一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法。所述空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法，首先對第n時刻和第n+1時刻的圖像進(jìn)行降噪處理，然后根據(jù)第n時刻的查詢窗口參數(shù)更新第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，最后根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，對第n時刻和第n+1時刻圖像進(jìn)行PIV流場矢量估計，得到全場速度矢量，其中查詢窗口參數(shù)由人工指定。本發(fā)明專利技術(shù)提供的空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測量方法突破了傳統(tǒng)的粒子圖像測速方法單向計算的計算模式，能自動適應(yīng)流暢局部流動的特點，自動調(diào)整查詢窗口參數(shù)，無需人工干預(yù)地優(yōu)化局部查詢窗口尺寸和形狀，計算的時間復(fù)雜度降低，能實現(xiàn)在線查詢窗口參數(shù)調(diào)整，魯棒性較好，測量精度高。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法
本專利技術(shù)屬于流體測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法。
技術(shù)介紹
粒子圖像測速(ParticleImageVelocimetry簡稱PIV)是一種用多次攝像記錄流場中粒子的位置，分析攝得圖像，從而測出流動速度的方法。測量原理是在流體中添加能夠與之共同移動的示蹤粒子，使用激光片光源將之照亮，使得看不見的流體可視化為離散的亮點，通過相機記錄圖像并按照一定的規(guī)則識別出在同一幅圖像或兩幅圖像上對應(yīng)的粒子或粒子集合對，得到粒子或粒子集合的運動速度，并以此作為粒子或粒子集合所在位置的流場的速度。如今，PIV作為一種全場非接觸無擾動測量方法廣泛應(yīng)用于實驗流體力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、工業(yè)制造等諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)PIV相關(guān)計算方法是從獨立存在的兩幅圖像通過一定的判別規(guī)則。例如，互相關(guān)計算，首先建立離散的查詢窗口，并假設(shè)窗口內(nèi)所有示蹤粒子以相同的速度做剛性運動，通過計算粒子集合的互相關(guān)系數(shù)，得到概率最佳配準(zhǔn)位移，然后用該位移表征該窗口內(nèi)所有粒子的速度矢量，最終得到流場中各區(qū)域的流速矢量。迄今，人工定義查詢窗口的方法，當(dāng)速度矢量場為非定常流動的時候?qū)АＨ欢鴮嵤律隙ǔＡ鲃又皇且粋€理想化的狀態(tài)，任何流動都只可能是在一定范圍內(nèi)的近似定常流動，沒有絕對的定常流動。因為流動結(jié)構(gòu)特點在被測區(qū)域上的空間位置會隨著時間變化移動，所以如果采用人工設(shè)置的方法，PIV用戶仍然需要具有相當(dāng)豐富的知識和經(jīng)驗來人為選擇最優(yōu)化的數(shù)據(jù)記錄參數(shù)和恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析處理參數(shù)，特別是相關(guān)運算的查詢窗口尺寸的設(shè)置。在設(shè)置這一參數(shù)時，須在魯棒性，精度和有效空間分辨率等“目標(biāo)”權(quán)衡。此外由于所觀測流場各局部區(qū)域之間的示蹤粒子密度，圖像質(zhì)量和流動條件具有不可避免的差異和變化，對流場采用全局統(tǒng)一單一的分析參數(shù)設(shè)置將永遠(yuǎn)無法實現(xiàn)對整個流場的各部分均有效的最優(yōu)化。在高超聲速測量時，查詢窗口參數(shù)設(shè)置問題顯得尤為重要。文獻(xiàn)號為CN101629966B的中國專利文獻(xiàn)，公開了一種粒子圖像測速處理方法，其中公開了利用構(gòu)建粒子匹配水平集函數(shù)和最小化能量函數(shù)的方法，實現(xiàn)PIV圖像矢量估計的處理方法。然而，該方法仍然存在以下缺陷：首先，該方法雖然在平滑約束項和基本約束項中了做了優(yōu)化改進(jìn)，該方法仍是一個單向性的計算過程，對于不同流場，其精度受計算過程參數(shù)的影響較大，魯棒性不夠；其次，對于高速流場，由于速度變化劇烈，該方法無法算法做出自適應(yīng)調(diào)整，計算精度會降低。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本專利技術(shù)提供了一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法，其目的在于通過在線調(diào)整查詢窗口參數(shù)，由此解決現(xiàn)有技術(shù)查詢窗口參數(shù)設(shè)置不能隨流場變化而變化，造成現(xiàn)有粒子圖像測數(shù)矢量估計方法魯棒性不夠或精度較低的技術(shù)問題。為實現(xiàn)上述目的，按照本專利技術(shù)的一個方面，提供了一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法，包括以下步驟：（1）對第n時刻和第n+1時刻的圖像進(jìn)行降噪處理；（2）根據(jù)第n時刻的查詢窗口參數(shù)更新第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)；（3）根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，結(jié)合第n和n+1時刻圖像進(jìn)行n到n+1時刻間的流場矢量估計，得到全場速度矢量；所述第n時刻的查詢窗口參數(shù)，當(dāng)n為1時，查詢窗口參數(shù)由人工指定。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其查詢窗口參數(shù)包括：查詢窗口長度、查詢窗口寬度、查詢窗口角度和重疊率。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其步驟（2）采用自適應(yīng)迭代算法更新查詢窗口參數(shù)，具體過程為：將第n時刻的查詢窗口參數(shù)作為初始查詢窗口參數(shù)，使用互相關(guān)方法計算全場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強度，并根據(jù)全場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強度計算查詢窗口參數(shù)估計，如果查詢窗口參數(shù)估計與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，則將更新查詢窗口參數(shù)作為第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，否則將查詢窗口參數(shù)估計作為初始查詢窗口參數(shù)，再次調(diào)整，直至查詢窗口參數(shù)估計與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，將查詢窗口參數(shù)估計作為第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其計算查詢窗口參數(shù)估計的方法包括以下步驟：（a）根據(jù)初始查詢窗口參數(shù)，采用互相關(guān)計算，得到全場速度矢量U、速度梯度Ux、Uy和峰值強度P；（b）計算全場速度矢量U的海瑟張量矩陣的特征向量，獲得當(dāng)前時刻流場動態(tài)特性信息：海瑟張量矩陣：其中，Uxx、Uxy、Uxy和Uyy為全場速度矢量U的四個二階偏導(dǎo)數(shù)；根據(jù)海瑟張量結(jié)構(gòu)矩陣，計算其特征值：λ1、λ2、特征向量最小曲率半徑rmin，最大曲率半徑rmax；角度θ；λ1、λ2為det|H-λI|=0的兩個根，為(H-λI)X=0對應(yīng)的兩個基礎(chǔ)解系，最小曲率半徑rmin、最大曲率半徑rmax、角度θ其計算公式分別為：（c）估計查詢窗口參數(shù)：查詢窗口長度lx估計為：查詢窗口寬度估計為：ly=lx/ε查詢窗口角度估計為：其中，長寬比系數(shù)ε=lx/ly=k*rmax/rmin，補償系數(shù)l為上次使用的窗口大小；查詢窗口重疊率（overlap）估計，按照Uxx和Uyy越大，窗口重疊率增大的原則調(diào)整。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，對所述rmax/rmin進(jìn)行閾值約束，使rmax/rmin不超過一定閾值。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，所述rmax/rmin的閾值等于4。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其窗口重疊率，在0.4、0.5、0.6、0.8中選擇。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其對第n時刻和第n+1時刻圖進(jìn)行降噪的處理的方法可采用高斯濾波方法、均值濾波方法或中值濾波方法。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其對第n時刻和第n+1時刻圖像進(jìn)行PIV流場矢量估計可采用基于FFT-CC的互相關(guān)算法或者梯度光流法。優(yōu)選地，所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其對所述全場速度矢量，在局部鄰域內(nèi)使用濾波器，如高斯權(quán)重濾波器，剔除掉一些誤矢量，然后利用線性插值函數(shù)將剔除的矢量重新插補，得到最終的全場速度矢量U。總體而言，通過本專利技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用引入了空間分辨率反饋參數(shù)，突破了傳統(tǒng)的粒子圖像測速方法單向計算的計算模式，能自動適應(yīng)流暢局部流動的特點，自動調(diào)整查詢窗口參數(shù)，無需人工干預(yù)地優(yōu)化局部查詢窗口尺寸和形狀；同時計算的時間復(fù)雜度降低，能實現(xiàn)在線查詢窗口參數(shù)調(diào)整；本專利技術(shù)提供的空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法魯棒性較好，提高了分析處理的空間分辨率，對低速和告訴流暢測量精度都取得了提高。附圖說明圖1是空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速適量估計方法的流程圖；圖2是實施例過程示意圖；圖3是計算流場速度矢量的互相關(guān)函數(shù)分布圖；具體實施方式為了使本專利技術(shù)的目本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）對第n時刻和第n+1時刻的圖像進(jìn)行降噪處理；（2）根據(jù)第n時刻的查詢窗口參數(shù)更新第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)；（3）根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，結(jié)合第n和n+1時刻圖像進(jìn)行n到n+1時刻間的流場矢量估計，得到全場速度矢量。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種空間分辨率自適應(yīng)調(diào)整的粒子圖像測速矢量估計方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)對第n時刻和第n+1時刻的圖像進(jìn)行降噪處理；(2)根據(jù)第n時刻的查詢窗口參數(shù)更新第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)；(3)根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，根據(jù)第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，結(jié)合第n和n+1時刻圖像進(jìn)行n到n+1時刻間的流場矢量估計，得到全場速度矢量；所述步驟(2)采用自適應(yīng)迭代算法更新查詢窗口參數(shù)，具體過程為：將第n時刻的查詢窗口參數(shù)作為初始查詢窗口參數(shù)，使用互相關(guān)方法計算全場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強度，并根據(jù)全場速度矢量、速度梯度大小方向和峰值強度計算查詢窗口參數(shù)估計，如果查詢窗口參數(shù)估計與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，則將查詢窗口參數(shù)估計作為第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)，否則將查詢窗口參數(shù)估計作為初始查詢窗口參數(shù)，再次調(diào)整，直至查詢窗口參數(shù)估計與初始查詢窗口參數(shù)的差值小于給定閾值，將查詢窗口參數(shù)估計作為第n+1時刻的查詢窗口參數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其特征在于，所述查詢窗口參數(shù)包括：查詢窗口長度、查詢窗口寬度、查詢窗口角度和重疊率。3.如權(quán)利要求1所述的粒子圖像測速矢量估計方法，其特征在于，計算查詢窗口參數(shù)估計的方法包括以下步驟：(a)根據(jù)初始查詢窗口參數(shù)，采用互相關(guān)計算，得到全場速度矢量U、速度梯度Ux、Uy和峰值強度P；(b)計算全場速度矢量U的海瑟張量矩陣的特征向量，獲得當(dāng)前時刻流場動態(tài)特性信息：海瑟張量矩陣：其中，Uxx、Uxy、Uxy和Uyy為全場速度矢量U的四個二階偏導(dǎo)數(shù)；根據(jù)海瑟張量結(jié)構(gòu)矩陣，計算其特征值：λ1、λ2、特征向量最小曲率半徑rmin，最大曲率半徑rmax；角度θ；λ1、λ2為det|H-λI|＝0的兩個根，為(H-λI)X＝0對應(yīng)的兩個基礎(chǔ)解系，最小曲率...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊華，尹周平，鐘強龍，張步陽，熊有倫，李勇，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：