專(zhuān)利名稱(chēng)：一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)及其顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水流中流跡線的顯示系統(tǒng)及其顯示方法，具體涉及一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)及其顯示方法，屬于水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)：
流跡線是水流中流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間過(guò)程中的流動(dòng)軌跡線，是水流運(yùn)動(dòng)的重要特性之一，特別是對(duì)于河流海岸工程中航道整治、河流治理等關(guān)鍵問(wèn)題，流跡線的確定至關(guān)重要。但由于水是無(wú)色透明的液體，實(shí)現(xiàn)流跡線的動(dòng)態(tài)可視化顯示一直是水流研究中的重要內(nèi)容。目前，水流中流跡線的顯示方法主要有以下兩類(lèi)第一類(lèi)是通過(guò)往水流中添加有色染料(如墨水、高錳酸鉀)形成有色水體，有色水體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)流動(dòng)軌跡，然后通過(guò)相機(jī)拍照便可記錄水流跡線，由于該方法中水流與添加的染料摻混在一起，實(shí)質(zhì)上改變了水流的密度、粘性等性質(zhì)，對(duì)流態(tài)的影響較大，而且由于水流的對(duì)流擴(kuò)散等原因?qū)е滦纬傻牧髹E線不夠明顯；另一類(lèi)是向水流中布撒跟隨性較好但不會(huì)與水流發(fā)生摻混的示蹤粒子(如紙屑、塑料小球等)，該方法減小了對(duì)水流性質(zhì)的影響，但由于示蹤粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法自然形成流動(dòng)軌跡，通常采用延長(zhǎng)相機(jī)曝光時(shí)間記錄粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的方法來(lái)顯示流跡線，但該方法顯示的流跡線通常比較模糊，而且只是單張照片，無(wú)法顯示流跡線的動(dòng)態(tài)變化。此外，現(xiàn)有技術(shù)中獲取流跡線的裝置僅僅是相機(jī)，相機(jī)獲取的只是單張照片，無(wú)法顯示流跡線的動(dòng)態(tài)變化，所以亟需研發(fā)一種能夠產(chǎn)生連續(xù)圖像并且動(dòng)態(tài)顯示流跡線的裝置或系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)及其顯示方法。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，包括河工模型、流跡線示蹤粒子、攝像機(jī)和數(shù)字圖像處理裝置，所述示蹤粒子布撒于河工模型的水流中，所述攝像機(jī)垂直于河工模型的水流表面固定拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)視頻，所述攝像機(jī)與數(shù)字圖像處理裝置連接。作為優(yōu)選，所述示蹤粒子呈橢圓流線形狀，示蹤粒子的長(zhǎng)軸寬度是示蹤粒子短軸高度的2 4倍；攝像機(jī)為高清攝像機(jī)，垂直于水面固定拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)視頻，為數(shù)字圖像處理裝置提供高質(zhì)量的視頻圖像。作為優(yōu)選，所述示蹤粒子的密度與水流密度接近，示蹤粒子漂浮于水流表面，具有較好的跟隨性，并具有較好散光性，不會(huì)與水體發(fā)生摻混。此外，示蹤粒子的顏色與水體顏色具有明顯差別，以便高清攝像機(jī)拍攝清晰的粒子圖像。本發(fā)明的一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示方法，包括以下步驟在水流中布撒示蹤粒子，用攝像機(jī)拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，然后通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法動(dòng)態(tài)顯示水流中流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。其中，所述在水流中布撒示蹤粒子的步驟中，示蹤粒子均勻布撒在河工模型中跡線起始斷面。所述通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法動(dòng)態(tài)顯示水流中流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的步驟，包括I)運(yùn)用數(shù)字圖像處理的方法，提取拍攝的視頻中流跡線示蹤粒子的單幀圖像；2)通過(guò)閾值分割的方法提取出每幀圖像中的示蹤粒子和背景圖像，記錄每幀圖像 中的示蹤粒子像素位置；3)將當(dāng)前幀圖像以前所有的示蹤粒子圖像位置全部用顯眼的顏色標(biāo)記在背景圖像中，形成明顯的流跡線；4)將處理后的每幀數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為連續(xù)播放的視頻，動(dòng)態(tài)顯示流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。有益效果本發(fā)明的一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搭建，有利于推廣使用；本發(fā)明的一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示方法，不僅可以清晰地顯示流跡線，而且可以動(dòng)態(tài)地顯示流跡線的變化過(guò)程，為防洪抗旱、保護(hù)環(huán)境等提供技術(shù)支撐。


圖I為本發(fā)明的水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)示意圖；圖2為流跡線顯示圖像示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明的一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，包括河工模型I、流跡線示蹤粒子2、攝像機(jī)3和數(shù)字圖像處理裝置4，示蹤粒子2布撒于河工模型I的水流中，攝像機(jī)3垂直于河工模型I的水流表面固定拍攝示蹤粒子2的運(yùn)動(dòng)視頻，攝像機(jī)3與數(shù)字圖像處理裝置4連接。數(shù)字圖像裝置4主要包括圖像采集卡、視頻連接線、電腦、數(shù)字圖像處理軟件，其中圖像采集卡插在電腦PCI插槽內(nèi)，通過(guò)視頻連接線與攝像機(jī)3相連，數(shù)字圖像處理軟件包括圖像采集模塊、圖像分割模塊、標(biāo)記粒子模塊、顯示跡線模塊及生成動(dòng)畫(huà)視頻模塊，數(shù)字圖像處理軟件控制圖像采集卡實(shí)時(shí)采集粒子運(yùn)動(dòng)圖像，顯示流跡線并生成動(dòng)畫(huà)視頻。河工模型I是根據(jù)天然河流按照一定比尺縮小而成的實(shí)體模型，是在河流海岸中航道整治、河流治理等關(guān)鍵問(wèn)題中，用以模擬河道水流泥沙運(yùn)動(dòng)及河床演變情況的一種重要研究手段。本實(shí)施例中采用的流跡線示蹤粒子2是實(shí)體模型表面流場(chǎng)圖像測(cè)試的高性能示蹤粒子，見(jiàn)發(fā)明專(zhuān)利“實(shí)體模型表面流場(chǎng)圖像測(cè)試的高性能示蹤粒子及其制作方法”中的描述，該發(fā)明專(zhuān)利的授權(quán)公開(kāi)號(hào)為CN100595546C。示蹤粒子2呈橢圓流線形狀，示蹤粒子2的長(zhǎng)軸寬度是示蹤粒子2短軸高度的2 4倍，優(yōu)選為長(zhǎng)軸寬度是短軸高度的3倍。該示蹤粒子2采用PP材料與天然石膏調(diào)制而成，與水流密度接近，漂浮于水流表面，跟隨性好，不易擱淺，不易聚集。示蹤粒子2的顏色與水體顏色具有明顯差別，以便高清攝像機(jī)拍攝清晰的粒子圖像，通常顏色為純白色且具有較好的散光性，能與水體顏色較好地區(qū)別開(kāi)來(lái)。攝像機(jī)3為高清攝像機(jī)，高清攝像機(jī)垂直于實(shí)體河工模型I水流表面，拍攝流跡線示蹤粒子2的運(yùn)動(dòng)視頻。視頻拍攝完成后，導(dǎo)入數(shù)字圖像處理裝置4中，該裝置包括圖像分害I]、標(biāo)記粒子、顯示跡線、動(dòng)畫(huà)視頻四個(gè)模塊，通過(guò)數(shù)字圖像處理生成流跡線運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)視頻實(shí)現(xiàn)流跡線的動(dòng)態(tài)顯示。本發(fā)明的一種水流 中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示方法，包括以下步驟a)在水流中布撒示蹤粒子2，即在河工模型I中跡線起始斷面均勻布撒流跡線示蹤粒子2 ；b)用攝像機(jī)3拍攝不S示粒子2的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；c)視頻拍攝完成后，導(dǎo)入數(shù)字圖像處理裝置4中，通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法動(dòng)態(tài)顯示水流中流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，主要包括以下步驟I)運(yùn)用數(shù)字圖像處理方法提取視頻中流跡線示蹤粒子2運(yùn)動(dòng)的單幀圖像；2)通過(guò)閾值分割的方法提取出每幀圖像中的示蹤粒子2和背景圖像，記錄每幀圖像中的示蹤粒子2像素位置；3)將當(dāng)前幀圖像以前所有的示蹤粒子2圖像位置全部用純白色(三通道灰度值(R，G，B)為(255，255，255))的顏色標(biāo)記在背景圖像中，形成明顯的流跡線5 ;4)將處理后的每幀數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為連續(xù)播放的視頻，動(dòng)態(tài)顯示流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。圖2所示為生成的流跡線圖像，流跡線5的動(dòng)畫(huà)視頻可動(dòng)態(tài)顯示每一個(gè)流跡線示蹤粒子2從流跡線5起始點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，其特征在于包括河工模型(I)、流跡線示蹤粒子(2)、攝像機(jī)(3)和數(shù)字圖像處理裝置(4)，所述示蹤粒子(2)布撒于河工模型(I)的水流中，所述攝像機(jī)(3)垂直于河工模型(I)的水流表面固定拍攝示蹤粒子(2)的運(yùn)動(dòng)視頻，所述攝像機(jī)(3)與數(shù)字圖像處理裝置(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，其特征在于所述示蹤粒子(2)呈橢圓流線形狀，示蹤粒子(2)的長(zhǎng)軸寬度是示蹤粒子(2)短軸高度的2 4倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，其特征在于所述示蹤粒子(2)的密度與水流密度接近，示蹤粒子(2)漂浮于水流表面。
4.一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示方法，其特征在于包括以下步驟在水流中布撒示蹤粒子(2)，用攝像機(jī)(3)拍攝示蹤粒子(2)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，然后通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法動(dòng)態(tài)顯示水流中流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，其特征在于所述在水流中布撒示蹤粒子(2)的步驟中，示蹤粒子(2)均勻布撒在河工模型(I)中跡線起始斷面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，其特征在于所述通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法動(dòng)態(tài)顯示水流中流跡線(5)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的步驟，包括 1)運(yùn)用數(shù)字圖像處理的方法，提取拍攝的視頻中流跡線示蹤粒子(2)的單幀圖像； 2)通過(guò)閾值分割的方法提取出每幀圖像中的示蹤粒子(2)和背景圖像，記錄每幀圖像中的示蹤粒子(2)像素位置； 3)將當(dāng)前幀圖像以前所有的示蹤粒子(2)圖像位置全部用顯眼的顏色標(biāo)記在背景圖像中，形成明顯的流跡線(5)； 4)將處理后的每幀數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為連續(xù)播放的視頻，動(dòng)態(tài)顯示流跡線(5)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)及其顯示方法，該系統(tǒng)包括河工模型、流跡線示蹤粒子、攝像機(jī)和數(shù)字圖像處理裝置；該方法包括在水流中布撒流跡線示蹤粒子，用攝像機(jī)拍攝示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)視頻，然后通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法提取單幀粒子圖像，用圖像分割的方法提取粒子圖像，用某種顯眼的顏色將每幀圖像中示蹤粒子的位置標(biāo)記在當(dāng)前背景圖像中形成流跡線，最后將處理后的每幀數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為連續(xù)播放的視頻，動(dòng)態(tài)顯示流跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搭建，有利于推廣使用；本發(fā)明的方法不僅可以清晰地顯示流跡線，而且可以動(dòng)態(tài)地顯示流跡線的變化過(guò)程，為防洪抗旱、保護(hù)環(huán)境等提供技術(shù)支撐。
文檔編號(hào)G01M10/00GK102620903SQ20121007910
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者唐洪武, 李開(kāi)杰, 肖洋, 陳誠(chéng), 雷鳴 申請(qǐng)人:河海大學(xué)