專利名稱：：實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)及其后處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：木發(fā)明屬于水利量測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)吋量測(cè)系統(tǒng)及其后處理方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有的河:r、港工和水工模型試驗(yàn)中，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)速度的量測(cè)方法大致有兩類第一類方法為單點(diǎn)流速量測(cè)方法。如浮標(biāo)示蹤人工計(jì)時(shí)法，這一方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度不高；旋槳流速儀量測(cè)法，相對(duì)于前者其量測(cè)精度有所提高，但其測(cè)量的最小流速為2.0cm/s，且當(dāng)泥沙含量較高時(shí)其量測(cè)精度降低甚至難以使用；類似的儀器量測(cè)法還有超聲流速儀量測(cè)法、電磁流速儀量測(cè)法等。這些儀器的共同特征是都只適于單點(diǎn)水流流速的量測(cè)，無法用于河工模型試驗(yàn)屮大面積水域平面流場(chǎng)的量測(cè)。第二類方法是平面流場(chǎng)量測(cè)方法，相對(duì)于第一類方法，它們可以被用來進(jìn)行大面積水域流場(chǎng)的量測(cè)。該類方法通常建立在新興發(fā)展起來的圖像處理技術(shù)之上，如應(yīng)用顆粒示蹤與圖像處理技術(shù)的量測(cè)方法(發(fā)明專利號(hào)ZL94119429.9)，它使用攝像機(jī)采集流場(chǎng)信息、錄像機(jī)記錄回放等工序獲取平面流場(chǎng)數(shù)據(jù)，但這一過程通常需要花費(fèi)半天以上的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)量測(cè)的要求。隨著數(shù)字圖象處理相關(guān)理論及硬件的發(fā)展，基于PTV(ParticleTrackingVelocimetry，粒子跟蹤測(cè)速技術(shù))原理(發(fā)明專利號(hào)ZL00130291.4)和PIV(ParticleImageVelocimetry,粒子成像測(cè)速技術(shù))原理的方法也逐漸被應(yīng)6用于模型試驗(yàn)的平面流場(chǎng)的量測(cè)之中，并使得量測(cè)效果大為改進(jìn)。piv技術(shù)較之ptv技術(shù)而言，無須采集多幀圖像即可滿足計(jì)算要求即大幅縮減了圖像采集的時(shí)間延遲，能適應(yīng)非恒定性更為顯著的水流運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)量測(cè)。現(xiàn)有的基于piv技術(shù)的方法計(jì)算速度一般還較慢，處理768x576規(guī)模的數(shù)字圖象通常需要兒十秒；另外，現(xiàn)有大多數(shù)基于piv、ptv技術(shù)的方法都需要手工處理錯(cuò)誤的流速矢，這使得它們的自動(dòng)化程度不高且嚴(yán)重影響最終流場(chǎng)的生成效率。尤其在防洪實(shí)體模型試驗(yàn)中，通常需要在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)洪水傳播及險(xiǎn)工處流場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行量測(cè)和反饋，供防汛指揮部門參考。這就對(duì)量測(cè)方法的計(jì)算效率和自動(dòng)化程度提出了很高的要求，此時(shí)現(xiàn)有大多數(shù)量測(cè)方法都還難以勝任。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)及其后處理方法，解決目前實(shí)體模型大面積水域的表面流場(chǎng)量測(cè)過程中同類量測(cè)方法計(jì)算速度慢且錯(cuò)誤的流速矢需要手工進(jìn)行處理的缺陷。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，包括圖像采集模塊、圖像管理模塊、流場(chǎng)計(jì)算及其后處理模塊和數(shù)據(jù)提取模塊，其特征是，所述圖像采集模塊負(fù)責(zé)圖像的采集和儲(chǔ)存；所述圖像管理模塊負(fù)責(zé)圖像的旋轉(zhuǎn)、平移和拼接；所述流場(chǎng)計(jì)算及其后處理模塊負(fù)責(zé)流場(chǎng)計(jì)算及錯(cuò)誤流速矢檢測(cè)與插補(bǔ)；所述數(shù)據(jù)提取模塊根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑谒玫牧鲌?chǎng)中提取平面或斷面的流速分布。一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述方法包括下列步驟步驟1:在水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運(yùn)動(dòng)的示蹤顆粒；步驟2:在視頻同步器的協(xié)助下，用ccd攝像機(jī)輪流按照預(yù)先設(shè)定的幀頻步驟3:將這些信息通過視頻線傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡，經(jīng)其處理后以768X576的象素規(guī)格保存在計(jì)算機(jī)硬盤上；步驟4:圖像采集完畢，系統(tǒng)依次對(duì)每個(gè)CCD攝像機(jī)采集的圖像序列進(jìn)行匹配計(jì)算，得到初步流場(chǎng)；步驟5:運(yùn)用流場(chǎng)后處理算法對(duì)初步流場(chǎng)進(jìn)行錯(cuò)誤流速矢的剔除及流場(chǎng)空洞的插補(bǔ)；步驟6:將各CCD攝像機(jī)所代表的流場(chǎng)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和拼接操作形成整體流場(chǎng)，最后將結(jié)果數(shù)據(jù)存于硬盤上并顯示在電腦屏幕上對(duì)用戶進(jìn)行反饋。所述步驟4中，初步流場(chǎng)使用小波變換多尺度匹配法來獲取，包括如下步驟步驟41:對(duì)圖像進(jìn)行n層小波變換，每次變換時(shí)原圖被分解為4幅較小圖像，象素?cái)?shù)量為原圖的1/4;對(duì)于第/層變換n^0為圖像的低頻分量，包含圖像的主要信息；m-l和n^2分別為圖像邊緣水平和垂直分量；m=3為圖像對(duì)角分量，其中1^^";其中l(wèi)^/^3;步驟42:在圖像上布設(shè)規(guī)則排列的診斷窗口，并使它們的中心在平面上成矩陣式排列，每個(gè)診斷窗口中心對(duì)應(yīng)著一個(gè)潛在的流速矢；步驟43:利用圖像的低頻分量進(jìn)行診斷窗口的匹配計(jì)算，并采用直接相關(guān)法進(jìn)行匹配搜索；在第/層上對(duì)各診斷窗口進(jìn)行匹配計(jì)算后，依次在第/-1、)-2、…層中在上一層匹配計(jì)算所確定的候選目標(biāo)附近進(jìn)行更精細(xì)的匹配直至原圖，最終得到各診斷窗口的精確匹配定位，進(jìn)而得到初步流場(chǎng)。所述小波變換，使用具有線性相位的雙正交小波基以保證分解后圖像信息的相對(duì)位置不變。所述小波變換和各層匹配計(jì)算，采用OpenMP多線程技術(shù)加快計(jì)算速度。所述步驟5中，運(yùn)用流場(chǎng)后處理算法對(duì)初步流場(chǎng)進(jìn)行錯(cuò)誤流速矢的剔除及流場(chǎng)空洞的插補(bǔ)，包括下列步驟步驟51:步驟42中的診斷窗口中心成矩陣式規(guī)則排列，建立與該矩陣排列對(duì)應(yīng)的二維流場(chǎng)屬性總表VProT(i，j)，i，j分別表示矩陣式排列中行和列的編號(hào)，將總表各個(gè)元素初始狀態(tài)設(shè)為未檢測(cè)狀態(tài)；/(aveK-Z)2+(avel7-F)2步驟52:利用公式v""^——"°2;^^~計(jì)算各診斷窗口中一v《+av《心的流速矢特征值A(chǔ)^/(i,j)并檢驗(yàn)其合理性；若va/(i,j)的特征值小于0.5，則該診斷窗口中心流速矢是合理的，將其視作一個(gè)種子；否則，該診斷窗口中心流速矢是不合理的，將其予以排除；其中，F(xiàn)^、P^表示該未檢測(cè)點(diǎn)在:cj;方向上流速分量；ave^、flve^分別為其周圍的各相鄰點(diǎn)在；c,y方向上流速分量的均值，即眞rj丄H^，av,=丄5>"，A表示其周圍相鄰點(diǎn)的序號(hào)，n為其周圍相鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)，n《8;步驟53:建立與矩陣排列對(duì)應(yīng)的二維屬性臨時(shí)表VPro(i，j);步驟54:初始化臨時(shí)表VPro(i,j)，選取尚未進(jìn)行檢測(cè)且特征值va/(i，j)最小的種子點(diǎn)，將該種子點(diǎn)及其周圍各點(diǎn)均設(shè)為有效點(diǎn)，并加入臨時(shí)表中；步驟55:以有效點(diǎn)為中心形成初始相干結(jié)構(gòu)，進(jìn)行交替循環(huán)擴(kuò)張并不斷并入新點(diǎn)，判斷新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)；如果屬于，說明新點(diǎn)是有效點(diǎn)，將其添加到臨時(shí)屬性表中，然后接著檢測(cè)下一個(gè)新點(diǎn)；否則，說明新點(diǎn)不是有效點(diǎn)，將其剔除并在該處形成流場(chǎng)空洞；步驟56:在完成一個(gè)種子點(diǎn)的交替循環(huán)擴(kuò)張之后，統(tǒng)計(jì)屬于該相干結(jié)構(gòu)的所有有效點(diǎn)的數(shù)目；若數(shù)目小于設(shè)定值N，則舍棄該種子；否則，將該種子的所有有效點(diǎn)信息寫入總表，在總表中所有已確認(rèn)的有效點(diǎn)不能再成為種子點(diǎn)；其中，設(shè)定值N為達(dá)到水流相干結(jié)構(gòu)有效標(biāo)準(zhǔn)所包含的最小有效流速矢的數(shù)步驟57:重復(fù)執(zhí)行步驟54至步驟56，直到達(dá)到設(shè)定的種子數(shù)或已無種子可用；步驟58:在完成錯(cuò)誤流速矢的剔除后，再對(duì)流場(chǎng)空洞進(jìn)行插補(bǔ)。所述判斷新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)的方法是，先利用新點(diǎn)周圍有效點(diǎn)進(jìn)行插值求出流速矢預(yù)測(cè)值，比較該值與新點(diǎn)流速矢之間的差別，若相對(duì)誤差小于設(shè)定值，則新點(diǎn)屬于本相干結(jié)構(gòu)。所述對(duì)流場(chǎng)空洞進(jìn)行插補(bǔ)，利用空洞周圍的24點(diǎn)中的有效點(diǎn)進(jìn)行插值；另外為了保證插值精度，規(guī)定插值執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)定值M，即當(dāng)空洞周圍有效節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于M時(shí)才進(jìn)行插補(bǔ)。本發(fā)明提供的系統(tǒng)和方法，使圖像直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)而減少了錄像機(jī)錄像和回放的中間過程；基于PIV技術(shù)的流場(chǎng)計(jì)算方法不需要像PTV技術(shù)那樣需要每個(gè)攝像機(jī)采集8幀圖像才能滿足流場(chǎng)計(jì)算要求，即大幅縮減了圖像采集的時(shí)間延遲；使用數(shù)字圖象處理領(lǐng)域中目前最先進(jìn)的小波變換多尺度匹配方法，極大地提高了流速矢匹配計(jì)算的速度；流場(chǎng)后處理方法使得排除錯(cuò)誤流速矢的自動(dòng)化程度大為提高。圖1是實(shí)施本發(fā)明的硬件系統(tǒng)配置示意圖。圖2是實(shí)體模型表面流場(chǎng)計(jì)算及其后處理方法實(shí)施流程圖。圖3是診斷窗口中心的排列形式及新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4是流場(chǎng)相干結(jié)構(gòu)交錯(cuò)擴(kuò)張示意圖。圖5是執(zhí)行錯(cuò)誤流速矢剔除和流場(chǎng)空洞插補(bǔ)的效果示意圖。具體實(shí)施例方式10圖1是實(shí)施本發(fā)明的硬件系統(tǒng)配置示意圖。運(yùn)行本發(fā)明提供的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)的硬件包括1個(gè)或者1個(gè)以上前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、路由器和遠(yuǎn)程主控計(jì)算機(jī)。其中，前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括4個(gè)CCD攝像機(jī)、l個(gè)視頻同步器、1臺(tái)內(nèi)置圖像采集卡的微型計(jì)算機(jī)；若干前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、遠(yuǎn)程主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成整體測(cè)量系統(tǒng)。此外，本發(fā)明的實(shí)施還需用到示蹤顆粒。在試驗(yàn)時(shí)，將示蹤顆粒均勻撒布在水流表面并使其跟隨水流運(yùn)動(dòng)，攝像機(jī)安裝于河工模型流場(chǎng)的上方并通過視頻同步器實(shí)現(xiàn)外同步，攝像機(jī)拍攝的表面流場(chǎng)的圖像信號(hào)通過視頻線傳輸至計(jì)算機(jī)圖像采集卡進(jìn)行分析處理，得到平面流場(chǎng)。實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，包括圖像采集模塊、圖像管理模塊、流場(chǎng)計(jì)算及其后處理模塊和數(shù)據(jù)提取模塊，圖像釆集模塊負(fù)責(zé)圖像的釆集和儲(chǔ)存；圖像管理模塊負(fù)責(zé)多幅圖像的旋轉(zhuǎn)、平移和拼接；流場(chǎng)計(jì)算及其后處理模塊負(fù)責(zé)流場(chǎng)計(jì)算及錯(cuò)誤流速矢檢測(cè)與插補(bǔ)；數(shù)據(jù)提取模塊負(fù)責(zé)在所得到的流場(chǎng)中根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康奶崛∑矫婊驍嗝娴牧魉俜植?。本發(fā)明提供的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)及其后處理方法，通過在主控計(jì)算機(jī)上的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制。量測(cè)時(shí)，在流場(chǎng)表面均勻撒上跟隨性良好的示蹤顆粒來代表水流的運(yùn)動(dòng)(通常使用與模型沙顏色相反的紙屑即可)。攜帶示蹤顆粒的表層水流的運(yùn)動(dòng)過程的圖像信息由攝像機(jī)獲取并傳輸至計(jì)算機(jī)圖像采集卡，經(jīng)過圖像處理、匹配計(jì)算、流場(chǎng)后處理、流場(chǎng)拼接等幾個(gè)工序后，即可得到全試驗(yàn)段的表面流場(chǎng)。圖2是實(shí)體模型表面流場(chǎng)計(jì)算及其后處理方法實(shí)施流程圖。圖2中，步驟201:在硬件安裝和連接好后，先在水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運(yùn)動(dòng)的示蹤顆粒。步驟202:在視頻同步器的協(xié)助下，用CCD攝像機(jī)輪流按照預(yù)先設(shè)定的幀頻和數(shù)量采集平面流場(chǎng)信息。步驟203:將這些信息通過視頻線傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡，經(jīng)其處理后以768X576的象素規(guī)格保存在計(jì)算機(jī)硬盤上；步驟204:圖像采集完畢，系統(tǒng)依次對(duì)每個(gè)CCD攝像機(jī)采集的圖像序列進(jìn)行匹配計(jì)算，得到初步流場(chǎng)。各攝像機(jī)所代表的初步流場(chǎng)采用小波變換多尺度匹配法來獲取。多尺度匹配是在人們先粗后細(xì)尋找事物的習(xí)慣上形成的，即在小尺寸粗尺度圖像上進(jìn)行粗匹配，排除大量不可能是目標(biāo)的點(diǎn)，把主要匹配計(jì)算集中在細(xì)尺度圖像的極少數(shù)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)由粗到細(xì)的快速匹配。初步流場(chǎng)計(jì)算具體過程如下a)對(duì)圖像進(jìn)行n次小波變換(本系統(tǒng)使用l-3次)，每次變換時(shí)原圖被分解為4幅較小圖像(象素?cái)?shù)量為原圖的1/4)。對(duì)于第j次變換01=0為圖像的低頻分量，包含圖像的主要信息；m二l和iiF2分別為圖像邊緣水平和垂直分量；111=3為圖像對(duì)角分量，通常可認(rèn)為它包含了圖像孤立點(diǎn)噪聲。在小波變換中采用具有線性相位的雙正交小波基保證變換后圖像信息的相對(duì)位置不變。b)為了保證足夠的計(jì)算精度和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)主要對(duì)圖像的低頻分量進(jìn)行分析計(jì)算，并采用精度較高的直接相關(guān)法進(jìn)行匹配搜索。在圖像上布設(shè)規(guī)則排列的診斷窗口，并使它們的中心在平面上成矩陣式排列。圖4是種子交錯(cuò)擴(kuò)張示意圖，圖4中，每個(gè)中心對(duì)應(yīng)著一個(gè)潛在的流速矢。在各層匹配搜索中，診斷窗口的尺寸是不同的，一般為64X64、32X32、16X16、8X8象素，如當(dāng)原圖診斷窗口尺寸為64X64時(shí)，第n層小波變換后則為64/2nX64/2n。在進(jìn)行最粗尺度匹配時(shí)，搜索區(qū)域通常取4或9、16倍的診斷窗口大小，這在一般情況下已能滿足實(shí)際應(yīng)用中的大多數(shù)測(cè)速量程要求。c)在第j層上對(duì)各診斷窗口進(jìn)行匹配運(yùn)算后，依次在第j-l、j-2、...層中在上一層匹配計(jì)算所確定的候選目標(biāo)附近進(jìn)行更精細(xì)的匹配直至原圖。隨著圖像內(nèi)容和位置信息越來越完整，假目標(biāo)被層層排除，最終將得到其精確定位。由于每層的匹配計(jì)算只需在上層候選目標(biāo)位置附近進(jìn)行，所以效率大大提高。步驟205:運(yùn)用流場(chǎng)后處理算法對(duì)初步流場(chǎng)進(jìn)行錯(cuò)誤流速矢的剔除及流場(chǎng)空洞的插補(bǔ)。該算法主要基于流場(chǎng)相干結(jié)構(gòu)思想，具體實(shí)施歩驟如下a)如步驟204中b)所述，由于診斷窗口中心成矩陣式規(guī)則排列，可建立與其對(duì)應(yīng)的二維屬性總表VProT(i，j)來記錄流速矢是否合理的信息，i,j分別表示矩陣式排列中行和列的編號(hào)。將總表各元素初始狀態(tài)設(shè)為"未檢測(cè)狀態(tài)"。b)利用公式whf^^^^5Z計(jì)算各未檢測(cè)點(diǎn)的流速矢特征值ra/(i，j)并檢驗(yàn)其合理性；若ra/(ij)的特征值小于0.5，則診斷窗口中心流速矢是合理的，將其視作一個(gè)種子；否則，該診斷窗口中心流速矢是不合理的，將其予以排除。其中，J^、Fy,。表示該未檢測(cè)點(diǎn)在:cj方向上流速分量；m;e^、m;e&分別為其周圍的相鄰點(diǎn)在x,y方向上流速分量的均值，即，aver=丄^]^，k表示周圍相鄰點(diǎn)的序號(hào)，n為其周圍相鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)，n《8。c)建立與流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的二維屬性臨時(shí)表VPro(i,j)，用來記錄診斷窗口(ij)處流速矢是否合理的信息，若合理，則該點(diǎn)稱為有效點(diǎn)，否則為無效點(diǎn)。d)初始化臨時(shí)表VPro(i，j)，選取尚未進(jìn)行檢測(cè)且特征值ra/(i，j)最小的種子點(diǎn)，將該種子點(diǎn)及其周圍各點(diǎn)均設(shè)為有效點(diǎn)，并加入臨時(shí)表中。e)以有效點(diǎn)為中心形成初始相干結(jié)構(gòu)，進(jìn)行交替循環(huán)擴(kuò)張并不斷并入新點(diǎn)，判斷新點(diǎn)是否屬于相干結(jié)構(gòu)；如果屬于，說明新點(diǎn)是有效點(diǎn)，將其添加到臨時(shí)屬性表中，然后接著檢測(cè)下一個(gè)新點(diǎn)；否則，說明新點(diǎn)不是有效點(diǎn)，將其剔除并在該處形成流場(chǎng)空)同。圖3是診斷窗口中心的排列形式及判斷新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3中，小圓圈代表一個(gè)診斷窗口中心，每個(gè)診斷窗口中心都存在流速矢；大圓圈內(nèi)的點(diǎn)代表一個(gè)種子及其周圍有效點(diǎn)所構(gòu)成的初始相干結(jié)構(gòu)。在判斷新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)時(shí)，規(guī)定新點(diǎn)入選偏差標(biāo)準(zhǔn)為T(通常取20%左右)。先利用新點(diǎn)周圍有效點(diǎn)進(jìn)行插值求出流速矢預(yù)測(cè)值，比較該值13與新點(diǎn)流速矢之間的差別，當(dāng)相對(duì)誤差小于T時(shí)，即認(rèn)為新點(diǎn)屬于本相干結(jié)構(gòu)并把它添加到臨時(shí)表VPro(i，j)中，然后接著檢測(cè)下一個(gè)新點(diǎn)。圖4是流場(chǎng)相干結(jié)構(gòu)交錯(cuò)擴(kuò)張示意圖，圖4(a)中，先在上下兩行加入新點(diǎn)，從中間開始向左右擴(kuò)展；圖4(b)中，再在左右兩列加入新點(diǎn)，從中間開始向上下擴(kuò)展，這樣在一次交替擴(kuò)張后又形成一個(gè)新的方形區(qū)域，并在錯(cuò)誤的流速矢處自動(dòng)形成空洞，如此交替循環(huán)進(jìn)行。規(guī)定包含有效流速矢數(shù)量大于N的相干結(jié)構(gòu)為有效相干結(jié)構(gòu)。在完成一個(gè)種子點(diǎn)的交替循環(huán)擴(kuò)張之后，統(tǒng)計(jì)屬于該相干結(jié)構(gòu)的所有有效點(diǎn)的數(shù)目，若其小于N則舍棄該種子，反之則將該種子的所有有效點(diǎn)信息寫入總表。另外，在總表中所有已被確認(rèn)為有效點(diǎn)的點(diǎn)不能再成為種子點(diǎn)。f)重復(fù)執(zhí)行歩驟d)到e)，直到達(dá)到設(shè)定的種子數(shù)或已無種子可用。g)在完成錯(cuò)誤流速矢的剔除后，流場(chǎng)中出現(xiàn)了許多因剔除留下的空洞，需要對(duì)其進(jìn)行插補(bǔ)。本文利用空洞周圍的24點(diǎn)中的有效點(diǎn)進(jìn)行插值(即5X5插值形式)；另外為了保證插值精度，采取了一種限制插值方法，即規(guī)定插值有效標(biāo)準(zhǔn)為M(通常取IO)，當(dāng)空洞周圍有效節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于M時(shí)才進(jìn)行插補(bǔ)。以上論述根據(jù)自由水面水流運(yùn)動(dòng)的自然屬性提出了一種雙表交錯(cuò)擴(kuò)張式方案來剔除錯(cuò)誤的流速矢并進(jìn)行流場(chǎng)空洞的插補(bǔ)，具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)。它與前述的小波變換多尺度匹配計(jì)算方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高效、高自動(dòng)化程度的目標(biāo)。圖5是執(zhí)行錯(cuò)誤流速矢剔除和流場(chǎng)空洞插補(bǔ)的效果示意圖。圖5中，圖5(a)為初始未經(jīng)處理的流場(chǎng)的示意圖；圖5(b)為剔除錯(cuò)誤流速矢后的效果示意圖；圖5(c)為流場(chǎng)空洞插補(bǔ)后的效果示意圖。步驟206:將各CCD攝像機(jī)所代表的流場(chǎng)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和拼接操作形成整體流場(chǎng)，最后將結(jié)果數(shù)據(jù)存于硬盤上并顯示在電腦屏幕上對(duì)用戶進(jìn)行反饋。鑒于當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，雙核心、四核心計(jì)算機(jī)目前已經(jīng)相當(dāng)普遍，這給基于多核心計(jì)算機(jī)的多線程并行技術(shù)OpenMP提供了相當(dāng)好的硬件環(huán)境。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、效果顯著，本文在小波變換、匹配搜索這兩個(gè)計(jì)算工序中使用了該技術(shù)。為全面檢驗(yàn)本算法效率及OpenMP技術(shù)的并行效果，本文選用八核心(單核主頻為3.0G)硬件平臺(tái)進(jìn)行了軟件測(cè)試。對(duì)于768X576規(guī)格圖像，i卜算的診斷窗口分別取64X64、32X32、16X16三種并保持各窗口上下左右都與相鄰窗口重疊一半，對(duì)應(yīng)的流速矢數(shù)量分別為391根、1645根、6745根，搜索區(qū)域設(shè)為診斷窗口的4倍，測(cè)試結(jié)果如表1所示。對(duì)于普通的四核心處理器可參考表中"4線程"的測(cè)試結(jié)果，它計(jì)算包含1645根矢量的流場(chǎng)只需0.109s，即能在ls秒鐘內(nèi)處理近9個(gè)攝像機(jī)采集的圖片，基本能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算反饋。表l診斷窗口取64X64、32X32、16X16時(shí)各計(jì)算部分所耗時(shí)間(單位秒)l線程2線程4線程8線程64X64小波變換(三次)0.0150.0000.0000.000匹配搜索0.1880.1100.0620.032剔除插補(bǔ)0.0000.0000.0000.000合計(jì)0.2030.1100.0620.03232X32小波變換(二次)0.0160.0000.0000.000匹配搜索0.2650.1410.0780.047剔除插補(bǔ)0.0320.0310.0310.031合計(jì)0.3130.1720.1090.07816X16小波變換(一次)0.0150,0150.0160.015匹配搜索0.5150.2660.1250.062剔除插補(bǔ)0.1100.1090.1090.110合計(jì)0.6410.3900.2500.187注由于計(jì)算機(jī)有時(shí)無法反映過小的時(shí)間間隔，故而表中有些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為0。對(duì)于本發(fā)明平面流場(chǎng)量測(cè)系統(tǒng)，其量測(cè)范圍、量程、精度不能籠統(tǒng)而論，這些參數(shù)與攝像機(jī)的安裝高度h、匹配搜索的象素精度s、采樣的時(shí)間間隔At都有直接關(guān)系。本系統(tǒng)診斷窗口可取64X64、32X32、16X16三種，最大搜索區(qū)域按16倍最大診斷窗口計(jì)算則檢測(cè)位移可達(dá)96象素；在小波變換的各層采用精度較高的直接匹配法匹配計(jì)算的精度可達(dá)1個(gè)象素；攝像機(jī)采樣的時(shí)間間隔At為0.04s并15可調(diào)節(jié)，通過硬件調(diào)節(jié)或使用多幅采集方法可使得At達(dá)到原來的IO倍以上。測(cè)速量程按0.04s內(nèi)移動(dòng)96象素位移確定、測(cè)速精度按0.4s內(nèi)移動(dòng)l象素確定，表2給出了本系統(tǒng)在不同的攝像機(jī)安裝高度下的基本性能參數(shù)。表2不同攝像頭安裝髙度下本文PIV系統(tǒng)的量程、精度、范圍參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>注本文圖片規(guī)格為768X576,參數(shù)s表示lm長(zhǎng)度實(shí)物在照片中所占的象素個(gè)數(shù)在上述的平面流場(chǎng)量測(cè)系統(tǒng)中，以一個(gè)子系統(tǒng)為例，按照每個(gè)攝像機(jī)連續(xù)釆集2幀圖像計(jì)算，它們采集圖像所需的總時(shí)間為0.04X2秒，加上鏡頭切換時(shí)間約O.l秒，4個(gè)攝像機(jī)采集花費(fèi)的總吋間約為0.72秒。由此可見，本方法不像PTV技術(shù)那樣需要每個(gè)攝像機(jī)采集8幀圖像才能滿足流場(chǎng)計(jì)算要求，圖像采集的同步性能大為提高。對(duì)于普通的四核心處理器，按診斷窗口32X32對(duì)采得圖像進(jìn)行初歩流場(chǎng)計(jì)算和后處理，耗時(shí)O.109X4秒，考慮各局部流場(chǎng)計(jì)算之間的切換時(shí)間約0.05秒。由此可見，在所舉的應(yīng)用實(shí)例中，在各種硬件、軟件環(huán)境均已經(jīng)調(diào)式完畢的前提下，從圖像采集到得到最終的流場(chǎng)結(jié)果最快僅需約1.356秒。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1、一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，包括圖像采集模塊、圖像管理模塊、流場(chǎng)計(jì)算及其后處理模塊和數(shù)據(jù)提取模塊，其特征是，所述圖像采集模塊負(fù)責(zé)圖像的采集和儲(chǔ)存；所述圖像管理模塊負(fù)責(zé)圖像的旋轉(zhuǎn)、平移和拼接；所述流場(chǎng)計(jì)算及其后處理模塊負(fù)責(zé)流場(chǎng)計(jì)算及錯(cuò)誤流速矢檢測(cè)與插補(bǔ)；所述數(shù)據(jù)提取模塊根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑谒玫牧鲌?chǎng)中提取平面或斷面的流速分布。2、一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述方法包括下列步驟，步驟1:在水流表面均勻撒布能緊密跟隨水流運(yùn)動(dòng)的示蹤顆粒；步驟2:在視頻同步器的協(xié)助下，用CCD攝像機(jī)輪流按照預(yù)先設(shè)定的幀頻和數(shù)量采集T-面流場(chǎng)信息；步驟3:將這些信息通過視頻線傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡，經(jīng)其處理后以768X576的象素規(guī)格保存在計(jì)算機(jī)硬盤上；步驟4:圖像采集完畢，系統(tǒng)依次對(duì)每個(gè)CCD攝像機(jī)采集的圖像序列進(jìn)行匹配計(jì)算，得到初步流場(chǎng)；步驟5:運(yùn)用流場(chǎng)后處理算法對(duì)初步流場(chǎng)進(jìn)行錯(cuò)誤流速矢的剔除及流場(chǎng)空洞的插補(bǔ)；步驟6:將各CCD攝像機(jī)所代表的流場(chǎng)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和拼接操作形成整體流場(chǎng)，最后將結(jié)果數(shù)據(jù)存于硬盤上并顯示在電腦屏幕上對(duì)用戶進(jìn)行反饋。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述步驟4中，初步流場(chǎng)使用小波變換多尺度匹配法來獲取，包括如下步驟步驟41:對(duì)圖像進(jìn)行w層小波變換，每次變換時(shí)原圖被分解為4幅較小圖像，象素?cái)?shù)量為原圖的1/4;對(duì)于第y層變換m=0為圖像的低頻分量，包含圖像的主要信息；111=1和111=2分別為圖像邊緣水平和垂直分量；111=3為圖像對(duì)角分量，其中W《/;其中1<"3;步驟42:在圖像上布設(shè)規(guī)則排列的診斷窗口，并使它們的中心在平面上成矩陣式排列，每個(gè)診斷窗口中心對(duì)應(yīng)著一個(gè)潛在的流速矢；步驟43:利用圖像的低頻分量進(jìn)行診斷窗口的匹配計(jì)算，并采用直接相關(guān)法進(jìn)行匹配搜索；在第_/層上對(duì)各診斷窗口進(jìn)行匹配計(jì)算后，依次在第卜l、7-2、...層中在上一層匹配計(jì)算所確定的候選目標(biāo)附近進(jìn)行更精細(xì)的匹配直至原圖，最終得到各診斷窗口的精確匹配定位，進(jìn)而得到初步流場(chǎng)。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述小波變換，使用具有線性相位的雙正交小波基以保證分解后圖像信息的相對(duì)位置不變。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述小波變換和各層匹配計(jì)算，采用OpenMP多線程技術(shù)加快計(jì)算速度。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述步驟5中，運(yùn)用流場(chǎng)后處理算法對(duì)初步流場(chǎng)進(jìn)行錯(cuò)誤流速矢的剔除及流場(chǎng)空洞的插補(bǔ)，包括下列步驟步驟51:步驟42中的診斷窗口中心成矩陣式規(guī)則排列，建立與該矩陣排列對(duì)應(yīng)的二維流場(chǎng)屬性總表VProT(i,j)，g分別表示矩陣式排列中行和列的編號(hào)，將總表各個(gè)元素初始狀態(tài)設(shè)為未檢測(cè)狀態(tài)；如《-K。)2+"《-^0)2步驟52:利用公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>計(jì)算各診斷窗口中心的流速矢特征值^/(i，j)并檢驗(yàn)其合理性；若va/(i,j)的特征值小于0.5，則該診斷窗口中心流速矢是合理的，將其視作一個(gè)種子；否則，該診斷窗口中心流速矢是不合理的，將其予以排除；其中，K力、F-表示該未檢測(cè)點(diǎn)在x，y方向上流速分量；"wK、ave^分別為其周圍的各相鄰點(diǎn)在x,_y方向上流速分量的均值，即騰^=丄藝^，匿「=丄5>,，A表示其周圍相鄰點(diǎn)的序號(hào)，n為其周圍相鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)，n《8;步驟53:建立與矩陣排列對(duì)應(yīng)的二維屬性臨時(shí)表VPro(i,j);步驟54:初始化臨時(shí)表VPro(i,j)，選取尚未進(jìn)行檢測(cè)且特征值w/(i,j)最小的種子點(diǎn)，將該種子點(diǎn)及其周圍各點(diǎn)均設(shè)為有效點(diǎn)，并加入臨時(shí)表中；步驟55:以有效點(diǎn)為中心形成初始相干結(jié)構(gòu)，進(jìn)行交替循環(huán)擴(kuò)張并不斷并入新點(diǎn)，判斷新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)；如果屬于，說明新點(diǎn)是有效點(diǎn)，將其添加到臨時(shí)屬性表中，然后接著檢測(cè)下一個(gè)新點(diǎn)；否則，說明新點(diǎn)不是有效點(diǎn)，將其剔除并在該處形成流場(chǎng)空洞；步驟56:在完成一個(gè)種子點(diǎn)的交替循環(huán)擴(kuò)張之后，統(tǒng)計(jì)屬于該相干結(jié)構(gòu)的所有有效點(diǎn)的數(shù)目；若數(shù)目小于設(shè)定值N，則舍棄該種子；否則，將該種子的所有有效點(diǎn)信息寫入總表，在總表中所有已確認(rèn)的有效點(diǎn)不能再成為種子點(diǎn)；其中，設(shè)定值N為達(dá)到水流相干結(jié)構(gòu)有效標(biāo)準(zhǔn)所包含的最小有效流速矢的數(shù)暈；步驟57:重復(fù)執(zhí)行步驟54至步驟56，直到達(dá)到設(shè)定的種子數(shù)或已無種子可用；步驟58:在完成錯(cuò)誤流速矢的剔除后，再對(duì)流場(chǎng)空洞進(jìn)行插補(bǔ)。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述判斷新點(diǎn)是否屬于本相干結(jié)構(gòu)的方法是，先利用新點(diǎn)周圍有效點(diǎn)進(jìn)行插值求出流速矢預(yù)測(cè)值，比較該值與新點(diǎn)流速矢之間的差別，若相對(duì)誤差小于設(shè)定值，則新點(diǎn)屬于本相干結(jié)構(gòu)。8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種實(shí)體模型表面流場(chǎng)后處理方法，其特征是所述對(duì)流場(chǎng)空洞進(jìn)行插補(bǔ)，利用空洞周圍的24點(diǎn)中的有效點(diǎn)進(jìn)行插值；另外為了保證插值精度，規(guī)定插值執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)定值M，即當(dāng)空洞周圍有效節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于M時(shí)才進(jìn)行插補(bǔ)。全文摘要本發(fā)明公開了水利量測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
中的一種防洪實(shí)體模型試驗(yàn)表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)及其后處理方法。技術(shù)方案是，防洪實(shí)體模型試驗(yàn)表面流場(chǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)包括圖像采集模塊、圖像管理模塊、流場(chǎng)計(jì)算及后處理模塊和數(shù)據(jù)提取模塊。防洪實(shí)體模型試驗(yàn)表面流場(chǎng)后處理方法是，將示蹤顆粒均勻撒落在水流表面并使其跟隨水流運(yùn)動(dòng)，攝像機(jī)安裝于表面流場(chǎng)的上方并通過視頻同步器實(shí)現(xiàn)外同步，顆粒運(yùn)動(dòng)的圖像信號(hào)通過視頻線傳輸至計(jì)算機(jī)圖像采集卡進(jìn)行分析處理，得到流場(chǎng)流速和流態(tài)。本發(fā)明提高了流速矢匹配計(jì)算的速度，使得排除錯(cuò)誤流速矢的自動(dòng)化程度大為提高。文檔編號(hào)G01P5/18GK101464471SQ20091007671公開日2009年6月24日申請(qǐng)日期2009年1月15日優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日發(fā)明者卜海磊,昊張,張紅武,胡德超,鐘德鈺申請(qǐng)人:清華大學(xué)