專利名稱：基于多維閾值約束的雙視角多氣泡同名匹配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體氣泡測量、圖像處理，尤其是涉及基于多維閾值約束的雙視角多氣泡同名匹配方法。
背景技術(shù)：
在石油、化工、冶金、制藥、核能等領(lǐng)域，氣液兩相流中氣泡的形態(tài)及其分散相與連續(xù)相之間的相互作用，在很大程度上影響著工程應(yīng)用的效果。為了進(jìn)一步研究氣液兩相流的內(nèi)在機理，更準(zhǔn)確的描述氣泡間的相互作用關(guān)系，需要對氣液兩相流中氣泡的關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行三維測量，如三維軌跡、速度場等。而三維測量和重建的先決條件，是建立高速攝像機所采集的雙視角圖像中圖元(此處為氣泡)的對應(yīng)關(guān)系，即實現(xiàn)多氣泡同名匹配。典型的同名匹配方法一般分為基于灰度的匹配和基于特征的匹配?；诨叶鹊钠ヅ渌惴?，通過二維滑動模板來實現(xiàn)圖像的匹配，雖然定位精度高，但是運算量很大，在多相流測量實時性方面難以滿足需求?；谔卣鞯钠ヅ渌惴?，從兩幅對應(yīng)的圖像中將對象的特征(點特征、線特征和區(qū)域特征等)提取出來，再進(jìn)行特征圖元的匹配，可以大大減少運算量，并降低噪聲的影響。針對高速攝像機采集的雙視角氣泡圖像，可以利用多氣泡的質(zhì)心作為匹配特征點來進(jìn)行匹配，但目前已有的匹配算法及固有約束(如極線約束)，對于氣泡這種特殊的測量對象并不完全適應(yīng)。因為氣泡具有一定體積，同時又近似為一個透明體，在背景光源照明下，高速攝像機采集得到的氣泡圖片，不僅僅是前景的信息，而往往體現(xiàn)為前景與背景的綜合信息。因此，如何實現(xiàn)氣液兩相流中雙視角多氣泡圖像的同名匹配，成為氣泡特征參數(shù)三維重建中亟待解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于多維閾值約束的雙視角多氣泡圖像同名匹配方法，以滿足氣液兩相流特征參數(shù)三維測量系統(tǒng)中，左、右畫幅雙視角多氣泡的準(zhǔn)確同名匹配。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于多維閾值約束的雙視角多氣泡同名匹配方法，包括下列步驟(I)、利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取待匹配圖像中多氣泡的質(zhì)心坐標(biāo)和投影高度，利用雙視角圖像中匹配基元即氣泡質(zhì)心的縱坐標(biāo)相容性約束，判斷氣泡對的縱坐標(biāo)差值，當(dāng)大于一定閾值時，則認(rèn)為這兩個候選匹配基元不對應(yīng)，否則，將滿足條件的匹配基元作為候選基元，并對其進(jìn)行下一步判斷；(2)、將氣泡的投影高度選為匹配基元，利用雙視角圖像中氣泡的投影相容性約束，對候選基元進(jìn)行進(jìn)一步判斷，當(dāng)原氣泡的匹配基元即投影高度與候選氣泡的匹配基元即投影高度之間的差值小于一定閾值時，則選為候選基元，否則，則去除此候選基元； (3)、經(jīng)過以上兩步，得到原氣泡的待匹配點集合，根據(jù)相機標(biāo)定時建立的基礎(chǔ)矩陣，求取氣泡的外極線方程，利用雙視角圖像中氣泡的最小距離外極線約束，將距離外極線幾何距離最近的匹配基元作為候選基元，以進(jìn)一步縮小匹配基元的范圍；
(4)、將篩選得到的匹配點進(jìn)行反向外極線求取，根據(jù)反向外極線約束，將篩選得到的待匹配基元作為原匹配基元，將原匹配基元作為待匹配基元，再基于多維閾值約束進(jìn)行計算，最終實現(xiàn)氣液兩相流中雙視角多氣泡準(zhǔn)確的同名匹配。采用基于單臺高速攝像機和折光分光光路組成的三維測量平臺或者采用兩臺高速攝像機組成的三維測量平臺獲取所述數(shù)字圖像。本發(fā)明的技術(shù)特點及效果 本發(fā)明方法基于多維閾值約束，綜合縱坐標(biāo)相容性約束、投影相容性約束、距離最小及反向外極約束，實現(xiàn)了雙視角多氣泡圖像中同名氣泡的準(zhǔn)確匹配，為氣液兩相流中氣泡特征參數(shù)三維重建奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。


圖I為基于兩臺高速攝像機的雙視角多氣泡圖像采集和測量系統(tǒng)。圖2為基于單臺高速攝像機的雙視角多氣泡圖像采集和測量系統(tǒng)。圖3為雙視角多氣泡的外極線匹配圖像，以圖2采集系統(tǒng)采集圖像為例。圖4為雙視角氣泡縱坐標(biāo)相容性約束示意圖。圖5為雙視角氣泡投影相容性約束示意圖。圖6為雙視角多氣泡同名匹配流程圖。
具體實施例方式本方法適用于基于單臺高速攝像機和折光分光光路組成的氣液兩相流特征參數(shù)三維測量平臺中雙視角多氣泡的同名匹配，同樣也適用于兩臺高速攝像機組成的三維測量平臺中雙視角多氣泡的同名匹配。針對匹配基元的選取，在獲得雙視角氣泡原始圖片基礎(chǔ)上，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過氣泡投影面積的區(qū)域特征，提取出氣泡的質(zhì)心點坐標(biāo)，并以此作為匹配的點狀特征，即點狀基元。同時，考慮雙視角圖像中左、右畫幅多個“氣泡對”的質(zhì)心縱坐標(biāo)近似相等，且在豎直平面上的投影高度近似相等。經(jīng)過綜合考慮，本發(fā)明選用質(zhì)心點作為主匹配基元，氣泡的投影高度作為輔匹配基元來進(jìn)行多氣泡的同名匹配。針對匹配準(zhǔn)則的選取，由于選取的為多氣泡點狀基元，數(shù)目一般較多，為了排除匹配上所存在的歧義，提高算法的效率，在選擇匹配策略及約束準(zhǔn)則時都有較高的要求?？紤]到氣泡透光性、容器及背景光源等因素的影響，以及基于單臺或兩臺高速攝像機的氣液兩相流三維測量系統(tǒng)本身所固有的幾何結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出一種基于多維閾值約束的雙視角多氣泡匹配方法，即選取極線約束作為主匹配準(zhǔn)則，并輔以縱坐標(biāo)相容性約束、投影相容性約束等來提高匹配精度，進(jìn)一步優(yōu)化匹配算法。具體匹配方法如下I、利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取待匹配圖像中多氣泡的質(zhì)心坐標(biāo)和投影高度，利用雙視角圖像中匹配基元(氣泡質(zhì)心)的縱坐標(biāo)相容性約束，判斷氣泡對的縱坐標(biāo)差值，當(dāng)大于一定閾值時，則認(rèn)為這兩個候選匹配基元不對應(yīng)，否則，將滿足條件的匹配基元作為候選基元，并對其進(jìn)行下一步判斷；2、將氣泡的投影高度選為匹配基元，利用雙視角圖像中氣泡的投影相容性約束，對候選基元進(jìn)行進(jìn)一步判斷，當(dāng)原氣泡的匹配基元(投影高度)與候選氣泡的匹配基元(投影高度)之間的差值小于一定閾值時，則選為候選基元，否則，則去除此候選基元；3、經(jīng)過以上兩步，得到原氣泡的待匹配點集合，根據(jù)相機標(biāo)定時建立的基礎(chǔ)矩陣，求取氣泡的外極線方程，利用雙視角圖像中氣泡的最小距離外極線約束，將距離外極線幾何距離最近的匹配基元作為候選基元，以進(jìn)一步縮小匹配基元的范圍；4、將篩選得 到的匹配點進(jìn)行反向外極線求取，根據(jù)反向外極線約束，將篩選得到的待匹配基元作為原匹配基元，將原匹配基元作為待匹配基元，再基于多維閾值約束進(jìn)行計算，最終實現(xiàn)氣液兩相流中雙視角多氣泡準(zhǔn)確的同名匹配。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。本專利申請發(fā)明一種全新的基于多維閾值約束的氣液兩相流中雙視角多氣泡圖像的同名匹配方法，其獨特之處在于根據(jù)氣液兩相流參數(shù)三維測量系統(tǒng)本身所固有的幾何結(jié)構(gòu)，以及雙視角氣泡圖像的特點，確定氣泡質(zhì)心點作為主匹配基元，投影高度作為輔匹配基元，外極線約束作為主匹配準(zhǔn)則，結(jié)合縱坐標(biāo)相容性約束、投影相容性約束、距離最小約束及反向外極線約束的多維閾值約束方法實現(xiàn)氣液兩相流中多氣泡的同名匹配。圖1、2所示為雙視角氣泡圖像采集系統(tǒng)，其中圖I為基于兩臺高速攝像機的氣泡采集及三維測量系統(tǒng)，兩臺高速攝像機交匯、對稱擺放，從兩個不同視角采集氣液兩相流中氣泡圖像并進(jìn)行三維重建；圖2為基于單臺高速攝像機的氣泡采集及三維測量系統(tǒng)，其中C為實體高速攝像機，經(jīng)兩組反射鏡組P:、P2和Mp M2虛擬為左、右虛擬攝像機Q、Ce,在此基礎(chǔ)上獲得氣液兩相流的雙視角多氣泡圖像并進(jìn)行三維重建。本發(fā)明專利適用于以上兩類平臺中采集的雙視角多氣泡圖像的同名匹配。圖3所示為以圖2采集系統(tǒng)為例采集的雙視角多氣泡圖像，以及極線匹配后的結(jié)果，其中紅色“ + ”號與藍(lán)色“ + ”號分別為左、右畫幅中氣泡的質(zhì)心，左畫幅中直線為右畫幅中氣泡質(zhì)心所對應(yīng)的外極線。從圖中可以看出，由于氣泡具有一定體積，而且形狀不規(guī)則，雖然外極線基本穿過理論上對應(yīng)的氣泡，且氣泡的質(zhì)心基本在外極線上或者距離外極線很近，但僅僅依靠外極線來進(jìn)行匹配顯然會產(chǎn)生很多誤匹配。因此，本發(fā)明提出一種基于多維閾值約束的雙視角多氣泡同名匹配方法。圖4所示為雙視角多氣泡縱坐標(biāo)相容性約束示意圖。如圖中所示，圖4A和圖4B分別為采集到的左、右雙視角圖像，以一個氣泡為例，雖然氣泡的不規(guī)則性導(dǎo)致提取出的氣泡質(zhì)心y向坐標(biāo)yi、^不一致，但根據(jù)三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其差值A(chǔ)y應(yīng)在一個很小的閾值范圍內(nèi)。因此，可利用兩視場中匹配基元(氣泡)的縱坐標(biāo)差值的絕對值作為一個約束條件，當(dāng)絕對值大于一定閾值時，則認(rèn)為這兩個候選匹配基元不對應(yīng)，否則將滿足條件的匹配基元作為候選基元，并對其進(jìn)行下一步判斷。圖5所示為雙視角多氣泡投影相容性約束示意圖。如圖中所示，圖5A和圖5B左右畫幅中的氣泡為同一氣泡在兩個不同方向上的投影，由雙視角圖像特點，雖然氣泡的投影面積差異可能較大，但是氣泡對的投影高度理論上應(yīng)該是相同的，實際中其差值應(yīng)該在一個很小的閾值范圍之內(nèi)。因此，可將氣泡的投影高度選為匹配基元，利用此閾值對候選基元進(jìn)行判斷，當(dāng)原氣泡的匹配基元(投影高度)與候選氣泡的匹配基元(投影高度)之間的差值小于一定閾值時，則選為候選基元，否則，則去除此候選基元，從而對合適的候選基元進(jìn)一步篩取。
圖6所示為雙視角多氣泡同名匹配流程圖。首先，利用氣液兩相流三維測量平臺采集原始圖像，經(jīng)過數(shù)字圖像處理，將氣泡的主要特征參數(shù)提取出來，包括氣泡的二維質(zhì)心坐標(biāo)及其對應(yīng)的投影高度，然后，通過標(biāo)定求取雙視角圖像的基礎(chǔ)矩陣，并基于多維閾值約束實現(xiàn)多氣泡的準(zhǔn)確同名匹配，具體如下I、縱坐標(biāo)相容性約束考慮到圖1、2所示三維采集和測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及圖像特點，雖然氣泡的不規(guī)則性導(dǎo)致了提取出的氣泡質(zhì)心y向坐標(biāo)差值A(chǔ) y在一個很小的閾值范圍內(nèi)。因此，可利用兩視場中匹配基元(氣泡)的縱坐標(biāo)差值的絕對值的大小作為一個評判條件，當(dāng)絕對值大于一定閾值時，則認(rèn)為這兩個候選匹配基元不對應(yīng)；否則，將滿足條件的匹配基元作為候選基元，并對其進(jìn)行下一步判斷。2、投影相容性約束一般情況下，進(jìn)行完縱坐標(biāo)相容性約束后，剩下的氣泡數(shù)量可能還比較多，可通過投影相容性約束，進(jìn)一步縮小匹配的范圍。雖然氣泡為同一氣泡在兩個不同方向上的投影，投影面積差異可能較大，但是氣泡的投影高度應(yīng)該是相同的，或差值在一個很小的閾值范圍之內(nèi)。因此，可將氣泡的投影高度選為匹配基元，利用此閾值再次對候選基元進(jìn)行判斷，當(dāng)原氣泡的匹配基元(投影高度)與候選氣泡的匹配基元(投影高度)之間的差值小于一定閾值時，則選為候選基元，否則，則去除此候選基元，從而完成合適的候選基元進(jìn)一步提取。3、距離最小約束經(jīng)過以上兩個約束匹配后，若只剩下一個匹配基元，則這一匹配基元就為其中一個畫幅中原匹配基元所對應(yīng)的匹配基元(即對應(yīng)的氣泡)，此時同名匹配便完成。然若仍留有兩個或者多個候選匹配基元，則還需要進(jìn)行距離最小極線約束運算。設(shè)左、右畫幅圖像中待匹配基元分別為Imi I i = 0, A，n}及Im'」I j = 0, A，k},則點m'(右畫幅中某一待匹配氣泡質(zhì)心)在左畫幅中相對應(yīng)的外極線方程I為I = F V其中F為相機標(biāo)定時建立的基礎(chǔ)矩陣，T表示轉(zhuǎn)置，求取{mi|i = 0，A，n}到極線I的距離，利用距離最小極線約束，即將到外極線的幾何距離最近的匹配基元作為候選基元，進(jìn)一步縮小匹配基元的范圍，以達(dá)成匹配。4、反向外極線約束通過距離最小極線約束，如右(虛擬)高速攝像機Ck所攝取的右畫幅圖像中還存在兩個或者多個候選匹配基元，則可進(jìn)行反向外極線匹配?？紤]雙視角氣泡圖像各自覆蓋了一個二維平面的信息，且信息一般存在較大的差異，同時，根據(jù)極線幾何原理，兩攝像機的空間幾何關(guān)系具有對應(yīng)性和互逆性。在外極線約束匹配的基礎(chǔ)上，將右畫幅中經(jīng)過縱坐標(biāo)相容性約束、投影相容性約束及距離最小約束后，所剩下的待匹配基元作為原匹配基元，將左畫幅中的原匹配基元作為待匹配基元，再進(jìn)行以上多維閾值約束匹配，從右畫幅中剩下的幾個原匹配基元中選出與左畫幅中待匹配基元最對應(yīng)的基元，從而實現(xiàn)多氣泡準(zhǔn)確的同名匹配。按照圖6所示流程，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取氣泡的質(zhì)心坐標(biāo)和投影高度，根據(jù)質(zhì)心的縱坐標(biāo)相容性約束和投影高度約束得出待匹配點集合，求取外極線方程，根據(jù)最小距離外極線約束對待匹配點集 合進(jìn)行篩選，將篩選得到的匹配點進(jìn)行反向求取，最終完成同名匹配。
權(quán)利要求
1.一種基于多維閾值約束的雙視角多氣泡同名匹配方法，其特征是，包括下列步驟 (1)、利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取待匹配圖像中多氣泡的質(zhì)心坐標(biāo)和投影高度，利用雙視角圖像中匹配基元即氣泡質(zhì)心的縱坐標(biāo)相容性約束，判斷氣泡對的縱坐標(biāo)差值，當(dāng)大于一定閾值時，則認(rèn)為這兩個候選匹配基元不對應(yīng)，否則，將滿足條件的匹配基元作為候選基元，并對其進(jìn)行下一步判斷； (2)、將氣泡的投影高度選為匹配基元，利用雙視角圖像中氣泡的投影相容性約束，對候選基元進(jìn)行進(jìn)一步判斷，當(dāng)原氣泡的匹配基元即投影高度與候選氣泡的匹配基元即投影高度之間的差值小于一定閾值時，則選為候選基元，否則，則去除此候選基元； (3)、經(jīng)過以上兩步，得到原氣泡的待匹配點集合，根據(jù)相機標(biāo)定時建立的基礎(chǔ)矩陣，求取氣泡的外極線方程，利用雙視角圖像中氣泡的最小距離外極線約束，將距離外極線幾何距離最近的匹配基元作為候選基元，以進(jìn)一步縮小匹配基元的范圍； (4)、將篩選得到的匹配點進(jìn)行反向外極線求取，根據(jù)反向外極線約束，將篩選得到的待匹配基元作為原匹配基元，將原匹配基元作為待匹配基元，再基于多維閾值約束進(jìn)行計算，最終實現(xiàn)氣液兩相流中雙視角多氣泡準(zhǔn)確的同名匹配。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征是，采用基于單臺高速攝像機和折光分光光路組成的三維測量平臺或者采用兩臺高速攝像機組成的三維測量平臺獲取所述數(shù)字圖像。
全文摘要
本發(fā)明本發(fā)明涉及流體氣泡測量、圖像處理。為滿足氣液兩相流特征參數(shù)三維測量系統(tǒng)中，左、右畫幅雙視角多氣泡的準(zhǔn)確同名匹配，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于多維閾值約束的雙視角多氣泡同名匹配方法，包括下列步驟(1)利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取待匹配圖像中多氣泡的質(zhì)心坐標(biāo)和投影高度，判斷氣泡對的縱坐標(biāo)差值，并對其進(jìn)行下一步判斷；(2)利用雙視角圖像中氣泡的投影相容性約束，對候選基元進(jìn)行進(jìn)一步判斷；(3)將距離外極線幾何距離最近的匹配基元作為候選基元；(4)將篩選得到的匹配點進(jìn)行反向外極線求取，再基于多維閾值約束進(jìn)行計算，最終實現(xiàn)同名匹配。本發(fā)明主要應(yīng)用于流體氣泡測量。
文檔編號G01N21/84GK102621143SQ20121001968
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月21日
發(fā)明者曹兆峰, 薛婷, 金俞鑫 申請人:天津大學(xué)