基于红外摄像的新型表面流场测速系统和测速方法
【专利摘要】一种基于红外摄像的新型表面流场测速系统和测速方法，系统沿水流实验水池的长度方向设置有模型河流，模型河流的实验水流入口位于水流实验水池长度方向的一端，模型河流的实验水流出口位于水流实验水池长度方向的另一端，模型河流内设置有用于进行表面流场示踪的冰颗粒示踪粒子，模型河流的上方设置有图像采集装置，图像采集装置通过数据连接线连接数据采集与处理计算机。方法：读取图像进行边界设置；粒子图像分割；粒子识别；图像坐标与物理坐标的转换；粒子匹配跟踪；流速计算；流场插值。本发明的基于红外摄像的新型表面流场测速系统和测速方法，能够大大改善PTV在复杂光线环境、复杂水沙环境中的应用效果，并能够实现环境友好、方便、快捷的表面流场测量。
【专利说明】基于红外摄像的新型表面流场测速系统和测速方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种表面流场测速系统。特别是涉及一种用于河工模型试验水流表面流场测速的基于红外摄像的新型表面流场测速系统和测速方法。
【背景技术】
[0002]室内物理模型试验是水利工程问题研究的重要手段，尤其是近年来在河流演变模拟方面，国内外目前有大量研究者利用实验室内水池进行河流形态的塑造，利用人工塑造的小河模拟自然界中弯曲、分汊以及游荡型河流的演变，以研究河流形态演变的规律。在所有水工、河工模型实验中，水流流速的测量是最为重要的测量要素之一。
[0003]目前，水流流速的测量方法主要分为两大类:一是单点流速测量:例如传统的旋桨流速仪或者目前应用较多的声学多普勒流速仪(ADV)。然而旋桨流速仪测量精度较低，而声学多普勒流速仪(ADV)由于存在最小探测深度(一般为5cm),往往不适用于浅水环境。此外，单点测速由于测量工作量太大，往往不能够胜任河工模型大范围流场的实时测量。第二类方法为基于粒子图像的流场测速法，例如目前广泛采用粒子跟踪图像测速法(PTV)，通过对撒入水流表面的示踪粒子进行实时图像采集，并对采集的图像进行粒子识别、匹配和跟踪，实现大范围流场流速的快速测量。该方法具有高效的特点，获得了大量应用以及深入研究，例如，发明专利“实体模型表面流场实时量测系统及其后处理方法”(申请号:200910076713.5)公开了水利量测【技术领域】中的一种防洪实体模型试验表面流场实时量测系统及其后处理方法。其技术方案是将示踪颗粒均匀撒落在水流表面并使其跟随水流运动，摄像机安装于表面流场的上方并通过视频同步器实现外同步，颗粒运动的图像信号通过视频线传输至计算机图像采集卡进行分析处理，得到流场流速和流态。发明专利“非接触式河流表面流场成像量测方法”(申请号:201210346488.4)公开了一种非接触式河流表面流场成像量测方法，通过在图像传感器前加装近红外滤光片实现近红外成像，增强水流示踪物与水面背景间的亮度对比，并通过对图像进行空域高通滤波，抑制水面光学噪声；然后采用快速傅立叶互相关算法进行运动矢量估计，得到各分析区域的位移矢量，最终实现自然界中河流的表面流场快速测量。
[0004]受实验室条件限制，目前已有的粒子跟踪图像测速(PTV)系统的在实际应用中，仍然存在多方面的问题和挑战。首先，一般大型的水工、河工模型实验室内模型尺寸范围非常大，水流表面的光线一般包括来自实验窗户的自然光线，以及室内照明系统的光线，光源多样化并且散乱。在这种情况下，很难做到整体模型水表面的光线均匀，实际的水体表面往往在某些观察角度呈现出光源倒影重叠、光线不均匀反射等现象。在水深较浅、水流流速较大(沸汝德数较大)的情况下，水面一般还会出现表面波纹，呈现出波光粼粼的效果。在这种情况下，摄像系统所获取的粒子图像质量严重下降，难以准确地识别出图像中的示踪粒子。其次，示踪粒子的制作、抛撒和回收操作过程存在不方便之处。示踪粒子一般要求密度略小于水体，以获得较好的随水性，目前采用的示踪粒子一般由特定材料在工厂加工成特定的形状，例如，实用新型“实体模型表面流场图像测试的高性能示踪粒子”(申请号:200720036750.X)采用ABS材料或PP材料与天然石膏混合调制成密度与实验流体相近，用模具压制，将ABS材料或PP材料与天然石膏混合，然后采用搅拌机调制均匀，注入模具内压制而成。特制的示踪粒子必须进行回收，否则会造成材料的浪费和实验水库的环境污染，而一些因回收不完全随水泄入水库的粒子难免会造成水库的长期污染。再次，对于大量的河流演变物理模型实验，例如弯曲型、分汊型和游荡型河流演变模拟，测量区域往往存在大量散乱的洲滩分布，如果采用传统的示踪粒子测速方法，将有大量的粒子聚集在河道岸滩部分，使得流场测量结果变得混乱，此外，抛散的示踪粒子将长期滞留在岸滩处或回流区，给粒子的回收带来了挑战。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于红外摄像的新型表面流场测速系统和测速方法，利用一次性使用的低温冰颗粒代替传统的塑料等材质示踪粒子，能够大大改善PTV在复杂光线环境、复杂水沙环境中的应用效果，并能够实现环境友好、方便、快捷的表面流场测量。 [0006]本发明所采用的技术方案是:一种基于红外摄像的新型表面流场测速系统，包括有水流实验水池，沿所述水流实验水池的长度方向设置有模型河流，所述模型河流的实验水流入口位于所述水流实验水池长度方向的一端，所述模型河流的实验水流出口位于所述水流实验水池长度方向的另一端，所述模型河流内设置有用于进行表面流场示踪的冰颗粒示踪粒子，所述模型河流的上方设置有图像采集装置，所述的图像采集装置通过数据连接线连接数据采集与处理计算机。
[0007]所述模型河流上设置有流场测量区域，所述的图像采集装置设置在所述流场测量区域的上方。
[0008]所述的图像采集装置设置在所述流场测量区域正上方3~7m高处。
[0009]所述的图像采集装置为红外摄像头或工业用红外热像仪。
[0010]一种用于基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，包括如下步骤:
[0011]1)首先读取N帧图像中的第I = 1帧图像；
[0012]2)进行边界设置；
[0013]3)进行粒子图像分割；
[0014]4)进行粒子识别；
[0015]5)判断I是否小于等于N，是，返回步骤1)，否则进入下一步骤；
[0016]6)图像坐标与物理坐标的转换；
[0017]7)采用4帧法进行粒子匹配跟踪；
[0018]8)采用如下公式进行流速计算:
[0019]
【权利要求】
1.一种基于红外摄像的新型表面流场测速系统，包括有水流实验水池(1 )，其特征在于，沿所述水流实验水池(1)的长度方向设置有模型河流(2)，所述模型河流(2)的实验水流入口( 3)位于所述水流实验水池(1)长度方向的一端，所述模型河流(2)的实验水流出口(4 )位于所述水流实验水池(1)长度方向的另一端，所述模型河流(2 )内设置有用于进行表面流场示踪的冰颗粒示踪粒子(6)，所述模型河流(2)的上方设置有图像采集装置(7)，所述的图像采集装置(7 )通过数据连接线(8 )连接数据采集与处理计算机(9 )。
2.根据权利要求1所述的基于红外摄像的新型表面流场测速系统，其特征在于，所述模型河流(2 )上设置有流场测量区域(5 )，所述的图像采集装置(7 )设置在所述流场测量区域(5)的上方。
3.根据权利要求2所述的基于红外摄像的新型表面流场测速系统，其特征在于，所述的图像采集装置(7)设置在所述流场测量区域(5)正上方3~7m高处。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于红外摄像的新型表面流场测速系统，其特征在于，所述的图像采集装置(7)为红外摄像头或工业用红外热像仪。
5.一种用于权利要求1~4中任一项所述的基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，其特征在于，包括如下步骤:1)首先读取N帧图像中的第I= 1帧图像；2)进行边界设置；3)进行粒子图像分割；4)进行粒子识别；5)判断I是否小于等于N，是，返回步骤1)，否则进入下一步骤；6)图像坐标与物理坐标的转换；7)采用4帧法进行粒子匹配跟踪；8)采用如下公式进行流速计算:
6.根据权利要求5所述的用于基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，其特征在于，步骤2)所述的边界设置，是首先由用户用鼠标在图上绘制多边形，然后以所绘制的多边形作为流场的边界，划分出图像中的流场和外界区域。
7.根据权利要求5所述的用于基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，其特征在于，步骤3)所述的粒子图像分割是在每一帧图像中，把作为目标的示踪粒子从流场中分离出来。
8.根据权利要求5所述的用于基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，其特征在于，步骤4)所述的粒子识别，是采用区域生长法进行粒子识别，具体包括如下步骤:(1)通过横纵向扫描，找到粒子上某一点(i，j)；(2)对该点的邻域像素进行搜索和判断；(3)如果邻域像素仍为粒子，记录该点，合并到该粒子中，返回(2)，直到找不到能够继续合并的像素，记录粒子；(4)计算粒子的中心坐标，粒子中心坐标通过计算构成该粒子的所有质点即像素的重心求得:
9.根据权利要求8所述的用于基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，其特征在于，步骤(2)中所述的搜 索是采用邻域生长的八邻域算法，即邻域生长过程中，搜索像素点(i，j)的左、右、上、下、左上、左下、右上、右下八个位置，相应的像素点坐标分别为(i_l，j)、(i+l，j)、(i，j-l)、(i，j+l)、(1-l，j-l)、(1-l，j+l)、(i+l，j-l)、(i+l，j+1)。
10.根据权利要求5所述的用于基于红外摄像的新型表面流场测速系统的测速方法，其特征在于，步骤7)所述的4帧法，是利用示踪粒子的运动学特征，假设已经获得前3帧图像中的粒子位置，第4帧图像中粒子的位置预测的依据为:粒子的速度的变化是连续的，即:
【文档编号】G01P5/20GK103698553SQ201310743851
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】许栋, 白玉川, 徐海珏, 吴淑雄 申请人:天津大学