用电子标靶的使用是通过触摸操作显示屏4完成的，操作时根据显示屏4上的提示信息设置电子标靶点阵的参数并生成符合要求的标靶点阵，其使用方法的步骤如下(如图3所示)
(1)接通电子标靶电源，即通过USB数据线连接开发板3的USB接口和微型计算机 1的USB接口，电子标靶自动开启并显示开机画面。
(2)开机画面结束后出现点阵设置的操作界面，依次触摸选择设置选项，直至完成最后一个选择设置，电子标靶自动生成标点点阵。各个设置界面依次如下
a)选择标点形状，即圆形、方形、十字形或用户自定义标点等。如果选择了用户自定义标点，那参数设置将直接跳转到步骤e进行标点间距d的设置。
b)选择标点大小尺寸c，即3、5、7和9个像素大小等。
c)选择标点亮度类型，即等亮和高斯分布等。
d)选择标点颜色，即白色、绿色、红色和蓝色等；
e)选择标点间距d，即7、9、11和13个像素等；
(3)完成点阵参数设置后，引导程序自动根据各参数显示电子标靶点阵；
(4)如果用户想改变点阵的设置，按触摸屏上返回键就能返回到开机画面后的参数设置界面。重复步骤O)中的参数设置，改变电子标靶上的点阵。
在标靶参数设置步骤中，步骤Qc)所述的标点亮度类型指标点内各像素的亮度分布类型，是特意根据PIV实验标定过程中识别标点中心算法的需求来设计的。其中等亮指标点中各像素为选定颜色下等强度发光。如图4所示的实验测试结果(为了示意图显示效果需要，标靶成像采用了负片的效果)，其图4左图显示的是圆形点阵的成像，标靶采用了标点等亮的模式。因此从成像中看，标点成像清晰，标点边缘亮度锐变明显。如图4右图的标点轮廓识别图所示，采用设定灰度阈值的方法能非常容易和准确的得到标点的轮廓。 这种标点等亮的显示模式，适用于通过标点成像区域的几何重心算法来获得标点中心亚像素精度的坐标。
标点亮度类型中另一种高斯分布是指标点的颜色亮度分布按照标准高斯分布从标点中心向外渐变减弱的。如图5所示，标靶设置的亮度为一个方形标点的标准高斯分布， 亮度大小已经归一化处理。该标点在成像后的亮度分布和设置的亮度分布具有非常好的相似性。尤其突出的是效果是，采用高斯亮度分布的标点，因为有标点几何中心即为亮度峰值，因此成像后亮度分布也有一个非常明显的峰值。这种成像效果，对PIV实验标定环节中识别标点中心的峰值识别法非常有益，即根据标点成像灰度的区域峰值来得到标点中心坐标。由此可见，电子标靶采用不同的标点亮度类型是针对PIV标定中标点识别算法的不同特意设置的，较传统PIV标靶有非常突出的优势。
电子标靶引导程序预留了开放式可编程接口函数UDMJP User Defined Mark (用户定义标点)。该接口提供了固定的函数结构，用户可根据函数的结构自定义单个标点的形状、颜色和大小等参数。该UDM函数要求输入参数为空，返回值为无符号16位整数的二维矩阵(即标点颜色矩阵)，编译环境同样采用uVision开发平台。导入用户自定义的UDM 函数通过uVision开发平台编译整个引导程序，将生成的HEX文件导入开发板3上的闪存 (flash)，用户就能实现自定义标点的标靶点阵。
权利要求
1.一种粒子图像测速用电子标靶，其特征在于它包括硬件系统和软件系统两部分， 硬件系统又包括软件开发平台和电子标靶主体两部分，其中软件开发平台包括微型计算机 (1)和仿真器O)，而电子标靶主体包括开发板C3)和显示屏；微型计算机(1)和仿真器(2)通过JTAG接口的数据线连接；仿真器(2)和开发板(3)之间采用20针排线连接；显示屏固定在开发板(3)上，通过一个通用的32芯IXD接口连接；开发板(3)和显示屏 (4)共同组成电子标靶主体，脱离开发环境后独立工作，所需电源为独立配置或者通过开发板C3)上的USB接口和微型计算机(1)相连来获得；该软件系统其开发环境采用软件uVision IDE V4. 10，开发板(3)的仿真采用软件 J-IinkARM V4. 20 ；在软件uVision中配置仿真器(2)和开发板(3)，使uVision能通过仿真器(2)识别开发板(3)；编译电子标靶的引导程序生成HEX文件，通过uVision自带的固件导入工具将此HEX装载于开发板C3)上的闪存，这样每次启动电子标靶都能自动运行该程序；安装引导程序后的电子标靶通过显示屏(4)上的提示，触摸显示屏(4)来操作设定点阵。
2.根据权利要求1所述的一种粒子图像测速用电子标靶的使用方法，其特征在于其步骤如下步骤1 接通电子标靶电源，电子标靶自动开启并显示开机画面；步骤2 开机画面结束后出现点阵设置的操作界面，依次触摸选择设置选项，直至完成最后一个选择设置，电子标靶自动生成标点点阵；各个设置界面依次如下a)选择标点形状，即圆形、方形、十字形或用户自定义标点；如果选择了用户自定义标点，那参数设置将直接跳转到步骤e进行标点间距d的设置；b)选择标点大小尺寸c，即3、5、7和9个像素大小；c)选择标点亮度类型，即等亮和高斯分布；d)选择标点颜色，即白色、绿色、红色和蓝色；e)选择标点间距d，即7、9、11和13个像素；步骤3 完成点阵参数设置后，引导程序自动根据各参数显示电子标靶点阵；步骤4:如果用户想改变点阵的设置，按触摸屏上返回键就能返回到开机画面后的参数设置界面；重复步骤2中的参数设置，能改变电子标靶上的点阵；该电子标靶引导程序预留了开放式可编程接口函数UDM，即用户定义标点her Defined Mark ；该接口提供了固定的函数结构，用户根据函数的结构自定义单个标点的形状、颜色和大小参数；该UDM函数要求输入参数为空，返回值为无符号16位整数的二维矩阵即标点颜色矩阵，编译环境同样采用uVision开发平台；导入用户自定义的UDM函数通过 uVision开发平台编译整个引导程序，将生成的HEX文件导入开发板( 上的闪存，用户就能实现自定义标点的标靶点阵。
3.根据权利要求1所述的一种粒子图像测速用电子标靶，其特征在于该微型计算机(1)为通用的微型计算机，采用戴尔0PTIPLEX 960台式机，win764位系统，基本配置为 Intel Core2中央处理器，6GB内存，ITB硬盘，ATI Radeon HD 4670独立显卡。
4.根据权利要求1所述的一种粒子图像测速用电子标靶，其特征在于该仿真器(2) 采用ARM通用20针JTAG接口仿真器，版本8.0。
5.根据权利要求1所述的一种粒子图像测速用电子标靶，其特征在于该开发板(3)选用神州一号STM32开发板，支持通用的2. 4/2. 8寸IXD液晶触摸屏。
6.根据权利要求1所述的一种粒子图像测速用电子标靶，其特征在于该显示屏(4) 采用普通2. 8寸TFT触摸式显示屏。
全文摘要
一种粒子图像测速用电子标靶及其使用方法，包括硬件系统(软件开发平台和电子标靶主体)和软件系统；其中软件开发平台包括微型计算机和仿真器，电子标靶主体包括开发板和显示屏；微型计算机和仿真器通过JTAG接口数据线连接；仿真器和开发板之间采用20针排线连接；显示屏固定在开发板上，通过通用的32芯LCD接口连接；电子标靶主体脱离开发环境后独立工作；软件系统开发采用软件uVision，开发板的仿真采用软件J-link；电子标靶的引导程序加载于开发板上的闪存；电子标靶点阵设置通过触摸显示屏来完成，设置参数包括标点形状、尺寸、亮度、颜色和点阵间距；引导程序预留了开放式接口函数UDM来定义单个标点的形状、颜色和大小参数以实现用户自定义标点的标靶点阵。
文档编号G01P5/20GK102507974SQ201110329290
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者王晋军, 王洪平, 高琪 申请人:北京航空航天大学